MAX11040 24位同时采样Σ-Δ ADC综述

摘要：本应用笔记重点介绍了同时采样σ-δ adc max11040的关键特性，讨论了四通道同时采样、独立设置各通道相位延时、8片转换器级联以及低电平有效的故障和溢出指示信号的使用。本文给出了利用评估(ev)板得到的测试数据。
四通道同时采样max11040集成了四个24位σ-δ adc，能够实现四个通道的同时采样。多路复用σ-δ adc不能保持相位完整性，max11040则不同，它不仅记录相位信息而且允许用户对每个独立通道的相位进行设置。
图1显示了同一模拟信号(零相位延时)作用到四个adc输入端时所产生的采样数据。
图1. 同一正弦波作用到max11040的四个输入端，同时采样输出如右侧所示
独立设置每个通道的相位延时用户可以分别设置每路adc的相位延时，最大延时为333µs，步进值为1.33µs。通过设置adc通道的相位延时，用户可以消除信号路径上由滤波器、延时线等引起的固有延迟，延时的步进调节低于数据速率。
图2显示了零相位延时的采样输出和改变相位延时后的采样输出。两种情况下，所有四个输入端作用同一信号源。
图2. 同一正弦波作用到max11040的四个输入端。图2a所示为零相位延时情况下四个通道的同时采样输出；图2b所示为更改相位延时后，四个通道的同时采样输出
8片器件的级联如果四个采样通道不能满足某些应用的需求，则可级联多片max11040，最多可级联8片转换器实现32个通道的同时采样。这一功能对于eeg (监测脑电波)等需要对多个通道进行同时采样的应用十分理想。
图3给出了器件配置。第一颗芯片的/cascout信号送入第二颗芯片的/cascin；第二颗芯片到第三颗芯片以及后续芯片的配置与此类似。最后一颗芯片的/drdyout输出指示所有芯片的数据转换就绪。第一颗芯片的clkout信号送入所有其它芯片的xin引脚。 /fault和/ovrflw按照“线或”逻辑连接在一起。
图3. max11040级联配置，最多可级联8片
故障和溢出指示信号一旦输入超出vref的±0.88%或大于6v，max11040将产生低电平有效的溢出和故障报警信号，这一功能对于需要饱和报警或过压(ov)保护的应用十分重要。
图4说明了快速变化输入的情形；图5说明了慢速变化输入的情形。对于高速信号，低电平有效的溢出和故障报警输出几乎同时发生跳变。值得注意的是：从信号跨越门限到低电平有效的溢出和故障报警信号置低，存在一个响应时间。同样，在信号返回高电平之前存在一个恢复时间。
图4. 高频模拟输入的ov检测和在快变化输入情况下的恢复时间
图5. 高频模拟输入的ov检测和慢变化输入时的恢复时间
测试数据举例以下数据是对max11040评估板进行测试得到的。
同时采样、可编程相位延时和器件级联配置图6给出了两片adc的应用电路图，电路配置能够设置不同的相位延时。8个输入端(每片4个输入端)作用相同的120hz、4vp-p交流信号。每个输入通道的相位延时用以下代码设置：
ch1 0 0 0µs
ch2 36 36 46.88µs
ch3 2 × 36 72 93.75µs
ch4 3 × 36 108 140.62µs
ch1 4 × 36 144 187.50µs
ch2 5 × 36 180 234.38µs
ch3 6 × 36 216 281.25µs
ch4 7 × 36 252 328.12µs
图6. 各种相位延时输入到两片max11040模数转换器
图7和图8给出了图6所示两片max11040的数据采集结果。从结果可以看出，虽然同一信号作用到所有输入端，但由于设置的相位延时不同，所以输出波形的相位也不同。
详细波形(pdf, 279kb)
图7. 图6所示两片adc的数据采样结果
详细波形(pdf, 269kb)
图8. 图7放大后的波形
故障和溢出检测(辅助应用)如果设计人员需要使用低电平有效的溢出或故障报警信号作为中断，硬件电路中需要加入一个d触发器或使用内部锁存器。当溢出或故障报警信号触发/sd引脚时，信号将被锁存。中断控制器也可以通过驱动/rd引脚产生复位信号(图9)。
图9. 溢出和故障报警信号锁存
从以上对max11040关键特性的讨论可以看出，该芯片非常适合以下应用：三相 + 零相功率测量和监测
通过电压和电流变压器将电压降至可接受的电平，两片max11040级联后监测三相和零相的电压、电流信号。由于σ-δ adc具有24位精度，max11040有足够的采样率监测24次以上的谐波(工业标准)。enob接近18位，采集电气噪声以及较大的瞬变信号有助于判断电网质量。同过调整相位延时能够补偿相移产生的功率因数偏差。另外，也可以很容易地检测到溢出和故障报警状态。
eeg/ekg信号监测
动态范围较宽时，可以禁止第二级放大电路，以降低元器件数量和成本，提高系统可靠性。由于采用了具有五阶调制器的σ-δ架构，max11040能够提供由于sar及其它架构的噪声指标。该器件可以提供32个通道的同时采样，并可调整个通道的相位，用于监测脑电波的各个部分。