高性能/多通道ADC在數據采集系統(DAS)中的應用
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高性能、多通道、同時采樣ADC在數據采集系統(DAS)中的設計
本文引用地址：http://www.czjhyjcfj.com/article/154123.htm摘要：本文將幫助設計人員實現高性能、多通道、同時采樣的數據采集系統(DAS)。介紹了元器件的合理選擇及其PCB布線，以優化系統性能。Maxim的MAX1308、MAX1320和MAX11046是極具特色的同時采樣ADC。本文給出的測試數據說明了遵循設計要點能夠為系統帶來的各項益處。
引言
很多先進的工業應用需要使用高性能、多通道、同時采樣ADC，例如先進的電力線監控系統(圖1)或現代三相電機控制系統(圖2)。這些應用需要在大約70dB至90dB (取決于具體應用)較寬的動態范圍內實現精確的多通道同時測量。通常要求16ksps甚至更高的采樣速率。
MAX1308、MAX1320和MAX11046 DAS器件在一個封裝內集成了8個獨立的同時采樣輸入通道和高速逐次逼近ADC。為了達到器件提供的規格并優化其性能，設計人員必須合理設計系統、選擇元器件并提供合理的PCB布局。
DAS架構的典型示例
圖1. 典型的電網監控應用
圖1中每相電源通過一個電流變壓器(CT)和一個電壓變壓器(PT)進行檢測。整個系統包括四對此類結構(三相中的每相對應一對、零線對應一對)。
通過對同時采樣并經過量化的數據進行數字處理計算，可以獲取瞬時和平均有功功率、無功功率、視在功率以及功率因數。
圖2. 典型的電機控制系統
圖2中每個ADC同時采樣輸入信號，無需復雜的DSP計算，傳統算法需要重新調整采樣數據，將這些數據組合到同時采樣數組。
影響工業數據采集系統(DAS)的主要噪聲和干擾源
DAS定義了兩類噪聲/干擾。
第一類噪聲源于內部電子元件，噪聲源包括ADC的轉換處理噪聲和諧波失真、緩沖放大器的噪聲和失真，以及基準噪聲和穩定性。
第二類干擾來自于系統外部，包括外部電磁噪聲、電源噪聲/紋波、I/O口串擾以及數字系統噪聲和干擾。
圖3列出了不同的噪聲源。
圖3. 典型的電力線監控板級框圖，圖中顯示了影響系統分辨率和精度的不同噪聲源和干擾源。
電力線DAS信號處理鏈路包含CT、PT測量變壓器、抗混疊低通濾波器(LPF)、緩沖放大器、同時采樣ADC和中央處理單元(CPU)。
同時采樣ADC是系統的核心電路，用于測量調整在標準工業輸入動態范圍(如+5V、±5V或±10V)的電壓和電流信號。MAX130x、MAX132x和MAX1104x及其衍生產品支持這些擴展測量范圍，無需增加任何信號調理電路。
表1列出了這些器件的1 LSB數值和量化噪聲，這些數值按照ADC的分辨率為設計人員提供了DAS能夠容許的總噪聲和干擾。
表1. 對應于ADC分辨率的量化值和量化噪聲
| ADC | 通道數 | 分辨率 | VREF (V) | LSB (mV) | 量化噪聲(mV) | SNR (dB) |
| MAX1308 | 8 | 12 | 2.5 | 0.6104 | 0.1762 | 71 |
| MAX1320 | 8 | 14 | 2.5 | 0.1526 | 0.0440 | 76 |
| MAX11046 | 8 | 16 | 4.096 | 0.0625 | 0.0180 | 85 |
ADC輸入的總噪聲和紋波應小于½ LSB，同時，量化噪聲決定了系統的基本噪底。
注意：有些設計中，僅1mVRMS的總體噪聲即可導致整個設計不達標，參考表2。
表2. 例：未經“校準”的整體噪聲導致ADC精度下降
| ADC | 通道數 | 分辨率 | 輸入噪聲造成的 分辨率損失(1mV) | 下降后的 分辨率 |
| MAX1308 | 8 | 12 | 0.71 | 11.3 |
| MAX1320 | 8 | 14 | 2.71 | 11.3 |
| MAX11046 | 8 | 16 | 4.00 | 12.0 |
元器件選擇：DAS信號處理鏈路
選擇正確的輸入緩沖放大器
MAX130x和MAX132x系列ADC的輸入電路具有相當低的阻抗，如圖4所示。相應地，大多數應用中，這些器件需要一個輸入緩沖器以便達到12位和14位精度。
圖4. MAX130x和MAX132x系列ADC的典型輸入電路
為了達到12位至16位精度，選擇放大器時需要考慮的關鍵因素是：適當的帶寬、擺率、VP-P輸出、低噪聲、低失真和低失調。應保持盡可能低的緩沖放大器噪聲—遠遠低于ADC的SNR。放大器的整體失調誤差，包括漂移，在整個溫度范圍內都應小于所要求的精度誤差。每個緩沖放大器應根據具體應用精心選擇。
