本應(yīng)用筆記將幫助設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)高性能、多通道、同時(shí)采樣數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）。它解釋了如何選擇合適的組件并將其放置在PCB上以獲得最佳性能。提供Maxim的MAX1308、MAX1320和MAX11046同步采樣ADC。測(cè)試數(shù)據(jù)說(shuō)明了遵循指南的好處。

介紹

許多高級(jí)工業(yè)應(yīng)用需要使用高性能、同步采樣、多通道ADC。以先進(jìn)的電力線監(jiān)控（圖1）或現(xiàn)代三相電機(jī)控制系統(tǒng)（圖2）為例。這些應(yīng)用需要在~70dB至90dB的寬動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)進(jìn)行精確的同時(shí)多通道測(cè)量（取決于應(yīng)用）。16ksps 或更高的采樣率很常見(jiàn)。

MAX1308、MAX1320和MAX11046 DAS器件在單封裝中包括<>個(gè)獨(dú)立的同步采樣輸入通道和快速逐次逼近型ADC。為了達(dá)到器件的規(guī)格并最大限度地提高性能，設(shè)計(jì)人員必須適當(dāng)注意系統(tǒng)架構(gòu)、元件選擇和PCB布局。

DAS 架構(gòu)的典型示例

圖1.典型的電網(wǎng)監(jiān)控應(yīng)用。

圖1中的每個(gè)電源相位由電流互感器（CT）和電壓互感器（PT）表示。整個(gè)系統(tǒng)由四個(gè)這樣的對(duì)組成（三相中各一對(duì)加上中性線）。

通過(guò)對(duì)同時(shí)采樣和數(shù)字轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字處理計(jì)算，可以找到瞬時(shí)和平均有功、無(wú)功、視在功率和功率因數(shù)的參數(shù)。

圖2.典型的電機(jī)控制系統(tǒng)。

圖2中的每個(gè)ADC器件同時(shí)對(duì)輸入進(jìn)行采樣，無(wú)需復(fù)雜的DSP算法將順序采樣數(shù)據(jù)重新對(duì)齊到同步采樣集中。

影響工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) （DAS） 的主要噪聲和干擾源

DAS 中可以定義兩類噪聲/干擾。

第一類噪聲來(lái)自內(nèi)部電子元件噪聲。源包括ADC轉(zhuǎn)換過(guò)程噪聲和諧波失真、緩沖放大器噪聲和失真以及基準(zhǔn)噪聲和穩(wěn)定性。

干擾的第二個(gè)來(lái)源是系統(tǒng)的外部環(huán)境。示例包括外部電磁噪聲、電源噪聲/紋波、I/O 引腳串?dāng)_以及數(shù)字系統(tǒng)噪聲和干擾。

這些不同的噪聲源如圖3所示。

圖3.典型電力線監(jiān)控應(yīng)用的板級(jí)框圖。繪圖顯示了影響系統(tǒng)分辨率和精度的各種噪聲和干擾源。

電力線 DAS 信號(hào)處理鏈由 CT、PT 測(cè)量變壓器組成;抗混疊低通濾波器（LPF）;緩沖放大器;同時(shí)采樣ADC;和中央處理器 （CPU）。

同時(shí)采樣ADC是系統(tǒng)的核心;它測(cè)量的電壓和電流調(diào)整為+5V、±5V或±10V標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)輸入動(dòng)態(tài)范圍。MAX130x、MAX132x和MAX1104x器件系列均包含支持這些擴(kuò)展范圍的衍生產(chǎn)品，無(wú)需額外的信號(hào)調(diào)理電路。

表1給出了這些器件系列的1 LSB值和量化噪聲。這些值根據(jù)ADC位號(hào)向設(shè)計(jì)人員顯示DAS中允許的總噪聲和干擾水平。

表 1.根據(jù) ADC 位號(hào)的量子和量化噪聲電平

ADC輸入中的總噪聲和紋波應(yīng)低于1/2 LSB。同時(shí)，量化噪聲決定了系統(tǒng)的最終本底噪聲。

注意：在某些設(shè)計(jì)中僅為1mV有效值的總噪聲可能會(huì)破壞設(shè)計(jì)規(guī)范。見(jiàn)表2。

表 2.總噪聲不等于時(shí)ADC分辨率下降的示例 “修剪”足夠

電子元件選擇：DAS 信號(hào)處理鏈

選擇正確的輸入緩沖放大器

MAX130x和MAX132x系列ADC具有相對(duì)低阻抗的輸入電路，如圖4所示。因此，在大多數(shù)應(yīng)用中，這些器件需要一個(gè)輸入緩沖器來(lái)實(shí)現(xiàn)12位至14位精度。

