同時(shí)采樣A/D變換器及其應(yīng)用

兩款新型同時(shí)采樣A/D變換器MAX125和MAX126是完整的14位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以同時(shí)跟蹤和保持8個(gè)輸入中的4個(gè)輸入（見(jiàn)圖1）。板上定序器可通過(guò)編程來(lái)選擇對(duì)哪4個(gè)（或少于4個(gè)）通道進(jìn)行數(shù)字化。吞吐量速率范圍為250ksps（一個(gè)通道）～76ksps（所有4個(gè)通道）。輸入范圍是±5V（MAX125）和±2.5V（MAX126）。

4個(gè)跟蹤/保持（T/H）級(jí)的每一級(jí)可在A和B輸入間切換，產(chǎn)生8個(gè)可能的輸入通道。圖2示出跟蹤模式的A通道。每個(gè)T/H輸入中的T開關(guān)使相鄰?fù)ǖ篱g的串?dāng)_最小。4個(gè)地址引腳選擇通道號(hào)和工作模式，每個(gè)輸入電路容許±17V過(guò)壓。該芯片還包含電壓基準(zhǔn)（漂移為30ppm/℃）。

MAX125/126變換器有廣泛的應(yīng)用，這包括：

·場(chǎng)定向控制，使AC馬達(dá)工作如同DC馬達(dá)一樣；

·線路故障保護(hù)系統(tǒng)中高電壓、三相波形的測(cè)量；

·基于Coriolis質(zhì)量流量計(jì)中相位差檢測(cè)；

·對(duì)衛(wèi)星調(diào)諧器IC的I和Q信號(hào)數(shù)字化；

·用在汽車制造業(yè)的基于雷達(dá)碰撞報(bào)警系統(tǒng)中，可去掉中頻級(jí)。

場(chǎng)定向控制

場(chǎng)定向控制（Field-orieneed control,FOC）使AC馬達(dá)工作如同DC馬達(dá)，這是MAX125/126變換器的一種主要應(yīng)用。DC馬達(dá)中的電刷和整流子組合件保證場(chǎng)（定子）電流對(duì)轉(zhuǎn)子電流總是保持正確的角度。這就是可說(shuō)的場(chǎng)定向，這一條件可使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生所標(biāo)定的最大轉(zhuǎn)矩兩個(gè)元素分離開來(lái)和對(duì)它們進(jìn)行直接控制，使場(chǎng)定向能為馬達(dá)提供快速和精確的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。為了改變馬達(dá)轉(zhuǎn)矩，需要改變轉(zhuǎn)子電流分量Iq，Iq決定產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和保持場(chǎng)或磁化電流分量為常數(shù)。從圖3可確定磁化電流：

Id=Vd=jωLm (1)

式中Id:磁化電流分量，Vd：定子電壓，ω：所加電壓角頻率，Lm：轉(zhuǎn)子的磁化電感。

所以，保持Vd/ω比為常數(shù)可在不同速度下保持恒定轉(zhuǎn)矩。另外，改變定子電壓Vd也可控制速度。盡管Vd電壓不能直接測(cè)量，若知道在不同溫度下馬達(dá)的三相中的一相輸入電壓VXR、定子電流Is和定子電阻Rs就可推導(dǎo)出Vd:

Vd=VxR-IsRS (2)

場(chǎng)定向控制分為：直接，間接和無(wú)傳感器三類。

直接FOC直接測(cè)量轉(zhuǎn)子角，是用安裝在馬達(dá)罩中的傳感器測(cè)得的。

間接FOC測(cè)量速度，用解算器來(lái)測(cè)量速度，再對(duì)速度積分來(lái)確定轉(zhuǎn)差角。在AC異步馬達(dá)中，轉(zhuǎn)子中的轉(zhuǎn)動(dòng)場(chǎng)使轉(zhuǎn)子與定子場(chǎng)以相同的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，但角頻率較低。其頻率之間的差稱之為轉(zhuǎn)差頻率，而它們之間的角度稱之為轉(zhuǎn)差角。轉(zhuǎn)子角頻率加轉(zhuǎn)差頻率給出所需的定子頻率。所以，頻率是這種控制技術(shù)的副產(chǎn)品而不是控制變量。

無(wú)傳感器FOC倍受關(guān)注，特別是一些啟用中不能從轉(zhuǎn)子直接信號(hào)反饋情況，需要無(wú)傳感器FOC。例如，海上石油鉆機(jī)的水下泵和其他系統(tǒng)，其馬達(dá)和驅(qū)動(dòng)電子裝置離的很遠(yuǎn)。無(wú)傳感器FOC和直接、間接FOC不同，它在馬達(dá)的定子端執(zhí)行所有的測(cè)量和計(jì)算（見(jiàn)圖4）。從圖4和圖5的向量圖可見(jiàn)：MAX125對(duì)兩個(gè)轉(zhuǎn)子相電流ib和ic進(jìn)行數(shù)字化。注意，只需要兩個(gè)相電流，而第3個(gè)相電流ia可以從假設(shè)（3個(gè)相電流是120°相位差、瞬時(shí)相加值為0）中推導(dǎo)出來(lái)。3個(gè)電流然后通過(guò)Clarke變換技術(shù)變換為α和β軸的二相正交系統(tǒng)。

