ADC在DAS传感器信号调理中的应用

　　引言

　　许多高端工业应用采用了高性能、多通道数据采集系统（DAS），用于处理高工业传感器产生的实际信号，开放系统的直连式存储（Direct-Attached Storage，简称DAS）已经有近四十年的使用历史，随着用户数据的不断增长，尤其是数百GB以上时，其在备份、恢复、扩展、灾备等方面的问题变得日益困扰系统管理员。DAS: Distributed Antenna System,是一个由分布于某个建筑物内、专门用于提供无线室内覆盖的多个天线组成的网络。这种系统既可以是有源系统，也可以是无源系统。

　　首先，我们考虑图1所示一款高端三相电力线监测系统。

　　图1. 基于MAX11046、MAX1320、MAX1308的DAS在电网监控中的典型应用

　　SAR ADC在工业DAS中的作用

　　如图1所示，MAX11046、MAX1320及MAX1308可同时测量三相及零相电压和电流，每款ADC均采用逐次逼近寄存器（SAR）架构。从其名称即可看出，SAR ADC采用的是对半查找法则（逐次逼近）。MAX11046、MAX1320和MAX1308均提供高速转换（8通道的每通道高达250ksps），支持瞬态信号监测，并具有灵活的±10V、±5V或0至5V接口。表1列出了部分Maxim的SAR ADC产品的典型特性。

　　无论直连式存储还是服务器主机的扩展，从一台服务器扩展为多台服务器组成的群集（Cluster），或存储阵列容量的扩展，都会造成业务系统的停机，从而给企业带来经济损失，对于银行、电信、传媒等行业7×24小时服务的关键业务系统，这是不可接受的。并且直连式存储或服务器主机的升级扩展，只能由原设备厂商提供，往往受原设备厂商限制。

　　表1. 高性能、多通道SAR ADC产品的典型特性

Part	Channels	Input Range (V)	Resolution (Bits)	Speed (ksps, max)	SINAD (dB)	Input Impedance
MAX1304		0 to 5
MAX1308		±5	12	456	71
MAX1312		±10				Medium, (approx 2kΩ)
MAX1316	8	0 to 5
MAX1320		±5	14	250	76.5
MAX1324		±10
MAX11046		±5	16	250	91.4	Very high (in 10s of MΩ); mostly capacitive

　　CT、PT （传感器）变压器的典型输出为±10VP-P或±5VP-P。如表1所示，MAX130x和MAX132x系列ADC可支持这些范围，MAX11046的输入范围只适用于±5V的变压器常用输入范围。

　　MAX130x和MAX132x系列ADC的输入阻抗较低，在电网监控系统中需要增加输入缓冲器和低通滤波器（图2），以保证12位至14位的。

　　注：如需了解有关高阶、连续时间低通滤波器的设计信息，请参考应用笔记733：“A Filter Primer”和应用笔记738：“Minimizing Component-Variation Sensitivity in Single Op Amp Filters”。

　　图2. 采用MAX130x和MAX132x系列ADC构建的电力线监控系统板级框图，图中需要一个有源低通滤波器连接CT和PT变压器。

　　MAX11046提供可选择的有源输入缓冲器/低通滤波器，MAX11046具有非常高的输入阻抗，可直接连接到特定传感器（参见表1）。以CT、PT测量变压器为代表的低阻传感器（等效阻抗RTRANS在10Ω至100Ω量级），可以通过简单的RC模拟前端（AFE）直接连接到MAX11046输入端。

　　图3给出了一个简单的高性价比解决方案，使得MAX11046能够支持±5V或±10V输入范围。

　　图3. MAX11046在典型电网监控应用中的板级框图，图中通道1连接±5V变压器，通道8连接±10V变压器。

　　考虑图3所示输入电路，需要特别注意R1、C1、Rd和C2参数的选择。1:1电阻分压器（Rd1 = Rd2 = Rd）作为PT和CT变压器负载将会引入增益误差，图3所示电路的增益误差可由式1计算：

　　增益误差% = （1 - 2 × Rd/（2 × Rd + RTRANS）） × 100 （式1）

　　式中：

　　Rd为分压器阻抗。

　　RTRANS为变压器阻抗。

　　电阻值对增益误差的影响如表2所示。

　　表2. 阻值对增益误差的影响

RTRANS (Ω)	Rd (Ω)	Gain Error (%)	Resistor Tolerance (%)
50	20000	0.12	0.05
50	15000	0.17	0.05
50	10000	0.25	0.10
50	6980	0.36	0.10
50	4990	0.50	0.10

