高性能、多通道、同時(shí)采樣ADC在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)中的設(shè)計(jì)

摘要：本文將幫助設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)高性能、多通道、同時(shí)采樣的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)。介紹了元器件的合理選擇及其PCB布線，以優(yōu)化系統(tǒng)性能。Maxim的MAX1308、MAX1320和MAX11046是極具特色的同時(shí)采樣ADC。本文給出的測(cè)試數(shù)據(jù)說明了遵循設(shè)計(jì)要點(diǎn)能夠?yàn)橄到y(tǒng)帶來的各項(xiàng)益處。

引言

很多先進(jìn)的工業(yè)應(yīng)用需要使用高性能、多通道、同時(shí)采樣ADC，例如先進(jìn)的電力線監(jiān)控系統(tǒng)(圖1)或現(xiàn)代三相電機(jī)控制系統(tǒng)(圖2)。這些應(yīng)用需要在大約70dB至90dB (取決于具體應(yīng)用)較寬的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)精確的多通道同時(shí)測(cè)量。通常要求16ksps甚至更高的采樣速率。

MAX1308、MAX1320和MAX11046 DAS器件在一個(gè)封裝內(nèi)集成了8個(gè)獨(dú)立的同時(shí)采樣輸入通道和高速逐次逼近ADC。為了達(dá)到器件提供的規(guī)格并優(yōu)化其性能，設(shè)計(jì)人員必須合理設(shè)計(jì)系統(tǒng)、選擇元器件并提供合理的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中每相電源通過一個(gè)電流變壓器(CT)和一個(gè)電壓變壓器(PT)進(jìn)行檢測(cè)。整個(gè)系統(tǒng)包括四對(duì)此類結(jié)構(gòu)(三相中的每相對(duì)應(yīng)一對(duì)、零線對(duì)應(yīng)一對(duì))。

通過對(duì)同時(shí)采樣并經(jīng)過量化的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字處理計(jì)算，可以獲取瞬時(shí)和平均有功功率、無功功率、視在功率以及功率因數(shù)。


圖2. 典型的電機(jī)控制系統(tǒng)

圖2中每個(gè)ADC同時(shí)采樣輸入信號(hào)，無需復(fù)雜的DSP計(jì)算，傳統(tǒng)算法需要重新調(diào)整采樣數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)組合到同時(shí)采樣數(shù)組。

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定義了兩類噪聲/干擾。

第一類噪聲源于內(nèi)部電子元件，噪聲源包括ADC的轉(zhuǎn)換處理噪聲和諧波失真、緩沖放大器的噪聲和失真，以及基準(zhǔn)噪聲和穩(wěn)定性。

第二類干擾來自于系統(tǒng)外部，包括外部電磁噪聲、電源噪聲/紋波、I/O口串?dāng)_以及數(shù)字系統(tǒng)噪聲和干擾。

圖3列出了不同的噪聲源。


圖3. 典型的電力線監(jiān)控板級(jí)框圖，圖中顯示了影響系統(tǒng)分辨率和精度的不同噪聲源和干擾源。

電力線DAS信號(hào)處理鏈路包含CT、PT測(cè)量變壓器、抗混疊低通濾波器(LPF)、緩沖放大器、同時(shí)采樣ADC和中央處理單元(CPU)。

同時(shí)采樣ADC是系統(tǒng)的核心電路，用于測(cè)量調(diào)整在標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)輸入動(dòng)態(tài)范圍(如+5V、±5V或±10V)的電壓和電流信號(hào)。MAX130x、MAX132x和MAX1104x及其衍生產(chǎn)品支持這些擴(kuò)展測(cè)量范圍，無需增加任何信號(hào)調(diào)理電路。

表1列出了這些器件的1 LSB數(shù)值和量化噪聲，這些數(shù)值按照ADC的分辨率為設(shè)計(jì)人員提供了DAS能夠容許的總噪聲和干擾。

表1. 對(duì)應(yīng)于ADC分辨率的量化值和量化噪聲

ADC	通道數(shù)	分辨率	VREF (V)	LSB (mV)	量化噪聲(mV)	SNR (dB)
MAX1308	8	12	2.5	0.6104	0.1762	71
MAX1320	8	14	2.5	0.1526	0.0440	76
MAX11046	8	16	4.096	0.0625	0.0180	85

