ADC在数据采集系统中的研究及应用

引言

电力线监控系统或现代三相电机控制系统这些应用需要在大约70dB~90dB(取决于具体应用)较宽的动态范围内实现精确的多通道同时测量，采样速率通常要求16kbps甚至更高。

影响DAS的主要噪声和干扰

工业数据采样系统(DAS)定义了两类噪声/干扰。第一类噪声源于内部电子组件，噪声源包括ADC的转换处理噪声和谐波失真、缓冲放大器的噪声和失真，以及基准噪声等。第二类干扰源于系统外部，包括外部电磁噪声、电源噪声/纹波、I/O口串扰以及数字系统噪声和干扰。图1列出了不同的噪声源。

图1 不同噪声源和干扰源对系统分辨率和精度的影响

电力线DAS信号处理链路包含CT、PT测量变压器、抗混叠低通滤波器(LPF)、缓冲放大器，及同时采样ADC和CPU。同时采样ADC是系统的核心电路，用于测量调整在标准工业输入动态范围(如+5V、±5V或±10V)的电压电流信号。

表1列出了这些器件的1LSB数值和量化噪声，这些数值按照ADC的位数为设计人员提供了DAS能够容许的总噪声和干扰。

表1 对应于ADC分辨率的量化值和量化噪声

ADC输入的总噪声和纹波应小于1/2 LSB，同时，量化噪声决定了系统的基本噪底。

注意：有些设计中，仅1mVRMS的总体噪声即可导致整个设计不达标，因为未经“校准”的整体噪声会导致ADC精度下降。

选择正确的输入放大器

基于以上分析，在DAS信号处理链路中，正确选择输入放大器是必要的，有很多器件供选择，MAX130x和MAX132x系列就是可选方案之一。MAX130x和MAX132x系列ADC的输入电路具有相当低的阻抗，如图2所示。相应地，大多数应用中，这些器件需要一个输入缓冲器以便达到12位和14位精度。

图2 MAX130x和MAX132x系列ADC的典型输入电路

为了达到12位至16位精度，选择放大器时需要考虑的关键因素包括：带宽、摆率、VP-P输出、低噪声、低失真和低失调。应保持尽可能低的缓冲放大器噪声，即远远低于ADC的SNR(信噪比)。放大器的整体失调误差包括漂移，在整个温度范围内都应小于所要求的精度误差。每个缓冲放大器应根据具体应用精心选择。对于高精度ADC，不建议使用通用运放。
 

输入滤波电路的要求

输入滤波器件采用差分输入结构，通常不需要输入缓冲放大器。如MAX11046系列产品具有极高的输入阻抗，可以直接与低阻传感器连接。例如，CT和PT测量变压器阻抗相对较低(10Ω~50Ω)，因此，可以直接通过简单的低通滤波器连接到MAX11046输入级，如图3所示。

图3 MAX11046系列器件输入电路

为了保持DAS的精度，选择正确的RSOURCE和CEXTERNAL非常关键。RSOURCE电阻必须为金属膜电阻，精度为1%或更高精度，还应具有较低的温度系数。建议选择一些知名厂商如ROHM或Vishay提供的组件。

为了达到最佳效果，CEXTERNAL电容应选择陶瓷电容。这些电容能够在较宽的温度和电压范围内保持其标称值，Kemet或Samsung等公司可提供这类高性价比的SMT器件。

ADC基准选择

ADC基准的选择对于整个DAS的性能非常重要，并且与ADC的分辨率和精度要求密切相关。在整个温度范围内保持合理的温漂和初始精度非常关键。以MAX11046为例，1 LSB=62.5µV。MAX11046内部基准的温漂为±10ppm/℃。在50℃整个温度范围内，基准漂移可达±500ppm或±2.048mV(±33LSB)。在对温漂要求比较严格的应用中，最好使用外部低温漂基准，如MAX6341(1ppm/℃)。使用外部基准时，MAX11046的基准输入电流仅为±10µA。串联型基准的输出电流可达10mA，因此，单个基准器件可以为多个高性能ADC提供参考，从而消除不同器件之间的基准差异。