圖4.MAX130x和MAX132x系列ADC的典型簡(jiǎn)化輸入電路

選擇12位至16位精度放大器時(shí)要考慮的主要要求是：足夠的帶寬、壓擺率、VP-P輸出、低噪聲、低失真、低偏移。緩沖放大器噪聲必須保持在盡可能低的水平，遠(yuǎn)低于ADC的SNR。放大器在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的總失調(diào)誤差（包括漂移）應(yīng)小于所需的精度。因此，每個(gè)緩沖放大器電路都需要根據(jù)應(yīng)用進(jìn)行精確定制。

一些推薦的高精度運(yùn)算放大器如表3所示。一些常用的運(yùn)算放大器不推薦用于高精度ADC。見(jiàn)表4。

表 3.推薦用于各種ADC分辨率的高精度運(yùn)算放大器

表 4.不推薦用于高精度ADC的常用通用運(yùn)算放大器

備用輸入濾波器要求：MAX11046系列

MAX11046系列器件采用不同的輸入結(jié)構(gòu)，可能不需要輸入緩沖放大器（圖5）。

圖5.MAX11046系列器件的典型簡(jiǎn)化輸入電路

MAX11046系列具有極高的輸入阻抗值，可直接連接低阻抗傳感器。例如，CT和PT測(cè)量變壓器代表相對(duì)低阻抗的傳感器（大約10Ω至50Ω），因此可以使用簡(jiǎn)單的低通濾波器直接連接到MAX11046輸入端。

表 5 提供了最大 R源低頻應(yīng)用（如電網(wǎng)監(jiān)控或電機(jī)控制）的設(shè)計(jì)值。

表 5.R源C 語(yǔ)言的設(shè)計(jì)值外部和 F樣本率

R的正確選擇源和 C外部組件對(duì)于保持 DAS 精度至關(guān)重要。

R源電阻器應(yīng)為金屬膜型，容差為1%或更好，溫度系數(shù)低。最好從松下?、ROHM? 或 Vishay? 等信譽(yù)良好的來(lái)源購(gòu)買組件。

為了獲得最佳效果 C外部電容器應(yīng)為陶瓷電容器，建議使用介電COG（NPO）。這些電容器在很寬的溫度和電壓范圍內(nèi)保持其標(biāo)稱值。Kemet?，AVX?或三星?等公司提供多種具有成本效益的SMT零件。

ADC 基準(zhǔn)電壓源考慮因素

基準(zhǔn)電壓源選擇對(duì)DAS的整體性能也至關(guān)重要，并且與所需的ADC分辨率和精度密切相關(guān)。請(qǐng)參閱上面的表 1。在整個(gè)溫度范圍內(nèi)具有合理的漂移和初始精度是最重要的。

以MAX11046為例，其中1 LSB = 62.5μV。MAX11046內(nèi)部基準(zhǔn)的漂移規(guī)格為±10ppm/°C。 在50°C溫度范圍內(nèi)，基準(zhǔn)電壓源的漂移可能高達(dá)±500ppm或約±2.048mV （±33 LSB）。

在漂移很重要的應(yīng)用中，外部低漂移基準(zhǔn)，如MAX6341 （1ppm/°C），是更好的選擇。1ppm/°C基準(zhǔn)電壓源在0°C（或僅為±2 LSB）內(nèi)僅漂移50.3mV。MAX6341的基準(zhǔn)初始精度為4.096 ±0.001，也比MAX11046的內(nèi)部基準(zhǔn)4.096 ±0.0016要好得多，從而提高了DAS的精度和熱穩(wěn)定性。

MAX11046在外部基準(zhǔn)模式下的基準(zhǔn)輸入電流僅為±10μA。像MAX6341這樣輸出電流高達(dá)10mA的串行基準(zhǔn)可以像單個(gè)基準(zhǔn)一樣使用，并帶有多個(gè)高性能ADC，從而消除了器件間基準(zhǔn)之間的差異。

PCB 設(shè)計(jì)和布局注意事項(xiàng)

多通道、同步采樣ADC設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)可以在電力線監(jiān)控應(yīng)用中討論。本演示將參考上圖3所示的板級(jí)框圖和主要噪聲/干擾源。

抑制噪聲—使用低通濾波器 （LPF）

在任何給定時(shí)間，電源線上存在的噪聲/干擾量都可能非常大。這種噪聲通常來(lái)自電纜/配電系統(tǒng)，這是由于電容/電感耦合與外部噪聲源引起的。噪聲和干擾也是由電源線的動(dòng)態(tài)特性引起的。