ADC輸入的總噪聲和紋波應(yīng)小于? LSB，同時(shí)，量化噪聲決定了系統(tǒng)的基本噪底。

注意：有些設(shè)計(jì)中，僅1mVRMS的總體噪聲即可導(dǎo)致整個(gè)設(shè)計(jì)不達(dá)標(biāo)，參考表2。

表2. 例：未經(jīng)“校準(zhǔn)”的整體噪聲導(dǎo)致ADC精度下降

ADC	通道數(shù)	分辨率	輸入噪聲造成的 分辨率損失(1mV)	下降后的 分辨率
MAX1308	8	12	0.71	11.3
MAX1320	8	14	2.71	11.3
MAX11046	8	16	4.00	12.0

元器件選擇：DAS信號(hào)處理鏈路

選擇正確的輸入緩沖放大器

MAX130x和MAX132x系列ADC的輸入電路具有相當(dāng)?shù)偷淖杩梗鐖D4所示。相應(yīng)地，大多數(shù)應(yīng)用中，這些器件需要一個(gè)輸入緩沖器以便達(dá)到12位和14位精度。


圖4. MAX130x和MAX132x系列ADC的典型輸入電路

為了達(dá)到12位至16位精度，選擇放大器時(shí)需要考慮的關(guān)鍵因素是：適當(dāng)?shù)膸?、擺率、VP-P輸出、低噪聲、低失真和低失調(diào)。應(yīng)保持盡可能低的緩沖放大器噪聲—遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于ADC的SNR。放大器的整體失調(diào)誤差，包括漂移，在整個(gè)溫度范圍內(nèi)都應(yīng)小于所要求的精度誤差。每個(gè)緩沖放大器應(yīng)根據(jù)具體應(yīng)用精心選擇。

表3給出了幾款推薦的高精度運(yùn)算放大器。對(duì)于高精度ADC，不建議使用通用運(yùn)放，請(qǐng)參考表4。

表3. 針對(duì)不同精度的ADC所推薦的高精度運(yùn)放

型號(hào)	電源	單位增益 帶寬(MHz)	擺率(V/μs)	VP-P (V)	失調(diào) (mV，最大值)	噪聲密度 (nV/√Hz)	說明
MAX410–MAX412	±5V	28	4.5	7.2	0.25	2.4	適用于12位至16位分辨率
MAX4250	+5V	3	0.3	5	0.75	7.9	適用于12位至14位分辨率

表4. 對(duì)于高精度ADC，不推薦使用通用運(yùn)放

型號(hào)	電源	單位增益 帶寬(MHz)	擺率(V/μs)	VP-P (V)	失調(diào) (mV，最大值)	噪聲密度 (nV/√Hz)	說明
LF411	±15V	4	15	20	2.0	25	適用于12位以下分辨率
LM124	±15V	1.2	0.5	20	3.0	35	適用于11位以下分辨率

輸入濾波電路的要求：MAX11046系列

MAX11046系列器件采用差分輸入結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)通常不需要輸入緩沖放大器(圖5)。MAX11046的有效輸入阻抗ZIN與輸入電容、采樣頻率有關(guān)：

ZIN = 1/(CIN × FSAMPLE)

式中，F(xiàn)SAMPLE為采樣頻率，CIN = 15pF。

隨著采樣頻率的降低，輸入阻抗將增大：

250ksps時(shí)為266kΩ
25ksps時(shí)為2.66MΩ


圖5. MAX11046系列器件的簡(jiǎn)化輸入電路

MAX11046系列產(chǎn)品具有極高的輸入阻抗，可以直接與低阻傳感器連接，例如，CT和PT測(cè)量變壓器阻抗相對(duì)較低(10Ω至50Ω)，因此，可以直接通過簡(jiǎn)單的低通濾波器連接到MAX11046輸入級(jí)。

