您现在的位置是:首页 > AC/DC > 技术解析

利用Σ-Δ ADC在工业多通道数据采集系统中进行信号调理

时间:2018-07-06 来源:互联网

引言

本文引用地址: http://power.21ic.com//ac/technical/201807/71928.html

许多高端工业应用中,高性能数据采集系统(DAS)与各种传感器之间需要提供适当的接口电路。如果信号接口要求提供多通道、高精度的幅度和相位信息,这些工业应用可以充分利用MAX11040等ADC的高动态范围、同时采样以及多通道优势。本文介绍了MAX11040的Σ-Δ架构,以及如何合理选择设计架构和外部元件,以获得最佳的系统性能。

高速、Σ-Δ架构的优势

图1所示为高端三相电力线监视/测量系统,这类工业应用需要以高达117dB的动态范围、64ksps采样速率精确地进行多通道同时采集数据。为了获得最高系统精度,必须正确处理来自传感器(例如,图1中的CT、PT变压器)的信号,以满足ADC输入量程的要求,从而保证DAS的性能指标满足不同国家相关标准的要求。

基于MAX11040的DAS在电网监控中的应用

图1. 基于MAX11040的DAS在电网监控中的应用

从图1可以看到,采用两片MAX11040 ADC可以同时测量交流电的三相及零相的电压和电流。该ADC基于Σ-Δ架构,利用过采样/平均处理得到较高的分辨率。每个ADC通道利用其专有的电容开关Σ-Δ调制器进行模/数转换。该调制器将输入信号转换成低分辨率的数字信号,它的平均值代表输入信号的量化信息,时钟频率为24.576MHz时对应的采样率为3.072Msps。数据流被送入内部数字滤波器处理,消除高频噪声。处理完成后可以得到高达24位的分辨率。

MAX11040为4通道同时采样ADC,其输出数据是处理后的平均值,这些数值不能像逐次逼近(SAR) ADC的输出那样被看作是采样“瞬间”的数值¹,²。

MAX11040能够为设计人员提供SAR架构所不具备的诸多功能和特性,包括:1ksps采样率下高达117dB的动态范围;积分非线性和微分非线性(INL、DNL)也远远优于SAR ADC;独特的采样相位(采样点)调节能够从内部补偿外部电路(驱动器、变压器、输入滤波器等)引入的相位偏移。

另外,MAX11040集成一个数字低通滤波器,处理每个调制器产生的数据流,得到无噪声、高分辨率的数据输出。该低通滤波器具有复杂的频率响应函数,具体取决于可编程输出数据率。输入端的阻/容(RC)滤波器结合MAX11040的数字低通滤波器,大大降低了MAX11040输入信号通道抗混叠滤波器的设计难度,甚至可以完全省去抗混叠滤波器。表1列举了MAX11040的部分特性,关于MAX11040数字低通滤波器或表中列出的特性指标的详细信息,请参考器件数据资料。

表1. MAX11040 ADC的关键指标

MAX11040 ADC的关键指标

电力线应用对ADC性能的要求

电力线监控应用中,CT (电流)互感器和PT (电压)互感器输出范围的典型值为:±10V或±5V峰峰值(VP-P)。而MAX11040的输入量程为±2.2VP-P,低于CT和PT互感器的典型输出。不过,可以利用一个简单的低成本方案将±5V或±10V互感器输出调整到MAX11040较低的输入量程以内,电路如图2所示。

电力线应用

连接到通道1的电路代表一个单端设计,这种配置下,变压器的一端接地,通过一个简单的电阻分压器和电容完成信号调理。

对于共模噪声(该噪声在ADC的两个输入端具有相同幅度)比较严重的应用场合,推荐采用图中通道4所示差分连接电路。利用MAX11040的真差分输入大大降低共模噪声的影响。

图2. MAX11040在电力线监控典型应用中的原理框图,图中给出了一个±10V或±5V输出的变压器接口。通道4接口电路采用差分设计,通道1采用单端设计。

PT和CT测量变压器相当于低阻互感器(等效阻抗RTR通常在10Ω至100Ω量级)。为方便计算,以下示例中假设:变压器相当于一个有效输出电阻RTR = 50Ω的电压源;为便于演示,变压器可以由一个50Ω输出阻抗的低失真函数发生器代替,如图3所示。MAX11040的输入阻抗与时钟速率、ADC输入电容有关。连接适当的旁路电容C3,设定XIN时钟频率 = 24.576MHz,则得到输入阻抗RIN等于130kΩ ±15%,误差取决于内部输入电容的波动。