參見(jiàn)圖3，每個(gè)CT和PT隔離/測(cè)量變壓器的工作頻率為50Hz/60Hz。實(shí)際上，這些變壓器具有更寬的帶寬（100kHz），并且只能在100kHz及以上的區(qū)域提供實(shí)質(zhì)性的衰減/濾波功能。

噪聲/干擾的另一個(gè)主要來(lái)源來(lái)自位于 PCB 上的 DAS 電子元件。這些組件包括 CPU 和電源子系統(tǒng)。（在開(kāi)關(guān)電源的情況下尤其如此。這意味著ADC的每個(gè)輸入通道都需要一個(gè)抗混疊和噪聲抑制LPF。濾波器元件也應(yīng)盡可能靠近ADC輸入。上表5給出了MAX11046濾波器的推薦元件值。

MAX11046的這些考慮的實(shí)際示例如圖6所示。該原理圖作為MAX11046評(píng)估（EV）板的一部分實(shí)現(xiàn)。通道2至7的輸入原理圖展示了一種直接連接方案，其中外部信號(hào)可以直接施加到ADC，無(wú)需緩沖器。10ksps采樣率的最佳電阻和電容見(jiàn)表5。R = 4.6kΩ 和 C = 1000pF 的值是電力線監(jiān)控應(yīng)用的一個(gè)有吸引力的組合。評(píng)估板中的通道0和通道1可配置為與外部緩沖器配合使用，這是要求100ksps或更高采樣速率的應(yīng)用所必需的。該評(píng)估板可從Maxim?的ADC業(yè)務(wù)部門訂購(gòu)，有助于大大加快DAS的開(kāi)發(fā)。

圖6.MAX11046采用典型連接方案。

通過(guò)接地和屏蔽保持信號(hào)完整性

將敏感模擬信號(hào)從連接器傳輸?shù)紸DC輸入的輸入PCB走線可能會(huì)受到噪聲、干擾和通道間串?dāng)_的影響。這些模擬走線的特殊接地和信號(hào)屏蔽對(duì)于輸入信號(hào)的完整性至關(guān)重要。圖7顯示了用于保護(hù)模擬信號(hào)的PCB布局示例。

圖7.從連接器到MAX11046的模擬輸入路由。

注意，MAX11046具有非常高的通道間隔離度。為了保持高隔離度，請(qǐng)使用如上所示的共面帶狀線結(jié)構(gòu)。

通用印刷電路板布局指南

其他幾個(gè)重要的PCB指南將有助于在多通道、同時(shí)采樣DAS應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)最佳性能。

使用帶接地層的印刷電路板。

確保模擬線和數(shù)字線彼此分離。

不要平行運(yùn)行數(shù)字和模擬線路。

避免在ADC封裝下方鋪設(shè)數(shù)字線路。

使用單個(gè)實(shí)心GND平面，數(shù)字信號(hào)從一個(gè)方向路由，模擬信號(hào)從另一個(gè)方向路由。

保持電源的接地回路具有低阻抗，并且盡可能短，以實(shí)現(xiàn)無(wú)噪聲運(yùn)行。

旁路視音頻DD和DVDD接地層，每個(gè)引腳上都有一個(gè)0.1μF陶瓷片式電容，盡可能靠近器件，以最大限度地降低寄生電感。

向視音頻添加至少一個(gè)大容量 10μF 去耦電容DD和DVDD對(duì)于每個(gè)印刷電路板。

互連所有視音頻DD和DVDD輸入使用兩個(gè)穩(wěn)定電源層。

帶上視聽(tīng)DDMAX11046和DV模擬接口側(cè)的電源層DD設(shè)備數(shù)字接口側(cè)的電源層。

基于MAX8的11046通道DAS應(yīng)用的最佳元件布局和PCB布局實(shí)現(xiàn)示例如圖8所示。該設(shè)計(jì)基于器件的評(píng)估板，采用六層PCB，具有單個(gè)接地層和獨(dú)立電源層。

來(lái)自傳感器或信號(hào)發(fā)生器的精密模擬信號(hào)可以使用屏蔽同軸連接器 BNC1 至 BNC8 連接到電路板。BNC1 和 BNC2 輸入可配置為直接連接或與外部緩沖器配合使用，這對(duì)于需要 100ksps 或更高采樣速率的應(yīng)用是必需的。BNC3 到 BNC8 輸入僅用于直接連接;外部信號(hào)可以直接施加到ADC，無(wú)需緩沖器。在沒(méi)有緩沖器的情況下簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)是將這種信號(hào)屏蔽方法用于路由的原因。參見(jiàn)圖 9、10 和 11。

