引言

　　許多高端工業(yè)應(yīng)用采用了高性能、多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS），用于處理高工業(yè)傳感器產(chǎn)生的實(shí)際信號(hào)，開放系統(tǒng)的直連式存儲(chǔ)（Direct-Attached Storage，簡稱DAS）已經(jīng)有近四十年的使用歷史，隨著用戶數(shù)據(jù)的不斷增長，尤其是數(shù)百GB以上時(shí)，其在備份、恢復(fù)、擴(kuò)展、災(zāi)備等方面的問題變得日益困擾系統(tǒng)管理員。DAS: Distributed Antenna System,是一個(gè)由分布于某個(gè)建筑物內(nèi)、專門用于提供無線室內(nèi)覆蓋的多個(gè)天線組成的網(wǎng)絡(luò)。這種系統(tǒng)既可以是有源系統(tǒng)，也可以是無源系統(tǒng)。

　　首先，我們考慮圖1所示一款高端三相電力線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

　　圖1. 基于MAX11046、MAX1320、MAX1308的DAS在電網(wǎng)監(jiān)控中的典型應(yīng)用

　　SAR ADC在工業(yè)DAS中的作用

　　如圖1所示，MAX11046、MAX1320及MAX1308可同時(shí)測(cè)量三相及零相電壓和電流，每款A(yù)DC均采用逐次逼近寄存器（SAR）架構(gòu)。從其名稱即可看出，SAR ADC采用的是對(duì)半查找法則（逐次逼近）。MAX11046、MAX1320和MAX1308均提供高速轉(zhuǎn)換（8通道的每通道高達(dá)250ksps），支持瞬態(tài)信號(hào)監(jiān)測(cè)，并具有靈活的±10V、±5V或0至5V接口。表1列出了部分Maxim的SAR ADC產(chǎn)品的典型特性。

　　無論直連式存儲(chǔ)還是服務(wù)器主機(jī)的擴(kuò)展，從一臺(tái)服務(wù)器擴(kuò)展為多臺(tái)服務(wù)器組成的群集（Cluster），或存儲(chǔ)陣列容量的擴(kuò)展，都會(huì)造成業(yè)務(wù)系統(tǒng)的停機(jī)，從而給企業(yè)帶來經(jīng)濟(jì)損失，對(duì)于銀行、電信、傳媒等行業(yè)7×24小時(shí)服務(wù)的關(guān)鍵業(yè)務(wù)系統(tǒng)，這是不可接受的。并且直連式存儲(chǔ)或服務(wù)器主機(jī)的升級(jí)擴(kuò)展，只能由原設(shè)備廠商提供，往往受原設(shè)備廠商限制。

　　表1. 高性能、多通道SAR ADC產(chǎn)品的典型特性

　　CT、PT （傳感器）變壓器的典型輸出為±10VP-P或±5VP-P。如表1所示，MAX130x和MAX132x系列ADC可支持這些范圍，MAX11046的輸入范圍只適用于±5V的變壓器常用輸入范圍。

　　MAX130x和MAX132x系列ADC的輸入阻抗較低，在電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)中需要增加輸入緩沖器和低通濾波器（圖2），以保證12位至14位的。

　　注：如需了解有關(guān)高階、連續(xù)時(shí)間低通濾波器的設(shè)計(jì)信息，請(qǐng)參考應(yīng)用筆記733：“A Filter Primer”和應(yīng)用筆記738：“Minimizing Component-Variation Sensitivity in Single Op Amp Filters”。

　　圖2. 采用MAX130x和MAX132x系列ADC構(gòu)建的電力線監(jiān)控系統(tǒng)板級(jí)框圖，圖中需要一個(gè)有源低通濾波器連接CT和PT變壓器。

　　MAX11046提供可選擇的有源輸入緩沖器/低通濾波器，MAX11046具有非常高的輸入阻抗，可直接連接到特定傳感器（參見表1）。以CT、PT測(cè)量變壓器為代表的低阻傳感器（等效阻抗RTRANS在10Ω至100Ω量級(jí)），可以通過簡單的RC模擬前端（AFE）直接連接到MAX11046輸入端。

　　圖3給出了一個(gè)簡單的高性價(jià)比解決方案，使得MAX11046能夠支持±5V或±10V輸入范圍。

　　圖3. MAX11046在典型電網(wǎng)監(jiān)控應(yīng)用中的板級(jí)框圖，圖中通道1連接±5V變壓器，通道8連接±10V變壓器。

　　考慮圖3所示輸入電路，需要特別注意R1、C1、Rd和C2參數(shù)的選擇。1:1電阻分壓器（Rd1 = Rd2 = Rd）作為PT和CT變壓器負(fù)載將會(huì)引入增益誤差，圖3所示電路的增益誤差可由式1計(jì)算：

　　增益誤差% = （1 - 2 × Rd/（2 × Rd + RTRANS）） × 100 （式1）

　　式中：

　　Rd為分壓器阻抗。

　　RTRANS為變壓器阻抗。

　　電阻值對(duì)增益誤差的影響如表2所示。

　　表2. 阻值對(duì)增益誤差的影響

　　表2數(shù)據(jù)表明，為了保持低增益誤差，必須使用精密電阻。選擇金屬膜電阻，這種電阻具有低溫漂（tempco），誤差要求如表2所示，建議從Tyco或Vishay等廠商采購元件。

