CC BY
61Рекомендации по применению высокопроизводительных многоканальных АЦП
с одновременной выборкой в системах сбора данных
Данная статья предназначена для разработчиков высококачественных многоканальных систем сбора и обработки данных с одновременной выборкой. Материал поможет правильно выбрать компоненты и расположить их на печатной плате так, чтобы добиться оптимальных параметров системы. Представлены АЦП с одновременной выборкой — МАХ1308, МАХ1320 и МАХ11046. Преимущества предлагаемого подхода доказывают результаты измерений.
Джозеф ШТАРГОТ (Joseph SHTARGOT)
Введение
В настоящее время многочисленные системы промышленного применения требуют использования многоканальных АЦП с одновременной выборкой. Рассмотрим такие системы на примере усовершенствованной системы контроля цепей питания (рис. 1) или ультрасовременной системы управления
трехфазными двигателями (рис. 2). Для таких систем необходимы прецизионные многоканальные АЦП с одновременной выборкой, работающие в зависимости от конкретного применения в широком динамическом диапазоне от 70 до 90 дБ. При этом типичной является частота выборки от 16 кГц и выше.
В состав микросхем MAX1308, MAX1320 и MAX11046 входят 8 независимых входных
каналов с одновременной выборкой и быстрый АЦП последовательного приближения. Чтобы обеспечить высокие параметры измерительной системы, разработчику нужно обратить особое внимание на архитектуру системы, используемые компоненты и разводку печатной платы.
Контроль каждой фазы осуществляется трансформатором тока и трансформатором напряжения. Законченная система состоит из четырех таких блоков (3 блока для контроля фаз и один — для контроля нейтрали).
После одновременной выборки всех контролируемых сигналов и аналогово-цифрового преобразования блок цифровой обработки позволяет рассчитать мгновенное и среднее значения активной, реактивной и полной мощности, а также значение коэффициента мощности.
Все АЦП, изображенные на рис. 2, осуществляют одновременную выборку измеряемых сигналов. Таким образом, от блока цифровой обработки сигналов не требуется экстраполяции измеряемых сигналов и приведения их к одному моменту времени.
Основные источники шумов и интерференционных помех в промышленных системах сбора данных
В системах сбора данных можно выделить 2 типа шумовых и интерференционных помех. Первый тип обусловлен внутренними шумами, присущими электронным компонентам. Источником таких помех могут служить шумы и гармонические искажения процесса аналогово-цифрового преобразования,
Фаза 1
Нейтраль
Фаза 2
Фаза 3
Трансформатор
напряжения
Трансформатор тока
□
VN
Нагр. 1
Harp. 2~р-І—| НагрГз]------
V 2
\ С
V3
<АЦП]----
АЦП
<АЦП]----
-<АЦП----
ЛМХІЛ1
МАХ1308
МАХ1320
МАХ11046
-<АЦП-----
<АЦП]-----
<АЦП]-----
~<АЦгГ]---
Рис. 1. Схема контроля трехфазной цепи питания
Суммарный уровень шума и пульсаций входного сигнала не должен превышать 1/2 МЗР. В то же время шумы квантования определяют собственный уровень шума измерительной системы.
Примечание. В некоторых конструкциях уровень шума всего в 1 мВ среднеквадратичного значения может значительно ухудшить параметры измерительной схемы (табл. 2).
Таблица 2. Пример ухудшения параметров системы при недостаточном снижении уровня шума
АЦП Число каналов Число разрядов Число «потерянных» битов при уровне шума 1 мВ Эффективное число разрядов
MAX1308 12 0,71 11,3
MAX1320 14 2,71 11,3
MAX11046 16 4,00 12,0
Электромагнитные Шумы/пульсации Источник питания
шумы источника питания +5 в А<змв +3 в 0040
Шумы цифровой системы
Уш ом
V-/ Процессор И-К Изолированная компьютерная шина
'ч7 /7Ь
АЄМО РСШ
МАХ11046 ^ искажения ^ЦП
Е
Внешний
компьютер
Прецизионный источник опорного напряжения
. Шумы/ дрейф ИОН
Рис. 3. Блок-схема типовой системы контроля сети электропитания
(на схеме показаны различные источники шумов и помех, влияющие на точность и разрешение измерительной схемы)
шумы и искажения буферного операционного усилителя, шумы и нестабильность источника опорного напряжения.
