ADC在数据采集系统中的研究及应用

引言

电力线监控系统或现代三相电机控制系统这些应用需要在大约70dB~90dB(取决于具体应用)较宽的动态范围内实现精确的多通道同时测量，采样速率通常要求16kbps甚至更高。

影响DAS的主要噪声和干扰

工业数据采样系统(DAS)定义了两类噪声/干扰。第一类噪声源于内部电子组件，噪声源包括ADC的转换处理噪声和谐波失真、缓冲放大器的噪声和失真，以及基准噪声等。第二类干扰源于系统外部，包括外部电磁噪声、电源噪声/纹波、I/O口串扰以及数字系统噪声和干扰。图1列出了不同的噪声源。

图1 不同噪声源和干扰源对系统分辨率和精度的影响

电力线DAS信号处理链路包含CT、PT测量变压器、抗混叠低通滤波器(LPF)、缓冲放大器，及同时采样ADC和CPU。同时采样ADC是系统的核心电路，用于测量调整在标准工业输入动态范围(如+5V、±5V或±10V)的电压电流信号。

表1列出了这些器件的1LSB数值和量化噪声，这些数值按照ADC的位数为设计人员提供了DAS能够容许的总噪声和干扰。

表1 对应于ADC分辨率的量化值和量化噪声

ADC输入的总噪声和纹波应小于1/2 LSB，同时，量化噪声决定了系统的基本噪底。

注意：有些设计中，仅1mVRMS的总体噪声即可导致整个设计不达标，因为未经“校准”的整体噪声会导致ADC精度下降。

选择正确的输入放大器

基于以上分析，在DAS信号处理链路中，正确选择输入放大器是必要的，有很多器件供选择，MAX130x和MAX132x系列就是可选方案之一。MAX130x和MAX132x系列ADC的输入电路具有相当低的阻抗，如图2所示。相应地，大多数应用中，这些器件需要一个输入缓冲器以便达到12位和14位精度。

图2 MAX130x和MAX132x系列ADC的典型输入电路

为了达到12位至16位精度，选择放大器时需要考虑的关键因素包括：带宽、摆率、VP-P输出、低噪声、低失真和低失调。应保持尽可能低的缓冲放大器噪声，即远远低于ADC的SNR(信噪比)。放大器的整体失调误差包括漂移，在整个温度范围内都应小于所要求的精度误差。每个缓冲放大器应根据具体应用精心选择。对于高精度ADC，不建议使用通用运放。