R1、R2组成的电阻分压网络将±10V或±5V输入信号转换成ADC要求的±2.2V满量程范围(FSR)。为确保该电路工作正常,需要优化R1和R2电阻值,以及C1、C2和C3电容的选择,以满足±10V或±5V输入的要求。电阻R1和R2必须有足够高的阻抗,避免CT和PT变压器输出过载。同时,R2阻值还要足够小,以避免影响ADC的输入阻抗(R2 << RIN)。

对于单端设计,图2中MAX11040通道1的输入电压VIN(f),可以利用式1计算:

程序 (式1)

式中:VTR是CT和PT变压器的输出电压。RTR是变压器的等效阻抗。R1、R2构成电阻分压网络。RIN是MAX11040的输入阻抗。R2llRIN是R2和RIN的并联阻抗。C3为输入旁路电容。f是输入信号频率。VIN(f)是MAX11040的输入电压。

可以利用类似方法进行差分输入设计。

为保持高精度电阻分压比和正确的旁路特性,应选取低温度系数、精度为1%甚至更好的金属薄膜电阻。电容应选取高精度陶瓷电容或薄膜电容。最好选择信誉较好的供应商购买这些元件,例如Panasonic®、Rohm®、Vishay®、Kemet®和AVX®等。

MAX11040EVKIT提供了一个全功能、8通道DAS系统,评估板能够帮助设计人员加快产品的开发进程,例如,验证图2中所推荐的原理图方案。

图3. 基于MAX11040EVKIT的开发系统框图,需要两个精密仪表对测量通道进行适当校准。测量结果可以通过USB发送到PC机,然后转换成Excel®文件作进一步处理。

基于MAX11040EVKIT的开发系统框图

函数发生器产生的±5V信号连接到MAX11040的通道2,而另一函数发生器产生的±10V信号连接到MAX11040的输入通道1。电阻分压网络R1/R2和R3/R4对±5V或±10V输入进行相应的调整,使其接近ADC的满量程范围(FSR = ±2.2VP-P)。

电阻分压网络R1和R2的取值以及旁路电容C1和C2的取值如表2所示,均由式1计算得到,接近最佳的输入动态范围(约±2.10VP-P)。该动态范围限制在0.05%相当高的精度范围,非常适合MAX11040。有关精度指标的详细信息,请参考MAX11040数据资料。

表2. 图3中的电阻和旁路电容计算 VTR

图3中的电阻和旁路电容计算 VTR

表2列出的计算值均来自式1的计算结果和图3定义的精确测量。表格顶部给出了式1在标称输入电压下的理论计算结果,选择标准的分立元件。表2底部给出了演示系统中实际测量的元件值以及测试误差,同时还给出了用于FSR校准和计算得到的KCAL系数,计算公式如下:

校准系数KCAL按照式2计算:

KCAL = VTRMAX/(VADCMAX - VADC0) (式2)

式中:VTRMAX是输入最大值,分别代表±5V或±10V输入信号。VADCMAX是测量、处理后的ADC值,MAX11040评估板设置与图3相同,输入信号设置为VTRMAX。VADC0是测量、处理后的ADC值,MAX11040评估板设置与图3相同,输入信号设置为VIN = 0 (系统零失调测量)。KCAL (本实验中)是针对特别通道的校准系数,根据VADC计算输入信号VTR。

KCAL误差计算显示只基于标称值的KCAL“理论值”可能与基于实际测量值计算的KCAL之间存在1%左右的误差。

所以,只是依靠理论计算还不足以支持实际要求;如果设计中需要达到EU IEC 62053标准要求的0.2%精度,就必须对每个测量通道进行满量程(FSR)校准。

表3所示结果验证了½ FSR输入信号的测量。利用高精度HP3458A万用表测量数据,利用式2中的校准系数KCAL得到ADC测量值和计算值。

表3. 验证½ FSR输入信号对应的测量结果

验证½ FSR输入信号对应的测量结果

表3中的VTR_M表示输入½ FSR信号时的测量值,而VTR_C表示基于MAX11040测量值和KCAL处理、计算得到的数值。

结果显示调理后的电路测量误差VERR低于0.03%,可轻松满足EU IEC 62053规范要求的0.2%精度指标。

图4. MAX11040EVKIT GUI允许用户方便地设置各种测量条件:12.8ksps、256采样点/周期和1024次转换。此外,GUI的计算部分提供了一个进行快速工程运算的便捷工具。