　　MAX5491提供了一種優(yōu)異的電阻分壓方案，它在一個(gè)封裝內(nèi)集成了兩個(gè)匹配的電阻。

　　圖4. MAX5491匹配電阻分壓器的典型工作電路

　　MAX5491的電阻比具有極低溫漂，在-40°C至+85°C溫度范圍內(nèi)溫漂保持在2ppm/°C以內(nèi)，其端到端電阻為30kΩ，能夠提供并保持0.17%的增益誤差（參見表2）。

　　MAX11046評(píng)估（EV）板提供完備的8通道DAS，幫助設(shè)計(jì)工程師快速完成圖3推薦的設(shè)計(jì)方案驗(yàn)證。

　　圖5給出了基于MAX11046EVKIT的開發(fā)系統(tǒng)裝置。

　　圖5. 基于MAX11046評(píng)估板的開發(fā)系統(tǒng)框圖，從圖中可以看出：只需極少的外部元件即可進(jìn)行高電路測(cè)試，測(cè)試結(jié)果通過USB口送入PC機(jī)并轉(zhuǎn)換成Excel?文件，以待進(jìn)一步處理。

　　圖5所示，函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的擺幅為±5V的信號(hào)通過R1和C1濾波后發(fā)送到MAX11046的通道1輸入端，R1和C1取值須滿足ADC采樣時(shí)間的要求，可以由式2求得：

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

　　式中：

　　R1MAX為源阻抗。

　　FSAMPLE為采樣率。

　　TCONV為ADC轉(zhuǎn)換時(shí)間（MAX11046的典型值為3μs）。

　　K為RC時(shí)間常數(shù)，須滿足ADC分辨率的要求（16位ADC，時(shí)間常數(shù)選擇為12）。

　　CSAMPLE為內(nèi)部采樣電容（MAX11046的采樣電容約為20pF）。

　　從式2計(jì)算得到，采樣率為2.5ksps時(shí)，R1MAX約為12.1kΩ、C1 = 2700pF。在設(shè)計(jì)限制的范圍內(nèi)，選擇R1 = 10.0kΩ。C1 = 2700pF，大于CSAMPLE 100倍，能夠?yàn)閮?nèi)部采樣電容提供足夠的電荷支持。

　　圖5中，函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的擺幅為±10V的信號(hào)通過Rd分壓器和C2發(fā)送到MAX11046的輸入通道8，Rd = 20.0kΩ，從表2可以看出，這將產(chǎn)生大約0.12%的增益誤差。該指標(biāo)符合歐盟（EU）通用標(biāo)準(zhǔn)IEC 62053對(duì)高電表測(cè)試設(shè)備的要求（0.2%級(jí)）。

　　上述測(cè)量的評(píng)估板設(shè)置如圖6所示。

　　圖6. MAX11046評(píng)估板的GUI，便于設(shè)計(jì)人員選擇不同的測(cè)量條件，這里選擇2.5ksps采樣率和4096個(gè)采樣點(diǎn)。

　　圖7. 用Excel軟件進(jìn)行仿真，示波器波形顯示了恢復(fù)后經(jīng)過調(diào)理（分壓和濾波）的來自函數(shù)發(fā)生器的±10V輸入信號(hào)（參見圖5中的框圖）。

　　按照?qǐng)D5所示電路的要求搭建測(cè)試裝置，可以得到高測(cè)量結(jié)果，如表3所示。

　　表3. 圖5所示數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果

　　從表3可以看出所測(cè)量的RMS （meas）是對(duì)發(fā)生器產(chǎn)生的輸入信號(hào)RMS （gen）進(jìn)行測(cè)量、處理后的結(jié)果，結(jié)果顯示信號(hào)調(diào)理電路的RMS測(cè)試誤差近似為0.09%，完全符合歐盟標(biāo)準(zhǔn)IEC 62053對(duì)電表測(cè)量設(shè)備的要求（0.2%）。

　　結(jié)論

　　MAX130x、MAX132x和MAX11046等高性能、多通道同時(shí)采樣ADC非常適合現(xiàn)代工業(yè)應(yīng)用對(duì)DAS的需求。正確選擇信號(hào)調(diào)理電路，可以獲得優(yōu)于歐盟標(biāo)準(zhǔn)和智能電網(wǎng)監(jiān)控規(guī)范要求的參數(shù)指標(biāo)。

　　關(guān)于Maxim

　　Maxim Integrated Products成立于1983年。2001年，Maxim并購了著名的Dallas Semiconductor。是的模擬信號(hào)和混合信號(hào)半導(dǎo)體公司。它們的使命是不斷創(chuàng)造高品質(zhì)的模擬工程解決方案，在世界范圍內(nèi)為基于微處理器的電子產(chǎn)品客戶提供增值服務(wù)。它們通過努力達(dá)到它們的成本與業(yè)績 Maxim Integrated Products成立于1983年，總部位于美國加利福尼亞的Sunnyvale，公司擁有7,5000多名員工，是世界范圍內(nèi)模擬和混合信號(hào)集成產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、開發(fā)與生產(chǎn)領(lǐng)域的之一。通過對(duì)溫度、壓力、聲音等現(xiàn)實(shí)世界的各種信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)、放大，并將其轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)處理所需要的數(shù)字信號(hào)， Maxim的電路把現(xiàn)實(shí)世界與數(shù)字世界“連接”在一起；更多MAXIM半導(dǎo)體產(chǎn)品請(qǐng)咨詢杰鴻順電子。