用于同步采樣的ADC

多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）通常使用輸入多路復(fù)用器按順序轉(zhuǎn)換每個(gè)輸入通道。某些應(yīng)用需要同時(shí)轉(zhuǎn)換，特別是當(dāng)不同通道之間存在相位信息時(shí)。例如，無線應(yīng)用要求在同一實(shí)例上轉(zhuǎn)換I和Q通道，電機(jī)控制和功率監(jiān)控需要測(cè)量電壓和電流以及它們之間的相位角。過去，同步采樣意味著設(shè)計(jì)人員必須使用多個(gè)ADC，并在每個(gè)通道上執(zhí)行并行轉(zhuǎn)換。同步采樣ADC現(xiàn)在使用多個(gè)T/H在同一時(shí)刻對(duì)輸入進(jìn)行采樣，然后對(duì)每個(gè)通道執(zhí)行轉(zhuǎn)換。

高速14位同步采樣A/D轉(zhuǎn)換器的引入擴(kuò)大了在兩個(gè)或多個(gè)波形之間進(jìn)行精確相位測(cè)量的經(jīng)濟(jì)應(yīng)用范圍。在下面的討論中，使用兩個(gè)這樣的ADC來說明這種類型的主要應(yīng)用。

MAX125和MAX126是完整的14位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其中1個(gè)輸入中的250個(gè)同時(shí)跟蹤和保持（圖76）。板載音序控制器允許用戶對(duì)要數(shù)字化的四個(gè)（或更少）通道進(jìn)行編程。吞吐率范圍從一個(gè)通道的 5ksps 到所有四個(gè)通道的 125ksps。輸入范圍為±2V （MAX5）和±126.<>V （MAX<>）。

圖1.這款 14 位逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器可同時(shí)對(duì) <> 個(gè)輸入通道中的 <> 個(gè)進(jìn)行采樣。

四個(gè)采樣/保持 （T/H） 級(jí)中的每一個(gè)都可以在“A”和“B”輸入之間切換，總共產(chǎn)生八個(gè)可能的輸入通道（圖 2）。該圖顯示了軌道模式下的通道 A。每個(gè) T/H 輸入端的 T 型開關(guān)可最大限度地減少相鄰?fù)ǖ乐g的串?dāng)_。四個(gè)地址引腳選擇通道數(shù)和工作模式，每個(gè)輸入電路可承受高達(dá) ±17V 的過壓。該芯片還包括一個(gè)典型漂移為 30ppm/°C 的基準(zhǔn)電壓源。

圖2.等效電路表明，圖1中每個(gè)采樣/保持的輸入可以切換到兩個(gè)輸入通道之一。

應(yīng)用

磁場(chǎng)定向（矢量）控制使交流電機(jī)能夠像直流電機(jī)一樣工作，是MAX125/MAX126轉(zhuǎn)換器的主要應(yīng)用。直流電機(jī)中的電刷和換向器組件確保勵(lì)磁（定子）電流始終與電樞（轉(zhuǎn)子）電流成直角。這種情況稱為磁場(chǎng)定向，允許轉(zhuǎn)子產(chǎn)生額定的最大扭矩。

因此，通過解耦電機(jī)的磁場(chǎng)和扭矩分量并直接控制它們，磁場(chǎng)定向?yàn)殡姍C(jī)提供快速準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。要改變電機(jī)轉(zhuǎn)矩，需要修改負(fù)責(zé)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)子電流分量（Iq），同時(shí)保持勵(lì)磁（或磁化）電流分量（Id） 常量?？磮D3，我們可以看到磁化電流是

Id = Vd/jωLm,

其中ω是施加電壓的角頻率，Lm是轉(zhuǎn)子的磁化電感。因此，持有 Vd/ω 比率常數(shù)可讓您在各種速度下保持恒定的扭矩。另一方面，您可以通過改變定子電壓V來控制速度d.該電壓不能直接測(cè)量，但可以通過了解輸入電壓V來推斷xR、定子電流和不同溫度下的定子電阻（即 Vd= VxR， hsRs).

圖3.同步采樣監(jiān)控感應(yīng)電機(jī)中的電壓和電流。該等效電路顯示了電機(jī)的一相。

磁場(chǎng)定向控制 （FOC） 分為直接、間接或無傳感器。直接FOC直接測(cè)量轉(zhuǎn)子角度，傳感器位于電機(jī)外殼中。間接 FOC 測(cè)量速度，例如，使用旋轉(zhuǎn)變壓器，然后通過積分速度來確定滑移角1。轉(zhuǎn)子角頻率與轉(zhuǎn)差頻率相加得到所需的定子頻率。因此，頻率是這種控制技術(shù)的副產(chǎn)品，而不是控制變量。

無傳感器FOC是備受關(guān)注的焦點(diǎn)，特別是對(duì)于直接來自轉(zhuǎn)子的信號(hào)反饋不可行的應(yīng)用。其中包括海上石油鉆井平臺(tái)和其他系統(tǒng)中的水下泵，其電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備在物理上相距甚遠(yuǎn)。與直接和間接 FOC 不同，無傳感器 FOC 在電機(jī)的定子側(cè)執(zhí)行所有測(cè)量和計(jì)算（圖 4）。