表5給出了低頻應(yīng)用，如電網(wǎng)監(jiān)控或電機(jī)控制，所要求的最大RSOURCE設(shè)計(jì)值。

表5. 不同CEXTERNAL和FSAMPLE下的RSOURCE設(shè)計(jì)值

?	CEXTERNAL (pF)
FSAMPLE (ksps)	0	100	300	1000	3000
	RSOURCE (Ω)
1000	1.0E+06	3.3E+05	1.4E+05	4.7E+04	1.6E+04
2500	4.0E+05	1.3E+05	5.7E+04	1.9E+04	6.5E+03
5000	2.0E+05	6.6E+04	2.8E+04	9.4E+03	3.2E+03
10000	9.7E+04	3.2E+04	1.4E+04	4.6E+03	1.6E+03
25000	3.7E+04	1.2E+04	5.3E+03	1.8E+03	6.1E+02

為了保持DAS的精度，選擇正確的RSOURCE和CEXTERNAL非常關(guān)鍵。

RSOURCE電阻必須為金屬膜電阻，精度為1%或更高精度，還應(yīng)具有較低的溫度系數(shù)。建議選擇一些知名廠商(如Panasonic?、ROHM?或Vishay?)提供的元件。

為了達(dá)到最佳效果，CEXTERNAL電容應(yīng)選擇陶瓷電容，推薦電介質(zhì)類型為COG (NPO)。這些電容能夠在較寬的溫度和電壓范圍內(nèi)保持其標(biāo)稱值，Kemet?、AVX?或Samsung?等公司可提供高性價(jià)比的SMT器件。

ADC基準(zhǔn)選擇

基準(zhǔn)的選擇對(duì)于整個(gè)DAS的性能非常重要，并且與ADC的分辨率和精度要求密切相關(guān)，如上述表1所示。在整個(gè)溫度范圍內(nèi)保持合理的溫漂和初始精度非常關(guān)鍵。

以MAX11046為例，1 LSB ＝ 62.5μV。MAX11046內(nèi)部基準(zhǔn)的溫漂為±10ppm/°C。在整個(gè)50°C溫度范圍內(nèi)，基準(zhǔn)漂移可達(dá)±500ppm或約±2.048mV (±33 LSB)。

在對(duì)溫漂要求比較嚴(yán)格的應(yīng)用中，最好使用外部低溫漂基準(zhǔn)，如MAX6341 (1ppm/°C)。1ppm/°C的電壓基準(zhǔn)在整個(gè)50°C范圍內(nèi)的漂移只有0.2mV (或±3 LSB)。MAX6341基準(zhǔn)的初始精度為4.096 ±0.001，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于MAX11046的內(nèi)部基準(zhǔn)(4.096 ±0.0016)，大大提高了DAS精度和溫度穩(wěn)定性。

使用外部基準(zhǔn)時(shí)，MAX11046的基準(zhǔn)輸入電流僅為±10μA。串聯(lián)型基準(zhǔn)(如MAX6341)的輸出電流可達(dá)10mA，因此，單個(gè)基準(zhǔn)器件可以為多個(gè)高性能ADC提供參考，從而消除了不同器件之間的基準(zhǔn)差異。

PCB設(shè)計(jì)和布板考慮

多通道、同時(shí)采樣ADC設(shè)計(jì)所面臨的挑戰(zhàn)將在電力線監(jiān)控應(yīng)用中詳細(xì)討論，該部分將參考上述板級(jí)框圖和圖3所示的主要噪聲/干擾源進(jìn)行討論。

噪聲抑制—采用低通濾波器(LPF)

任何時(shí)候電力線上都會(huì)存在相當(dāng)客觀的噪聲/干擾，噪聲主要來自線纜/傳輸系統(tǒng)，是電容/電感將外部噪聲源耦合到了傳輸線上。噪聲和干擾還與電力線的動(dòng)態(tài)特性有關(guān)。

如圖3所示，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，這些變壓器具有很寬(100kHz)的帶寬，僅對(duì)100kHz或更高頻率的信號(hào)提供衰減/濾波。

