基于 ADC 的最佳集成来实现高性能数据采集系统

作者：Maxim 

本文档主要侧重于通过工业传感器和高性能 ADC 的最佳集成来实现高性能数据采集系统 (DAS)。高性能 ADC 在其设计中采用 Sigma-Delta 架构是可能的。该参考设计将探讨 Maxim 的 MAX11040K 以及所需的最佳性能所需的正确原理图和组件。

许多新的高级工业应用需要高性能数据采集系统 (DAS) 和多个传感器之间的接口。当该接口需要多通道高精度幅度和相位信息时，这些工业应用可以利用MAX11040K等极高动态范围、同步采样、多通道ADC。

高速 Sigma-Delta 架构的优势

以图 1 所示的高级三相电力线监控/测量系统为例。这些工业应用需要在高达 117dB 的宽动态范围内进行精确的同步多通道测量采样率高达 64ksps。为了优化系统精度，来自传感器（例如图 1 中的 CT 和 PT 变压器）的信号应适当“调节”以满足 ADC 输入范围，并确保 DAS 特性能够实现符合国际标准的测量。

图 1 说明了两个 MAX11040K ADC 可以同时测量三相和零线电压以及电流。ADC 基于 sigma-delta 架构，该架构使用过采样/平均过程来实现高分辨率。每个 ADC 通道使用专用的开关电容器 Sigma-Delta 调制器对其输入执行模数转换。调制器将输入信号转换为低分辨率数字数据，其平均值表示 24.576MHz 时钟下 3.072Msps 的数字化信号信息。然后将此数据流呈现给内部数字滤波器进行处理以去除任何高频噪声。这些操作的结果是一个高分辨率的 24 位输出数据流。

MAX11040K 还是一款 4 通道同步采样 ADC，其输出数据代表处理后的平均值。不能像逐次逼近寄存器 (SAR) ADC 那样将这些值视为“瞬时”值。

电力线应用中

的ADC 性能要求 此应用中 CT（电流）和 PT（电压）传感器变压器的输出通常为 ±10V 或 ±5V 峰峰值 (VP-P)。MAX11040K 的 ±2.2VP-P 输入范围低于 CT 和 PT 变压器的这些典型输出。然而，有一种简单且经济高效的方法可以用 MAX11040K 的较低输入范围来适应变压器的 ±5V 或 ±10V 范围。如图 2 所示。

连接到通道 1 的电路代表单端设计。在这种配置中，变压器的一侧接地，信号调节由一个简单的电阻分压器和电容器实现。

如果共模噪声（两个 ADC 输入的噪声相同）是一个严重问题，则建议采用连接到通道 4 的电路所示的差分设计。通过在该设计中利用 MAX11040K 的真正差分输入，噪音影响减少。

结论

使用Maxim 的MAX11040K ADC 可以实现高性能的多通道数据采集系统(DAS)，该ADC 在其系统中采用sigma-delta 架构。这将非常适用于高度需要适当信号调节的“智能”电网监控系统。