Σ-Δ ADC應用簡介

本應用筆記旨在幫助設計人員在高性能、多通道數據採集系統(DAS)設計中優化工業傳感器與高性能ADC之間的連接電路。以電網監測系統為例，本文說明了使用MAX11040 Σ-Δ ADC的優勢以及如何選擇適當的架構和外圍器件，優化系統性能。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/167398.htm

引言

許多高端工業應用中，高性能數據採集系統(DAS)與各種傳感器之間需要提供適當的接口電路。如果信號接口要求提供多通道、高精度的幅度和相位信息，這些工業應用可以充分利用MAX11040等ADC的高動態範圍、同時採樣以及多通道優勢。本文介紹了MAX11040的Σ-Δ架構，以及如何合理選擇設計架構和外部元件，以獲得最佳的系統性能。

高速、Σ-Δ架構的優勢

圖1所示為高端三相電力線監視/測量系統，這類工業應用需要以高達117dB的動態範圍、64ksps採樣速率精確地進行多通道同時採集數據。為了獲得最高系統精度，必須正確處理來自傳感器(例如，圖1中的CT、PT變壓器)的信號，以滿足ADC輸入量程的要求，從而保證DAS的性能指標滿足不同國家相關標準的要求。

圖1. 基於MAX11040的DAS在電網監控中的應用

從圖1可以看到，採用兩片MAX11040 ADC可以同時測量交流電的三相及零相的電壓和電流。該ADC基於Σ-Δ架構，利用過採樣/平均處理得到較高的解析度。每個ADC通道利用其專有的電容開關Σ-Δ調製器進行模/數轉換。該調製器將輸入信號轉換成低解析度的數位訊號，它的平均值代表輸入信號的量化信息，時鐘頻率為24.576MHz時對應的採樣率為3.072Msps。數據流被送入內部數字濾波器處理，消除高頻噪聲。處理完成後可以得到高達24位的解析度。

MAX11040為4通道同時採樣ADC，其輸出數據是處理後的平均值，這些數值不能像逐次逼近(SAR) ADC的輸出那樣被看作是採樣「瞬間」的數值¹,²。

MAX11040能夠為設計人員提供SAR架構所不具備的諸多功能和特性，包括：1ksps採樣率下高達117dB的動態範圍;積分非線性和微分非線性(INL、DNL)也遠遠優於SAR ADC;獨特的採樣相位(採樣點)調節能夠從內部補償外部電路(驅動器、變壓器、輸入濾波器等)引入的相位偏移。

另外，MAX11040集成一個數字低通濾波器，處理每個調製器產生的數據流，得到無噪聲、高解析度的數據輸出。該低通濾波器具有複雜的頻率響應函數，具體取決於可編程輸出數據率。輸入端的阻/容(RC)濾波器結合MAX11040的數字低通濾波器，大大降低了MAX11040輸入信號通道抗混疊濾波器的設計難度，甚至可以完全省去抗混疊濾波器。表1列舉了MAX11040的部分特性，關於MAX11040數字低通濾波器或表中列出的特性指標的詳細信息，請參考器件數據資料。

表1. MAX11040 ADC的關鍵指標 PartChannelsInput range (VP-P)Resolution (Bits)Speed (ksps, max)SINAD (1ksps) (dB)Input impedance

MAX110404±2.22464117High, (130kΩ, approx)

電力線應用對ADC性能的要求

電力線監控應用中，CT (電流)互感器和PT (電壓)互感器輸出範圍的典型值為：±10V或±5V峰峰值(VP-P)。而MAX11040的輸入量程為±2.2VP-P，低於CT和PT互感器的典型輸出。不過，可以利用一個簡單的低成本方案將±5V或±10V互感器輸出調整到MAX11040較低的輸入量程以內，電路如圖2所示。

連接到通道1的電路代表一個單端設計，這種配置下，變壓器的一端接地，通過一個簡單的電阻分壓器和電容完成信號調理。

對於共模噪聲(該噪聲在ADC的兩個輸入端具有相同幅度)比較嚴重的應用場合，推薦採用圖中通道4所示差分連接電路。利用MAX11040的真差分輸入大大降低共模噪聲的影響。

圖2. MAX11040在電力線監控典型應用中的原理框圖，圖中給出了一個±10V或±5V輸出的變壓器接口。通道4接口電路採用差分設計，通道1採用單端設計。

PT和CT測量變壓器相當於低阻互感器(等效阻抗RTR通常在10Ω至100Ω量級)。為方便計算，以下示例中假設：變壓器相當於一個有效輸出電阻RTR = 50Ω的電壓源;為便於演示，變壓器可以由一個50Ω輸出阻抗的低失真函數發生器代替，如圖3所示。MAX11040的輸入阻抗與時鐘速率、ADC輸入電容有關。連接適當的旁路電容C3，設定XIN時鐘頻率 = 24.576MHz，則得到輸入阻抗RIN等於130kΩ ±15%，誤差取決於內部輸入電容的波動。

R1、R2組成的電阻分壓網絡將±10V或±5V輸入信號轉換成ADC要求的±2.2V滿量程範圍(FSR)。為確保該電路工作正常，需要優化R1和R2電阻值，以及C1、C2和C3電容的選擇，以滿足±10V或±5V輸入的要求。電阻R1和R2必須有足夠高的阻抗，避免CT和PT變壓器輸出過載。同時，R2阻值還要足夠小，以避免影響ADC的輸入阻抗(R2 RIN)。

對於單端設計，圖2中MAX11040通道1的輸入電壓VIN(f)，可以利用式1計算：

(式1)

式中：

VTR是CT和PT變壓器的輸出電壓。

RTR是變壓器的等效阻抗。

R1、R2構成電阻分壓網絡。

RIN是MAX11040的輸入阻抗。

R2llRIN是R2和RIN的並聯阻抗。

C3為輸入旁路電容。

f是輸入信號頻率。

VIN(f)是MAX11040的輸入電壓。