Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Вторник, 19 ноября
 
 


Это интересно!

Ранее

Конвейерные или сигма-дельта АЦП для телекома

АЦП является ключевым компонентом в приемных каналах цифровой связи, и его правильный выбор имеет решающее значение в оптимизации разрабатываемой системы. В статье обсуждается вопрос о том, какие факторы определяют выбор АЦП, как задать его параметры и чему отдать предпочтение в том или ином случае — конвейерному либо сигма-дельта АЦП.

Как синхронизировать выборку высокоскоростных АЦП и ЦАП в современных системах связи

Новые поколения систем связи требуют обеспечить точную синхронизацию каналов передачи данных, в которых используются высокоскоростные АЦП и ЦАП. В статье рассмотрены требования к синхронизации выборки преобразователей данных нисходящего канала связи OFDM-системы, а также методы синхронизации, установленные в новом стандарте сопряжения высокоскоростных преобразователей данных и логических устройств JEDEC JESD204A.

Высоковольтный оптический ЦАП с USB-интерфейсом для управления пьезоэлектрическим микросхватом

В статье представлена архитектура и схемотехника системы управле­ния пьезоэлектрическим микросхватом для мобильной микроробототехники и манипуляторов систем автоматической микросборки с получением точных перемещений. Ядро системы управления построено на микроконтроллере MSP430F1121A фирмы Texas Instruments. Приводится краткое описание микросхвата, системы управления напряжением питания, подаваемого на пьезоэлектрические биморфы, и рекомендации по применению.

Реклама

По вопросам размещения рекламы обращайтесь в отдел рекламы

Реклама наших партнеров

 

10 марта

Многоканальные АЦП с синхронной выборкой фирмы Maxim для промышленных систем сбора и обработки данных

Существует немало приложений, в которых для измерения динамических характеристик процессов требуются многоканальные АЦП, имеющие не только высокую производительность и точность, но и обеспечивающие одновременную выборку всех каналов. Компания Maxim выпускает широкий ассортимент АЦП, удовлетворяющих требованиям различных промышленных применений и обладающих передовыми характеристиками и производительностью. В статье представлены многоканальные АЦП фирмы Maxim с одновременной выборкой.



О

дновременная выборка каналов (или сэмплирование) обеспечивает съем датчиковых данных, относящихся к одному моменту времени. Многоканальные АЦП содержат устройства выборки и хранения (УВХ или T/H track-and-hold) по каждому каналу, АЦП, схему синхронизации, схему выходного интерфейса (последовательные или параллельный). Устройство выборки и хранения представляет собой ячейку аналоговой памяти с ключом. Управление процессом выборки (ключ открыт — ключ закрыт) осуществляется схемой синхронизации. Ключевыми параметрами, определяющими фазовую точность выборки по каналам, являются задержка фиксации аналогового уровня от момента подачи фронта сигнала (фронта) и разброс времени фиксации по каналам.

Процесс преобразования аналоговых данных в цифровые состоит из фазы фиксации данных в устройстве выборки и хранения, последовательного или параллельного преобразования данных в цифровой код и передачи регистрового файла в хост-процессор для обработки. В более простых и дешевых схемах используется последовательное во времени преобразование с помощью одного канала АЦП и коммутатора, подключенного к выходам схем выборок и хранения (см. рис. 1).

Рис. 1. Структура многоканального АЦП одновременной выборки с одним каналом преобразования аналог-цифра и мультиплексором

Однако большую производительность обеспечивает использование параллельного аналого-цифрового преобразования сразу по всем каналам (см. рис. 2).

В последнем случае за счет параллельного преобразования его время значительно сокращается. Однако стоимость такого АЦП также выше, чем у АЦП с последовательным поканальным преобразованием. Для обеспечения высоких скоростей преобразования и передачи данных используется параллельный интерфейс с 12/14/16- и даже 24-разрядной шиной. При невысоких скоростях преобразования, но с высокой точностью, обычно используется более дешевый последовательный интерфейс.

Рис. 2. Многоканальный АЦП одновременной выборки и с несколькими модулями аналого-цифрового преобразования

Для измерения с большим динамическим диапазоном используется т.н. принцип преобразования сигма-дельта и аналогичная предыдущей архитектура — несколько АЦП с синхронизированными УВХ.

Области применения многоканальных АЦП с одновременной выборкой

– Тестовое промышленное многоканальное измерительное оборудование.

– Мультифазные электроприводы.

– Мониторинг трехфазных сетей на подстанциях.

– Устройства защиты высоковольтных сетей напряжения.

