MAX11040 24位同時采樣Σ-Δ ADC綜述

摘要：本應用筆記重點介紹了同時采樣Σ-Δ ADC MAX11040的關鍵特性，討論了四通道同時采樣、獨立設置各通道相位延時、8片轉換器級聯(lián)以及低電平有效的故障和溢出指示信號的使用。本文給出了利用評估(EV)板得到的測試數(shù)據(jù)。

四通道同時采樣

MAX11040集成了四個24位Σ-Δ ADC，能夠實現(xiàn)四個通道的同時采樣。多路復用Σ-Δ ADC不能保持相位完整性，MAX11040則不同，它不僅記錄相位信息而且允許用戶對每個獨立通道的相位進行設置。

圖1顯示了同一模擬信號(零相位延時)作用到四個ADC輸入端時所產生的采樣數(shù)據(jù)。


圖1. 同一正弦波作用到MAX11040的四個輸入端，同時采樣輸出如右側所示

獨立設置每個通道的相位延時

用戶可以分別設置每路ADC的相位延時，最大延時為333μs，步進值為1.33μs。通過設置ADC通道的相位延時，用戶可以消除信號路徑上由濾波器、延時線等引起的固有延遲，延時的步進調節(jié)低于數(shù)據(jù)速率。

圖2顯示了零相位延時的采樣輸出和改變相位延時后的采樣輸出。兩種情況下，所有四個輸入端作用同一信號源。


圖2. 同一正弦波作用到MAX11040的四個輸入端。圖2A所示為零相位延時情況下四個通道的同時采樣輸出；圖2B所示為更改相位延時后，四個通道的同時采樣輸出

8片器件的級聯(lián)

如果四個采樣通道不能滿足某些應用的需求，則可級聯(lián)多片MAX11040，最多可級聯(lián)8片轉換器實現(xiàn)32個通道的同時采樣。這一功能對于EEG (監(jiān)測腦電波)等需要對多個通道進行同時采樣的應用十分理想。

圖3給出了器件配置。

• 第一顆芯片的/CASCOUT信號送入第二顆芯片的/CASCIN；第二顆芯片到第三顆芯片以及后續(xù)芯片的配置與此類似。最后一顆芯片的/DRDYOUT輸出指示所有芯片的數(shù)據(jù)轉換就緒。
• 第一顆芯片的CLKOUT信號送入所有其它芯片的XIN引腳。
• /FAULT和/OVRFLW按照“線或”邏輯連接在一起。

圖3. MAX11040級聯(lián)配置，最多可級聯(lián)8片

故障和溢出指示信號

一旦輸入超出VREF的±0.88%或大于6V，MAX11040將產生低電平有效的溢出和故障報警信號，這一功能對于需要飽和報警或過壓(OV)保護的應用十分重要。

圖4說明了快速變化輸入的情形；圖5說明了慢速變化輸入的情形。對于高速信號，低電平有效的溢出和故障報警輸出幾乎同時發(fā)生跳變。值得注意的是：從信號跨越門限到低電平有效的溢出和故障報警信號置低，存在一個響應時間。同樣，在信號返回高電平之前存在一個恢復時間。


圖4. 高頻模擬輸入的OV檢測和在快變化輸入情況下的恢復時間


圖5. 高頻模擬輸入的OV檢測和慢變化輸入時的恢復時間

測試數(shù)據(jù)舉例

以下數(shù)據(jù)是對MAX11040評估板進行測試得到的。

同時采樣、可編程相位延時和器件級聯(lián)配置

圖6給出了兩片ADC的應用電路圖，電路配置能夠設置不同的相位延時。8個輸入端(每片4個輸入端)作用相同的120Hz、4VP-P交流信號。每個輸入通道的相位延時用以下代碼設置：

CH1	0	0	0μs
CH2	36	36	46.88μs
CH3	2 × 36	72	93.75μs
CH4	3 × 36	108	140.62μs
CH1	4 × 36	144	187.50μs
CH2	5 × 36	180	234.38μs
CH3	6 × 36	216	281.25μs
CH4	7 × 36	252	328.12μs

圖6. 各種相位延時輸入到兩片MAX11040模數(shù)轉換器

圖7和圖8給出了圖6所示兩片MAX11040的數(shù)據(jù)采集結果。從結果可以看出，雖然同一信號作用到所有輸入端，但由于設置的相位延時不同，所以輸出波形的相位也不同。


詳細波形(PDF, 279KB)
圖7. 圖6所示兩片ADC的數(shù)據(jù)采樣結果


詳細波形(PDF, 269KB)
圖8. 圖7放大后的波形

故障和溢出檢測(輔助應用)

如果設計人員需要使用低電平有效的溢出或故障報警信號作為中斷，硬件電路中需要加入一個D觸發(fā)器或使用內部鎖存器。當溢出或故障報警信號觸發(fā)/SD引腳時，信號將被鎖存。中斷控制器也可以通過驅動/RD引腳產生復位信號(圖9)。


圖9. 溢出和故障報警信號鎖存

從以上對MAX11040關鍵特性的討論可以看出，該芯片非常適合以下應用：

• 三相 + 零相功率測量和監(jiān)測
  通過電壓和電流變壓器將電壓降至可接受的電平，兩片MAX11040級聯(lián)后監(jiān)測三相和零相的電壓、電流信號。由于Σ-Δ ADC具有24位精度，MAX11040有足夠的采樣率監(jiān)測24次以上的諧波(工業(yè)標準)。ENOB接近18位，采集電氣噪聲以及較大的瞬變信號有助于判斷電網質量。同過調整相位延時能夠補償相移產生的功率因數(shù)偏差。另外，也可以很容易地檢測到溢出和故障報警狀態(tài)。
  
  
  
  
• EEG/EKG信號監(jiān)測
  
  
  
  動態(tài)范圍較寬時，可以禁止第二級放大電路，以降低元器件數(shù)量和成本，提高系統(tǒng)可靠性。由于采用了具有五階調制器的Σ-Δ架構，MAX11040能夠提供由于SAR及其它架構的噪聲指標。該器件可以提供32個通道的同時采樣，并可調整個通道的相位，用于監(jiān)測腦電波的各個部分。