Второй тип шумов обусловлен взаимодействием системы с внешними источниками помех. В качестве примера можно привести электромагнитные наводки, пульсации или шумы источников питания, переходные помехи между входами/выходами и шумы или помехи от цифровых схем.
Эти различные источники шумов представлены на рис. 3.
Система сбора и обработки данных в цепи электропитания состоит из измерительных трансформаторов тока и напряжения, набора низкочастотных фильтров, буферных усилителей, АЦП с одновременной выборкой и процессора цифровой обработки сигналов.
«Сердцем» системы является АЦП с одновременной выборкой. Он измеряет напряжения и токи, приведенные к стандартному промышленному диапазону измерений +5, ±5 или ±10 В. Каждая из микросхем MAX130x,
АЦП ов л а н а * о л Чи Число разрядов Опорное напряжение, В ей £ оТ п г Шум квантования, мВ ф нд ф ^ I ^ «5°
MAX1308 12 2,5 0,6104 0,1762 71
MAX1320 14 2,5 0,1526 0,0440 76
MAX11046 16 4,096 0,0625 0,0180 85
Правильный выбор входного буферного усилителя
Как показано на рис. 4, входные цепи микросхем семейств MAX130x и MAX132x обладают сравнительно низким импедансом. Следовательно, в большинстве случаев эти микросхемы требуют применения входных буферных усилителей для достижения 12-и 14-битной точности.
MAX132x и MAX1104x содержит необходимые цепи, предназначенные для поддержки необходимых входных диапазонов без использования дополнительных цепей формирования сигналов.
Значения напряжения, соответствующего одному младшему значащему разряду (МЗР), и шумы квантования этих семейств АЦП приведены в таблице 1. Эти значения показывают разработчикам, какого уровня шумов и помех в измерительной системе необходимо достичь при различном числе разрядов АЦП.
Таблица 1. Шаг и шумы квантования в зависимости от числа разрядов АЦП
А1/ХІЛ1
МАХ1316-МАХ1318 МАХ1320-МАХ1322 МАХ1324-МАХ1326 Ш 5пФ
Вх. диапазон, В 171, кОм 132, кОм ^ВІАв’ ®
0-5 3,33 5,00 0,90
±5 6,67 2,86 2,50
±10 13,33 2,35 2,06
Рис. 4. Упрощенная схема входных цепей в АЦП семейств MAX130x и MAX132x
Основными требованиями при выборе буферного усилителя для точности измерения от 12 до 16 бит являются: достаточная полоса пропускания, скорость нарастания выходного напряжения, размах выходного напряжения, малый уровень шума, малые искажения и незначительное напряжение смещения. Уровень шума усилителя должен быть как можно ниже, значительно ниже, чем требуемый для достижения необходимой точности.
Параметры некоторых операционных усилителей, рекомендованных для применения, приведены в таблице 3. В противоположность этому в таблице 4 приведены параметры некоторых популярных операционных усилителей, не рекомендуемых для использования с прецизионными АЦП.
Таблица 3. Прецизионные операционные усилители, рекомендованные для применения с АЦП различного разрешения
Тип Напряжение питания, В Частота единичного усиления, МГц кс м г« ося, и о 5 а р а н Размах выходного напряжения Напряжение смещения, мВ Спектральная плотность шума Коммен- тарии
MAX4W- MAX412 ±5 28 4,5 7,2 О,25 2,4 для точности от 12 бит до 16 бит
MAX4250 +5 О,З О,75 7,9 для точности от 12 бит до 14 бит
Таблица 4. Популярные операционные усилители, не рекомендуемые для использования с прецизионными АЦП
Тип Напряжение питания, В Частота единичного усиления, МГц кс м / ть В ося, и О и а р а н Размах выходного напряжения Напряжение смещения, мВ Спектральная плотность шума Коммен- тарии
LF411 ±15 15 2О 2,О 25 для точности до 12 бит
LM124 ±15 1,2 О,5 2О З,О 35 для точности до 11 бит
Альтернативные требования к входному фильтру: семейство МДХ11046
В микросхемах семейства МАХ11046 используется другая архитектура входных цепей, не требующая использования входного буферного усилителя (рис. 5). Эффективный входной импеданс микросхемы МАХ11046 определяется входной емкостью и частотой выборки:
= 1/(С1МхР8АМРЬЕ),
где Р5АМР1Е — частота выборки, а Сю =15 пФ.
