ADC在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的研究及應(yīng)用

引言

電力線監(jiān)控系統(tǒng)或現(xiàn)代三相電機(jī)控制系統(tǒng)這些應(yīng)用需要在大約70dB~90dB(取決于具體應(yīng)用)較寬的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)精確的多通道同時(shí)測(cè)量，采樣速率通常要求16kbps甚至更高。

影響DAS的主要噪聲和干擾

工業(yè)數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)(DAS)定義了兩類噪聲/干擾。第一類噪聲源于內(nèi)部電子組件，噪聲源包括ADC的轉(zhuǎn)換處理噪聲和諧波失真、緩沖放大器的噪聲和失真，以及基準(zhǔn)噪聲等。第二類干擾源于系統(tǒng)外部，包括外部電磁噪聲、電源噪聲/紋波、I/O口串?dāng)_以及數(shù)字系統(tǒng)噪聲和干擾。圖1列出了不同的噪聲源。

圖1 不同噪聲源和干擾源對(duì)系統(tǒng)分辨率和精度的影響

電力線DAS信號(hào)處理鏈路包含CT、PT測(cè)量變壓器、抗混疊低通濾波器(LPF)、緩沖放大器，及同時(shí)采樣ADC和CPU。同時(shí)采樣ADC是系統(tǒng)的核心電路，用于測(cè)量調(diào)整在標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)輸入動(dòng)態(tài)范圍(如+5V、±5V或±10V)的電壓電流信號(hào)。

表1列出了這些器件的1LSB數(shù)值和量化噪聲，這些數(shù)值按照ADC的位數(shù)為設(shè)計(jì)人員提供了DAS能夠容許的總噪聲和干擾。

表1 對(duì)應(yīng)于ADC分辨率的量化值和量化噪聲

ADC輸入的總噪聲和紋波應(yīng)小于1/2 LSB，同時(shí)，量化噪聲決定了系統(tǒng)的基本噪底。

注意：有些設(shè)計(jì)中，僅1mVRMS的總體噪聲即可導(dǎo)致整個(gè)設(shè)計(jì)不達(dá)標(biāo)，因?yàn)槲唇?jīng)“校準(zhǔn)”的整體噪聲會(huì)導(dǎo)致ADC精度下降。

選擇正確的輸入放大器

基于以上分析，在DAS信號(hào)處理鏈路中，正確選擇輸入放大器是必要的，有很多器件供選擇，MAX130x和MAX132x系列就是可選方案之一。MAX130x和MAX132x系列ADC的輸入電路具有相當(dāng)?shù)偷淖杩?，如圖2所示。相應(yīng)地，大多數(shù)應(yīng)用中，這些器件需要一個(gè)輸入緩沖器以便達(dá)到12位和14位精度。

圖2 MAX130x和MAX132x系列ADC的典型輸入電路

為了達(dá)到12位至16位精度，選擇放大器時(shí)需要考慮的關(guān)鍵因素包括：帶寬、擺率、VP-P輸出、低噪聲、低失真和低失調(diào)。應(yīng)保持盡可能低的緩沖放大器噪聲，即遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于ADC的SNR(信噪比)。放大器的整體失調(diào)誤差包括漂移，在整個(gè)溫度范圍內(nèi)都應(yīng)小于所要求的精度誤差。每個(gè)緩沖放大器應(yīng)根據(jù)具體應(yīng)用精心選擇。對(duì)于高精度ADC，不建議使用通用運(yùn)放。