　　表2数据表明，为了保持低增益误差，必须使用精密电阻。选择金属膜电阻，这种电阻具有低温漂（tempco），误差要求如表2所示，建议从Tyco或Vishay等厂商采购元件。

　　MAX5491提供了一种优异的电阻分压方案，它在一个封装内集成了两个匹配的电阻。

　　图4. MAX5491匹配电阻分压器的典型工作电路

　　MAX5491的电阻比具有极低温漂，在-40°C至+85°C温度范围内温漂保持在2ppm/°C以内，其端到端电阻为30kΩ，能够提供并保持0.17%的增益误差（参见表2）。

　　MAX11046评估（EV）板提供完备的8通道DAS，帮助设计工程师快速完成图3推荐的设计方案验证。

　　图5给出了基于MAX11046EVKIT的开发系统装置。

　　图5. 基于MAX11046评估板的开发系统框图，从图中可以看出：只需极少的外部元件即可进行高电路测试，测试结果通过USB口送入PC机并转换成Excel?文件，以待进一步处理。

　　图5所示，函数发生器产生的摆幅为±5V的信号通过R1和C1滤波后发送到MAX11046的通道1输入端，R1和C1取值须满足ADC采样时间的要求，可以由式2求得：

　　R1MAX = （1/FSAMPLE - TCONV）/K（C1 + CSAMPLE） （式2）

　　式中：

　　R1MAX为源阻抗。

　　FSAMPLE为采样率。

　　TCONV为ADC转换时间（MAX11046的典型值为3μs）。

　　K为RC时间常数，须满足ADC分辨率的要求（16位ADC，时间常数选择为12）。

　　CSAMPLE为内部采样电容（MAX11046的采样电容约为20pF）。

　　从式2计算得到，采样率为2.5ksps时，R1MAX约为12.1kΩ、C1 = 2700pF。在设计限制的范围内，选择R1 = 10.0kΩ。C1 = 2700pF，大于CSAMPLE 100倍，能够为内部采样电容提供足够的电荷支持。

　　图5中，函数发生器产生的摆幅为±10V的信号通过Rd分压器和C2发送到MAX11046的输入通道8，Rd = 20.0kΩ，从表2可以看出，这将产生大约0.12%的增益误差。该指标符合欧盟（EU）通用标准IEC 62053对高电表测试设备的要求（0.2%级）。

　　上述测量的评估板设置如图6所示。

　　图6. MAX11046评估板的GUI，便于设计人员选择不同的测量条件，这里选择2.5ksps采样率和4096个采样点。

　　图7. 用Excel软件进行仿真，示波器波形显示了恢复后经过调理（分压和滤波）的来自函数发生器的±10V输入信号（参见图5中的框图）。

　　按照图5所示电路的要求搭建测试装置，可以得到高测量结果，如表3所示。

　　表3. 图5所示数据采集系统的测量结果

Generator Signal (VP-P)	Measured Parameters from Processed Excel Files
	RMS (gen, VRMS)	RMS (meas, VRMS)	RMS Error (%)	Req (%)
Channel 1, ±4.950	3.50018	3.49704	0.08961	0.20
Channel 8, ±9.900	7.00036	3.49695	0.09227	0.20

　　从表3可以看出所测量的RMS （meas）是对发生器产生的输入信号RMS （gen）进行测量、处理后的结果，结果显示信号调理电路的RMS测试误差近似为0.09%，完全符合欧盟标准IEC 62053对电表测量设备的要求（0.2%）。

　　结论

　　MAX130x、MAX132x和MAX11046等高性能、多通道同时采样ADC非常适合现代工业应用对DAS的需求。正确选择信号调理电路，可以获得优于欧盟标准和智能电网监控规范要求的参数指标。

　　关于Maxim

　　Maxim Integrated Products成立于1983年。2001年，Maxim并购了着名的Dallas Semiconductor。是的模拟信号和混合信号半导体公司。它们的使命是不断创造高品质的模拟工程解决方案，在世界范围内为基于微处理器的电子产品客户提供增值服务。它们通过努力达到它们的成本与业绩 Maxim Integrated Products成立于1983年，总部位于美国加利福尼亚的Sunnyvale，公司拥有7,5000多名员工，是世界范围内模拟和混合信号集成产品的设计、开发与生产领域的之一。通过对温度、压力、声音等现实世界的各种信号进行检测、放大，并将其转换成计算机处理所需要的数字信号， Maxim的电路把现实世界与数字世界“连接”在一起；更多MAXIM半导体产品请咨询杰鸿顺电子。