表3給出了幾款推薦的高精度運算放大器。對于高精度ADC，不建議使用通用運放，請參考表4。
表3. 針對不同精度的ADC所推薦的高精度運放
| 型號 | 電源 | 單位增益 帶寬(MHz) | 擺率(V/µs) | VP-P (V) | 失調 (mV，最大值) | 噪聲密度 (nV/√Hz) | 說明 |
| MAX410–MAX412 | ±5V | 28 | 4.5 | 7.2 | 0.25 | 2.4 | 適用于12位至16位分辨率 |
| MAX4250 | +5V | 3 | 0.3 | 5 | 0.75 | 7.9 | 適用于12位至14位分辨率 |
表4. 對于高精度ADC，不推薦使用通用運放
| 型號 | 電源 | 單位增益 帶寬(MHz) | 擺率(V/µs) | VP-P (V) | 失調 (mV，最大值) | 噪聲密度 (nV/√Hz) | 說明 |
| LF411 | ±15V | 4 | 15 | 20 | 2.0 | 25 | 適用于12位以下分辨率 |
| LM124 | ±15V | 1.2 | 0.5 | 20 | 3.0 | 35 | 適用于11位以下分辨率 |
輸入濾波電路的要求：MAX11046系列
MAX11046系列器件采用差分輸入結構，這種結構通常不需要輸入緩沖放大器(圖5)。MAX11046的有效輸入阻抗ZIN與輸入電容、采樣頻率有關：
ZIN = 1/(CIN × FSAMPLE)
式中，FSAMPLE為采樣頻率，CIN = 15pF。
隨著采樣頻率的降低，輸入阻抗將增大：
250ksps時為266kΩ
25ksps時為2.66MΩ
圖5. MAX11046系列器件的簡化輸入電路
MAX11046系列產品具有極高的輸入阻抗，可以直接與低阻傳感器連接，例如，CT和PT測量變壓器阻抗相對較低(10Ω至50Ω)，因此，可以直接通過簡單的低通濾波器連接到MAX11046輸入級。
表5給出了低頻應用，如電網監控或電機控制，所要求的最大RSOURCE設計值。
表5. 不同CEXTERNAL和FSAMPLE下的RSOURCE設計值
| FSAMPLE (ksps) | 0 | 100 | 300 | 1000 | 3000 | |
| 1000 | 1.0E+06 | 3.3E+05 | 1.4E+05 | 4.7E+04 | 1.6E+04 | |
| 2500 | 4.0E+05 | 1.3E+05 | 5.7E+04 | 1.9E+04 | 6.5E+03 | |
| 5000 | 2.0E+05 | 6.6E+04 | 2.8E+04 | 9.4E+03 | 3.2E+03 | |
| 10000 | 9.7E+04 | 3.2E+04 | 1.4E+04 | 4.6E+03 | 1.6E+03 | |
| 25000 | 3.7E+04 | 1.2E+04 | 5.3E+03 | 1.8E+03 | 6.1E+02 | |
為了保持DAS的精度，選擇正確的RSOURCE和CEXTERNAL非常關鍵。
RSOURCE電阻必須為金屬膜電阻，精度為1%或更高精度，還應具有較低的溫度系數。建議選擇一些知名廠商(如Panasonic®、ROHM®或Vishay®)提供的元件。
為了達到最佳效果，CEXTERNAL電容應選擇陶瓷電容，推薦電介質類型為COG (NPO)。這些電容能夠在較寬的溫度和電壓范圍內保持其標稱值，Kemet®、AVX®或Samsung®等公司可提供高性價比的SMT器件。
ADC基準選擇
基準的選擇對于整個DAS的性能非常重要，并且與ADC的分辨率和精度要求密切相關，如上述表1所示。在整個溫度范圍內保持合理的溫漂和初始精度非常關鍵。
以MAX11046為例，1 LSB ＝ 62.5µV。MAX11046內部基準的溫漂為±10ppm/°C。在整個50°C溫度范圍內，基準漂移可達±500ppm或約±2.048mV (±33 LSB)。
在對溫漂要求比較嚴格的應用中，最好使用外部低溫漂基準，如MAX6341 (1ppm/°C)。1ppm/°C的電壓基準在整個50°C范圍內的漂移只有0.2mV (或±3 LSB)。MAX6341基準的初始精度為4.096 ±0.001，遠遠優于MAX11046的內部基準(4.096 ±0.0016)，大大提高了DAS精度和溫度穩定性。
使用外部基準時，MAX11046的基準輸入電流僅為±10µA。串聯型基準(如MAX6341)的輸出電流可達10mA，因此，單個基準器件可以為多個高性能ADC提供參考，從而消除了不同器件之間的基準差異。
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