При снижении частоты выборки входной импеданс увеличивается и составляет:
• 266 кОм на частоте 250 000 выборок/с;
• 2,66 МОм на частоте 25 000 выборок/с.
Очень высокое значение входного импеданса микросхем семейства МАХ11046 позволяет подключать их напрямую к низкоомным датчикам. Например, трансформаторы тока и напряжения являются сравнительно низкоомными датчиками (сопротивление порядка 10-50 Ом) и, следовательно, могут быть подключены непосредственно к входам МАХ11046 с использованием простых НЧ-фильтров.
В таблице 5 приведены значения RsOURCE и С^т^^ь для типичных низкочастотных применений, типа схемы контроля цепей питания или схемы управления трехфазными электродвигателями.
Таблица 5. Значения Rsource и Cexternal для различных частот выборки
^SAMPLE (выборок/с) CEXTERNAL (пФ)
O 1OO 3OO 1OOO 3OOO
rsource (Ом)
1ООО 1^1О6 3,3xW* 1,4x 1О5 4,7xW4 1,6xW
25ОО 4Д<1О5 1,3x 1О5 5,7xW4 1,9x 1О4 6,5x№
5ООО 2Д<1О5 6,6xW 2,8xW4 9,4xW3 3,2x№
1О ООО 9,7x 1О4 3,2xW* 1,4x 1О4 4,6xW3 1,6x 1О3
25 ООО 3,7x 1О4 1,2x 1О4 5,3xW3 1,8x 1О3 6,1 x 1О2
Правильный выбор значений RsOUrCe и CeXtERnal важен для достижения необходимой точности АЦП.
Резистор RsouRcE должен быть металлическим пленочным с разбросом 1% (или лучше) и низким температурным коэффициентом сопротивления. Желательно выбирать компоненты достойных уважения производителей, таких как Panasonic, ROHM или Vishay.
Для достижения наилучших результатов конденсатор CEXtERNAL должен быть керамическим с рекомендуемым типом диэлектрика NPO. Такие конденсаторы сохраняют свою емкость в широком диапазоне температур и напряжений. Компании Kemet, AVX или Samsung предлагают большой выбор недорогих компонентов для поверхностного монтажа.
Требования к источнику опорного напряжения АЦП
Источник опорного напряжения является критическим компонентом, оказывающим значительное влияние на параметры схемы сбора данных, и сильно влияет на разрешение и точность (табл. 1). Особенно важен температурный дрейф и начальная точность опорного напряжения.
Рассмотрим для примера АЦП MAX11046 с 1 МЗР = 62,5 мкВ. Температурный дрейф встроенного источника опорного напряжения достигает ±10 ppm/°C. При диапазоне температур, равному 50 °С, дрейф напряжения смещения может достигать ±500 ppm, что эквивалентно ±2,048 мВ (±33 МЗР).
В тех случаях, когда важен температурный дрейф, необходимо использовать внешний источник опорного напряжения с малым температурным дрейфом, такой как MAX6341 (1 ppm/°C). При использовании такого источника суммарный дрейф не будет превышать 0,2 мВ в диапазоне температур 50 °С (или всего 3 МЗР). Опорное напряжение MAX6341 имеет начальную точность 4,096±0,001 В, что значительно лучше встроенного источника опорного напряжения MAX11046 4,096±0,0016 В. Таким образом, при использовании прецизионного внешнего источника опорного на-
пряжения достигается значительно более высокая точность и температурная стабильность измерений.
Входной ток для подключения внешнего источника опорного напряжения МАХ11046 не превышает ±10 мкА. Поэтому источник опорного напряжения типа МАХ6341 с выходным током до 10 мА можно использовать для подключения одновременно к нескольким прецизионным АЦП, что снижает разброс параметров отдельных АЦП.