– Источники бесперебойного питания.

– Синусно-косинусные прецизионные датчика угла.

– Многовекторный анализ в вибрационных стендах.

– Медицинская многоканальная диагностическая аппаратура.

– Гидро-, радио-, ультразвуковая локационная аппаратура.

Классификация многоканальных АЦП с одновременной выборкой фирмы Maxim

Для удовлетворения различным требований, возникающих в процессе проектирования многоканальных измерительных систем, компания Maxim разработала ряд АЦП с одновременной выборкой, которые отличаются числом каналов, производительностью, точностью, типом цифрового интерфейса, диапазоном входных напряжений и ценой. Широкая номенклатура АЦ позволяет сделать выбор наиболее оптимальный по цене и эффективности применения (см. табл. 1).

Таблица 1. Основные параметры многоканальных АЦП с одновременной выборкой фирмы Maxim

Тип

Число каналов

Разрядность, бит

SNR, дБ

Частота выборок, скорость передачи, квыб./с

Задержка и разброс выборок по каналам

Интерфейс

Диапазон входных сигналов, В

Корпус

MAX 1304

8

12

1 канал SAR ЦАП

71

456 при активных 8 каналах

8-нс задержка

100-пс разброс по каналам

Параллельная 12-разрядная шина, 20 МГц

0…5 В MAX1304/MAX1305/MAX1306

48 TQFP

7 × 7 мм

MAX 1305

4

MAX 1306

2

MAX 1308

8

±5 В MAX1308/MAX1309/MAX1310

MAX 1309

4

MAX 1310

2

MAX 1312

8

±10 В MAX1312/MAX1313/MAX1314

MAX 1313

4

MAX 1314

2

MAX1316

8

14

1 канал SAR АЦП

76

250 при 8 активных каналах

10-нс апертура задержки

50-пс разброс по каналам

Параллельная, 14-разрядная шина, 16,6 МГц

0...5 В MAX1316/MAX1317/MAX1318

48 LQFP

7 × 7 мм

MAX1317

4

MAX1318

2

MAX1320

8

±5 В MAX1320/MAX1321/MAX1322

MAX1321

4

MAX1322

2

MAX1324

8

±10 В MAX1324/MAX1325/MAX1326

MAX1325

4

MAX1326

2

MAX11044

4

16

4 канала АЦП

92

250 при 8 активных каналах

10-нс апертура задержки

100-пс разброс по каналам

Параллельная 16-разрядная шина, 20 МГц

±4,0...±5,2 В

56 TQFN

8 × 8 мм

MAX11045

6

MAX11046

8

MAX 11040

4

24

4 канала Дельта-сигма АЦП

106 при 16 квыб./с

117 при 1 квыб./с

Программируемая 0,25…64

Программируемая задержка 0…333 мкс

Последовательный, 4-проводный SPI/QSPI/MICROWIRE

±2,2 В

38 TSSOP

Все типы АЦП имеют раздельное питание аналоговых и цифровых цепей. Диапазон напряжений питания аналоговой части 4,75…5,25 В, а цифровой — 2,7…5,25 В. Несмотря на однополярное питание, некоторые приведенные АЦП могут работать с источниками двуполярных сигналов, при этом их напряжение может превышать напряжение питания самих микросхем. Все указанные приборы имеют встроенный источник опорного напряжения. Исполнения в корпусах TQFP, TQFP, LQFP обеспечивают малые габариты разрабатываемых устройств.

Структура 12- разрядных ЦАП MAX1304-MAX1314

Структура всех микросхем этой серий АЦП одинакова (см. рис. 3). Для аналого-цифрового преобразования используется схема с одним АЦП и мультиплексор. Микросхемы серии отличаются числом каналов и диапазоном входных напряжений. Это самые доступные и недорогие АЦП с одновременной выборкой в номенклатуре Maxim.

Рис. 3. Структура 12-разрядных АЦП с одновременной выборкой серии MAX1304-MAX1314

Микросхемы содержат внутренний источник опорного напряжения, а также источник синхронизации. Двунаправленная 12-разрядная шина обеспечивает высокую скорость передачи данных в хост-процессор. По этой же шине производится конфигурация режимов АЦП. Для снижения энергопотребления предусмотрены режимы работы Shutdown и PowerSaving.

Линейка 14-разрядных АЦП MAX1316-MAX1318, MAX1320-MAX1322, MAX1324-MAX1326

В данной серии многоканальных АЦП с одновременной выборкой используется схема с одним ядром аналого-цифрового преобразования и мультиплексор. Микросхемы этой серию имеют одинаковую структуру (см. рис. 4). Отличие заключается в числе каналов и диапазоне входных напряжений. Это 14-разрядное развитие предыдущей разработки MAX1304–MAX1314. Соответственно, больше и цена этих микросхем, по сравнению с аналогичными микросхемами 12-разрядной серии.