另外一個(gè)重要的噪聲/干擾源來自PCB上DAS系統(tǒng)的電子元件。這些元件包括CPU和電源子系統(tǒng)(特別是在使用開關(guān)電源的情況下)，這意味著ADC的每個(gè)輸入通道都需要一個(gè)抗混疊濾波器和噪聲抑制低通濾波器。濾波元件應(yīng)該盡可能靠近ADC輸入放置，上述表5提供了配合MAX11046使用的推薦元件。

圖6給出了在考慮上述因素的情況下MAX11046的一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例。該原理圖部分參考了MAX11046評(píng)估(EV)板的設(shè)計(jì)。通道2至通道7的輸入電路顯示為直連連接通道，可將信號(hào)直接連接到ADC輸入，無需緩沖器。表5給出了10ksps采樣速率下的最佳電阻、電容值。R = 4.6kΩ、C = 1000pF是電力線監(jiān)控系統(tǒng)的最佳組合，評(píng)估板的通道0和通道1可以配置使用外部緩沖器，以滿足100ksps或更高采樣率的應(yīng)用需求?？梢詮腗axim?的ADC產(chǎn)品事業(yè)部訂購(gòu)該評(píng)估板，加速DAS的開發(fā)。


圖6. MAX11046典型電路

利用接地和屏蔽措施保持信號(hào)完整性

從連接器到ADC輸入的承載敏感模擬信號(hào)的PCB引線會(huì)受噪聲、干擾以及通道間串?dāng)_的影響，對(duì)這些模擬信號(hào)線采取特殊的接地和信號(hào)屏蔽措施對(duì)于保持輸入信號(hào)完整性至關(guān)重要。圖7給出了一個(gè)保護(hù)模擬信號(hào)的PCB布線示例。


圖7. 從連接器到MAX11046的模擬輸入路徑

注意，MAX11046具有極高的通道間隔離度，為了獲得高隔離度，采用了共面微帶線結(jié)構(gòu)。

PCB布線通用規(guī)則

在多通道、同時(shí)采樣DAS應(yīng)用中為了獲得最佳性能，需要遵循幾項(xiàng)重要的PCB布線規(guī)則。

• 使用有地層的PCB板。
• 確保模擬、數(shù)字線路相互分離。
• 不要將數(shù)字信號(hào)線和模擬信號(hào)線并行布線。
• 避免在ADC封裝的下方鋪設(shè)數(shù)字信號(hào)線。
• 采用獨(dú)立的GND層，數(shù)字信號(hào)分布在一側(cè)，模擬信號(hào)分布在另一側(cè)。
• 保持電源的地回路具有較低阻抗并保持盡可能短的引線，以便達(dá)到無噪聲工作。
• 在AVDD和DVDD的引腳與地之間連接一個(gè)0.1μF陶瓷電容，電容須靠近器件放置，以便降低寄生電感。
• 每個(gè)PCB板的AVDD和DVDD引腳至少增加一個(gè)10μF去耦電容。
• 采用兩個(gè)電源平面分別連接所有AVDD和DVDD。
• MAX11046模擬接口側(cè)的AVDD電源平面和DVDD電源平面最好遠(yuǎn)離器件的數(shù)字接口引線。
  
  

圖8給出了一個(gè)基于8通道MAX11046的DAS典型應(yīng)用的優(yōu)化布局和PCB布局示例。按照器件的評(píng)估板，該設(shè)計(jì)采用6層PCB，包含獨(dú)立的地層和電源層。

來自傳感器或信號(hào)發(fā)生器的高精度模擬信號(hào)可以通過BNC1至BNC8屏蔽同軸連接器連接到電路板。BNC1和BNC2輸入可以配置成直接連接或當(dāng)采樣速率為100ksps甚至更高時(shí)通過外部緩沖器連接。BNC3至BNC8輸入只能配置成直接連接；外部信號(hào)可以直接作用到ADC，不需要緩沖器。不使用緩沖器時(shí)有助于簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，但信號(hào)線需采用屏蔽措施，請(qǐng)參考圖9、圖10和圖11。