Требования к конструкции и разводке печатной платы
В дальнейшем конструкция многоканального АЦП с одновременной выборкой будет рассматриваться на примере системы контроля многофазных цепей питания. Будут проанализированы конструктивные пути снижения влияния отдельных источников шумов и помех, приведенных на блок-схеме устройства на рис. 3.
Подавление шумов за счет использования низкочастотных фильтров
Уровень шумов и помех в цепях питания может достигать значительной величины. Обычно эти шумы возникают в электрических кабелях и распределительных устройствах за счет индуктивной или емкостной связи с внешними источниками помех. Шумы и помехи обусловлены также динамическим характером цепей питания.
Возвращаясь к рис. 3, скажем, что рабочая частота трансформаторов напряжения и тока составляет 50 или 60 Гц. Реальный трансформатор имеет значительно более широкую полосу пропускания (порядка 100 кГц) и может оказывать фильтрующее влияние только на частотах выше 100 кГц.
Другой значительный источник шумов и помех представляют собой некоторые электронные компоненты, расположенные на печатной плате измерительного устройства. Обычно такими источниками являются процессоры и цепи источника питания. Это особенно актуально при использовании импульсных источников питания. Поэтому на входе каждого канала АЦП необходимо использовать помехоподавляющие низкочастотные фильтры. Компоненты фильтра должны монтироваться как можно ближе к входам АЦП. В таблице 5 приведены рекомендованные значения номиналов элементов фильтров при использовании совместно с МАХ11046.
Практический пример реализации этого подхода представлен на рис. 6. Схема является частью оценочного комплекта для микросхемы МАХ11046. Входные цепи каналов со второго по седьмой демонстрируют пример прямого подключения, когда внешний сигнал подается на вход АЦП без использования буферного усилителя. Оптимальные значения резисторов и конденсаторов при часто-
rsource УИ/ХІИЛ МАХ1104Х
^EXTERNAL ~j~ Г 1 \ SAMPLE -j-
Рис. 5. Упрощенная схема входных цепей микросхем семейства MAX1^6
АУ„„ УЗЗ
Г
_|_ С60 1_ С61 _ї_ С62 _1_С63
~^~0.1 мкф ~|~0.1 мкф ~|~0.1 МКФІГ1 мкф
-Т_ С67
1?3
ВМСЗ 1 к. 1%
-сгь-
снос^ СН1С=>-Тп С66 -1-
-Т- С67
1*4 12 3
. 1000 пф
Л ЮООпФ
32
ВМСЗ 1 К. 1%
-Т- С67
34
1?5 12 3““
ВМСЗ 1 к1%
^-----------т—с!з
1000 пФ
37
39
42
1000 пФ
45
12 3““
1000 пФ
11*25 -11 кОм
^£15 -ІС22 2,2 мкйГ3,01 мк
'--------' 1
г С78=^ 0,1 мкф Т
из
лллталл
МАХ6126
І.С.
їм І.С.
ф
N1?
оитр
оитэ
“ПГ
4=С21 | 36 0,1 мкф
В\«ЕА[1
ВСЕ2АС
ВРЕАС
БНОМАС
ЛІ7
8
5_ 7 .
б] С23
_0Д)1 мкФ
52
53
54 19 18
ЛІ8 ° 1|
2
СОГЧУА С=>-1
1_ С18 _І_ С19 _|_ С20 "Т0.1 >^<фр,1 мкФГ 0,1 мкф
СН0 АУш
СН1
СН2
СНЗ
СН4
СН5
СН6
СН7
1*ЕР10
СЭ
ІЮ
І.С.
СОМУБТ
ЕР АЄМО
ОУп|
АЄ№8
иі
лмхілі
МАХ11046
ООМР
С17
2,2 мкФ
-ЦС1 = = 33 мкф
тГ| гуг
РВО ів -^СИРОА
РВ1 15 -^□01А
РВ2 14 -^СИР2А
РВЗ 13 -^сирза
РВ4 12 -^^04 А
РВ5 11 —ар5А
РВ6 10
9
РВ8 6
РВ9 5
РВ10 4
ПВ11 3 -^сирпа
ПВ17 2 -^□рі2а
гот 1 -^□Р13А
гті4 56 -^□Р14А
ПВ15 55 -^□Р15А
17
пн- —ЕОСВА
---т—т-^ШІЮС
С4-І--І-С5 33 мкф ^ Т 33 мкф
Рис. 6. Типовая схема подключения МАХ11046
те 10 000 выборок/с приведены в таблице 5. Значение R = 4,6 кОм и С = 1000 пФ являются типичными для схем контроля цепей питания. Канал 0 и канал 1 могут быть сконфигурированы для работы с буферным усилителем, необходимым при работе на частотах более 100 000 выборок/с.
