工业多通道数据采集系统中Σ-Δ型ADC的信号调理
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max11040k等adc的高动态范围、同时采样以及多通道优势。 本文介绍了max11040k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。
引言
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max11040k等adc的高动态范围、同时采样以及多通道优势。 本文介绍了max11040k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。
图1. 基于max11040k的das在电网监控中的应用
从图1可以看到，采用两片max11040k 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。
max11040k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。
max11040k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，max11040k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max11040k的数字低通滤波器，大大降低了max11040k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max11040k的部分特性，关于max11040k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。
部分 渠道 输入范围（vp_p) 分辨率（位） 速度（ksps，最大值） sinad （1ksps） （db） 输入阻抗
max11040k 4 ±2.2 24 64 117 高，（约130kω）
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max11040k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max11040k较低的输入量程以内，电路如图2所示。
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max11040k的真差分输入大大降低共模噪声的影响。
图2. max11040k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。 max11040k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 < 50 2.07026 1.46395 2.41516 0.99
measured values for vtr, vin, vinrms with real components values and tolerances used in the experiment
9.863 50 ± 10% 3320 ± 1% 909 ± 1% 130000 ± 15% 0.1 ± 10% 50 2.09872 1.483899 4.699912 0
0 50 ± 10% 2490 ± 1% 1820 ± 1% 130000 ± 15% 0.1 ± 10% 50 0 0.00048 na na
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k卡尔系数，计算公式如下：
校准系数k卡尔按照式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，max11040evkit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，max11040evkit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k卡尔之间存在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k卡尔得到adc测量值和计算值。
generator generator max11040k calculation verr requirements
nominal signal (1/2 fsr) vtr_m - signal measured by hp3458a vin measured by adc vtr_c = vin × kcal (vtr_m - vtr_c) × (100/vtr_c) iec 62053
(vp-p) (vrms) (vrms) (vrms) (%) (%)
channel 1: ±5.000 3.4892 0.74259 3.490126 -0.026544 0.2
channel 2: ±2.500 1.7471 0.7307 1.747384 -0.016265 0.2
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max11040k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。
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
max11040k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，max11040k能够满足甚至优于高级“智能”电网监控系统的指标要求¹。
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引言
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max11040k等adc的高动态范围、同时采样以及多通道优势。 本文介绍了max11040k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。
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图1. 基于max11040k的das在电网监控中的应用
从图1可以看到，采用两片max11040k 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。
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校准系数k卡尔按照式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。
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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k卡尔之间存在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。
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generator generator max11040k calculation verr requirements
nominal signal (1/2 fsr) vtr_m - signal measured by hp3458a vin measured by adc vtr_c = vin × kcal (vtr_m - vtr_c) × (100/vtr_c) iec 62053
(vp-p) (vrms) (vrms) (vrms) (%) (%)
channel 1: ±5.000 3.4892 0.74259 3.490126 -0.026544 0.2
channel 2: ±2.500 1.7471 0.7307 1.747384 -0.016265 0.2
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max11040k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。
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max11040k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，max11040k能够满足甚至优于高级“智能”电网监控系统的指标要求¹。
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