PCB设计和布板考虑

采用低通滤波器进行噪声抑制

在任何时候电力线上都会存在相当客观的噪声/干扰。噪声主要来自线缆/传输系统，是电容/电感将外部噪声源耦合到了电力线上。噪声和干扰还与电力线的动态特性有关。如图1所示，每个CT和PT隔离/测量变压器的工作频率为50Hz/60Hz。实际上，这些变压器具有很宽(100kHz)的带宽，仅对100kHz或更高频率的信号提供衰减/滤波。

另外一个重要的噪声/干扰源来自PCB上DAS系统的电子组件。这些组件包括CPU和电源子系统，特别是在使用开关电源的情况下。这意味着ADC的每个输入通道都需要一个抗混叠滤波器和噪声抑制低通滤波器。滤波组件应该尽可能靠近ADC输入放置。

利用接地和屏蔽措施保持信号完整性

从连接器到ADC输入承载信号的PCB引线会受噪声、干扰以及通道间串扰的影响，对这些模拟信号线采取特殊的接地和信号屏蔽措施将直接影响输入信号的完整性。图4给出了一个保护模拟信号的PCB布线示例。

图4 从连接器到MAX11046模拟输入的路径

注意，MAX11046具有极高的通道间隔离度，为了获得高隔离度，采用了共面微带线结构。

PCB布线通用规则

在多通道、同时采样DAS应用中，为了获得最佳性能，需要遵循几项重要的PCB布线规则：

• 使用有地层的PCB板。

• 确保模拟、数字线路相互分离。

• 不要将数字信号线和模拟信号线并行布线。

• 避免在ADC封装的下方铺设数字信号线。

• 采用独立的地层，数字信号分布在一侧，模拟信号分布在另一侧。

• 保持电源的地回路具有较低阻抗并保持尽可能短的引线，以便达到无噪声工作。
 

• 在AVDD和DVDD的引脚与地之间连接0.1µF陶瓷电容，电容须靠近器件放置，以便降低寄生电感。

• 每个PCB板的AVDD和DVDD引脚至少增加一个10µF去耦电容。

• 采用两个电源平面分别连接所有AVDD和DVDD。

• MAX11046模拟接口侧的AVDD电源平面和DVDD电源平面最好远离器件的数字接口引线。

(a) 对用户的DAS PCB进行测试得到的直方图，PCB布板不合理

(b) 对用户的PCB进行改进后测试得到的输出直方图

(c) Maxim DAS的输出直方图

图5 测试结果

测试结果

图5提供了基于MAX11046多芯片、多通道、同时采样DAS工业原型机的一些测试结果。采用精密的2.048V直流基准作用在DAS的MAX11046输入端。ADC输出转换结果的范围为±32768。图5(a)是对用户提供的一个PCB原型进行测试的结果，该设计违反了电源布局和输入信号完整性的布板原则。测试数据和直方图显示，噪声/干扰使DAS的有效位降至大约11.5。由于直方图测试模板不稳定，也反映了测量的不可预期性。

图5(b)是对用户的PCB布局进行改进后的测试结果，采取了本文介绍的电源/地布局规则和保持输入信号完整性的处理方案。从测试结果和直方图可以看出，性能得到改善，DAS系统的有效位达到13.5。在此测试期间，直方图具有可重复性，反映了测量的稳定性。

图5(c)是在相同测试条件下，在同一实验室对Maxim DAS的测试结果。测试结果和直方图显示，DAS的有效位达到大约14。该测试中，直方图具有非常好的可重复性，反映了测试的稳定性和Maxim布板、设计配置的优势。

结语

为了达到DAS设计指标以及ADC数据手册发布的指标，需要遵循严格的设计原则。这些设计考虑包括：LPF滤波器、低噪声缓冲器和基准选择、组件布局、PCB布局以及电源噪声/纹波的滤波等。注意了这些设计原则，即可获得新一代高性能ADC的优异结果。