利用Σ-Δ ADC在工业多通道数据采集系统中进行信号调理利用Σ-Δ ADC在工业多通道数据采集系统中进行信号调理.pdfVIP

美信社区： 利用Σ -Δ ADC 在工业多通道数据采集系统中进行信号调理 Joseph Shtargot, 应用工程师 摘要：本应用笔记旨在帮助设计人员在高性能、多通道数据采集系统 (DAS)设计中优化 工业传感器与高性能ADC之间的连接电路。以电网监测系统为例，本文说明了使用MAX11040K Σ -Δ ADC 的优势以及如何选择适当的架构和外围器件，优化系统性能。 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 美信社区： 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。 表 1. MAX11040K ADC 的关键指标 Input Speed SINAD Resolution Input Part Channels range (ksps, (1ksps) (Bits) impedance (VP-P) max) (dB) High, (130kΩ, MAX11040K 4 ±2.2 24 64 117