圖4.這個(gè)簡(jiǎn)化的框圖說明了無傳感器磁場(chǎng)定向電機(jī)控制。

考慮圖4和矢量圖（圖5），可以看到MAX125對(duì)兩個(gè)定子相電流（ib和我c).請(qǐng)注意，只需要兩個(gè)相電流，因?yàn)榈谌齻€(gè)（i一個(gè)） 可以從以下假設(shè)推導(dǎo)出：三相電流相距 120 電度并瞬時(shí)加為零。然后將三個(gè)電流轉(zhuǎn)換為兩相正交系統(tǒng)，軸α并通過稱為克拉克變換的技術(shù)β。

圖5.此矢量圖描述了磁場(chǎng)定向控制 （FOC） 中所需的坐標(biāo)變換。

為簡(jiǎn)單起見，軸α可以等于軸 a。兩個(gè)正交電流iα和我β然后轉(zhuǎn)換為時(shí)不變的旋轉(zhuǎn)正交系統(tǒng)，由等效轉(zhuǎn)子電流 i 的場(chǎng)和扭矩分量 d 和 q 表示d和我q.α/β坐標(biāo)系逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，與轉(zhuǎn)子磁通軸對(duì)齊ψr.旋轉(zhuǎn)角度（θ）是借助電機(jī)模型確定的;這是稱為公園變換的坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)。

這最后一次變換通過將電流表示為直流量，大大降低了系統(tǒng)復(fù)雜性。將轉(zhuǎn)子磁通角 （θ） 與從公園變換獲得的電流相結(jié)合，可以獲得實(shí)際的電機(jī)場(chǎng)和扭矩。通過允許比較參考扭矩和測(cè)量扭矩，停車變換在控制回路中起著重要作用。獲得所需的轉(zhuǎn)矩和磁通后，逆駐放變換將轉(zhuǎn)換參考轉(zhuǎn)矩和勵(lì)磁電流（i德雷夫我qref） 返回，首先到正交定子框架電流 （ iα我β），然后到它們各自的三相瞬時(shí)定子電流（i一個(gè)我b，和我c).所有轉(zhuǎn)換均由DSP執(zhí)行。控制和輸入命令的實(shí)時(shí)執(zhí)行由微處理器處理。

另一個(gè)需要使用同時(shí)采樣 ADC 的應(yīng)用是測(cè)量線路故障保護(hù)系統(tǒng)中的高壓三相波形（圖 6）。要測(cè)量的50Hz至60Hz信號(hào)緩慢變化，允許使用多個(gè)Δ-Σ轉(zhuǎn)換器，這些轉(zhuǎn)換器可提供非常高的分辨率，同時(shí)無需抗混疊濾波器。雖然單Σ-Δ型ADC成本較低，但本應(yīng)用通常需要125個(gè)通道（<>個(gè)電壓和<>個(gè)電流）使轉(zhuǎn)換器成本比MAX<>單通道增加約<>倍。

圖6.此簡(jiǎn)化圖顯示了線路故障保護(hù)器中的主要模塊。

MAX125的第三種應(yīng)用是基于科里奧利的質(zhì)量流量計(jì)（圖7）?？评飱W利原理基于用低頻振動(dòng)激勵(lì)一段管道，并拾取由流過它的質(zhì)量引起的管道變形。激勵(lì)源通常是振動(dòng)線圈，由此產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)由音圈拾取。這些偏轉(zhuǎn)也可以通過光學(xué)方式拾取。

圖7.這個(gè)簡(jiǎn)化的框圖顯示了典型的基于科里奧利的質(zhì)量流量計(jì)。

當(dāng)比較激勵(lì)和拾取信號(hào)時(shí)，這些偏轉(zhuǎn)顯示為相位差，可以使用同步采樣來檢測(cè)。雖然信號(hào)頻率相對(duì)較低（典型值為50Hz至500Hz），但檢測(cè)非常小的相移需要高速高分辨率同步采樣ADC。

在高頻領(lǐng)域，還會(huì)遇到同步采樣，用于數(shù)字化從直接下變頻衛(wèi)星調(diào)諧器IC獲得的I和Q信號(hào)。例如，商用衛(wèi)星接收器系統(tǒng)采用專為該應(yīng)用設(shè)計(jì)的雙通道 6 位高速（60MHz 至 90MHz）同步采樣 ADC（圖 8）。

圖8.商用衛(wèi)星接收器系統(tǒng)采用I和Q信號(hào)的同時(shí)采樣。

以相似速度同時(shí)采樣可以消除碰撞警告和自適應(yīng)巡航控制汽車系統(tǒng)中的中間頻率級(jí)。然而，這種方法需要相當(dāng)昂貴的閃存ADC，具有8位至10位分辨率。通過使用欠采樣技術(shù)，可以在低于1Msps的情況下獲得類似的結(jié)果。船用雷達(dá)探測(cè)還需要同時(shí)采樣，采樣率在10Msps和30Msps之間，分辨率為12位。此功能可通過兩個(gè)ADC （MAX1172）實(shí)現(xiàn)，其可調(diào)基準(zhǔn)輸入可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)增益和失調(diào)補(bǔ)償。

審核編輯：郭婷