圖9和圖11給出了獨(dú)立的模擬電源和數(shù)字電源平面，采用這樣的電源平面可以大大降低電源線的分布電阻、電容和電感，從而改善電源的噪聲特性。

圖12顯示了獨(dú)立的地層，數(shù)字信號(hào)在一側(cè)布線，模擬信號(hào)在另一側(cè)布線。


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圖8. 基于8通道MAX11046的DAS應(yīng)用電路板的元件布局示例，評(píng)估板采用該布局，該圖為絲網(wǎng)印刷圖，頂層。


圖9. 基于8通道MAX11046的DAS系統(tǒng)電路板布局的第2層，電源平面分區(qū)。


圖10. 基于8通道MAX11046的DAS系統(tǒng)電路板布局的第3層，信號(hào)屏蔽示例。


圖11. 基于8通道MAX11046的DAS系統(tǒng)電路板布局的第4層，電源平面分區(qū)。


圖12. 獨(dú)立的地層，第5層，數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)分別在兩側(cè)布線。

測(cè)試結(jié)果

圖13、圖14和圖15提供了基于MAX11046多芯片、多通道、同時(shí)采樣DAS工業(yè)原型機(jī)的一些測(cè)試結(jié)果。精密的2.048V直流基準(zhǔn)(由MAX6126電壓基準(zhǔn)提供)作用在DAS的MAX11046輸入端。ADC輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果的范圍為±32768。圖13是對(duì)用戶提供的一個(gè)PCB原型進(jìn)行測(cè)試的結(jié)果，該設(shè)計(jì)違反了電源布局和輸入信號(hào)完整性的布板原則。測(cè)試數(shù)據(jù)和直方圖顯示：噪聲/干擾使DAS的有效位降至大約11.5。由于直方圖測(cè)試模板不穩(wěn)定，也反映了測(cè)量的不可預(yù)期性。


圖13. 對(duì)用戶的PCB布板不合理的DAS進(jìn)行測(cè)試得到的輸出直方圖

圖14是對(duì)用戶的PCB布局進(jìn)行改進(jìn)后的測(cè)試結(jié)果，采取了本文介紹的電源/地布局規(guī)則和保持輸入信號(hào)完整性的處理方案。從測(cè)試結(jié)果和直方圖可以看出顯著的性能改善，DAS系統(tǒng)的有效位達(dá)到約13.5。在此測(cè)試期間，直方圖模板變得具有可重復(fù)性，反映了測(cè)量的穩(wěn)定性得到了改善。


圖14. 對(duì)用戶的PCB進(jìn)行改進(jìn)后測(cè)試得到的DAS輸出直方圖，改善了原電路板的電源/地布局，并采取了保持信號(hào)完整性的措施。

圖15是在相同測(cè)試條件下，在同一實(shí)驗(yàn)室對(duì)Maxim DAS的測(cè)試結(jié)果。測(cè)試結(jié)果和直方圖顯示，DAS的有效位達(dá)到大約14。該測(cè)試中，直方圖模板具有非常好的可重復(fù)性，反映了測(cè)試的穩(wěn)定性和Maxim布板、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、MAX11046等高性能、多通道、同時(shí)采樣ADC在新型DAS中尤其有用，能夠達(dá)到或超出“智能”電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的要求(參見應(yīng)用筆記4281："Advanced Power-Line Monitoring Requires a High-Performance, Simultaneous-Sampling ADC")或三相電機(jī)控制系統(tǒng)的要求。

為了達(dá)到DAS設(shè)計(jì)指標(biāo)以及這些ADC數(shù)據(jù)資料發(fā)布的指標(biāo)，需要遵循嚴(yán)格的設(shè)計(jì)原則。這些設(shè)計(jì)考慮包括：LPF濾波器、低噪聲緩沖器和基準(zhǔn)選擇、元件布局、PCB布局以及電源噪聲/紋波的濾波。注意了這些設(shè)計(jì)原則，即可獲得新一代高性能ADC的優(yōu)異結(jié)果。