用于同步采样的ADC

多通道模数转换器（ADC）通常使用输入多路复用器按顺序转换每个输入通道。某些应用需要同时转换，特别是当不同通道之间存在相位信息时。例如，无线应用要求在同一实例上转换I和Q通道，电机控制和功率监控需要测量电压和电流以及它们之间的相位角。过去，同步采样意味着设计人员必须使用多个ADC，并在每个通道上执行并行转换。同步采样ADC现在使用多个T/H在同一时刻对输入进行采样，然后对每个通道执行转换。

高速14位同步采样A/D转换器的引入扩大了在两个或多个波形之间进行精确相位测量的经济应用范围。在下面的讨论中，使用两个这样的ADC来说明这种类型的主要应用。

MAX125和MAX126是完整的14位数据采集系统，其中1个输入中的250个同时跟踪和保持（图76）。板载音序控制器允许用户对要数字化的四个（或更少）通道进行编程。吞吐率范围从一个通道的 5ksps 到所有四个通道的 125ksps。输入范围为±2V （MAX5）和±126.<>V （MAX<>）。

图1.这款 14 位逐次逼近型 A/D 转换器可同时对 <> 个输入通道中的 <> 个进行采样。

四个采样/保持 （T/H） 级中的每一个都可以在“A”和“B”输入之间切换，总共产生八个可能的输入通道（图 2）。该图显示了轨道模式下的通道 A。每个 T/H 输入端的 T 型开关可最大限度地减少相邻通道之间的串扰。四个地址引脚选择通道数和工作模式，每个输入电路可承受高达 ±17V 的过压。该芯片还包括一个典型漂移为 30ppm/°C 的基准电压源。

图2.等效电路表明，图1中每个采样/保持的输入可以切换到两个输入通道之一。

应用

磁场定向（矢量）控制使交流电机能够像直流电机一样工作，是MAX125/MAX126转换器的主要应用。直流电机中的电刷和换向器组件确保励磁（定子）电流始终与电枢（转子）电流成直角。这种情况称为磁场定向，允许转子产生额定的最大扭矩。

因此，通过解耦电机的磁场和扭矩分量并直接控制它们，磁场定向为电机提供快速准确的动态响应。要改变电机转矩，需要修改负责产生转矩的转子电流分量（Iq），同时保持励磁（或磁化）电流分量（Id） 常量。看图3，我们可以看到磁化电流是

Id = Vd/jωLm,

其中ω是施加电压的角频率，Lm是转子的磁化电感。因此，持有 Vd/ω 比率常数可让您在各种速度下保持恒定的扭矩。另一方面，您可以通过改变定子电压V来控制速度d.该电压不能直接测量，但可以通过了解输入电压V来推断xR、定子电流和不同温度下的定子电阻（即 Vd= VxR， hsRs).

图3.同步采样监控感应电机中的电压和电流。该等效电路显示了电机的一相。

磁场定向控制 （FOC） 分为直接、间接或无传感器。直接FOC直接测量转子角度，传感器位于电机外壳中。间接 FOC 测量速度，例如，使用旋转变压器，然后通过积分速度来确定滑移角¹。转子角频率与转差频率相加得到所需的定子频率。因此，频率是这种控制技术的副产品，而不是控制变量。

无传感器FOC是备受关注的焦点，特别是对于直接来自转子的信号反馈不可行的应用。其中包括海上石油钻井平台和其他系统中的水下泵，其电机和驱动电子设备在物理上相距甚远。与直接和间接 FOC 不同，无传感器 FOC 在电机的定子侧执行所有测量和计算（图 4）。

图4.这个简化的框图说明了无传感器磁场定向电机控制。

考虑图4和矢量图（图5），可以看到MAX125对两个定子相电流（ib和我c).请注意，只需要两个相电流，因为第三个（i一个） 可以从以下假设推导出：三相电流相距 120 电度并瞬时加为零。然后将三个电流转换为两相正交系统，轴α并通过称为克拉克变换的技术β。

图5.此矢量图描述了磁场定向控制 （FOC） 中所需的坐标变换。

为简单起见，轴α可以等于轴 a。两个正交电流iα和我β然后转换为时不变的旋转正交系统，由等效转子电流 i 的场和扭矩分量 d 和 q 表示d和我q.α/β坐标系逆时针旋转，与转子磁通轴对齐ψr.旋转角度（θ）是借助电机模型确定的;这是称为公园变换的坐标旋转。

这最后一次变换通过将电流表示为直流量，大大降低了系统复杂性。将转子磁通角 （θ） 与从公园变换获得的电流相结合，可以获得实际的电机场和扭矩。通过允许比较参考扭矩和测量扭矩，停车变换在控制回路中起着重要作用。获得所需的转矩和磁通后，逆驻放变换将转换参考转矩和励磁电流（i德雷夫我qref） 返回，首先到正交定子框架电流 （ iα我β），然后到它们各自的三相瞬时定子电流（i一个我b，和我c).所有转换均由DSP执行。控制和输入命令的实时执行由微处理器处理。

另一个需要使用同时采样 ADC 的应用是测量线路故障保护系统中的高压三相波形（图 6）。要测量的50Hz至60Hz信号缓慢变化，允许使用多个Δ-Σ转换器，这些转换器可提供非常高的分辨率，同时无需抗混叠滤波器。虽然单Σ-Δ型ADC成本较低，但本应用通常需要125个通道（<>个电压和<>个电流）使转换器成本比MAX<>单通道增加约<>倍。

图6.此简化图显示了线路故障保护器中的主要模块。

MAX125的第三种应用是基于科里奥利的质量流量计（图7）。科里奥利原理基于用低频振动激励一段管道，并拾取由流过它的质量引起的管道变形。激励源通常是振动线圈，由此产生的偏转由音圈拾取。这些偏转也可以通过光学方式拾取。

图7.这个简化的框图显示了典型的基于科里奥利的质量流量计。

当比较激励和拾取信号时，这些偏转显示为相位差，可以使用同步采样来检测。虽然信号频率相对较低（典型值为50Hz至500Hz），但检测非常小的相移需要高速高分辨率同步采样ADC。

在高频领域，还会遇到同步采样，用于数字化从直接下变频卫星调谐器IC获得的I和Q信号。例如，商用卫星接收器系统采用专为该应用设计的双通道 6 位高速（60MHz 至 90MHz）同步采样 ADC（图 8）。

图8.商用卫星接收器系统采用I和Q信号的同时采样。

以相似速度同时采样可以消除碰撞警告和自适应巡航控制汽车系统中的中间频率级。然而，这种方法需要相当昂贵的闪存ADC，具有8位至10位分辨率。通过使用欠采样技术，可以在低于1Msps的情况下获得类似的结果。船用雷达探测还需要同时采样，采样率在10Msps和30Msps之间，分辨率为12位。此功能可通过两个ADC （MAX1172）实现，其可调基准输入可实现系统增益和失调补偿。

审核编辑：郭婷