Сам оценочный комплект позволяет значительно ускорить разработку системы сбора данных.
Заземление и экранирование сигнальных цепей
Входные дорожки печатной платы, пропускающие аналоговые сигналы от входных разъемов до входов АЦП, подвержены влиянию внешних помех, шумов и переходных помех между отдельными каналами АЦП.
Для достижения безошибочности входного сигнала должны приниматься специальные меры по заземлению и экранированию аналоговых входных дорожек. На рис. 7 приведен пример фрагмента печатной платы, предназначенный для защиты аналоговых сигналов.
Напомним, что МАХ11046 обладает очень высокой степенью изоляции между каналами. Чтобы сохранить высокое значение этого параметра, требуется использование копланар-
ной структуры полосковых линий, приведенной на рисунке.
Общие требования к разводке печатной платы
Чтобы обеспечить наилучшие параметры многоканальной системы сбора данных с одновременной выборкой, необходимо выполнить другие важные требования к разводке печатной платы:
• Использовать многослойную печатную плату с отдельными слоями заземления.
• Аналоговые и цифровые цепи должны быть отделены друг от друга.
• Не проводить дорожки аналоговых и цифровых сигналов параллельно друг другу.
• Использовать один сплошной слой заземления с подводом цифровых сигналов с одной стороны и аналоговых — с другой.
• Использовать низкоимпедансный проводник минимальной длины для подключе-
ния этого заземления к земляному выводу источника питания.
• Шунтировать цепи аналогового (AVDD) и цифрового (DVDD) питания на заземляющий слой керамическими конденсаторами емкостью 0,1 мкФ на каждый вывод и располагать эти конденсаторы как можно ближе к выводам микросхемы, чтобы минимизировать паразитную индуктивность.
• Добавить, по крайней мере, по одному конденсатору емкостью не менее 10 мкФ для шунтирования цепей аналогового и цифрового питания на каждой печатной плате.
• Соединить все цепи аналогового и цифрового питания с использованием двух сплошных слоев питания.
• Использовать слой AVDD со стороны аналогового интерфейса МАХ11046 и слой DVDD со стороны цифрового интерфейса микросхемы.
Питание ОУ I
Буферные ОУ
Аналоговые входы ак“ВМС1-ВМС8
Рис. 8. Схема размещения компонентов 8-канальной системы сбора данных на основе МАХ11046, доступная в качестве оценочного комплекта. Приведена верхняя сторона печатной платы
Пример оптимального размещения компонентов и разводки печатной платы для 8-канальной системы сбора данных на основе микросхемы МАХ11046 приведен на рис. 8.
Эта конструкция основана на оценочном комплекте МАХ11046 и использует 6-слойную печатную плату с одним заземляющим слоем и раздельными слоями питания.
Прецизионные аналоговые сигналы от датчиков или генератора сигналов могут быть подключены к плате при помощи экранированных коаксиальных разъемов ВЫС1-ВЫС8. Входы ВЫС1 и ВЫС2 могут быть сконфигурированы как для прямого подключения к входам АЦП, так и для использования дополнительного буферного усилителя, что требуется для работы с частотой более 100 000 выборок/с. Входы ВЫС3-ВЫС8 предназначены только для прямого подключения. Внешние сигналы подаются непосредственно на входы АЦП без использования буферных усилителей. Такое упрощение конструкции привело к необходимости использования качественных цепей экранирования входных сигналов (рис. 9-11).
Применение специальных слоев питания для подключения цепей аналогового и цифрового питания показано на рис. 11, 13. Слои питания позволяют значительно уменьшить сопротивление, емкость и индуктивность дорожек питания и, следовательно, улучшить шумовые параметры цепей питания.