MAX11040EVKIT GUI允许用户方便地设置各种测量条件

测量结果也可以通过USB口传送到PC端,从而利用强大的(而且免费)的Excel进行详细的数据分析。

结论

MAX11040等高性能多通道同时采样、Σ-Δ ADC非常适合工业应用的数据采集系统。这些新型ADC设计能够提供高达117dB的动态范围,有效改善积分非线性和微分非线性,采样速率高达64ksps。选择适当的信号调理电路,MAX11040能够满足甚至优于高级“智能”电网监控系统的指标要求¹。

换一批

延伸阅读

[真心话] 大数据征信的黑白两面:社交数据能否做依据

大数据征信的黑白两面:社交数据能否做依据

“从放贷人那里采集借款人信息”,这是中国人民银行征信中心副主任王晓蕾对于“征信”的理解,也是学院派对于征信的经典界定,然而革新者已经抛弃了这一界定,与之一同被抛弃的还有征信数据采集限于“金融属性信息”的范畴和“采集者与信息产生没有任何关系”......

关键字:上海外滩 数据采集 人民银行 学院派 第三方

[猎聘集] 浅谈多通道职业发展路线

浅谈多通道职业发展路线

时提到的修订公司业务序列晋升办法,几经修订提交给了公司领导,结果实在没有想到,原封不动的被退回,回复说并不是期望的修订版,因为对原来的一套思路就不是很满意,所以期望这次修订能有大幅度的改变,但我基本......

关键字:多通道 发展

[新鲜事] 惊叹!一个盲人程序员的真实独白

惊叹!一个盲人程序员的真实独白

我认为你第一次看到我的工作间肯定这样想 —— “总感觉少些什么”。没有显示器和鼠标,却有个人敲打着键盘,不知注视着哪里。......

关键字:盲人程序员 前端代码

[新鲜事] 苹果评估新关税问题,库克表示后果难以预料...

苹果评估新关税问题,库克表示后果难以预料...

8月1日消息,据美国媒体报道,苹果的财报显示,上季度大中国区营收为95.5亿美元,同比增长19%。但在随后的投资者电话会议上,有分析师担心特朗普提议的新关税清单会影响苹果未来定价和在中国的市场份额。苹果CEO蒂姆......

关键字:苹果 库克

[真心话] 嵌入式系统工程师的十个“不要”

嵌入式系统工程师的十个“不要”

不要第一句话就说:给个代码吧!你应该想想为什么。当你自己想出来再参考别人的提示,你就知道自己和别人思路的差异。......

关键字:嵌入式 系统工程师

[真心话] 顾颖琼:贾跃亭彻底败了,我就是要告诉国内人,你们的钱回不来了

顾颖琼:贾跃亭彻底败了,我就是要告诉国内人,你们的钱回不来了

贾跃亭VS顾颖琼诉讼案第一回合结束。美国洛杉矶法官拒绝延长贾跃亭提出对顾颖琼的临时禁令,贾跃亭本人没有现身。当事人顾颖琼表示,不只是临时禁令,整起诉讼案都已经撤销。......

关键字:顾颖琼 贾跃亭 乐视

[趣科技] 飞机也有充电的了?NASA纯电力飞机即将起航

飞机也有充电的了?NASA纯电力飞机即将起航

NASA阿姆斯特朗飞行研究中心进行的LEAPTech项目实验演示,向我们预示了未来飞行器可能都将由电动机驱动。LEAPTech是“异步推进技术”的英文缩写,这一项目将测试“促进推进器和机身一体化使电力驱动派上用场将提高效率及性同时也有益于经......

关键字:NASA 纯电力飞机
发表评论 共有条评论
用户名: 验证码:

精确稳定 让平均电流法帮你实现模块电源并联

精确稳定 让平均电流法帮你实现模块电源并联

今天要为大家介绍的是平均电流法,这种方法能够精确稳定的帮助工程师实现电源模块的并……

九款最简单的电子镇流器电路图原理图分析

九款最简单的电子镇流器电路图原理图分析

从工作原理而言,电子镇流器是一个电源变换电路,它将交流输入市电电源的波形、频率和……

干货|交流接触器常用接线电路图和实物图

干货|交流接触器常用接线电路图和实物图

今天分享一些电气知识中的交流接触器常用接线电路图和实物图,从简单到复杂。

……

项目外包