為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，α軸可等于a軸。兩個(gè)正交電流iα和iβ即可變換為時(shí)間不變的旋轉(zhuǎn)正交系統(tǒng)，此系統(tǒng)用等效于轉(zhuǎn)子電流id和iq的磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)矩分量d和q表示。α/β坐標(biāo)系反時(shí)鐘轉(zhuǎn)動(dòng)，以與轉(zhuǎn)子矢通量軸線ψr對(duì)齊。轉(zhuǎn)角θ由Park座標(biāo)變換轉(zhuǎn)動(dòng)的馬達(dá)模型決定。Park變換把電流表示為DC量，這大大地降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性。把轉(zhuǎn)子矢通量角θ與從Park變換所得到的電流結(jié)合起來(lái)就得到實(shí)際的馬達(dá)場(chǎng)和轉(zhuǎn)矩。由于能對(duì)基準(zhǔn)轉(zhuǎn)矩和測(cè)量的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行比較，Park變換在控制環(huán)路中起主要作用。得到所希望的轉(zhuǎn)矩和矢通量之后，Park反變換首先把基準(zhǔn)轉(zhuǎn)矩和場(chǎng)電流（idref和iqref）反變換為正交定子格式電流idref和iqref)反變換為正交定子坐標(biāo)系電流ia、ib和ic。所有的變換都由DSP執(zhí)行。微處理器進(jìn)行控制和輸入命令的實(shí)時(shí)執(zhí)行。

線路故障保護(hù)系統(tǒng)

在線路故障保護(hù)系統(tǒng)（見(jiàn)圖6）中同時(shí)取樣ADC對(duì)于測(cè)量高電壓、3相波形也是不可缺少的。被測(cè)的慢變化50～60Hz信號(hào)可用多路ΣΔ變換器，這種變換器有很高的分辨率而不需要抗混淆濾波器。盡管單個(gè)ΣΔ ADC不昂貴，但在這種應(yīng)用中（3個(gè)電壓和4個(gè)電流）一般需要用幾個(gè)ΣΔ ADC，這增加了變換器成本，大約為單個(gè)MAX 125的4倍。

基于Coriolis質(zhì)量流量計(jì)

Coriolis原理是用低頻振動(dòng)激勵(lì)管子的載面并拾取由注經(jīng)管子的質(zhì)量流所引起的管子變形，電路示于圖7。激勵(lì)源一般是振動(dòng)線圈，而偏轉(zhuǎn)量是用聲音線圈或光學(xué)手段拾取的。在對(duì)激勵(lì)和拾取信號(hào)進(jìn)行比較時(shí)，這些偏轉(zhuǎn)量呈現(xiàn)為相位差，而這種相位差可用同時(shí)取樣方法檢測(cè)。盡管信號(hào)頻率相當(dāng)?shù)停ㄒ话銥?0～500Hz），但檢測(cè)很小的相移卻需要高速、高分辨率同時(shí)取樣ADC。

高頻應(yīng)用

在高頻領(lǐng)域，用同時(shí)取樣對(duì)來(lái)自直接下變頻衛(wèi)星調(diào)諧器IC的I和Q信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化。商用衛(wèi)星接收機(jī)系統(tǒng)含有一個(gè)特殊設(shè)計(jì)的雙6位高速（60～90MHz）同時(shí)取樣ADC（見(jiàn)圖8）。在碰撞報(bào)警和自適應(yīng)巡航控制機(jī)動(dòng)系統(tǒng)中，用同樣速度的同時(shí)取樣可消除中頻級(jí)。但是，這種方法需要相當(dāng)昂貴的8位分辨率并行ADC。采用欠取樣技術(shù)可達(dá)到1Msps以下的類似結(jié)果。船上雷達(dá)檢測(cè)也需要10～30Msps 12位分辨率的同時(shí)取樣。這種功能用MAX1424系列中的任意兩種（根據(jù)速度要求）都可實(shí)現(xiàn)，MAX1424可微調(diào)的基準(zhǔn)輸入可調(diào)整系統(tǒng)增益和補(bǔ)償。
結(jié)語(yǔ)

本文所介紹的高速14位同時(shí)取樣A/D變換器擴(kuò)展了對(duì)兩個(gè)或多個(gè)波形精確相位測(cè)量的應(yīng)用范圍，這是一種經(jīng)濟(jì)合算的方法。