Рис. 4. Структура 14-разрядных АЦП серии MAX1316–MAX1326

Микросхемы имеют внутренний источник опорного напряжения, но дополнительно может подключаться и внешний ИОН. Микросхемы отличаются двумя параметрами — числом каналов, диапазоном входных напряжений и, соответственно, скоростью передачи. Чем меньше число каналов, тем короче цикл преобразования и передачи кадра данных. При использовании всего одного канала цикл преобразование и передачи составляет всего 1,6 мкс, а для варианта с использованием 8 каналов — 3,7 мкс. Следует принять во внимание, что цена микросхем этой серии в большой степени зависит от числа каналов. Для восьми канальных типов АЦП она максимальна. Для четырехканальных модификаций цена ниже в два и более раз. Для двухканальных модификаций цена снижается еще более чем в четыре раза.

Для снижения энергопотребления предусмотрены режимы работы Shutdown и PowerSaving. Для связи с процессором обработки используется двунаправленная 14-разрядная шина данных, по которой осуществляется конфигурирование режимов работы каналов АЦП. Для сокращения времени преобразования может использоваться режим совмещения циклов передачи данных предыдущего канала с циклом преобразования последующего канала. Рабочий температурный диапазон: –40…85°C. Для достижения 14-разрядной точности в отдельных приложениях рекомендуется использовать входные буферные усилители, реализованные, например, на ОУ MAX4350 или MAX4265.

Структура 16-разрядных АЦП MAX 11044/45/46

Микросхемы этой серии выполнены по одной схеме и отличаются лишь числом входных аналоговых каналов — соответственно, 4; 6 и 8. В структуре используется параллельное преобразование с помощью поканальных независимых АЦП, что обеспечивает высокую скорость преобразования выборок. 16-разрядная параллельная шина обеспечивает высокую скорость передачи данных в хост-процессор. Особенностью микросхем этой серии MAX11044/45/46 (см. рис. 5) является высокое сопротивление входных каскадов — до 1 ГОм. Для ряда приложений с высокоимпедансными датчиками это свойство позволяет значительно упростить задачу сопряжения датчика, снизить влияние шумов и помочь реализовать максимальное разрешение.

Рис. 5. Структурная схема 16-разрядных АЦП с одновременной выборкой серии MAX11044/45/46

Высокая производительность данной серии АЦП и число каналов как нельзя лучше подходит для приложений, связанных с управлением многофазным электроприводом. На рисунке 6 показан пример использования АЦП в системе управления трехфазных электроприводом на основе сигнального процессора. Два канала 8-канального АЦП MAX 11046 используются для преобразования данных углового синусно-косинусного датчика, другие три канала — для мониторинга токовых цепей трехфазного электродвигателя.

Рис. 6. Пример использования АЦП в системе управления трехфазных электроприводом

Типовая схема мониторинга трехфазной сети

Бурное развитие электроэнергетики привело к необходимости переоборудования существующих передающих и распределительных сетей и сооружения новых подстанций. Достижения в микропроцессорной технике и постоянный рост стоимости труда обслуживающего персонала стимулирует разработку новых автоматизированных высоковольтных подстанций.

Задача мониторинга силовых цепей сводится к измерению токов и напряжений в трех фазах, а также тока и напряжения в цепи нейтральной шины (см. рис. 7). Напряжения трех фаз напряжений на проводниках смещены по фазе относительно друг друга. Измерение производится с помощью измерительных трансформаторов тока и напряжения, которые обеспечивают гальваническую развязку и согласование по уровню сигнала со входной схемой АЦП. В итоге, для мониторинга трехфазной сети требуются восемь каналов для измерения токов и напряжений в четырех проводниках. Измерения должны производится одновременно по всем каналам, для того чтобы адекватно учитывать фазовые сдвиги. Вычисляются активная и реактивные мощности. При вычислении используется преобразование Фурье. Можно оценивать частотные и фазовые искажения сигналов, уровень шумов и потери мощности, эффективность энергосистемы.

Рис. 7. Схема мониторинга трехфазной силовой цепи на основе АЦП Maxim

Динамический диапазон определяется исходя из амплитуды сигнала и точности.