用于模擬和數(shù)字配電的專用電源層的實(shí)現(xiàn)也如圖9和圖11所示。電源層方法大大降低了電源線走線的分布電阻、電容和電感，從而提高了功率和噪聲效率。

使用單個(gè)實(shí)心接地層，數(shù)字信號(hào)從一個(gè)方向路由，模擬信號(hào)從另一個(gè)方向路由，如圖12所示。

圖 8.評(píng)估板中基于MAX8的11046通道DAS中的元件放置示例這張照片是絲網(wǎng)印刷，頂部。

圖9.在基于MAX2的8通道DAS中實(shí)現(xiàn)的第11046層電源層分區(qū)示例。

圖 10.在基于MAX3的8通道DAS的第11046層實(shí)現(xiàn)信號(hào)屏蔽路由的示例。

圖 11.在基于MAX4的8通道DAS中實(shí)現(xiàn)的第11046層電源層分區(qū)示例。

圖 12.單個(gè)實(shí)心第 5 層接地層的示例，其中數(shù)字信號(hào)從一個(gè)方向路由，模擬信號(hào)從另一個(gè)方向路由。

測(cè)試結(jié)果

基于MAX11046的多芯片、多通道、同步采樣DAS的工業(yè)原型的測(cè)試結(jié)果如圖13、14和15所示。將精密的2.048V直流基準(zhǔn)信號(hào)（由MAX6126電壓基準(zhǔn)產(chǎn)生）施加于MAX11046的DAS輸入端。ADC輸出轉(zhuǎn)換為±32768范圍。圖13是客戶原型PCB上的測(cè)試結(jié)果，該結(jié)果違反了配電和輸入信號(hào)完整性的許多布局指南。測(cè)量和直方圖顯示，噪聲/干擾將DAS的有效位數(shù)降低到~11.5。在此測(cè)試期間，直方圖模式不穩(wěn)定，因此反映了測(cè)量的不可預(yù)測(cè)性。

圖 13.在對(duì)PCB進(jìn)行改進(jìn)之前客戶DAS的輸出直方圖。

圖14是本文討論的一些布局改進(jìn)后，針對(duì)電源/接地分配和輸入信號(hào)完整性進(jìn)行了一些布局改進(jìn)后，客戶原型PCB上的測(cè)試結(jié)果。測(cè)量和直方圖顯示 DAS 的有效位數(shù)大幅提高到 ~13.5。在此測(cè)試期間，直方圖模式變得可重復(fù)，反映了測(cè)量穩(wěn)定性的提高。

圖 14.對(duì)PCB進(jìn)行電源/接地分配和信號(hào)完整性改進(jìn)后，客戶DAS的輸出直方圖。

圖15顯示了Maxim DAS在同一工業(yè)實(shí)驗(yàn)室中在類似測(cè)試條件下生成的測(cè)試結(jié)果。測(cè)量和直方圖顯示，DAS的有效位數(shù)約為14。在該測(cè)試中，直方圖模式具有很強(qiáng)的可重復(fù)性，反映了測(cè)量的穩(wěn)定性以及Maxim布局和設(shè)計(jì)配置的優(yōu)勢(shì)。

圖 15.Maxim DAS 的輸出直方圖。

結(jié)論

MAX1308、MAX1320和MAX11046系列器件等高性能多通道、同步采樣ADC特別適用于必須滿足或超過(guò)“智能”電網(wǎng)監(jiān)測(cè)高級(jí)規(guī)范的新型DAS應(yīng)用（參見(jiàn)應(yīng)用筆記4281：“高級(jí)電力線監(jiān)測(cè)需要高性能、同步采樣ADC”）或現(xiàn)代三相電機(jī)控制系統(tǒng)的要求。

為了實(shí)現(xiàn)DAS設(shè)計(jì)參數(shù)并滿足這些ADC的已發(fā)布規(guī)格，需要特別注意關(guān)鍵設(shè)計(jì)領(lǐng)域。這些設(shè)計(jì)考慮因素涉及LPF濾波器;低噪聲緩沖器和基準(zhǔn)電壓源選擇;組件放置;印刷電路板布局;以及電源噪聲/紋波濾波。考慮到這些設(shè)計(jì)原理，最新一代高性能ADC將提供出色的結(jié)果。

審核編輯：郭婷