Использование одного сплошного слоя заземления с подводом цифровых сигналов с одной стороны и аналоговых — с другой показано на рис. 12.
Рис. 11. Пример построения цепей питания в слое 4 печатной платы 8-канальной системы сбора данных на основе МАХ11046
1000 900 800 g 700 Ц 600 § 500 § 400 т 300 200 100 0 13.
П
П п
J IL L
П П п П п Цп П п п п п
400 13 406 13 412 13 418 13 424 13 430 13 436 13 442 13 448 13 454 13 460 13 466 Цифровой код на выходе
Рис. 13. Гистограмма выходного сигнала для системы сбора данных до оптимизации разводки печатной платы
3500 3000 g 2500 3 2000
О
§ 1500 т 1000 500
13 433 13 434 13 435 13 436 13 437 13 438 13 439 13 440
Цифровой код на выходе
Рис. 14. Гистограмма выходного сигнала для системы сбора данных после оптимизации разводки цепей питания, заземления и входных сигналов
3500 3000 о 2500
з 2000
g 1500 ^ 1000 500 0
13 422 13 424 13 426 13 428 13 430 13 432 13 434 13 436 13 438 13 440
Цифровой код на выходе
Рис. 15. Гистограмма выходного сигнала для системы сбора данных Мах1т
I
I
I I I I I I I I I I I i П
Результаты измерений
Некоторые результаты измерений промышленного прототипа многоканальной системы сбора данных на основе АЦП МАХ11046 с одновременной выборкой приведены на рис. 13-15. На входы АЦП подавался прецизионный сигнал 2,048 В от источника опорного напряжения МАХ6126. Диапазон выходных сигналов АЦП составляет ±32 768. На рис. 13 представлены результаты измерения для прототипа печатной платы, построенного без учета приведенных требований по разводке цепей питания и входных сигналов.
Результаты измерений показывают, что шумы и помехи снижают эффективное раз-
решение АЦП до уровня порядка 11,5 бит. Гистограмма измерений отличается крайней нестабильностью, что отображает непредсказуемость результатов.
На рис. 14 приведены результаты измерений после некоторых усовершенствований конструкции печатной платы, направленных на оптимизацию цепей питания, заземления и входных сигналов. Гистограмма выходного сигнала показывает значительное улучшение параметров системы и достижение эффективного числа разрядов порядка 13,5 бит. Гистограмма стала хорошо повторяемой, что отражает значительно возросшую стабильность измерений.
На рис. 15 приведены результаты измерений на системе сбора данных производства
Maxim при тех же условиях измерения. Гистограмма выходного сигнала показывает, что эффективное число разрядов стало равно 14 битам. Гистограмма обладает отличной повторяемостью, что отражает исключительную стабильность измерений и преимущества конструкции печатной платы Maxim.
Выводы
Высококачественные многоканальные системы сбора данных на основе АЦП с одновременной выборкой типа MAX1308, MAX1320 и MAX11046 можно применять в современных устройствах сбора данных. Они удовлетворяют или даже превышают расширенные требования к «интеллектуальным» системам контроля цепей питания [3] или требования к ультрасовременным системам управления трехфазными двигателями.
Чтобы достичь высоких параметров систем сбора данных и соответствовать параметрам этих АЦП, необходимо обратить пристальное внимание на конструкцию устройства. Особого внимания требуют: низкочастотная фильтрация входных сигналов, малошумя-щие буферные усилители и источник опорного напряжения, расположение компонентов, разводка печатной платы, фильтрация шумов и пульсаций напряжения питания. При внимательном отношении к этим принципам конструирования новое поколение высококачественных АЦП обеспечит превосходные результаты.
За дополнительной информацией обращайтесь к официальным дистрибьюторам Maxim в России: www.maxim-ic.ru/contact. ■
Литература
1. Application note 270, “Analog-Signal Data Acquisition in Industrial Automation Systems.”
2. Application note 748, “The ABCs of ADCs: Understanding How ADC Errors Affect System Performance.”
3. Application note 4281, “Advanced Power-Line Monitoring Requires a High-Performance, Simul-taneous-Sampling ADC”. («Улучшенный контроль цепей питания требует высококачественных АЦП с одновременной выборкой»).