Наличие восьми каналов на кристалле MAX11046 позволяет c помощью одной микросхемы вести измерение токов и напряжений по каждой из трех фаз, а также наблюдать состояние нейтрали. Таким образом, установленное на подстанции оборудование становится способным к обнаружению нештатных ситуаций работы сети (пропадание напряжения или короткое замыкание).

Структура 24-разрядного 4-канального АЦП МАХ 11040

Эта серия обеспечивает наибольшую точность — 24 разряда (см. рис. 8). В микросхеме используется параллельное преобразование данных по четырем каналам посредством независимых дельта-сигма АЦП. Все каналы имеют дифференциальные входы. Потребление микросхемы по аналоговому питанию — 25 мА, цифровому — 11 мА.

Рис. 8. Структура MAX11040

Преобразование обеспечивается интегрированием во времени. Для фазирования каналов в структуре предусмотрены модули программируемых по каналам цифровых задержек. Это позволяет компенсировать фазовые сдвиги во входных трансформаторах или фильтрах. Задержка сэмплирования по каналам может составлять 0…333 мкс с шагом регулирования 1,33 мкс. Встроенные цифровые низкочастотные фильтры по каждому каналу обеспечивают высокое отношение сигнал/шум.

Высокоскоростной последовательный SPI/QSPI/MICROWIRE/DSP-совместимый интерфейс позволяет каскадировать до восьми микросхем (см. рис. 9). При этом у них будет один кварцевый генератор, один общий сигнал Chip Select и один синхронизирующий сигнал SYNC для одновременного сэмплирования всех входов. Сигнал SYNC подается одновременно на все УВХ. При этом сэмплирование всех каналов будет происходить одновременно.

Рис. 9. Каскадирование до восьми микросхем MAX11040

MAX11040 позволяет одновременно сэмплировать до 32-х каналов (при использовании восьми микросхем) и плавно регулировать фазу сэмплирования для каждого канала. Микросхема имеет встроенный ИОН. Дифференциальные входы обеспечивают возможность подачи отрицательного напряжения.

Напряжения питания однополярные — 3…3,6 В (аналог., AVdd) и 2,7 В…AVdd (цифр., DVdd). АЦП способен работать с дифференциальным напряжением, максимальный размах от пика до пика которого составляет ±2,2 В (при напряжении ИОН 2,5 В). Входы имеют защиту от перегрузки. Микросхема выдерживает подачу на входы напряжения до ±6 В как относительно земли, так и между дифференциальными входами. Состояние перегрузки на любом из входов не влияет на работу остальных каналов. Для обеспечения точности измерения 0,01% выходной импеданс источника сигнала не должен превышать 2,86 кОм. В противном случае потребуется использовать буферизирующий усилитель.

Особенность микросхемы MAX11040 — корпус микросхемы TSSOP обеспечивает функционирование в индустриальном температурном диапазоне –40…105°С.

Заключение

С увеличением энергопотребления во всем мире растет потребность в более эффективных подстанциях и системах энергоснабжения. Поставщики электрической энергии нуждаются в системах контроля передающих линий для учета потребления, измерения качества электроэнергии, а также в устройствах для защиты дорогостоящего оборудования от бросков напряжения и электрических явлений в атмосфере. Компания Maxim — один из лидеров в разработке и производстве высокопроизводительных микросхем для аналоговой и цифровой обработки сигналов — представляет широкую номенклатуру АЦП с одновременной выборкой, которые позволяют упростить разработку систем измерения параметров сетей передачи электроэнергии следующего поколения. 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, малошумящие 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.

Литература

1. Колм Слеттери. Высококачественный мониторинг линий электропередач с помощью многоканальных АЦП. Analog Devices.

2. Анатолий Андрусевич. Многоканальные АЦП с одновременным сэмплированием//Новости электроники. №5. 2008 г.

3. Евгений Звонарев. Разнообразие архитектур АЦП компании Maxim//Новости электроники. №8. 2005 г.

4. 24-Bit, 4-Channel, Simultaneous-Sampling, Cascadable, Sigma-Delta ADC//MAX11040 Datasheet.

5. 8/4/2-Channel, 12-Bit, Simultaneous-Sampling ADCs with ±10V, ±5V, and 0 to +5V Analog Input Ranges//MAX1304-MAX1314 Datasheet.

6. 8/4/2-Channel, 14-Bit, Simultaneous-Sampling ADCs with ±10V, ±5V, and 0 to +5V Analog Input Ranges//MAX1316-MAX1326 Datasheet.



Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.
Оцените материал:

Автор: Наталья Кривандина, менеджер по продукции, «Компэл»



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 

Горячие темы

 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2019 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты