高性能、多通道、同時采樣ADC在數據采集系統(DAS)中的設計

摘要：本文將幫助設計人員實現高性能、多通道、同時采樣的數據采集系統(DAS)。介紹了元器件的合理選擇及其PCB布線，以優化系統性能。Maxim的MAX1308、MAX1320和MAX11046是極具特色的同時采樣ADC。本文給出的測試數據說明了遵循設計要點能夠為系統帶來的各項益處。

引言

很多先進的工業應用需要使用高性能、多通道、同時采樣ADC，例如先進的電力線監控系統(圖1)或現代三相電機控制系統(圖2)。這些應用需要在大約70dB至90dB (取決于具體應用)較寬的動態范圍內實現精確的多通道同時測量。通常要求16ksps甚至更高的采樣速率。

MAX1308、MAX1320和MAX11046 DAS器件在一個封裝內集成了8個獨立的同時采樣輸入通道和高速逐次逼近ADC。為了達到器件提供的規格并優化其性能，設計人員必須合理設計系統、選擇元器件并提供合理的PCB布局。

DAS架構的典型示例

圖1. 典型的電網監控應用

圖1中每相電源通過一個電流變壓器(CT)和一個電壓變壓器(PT)進行檢測。整個系統包括四對此類結構(三相中的每相對應一對、零線對應一對)。

通過對同時采樣并經過量化的數據進行數字處理計算，可以獲取瞬時和平均有功功率、無功功率、視在功率以及功率因數。


圖2. 典型的電機控制系統

圖2中每個ADC同時采樣輸入信號，無需復雜的DSP計算，傳統算法需要重新調整采樣數據，將這些數據組合到同時采樣數組。

影響工業數據采集系統(DAS)的主要噪聲和干擾源

DAS定義了兩類噪聲/干擾。

第一類噪聲源于內部電子元件，噪聲源包括ADC的轉換處理噪聲和諧波失真、緩沖放大器的噪聲和失真，以及基準噪聲和穩定性。

第二類干擾來自于系統外部，包括外部電磁噪聲、電源噪聲/紋波、I/O口串擾以及數字系統噪聲和干擾。

圖3列出了不同的噪聲源。


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

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

同時采樣ADC是系統的核心電路，用于測量調整在標準工業輸入動態范圍(如+5V、±5V或±10V)的電壓和電流信號。MAX130x、MAX132x和MAX1104x及其衍生產品支持這些擴展測量范圍，無需增加任何信號調理電路。

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

表1. 對應于ADC分辨率的量化值和量化噪聲

ADC	通道數	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小于? LSB，同時，量化噪聲決定了系統的基本噪底。

注意：有些設計中，僅1mVRMS的總體噪聲即可導致整個設計不達標，參考表2。

表2. 例：未經“校準”的整體噪聲導致ADC精度下降

ADC	通道數	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低的阻抗，如圖4所示。相應地，大多數應用中，這些器件需要一個輸入緩沖器以便達到12位和14位精度。


圖4. MAX130x和MAX132x系列ADC的典型輸入電路

為了達到12位至16位精度，選擇放大器時需要考慮的關鍵因素是：適當的帶寬、擺率、VP-P輸出、低噪聲、低失真和低失調。應保持盡可能低的緩沖放大器噪聲—遠遠低于ADC的SNR。放大器的整體失調誤差，包括漂移，在整個溫度范圍內都應小于所要求的精度誤差。每個緩沖放大器應根據具體應用精心選擇。

表3給出了幾款推薦的高精度運算放大器。對于高精度ADC，不建議使用通用運放，請參考表4。

表3. 針對不同精度的ADC所推薦的高精度運放

型號	電源	單位增益 帶寬(MHz)	擺率(V/μs)	VP-P (V)	失調 (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. 對于高精度ADC，不推薦使用通用運放

型號	電源	單位增益 帶寬(MHz)	擺率(V/μs)	VP-P (V)	失調 (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構，這種結構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：

ZIN = 1/(CIN × FSAMPLE)

式中，FSAMPLE為采樣頻率，CIN = 15pF。

隨著采樣頻率的降低，輸入阻抗將增大：

250ksps時為266kΩ
25ksps時為2.66MΩ


圖5. MAX11046系列器件的簡化輸入電路

MAX11046系列產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測量變壓器阻抗相對較低(10Ω至50Ω)，因此，可以直接通過簡單的低通濾波器連接到MAX11046輸入級。

表5給出了低頻應用，如電網監控或電機控制，所要求的最大RSOURCE設計值。

表5. 不同CEXTERNAL和FSAMPLE下的RSOURCE設計值

?	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非常關鍵。

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

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

ADC基準選擇

基準的選擇對于整個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，如上述表1所示。在整個溫度范圍內保持合理的溫漂和初始精度非常關鍵。

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

在對溫漂要求比較嚴格的應用中，最好使用外部低溫漂基準，如MAX6341 (1ppm/°C)。1ppm/°C的電壓基準在整個50°C范圍內的漂移只有0.2mV (或±3 LSB)。MAX6341基準的初始精度為4.096 ±0.001，遠遠優于MAX11046的內部基準(4.096 ±0.0016)，大大提高了DAS精度和溫度穩定性。

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

PCB設計和布板考慮

多通道、同時采樣ADC設計所面臨的挑戰將在電力線監控應用中詳細討論，該部分將參考上述板級框圖和圖3所示的主要噪聲/干擾源進行討論。

噪聲抑制—采用低通濾波器(LPF)

任何時候電力線上都會存在相當客觀的噪聲/干擾，噪聲主要來自線纜/傳輸系統，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態特性有關。

如圖3所示，每個CT和PT隔離/測量變壓器的工作頻率為50Hz/60Hz。實際上，這些變壓器具有很寬(100kHz)的帶寬，僅對100kHz或更高頻率的信號提供衰減/濾波。

另外一個重要的噪聲/干擾源來自PCB上DAS系統的電子元件。這些元件包括CPU和電源子系統(特別是在使用開關電源的情況下)，這意味著ADC的每個輸入通道都需要一個抗混疊濾波器和噪聲抑制低通濾波器。濾波元件應該盡可能靠近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的一個設計實例。該原理圖部分參考了MAX11046評估(EV)板的設計。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是電力線監控系統的最佳組合，評估板的通道0和通道1可以配置使用外部緩沖器，以滿足100ksps或更高采樣率的應用需求。可以從Maxim?的ADC產品事業部訂購該評估板，加速DAS的開發。


圖6. MAX11046典型電路

利用接地和屏蔽措施保持信號完整性

從連接器到ADC輸入的承載敏感模擬信號的PCB引線會受噪聲、干擾以及通道間串擾的影響，對這些模擬信號線采取特殊的接地和信號屏蔽措施對于保持輸入信號完整性至關重要。圖7給出了一個保護模擬信號的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構。

PCB布線通用規則

在多通道、同時采樣DAS應用中為了獲得最佳性能，需要遵循幾項重要的PCB布線規則。

• 使用有地層的PCB板。
• 確保模擬、數字線路相互分離。
• 不要將數字信號線和模擬信號線并行布線。
• 避免在ADC封裝的下方鋪設數字信號線。
• 采用獨立的GND層，數字信號分布在一側，模擬信號分布在另一側。
• 保持電源的地回路具有較低阻抗并保持盡可能短的引線，以便達到無噪聲工作。
• 在AVDD和DVDD的引腳與地之間連接一個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PCB板的AVDD和DVDD引腳至少增加一個10μF去耦電容。
• 采用兩個電源平面分別連接所有AVDD和DVDD。
• MAX11046模擬接口側的AVDD電源平面和DVDD電源平面最好遠離器件的數字接口引線。
  
  

圖8給出了一個基于8通道MAX11046的DAS典型應用的優化布局和PCB布局示例。按照器件的評估板，該設計采用6層PCB，包含獨立的地層和電源層。

來自傳感器或信號發生器的高精度模擬信號可以通過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采樣速率為100ksps甚至更高時通過外部緩沖器連接。BNC3至BNC8輸入只能配置成直接連接；外部信號可以直接作用到ADC，不需要緩沖器。不使用緩沖器時有助于簡化設計，但信號線需采用屏蔽措施，請參考圖9、圖10和圖11。

圖9和圖11給出了獨立的模擬電源和數字電源平面，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顯示了獨立的地層，數字信號在一側布線，模擬信號在另一側布線。


詳細圖片(PDF, 850kB)
圖8. 基于8通道MAX11046的DAS應用電路板的元件布局示例，評估板采用該布局，該圖為絲網印刷圖，頂層。


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


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


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


圖12. 獨立的地層，第5層，數字信號和模擬信號分別在兩側布線。

測試結果

圖13、圖14和圖15提供了基于MAX11046多芯片、多通道、同時采樣DAS工業原型機的一些測試結果。精密的2.048V直流基準(由MAX6126電壓基準提供)作用在DAS的MAX11046輸入端。ADC輸出轉換結果的范圍為±32768。圖13是對用戶提供的一個PCB原型進行測試的結果，該設計違反了電源布局和輸入信號完整性的布板原則。測試數據和直方圖顯示：噪聲/干擾使DAS的有效位降至大約11.5。由于直方圖測試模板不穩定，也反映了測量的不可預期性。


圖13. 對用戶的PCB布板不合理的DAS進行測試得到的輸出直方圖

圖14是對用戶的PCB布局進行改進后的測試結果，采取了本文介紹的電源/地布局規則和保持輸入信號完整性的處理方案。從測試結果和直方圖可以看出顯著的性能改善，DAS系統的有效位達到約13.5。在此測試期間，直方圖模板變得具有可重復性，反映了測量的穩定性得到了改善。


圖14. 對用戶的PCB進行改進后測試得到的DAS輸出直方圖，改善了原電路板的電源/地布局，并采取了保持信號完整性的措施。

圖15是在相同測試條件下，在同一實驗室對Maxim DAS的測試結果。測試結果和直方圖顯示，DAS的有效位達到大約14。該測試中，直方圖模板具有非常好的可重復性，反映了測試的穩定性和Maxim布板、設計配置的優勢。


圖15. Maxim DAS的輸出直方圖

結論

MAX1308、MAX1320、MAX11046等高性能、多通道、同時采樣ADC在新型DAS中尤其有用，能夠達到或超出“智能”電網監控系統的要求(參見應用筆記4281："Advanced Power-Line Monitoring Requires a High-Performance, Simultaneous-Sampling ADC")或三相電機控制系統的要求。

為了達到DAS設計指標以及這些ADC數據資料發布的指標，需要遵循嚴格的設計原則。這些設計考慮包括：LPF濾波器、低噪聲緩沖器和基準選擇、元件布局、PCB布局以及電源噪聲/紋波的濾波。注意了這些設計原則，即可獲得新一代高性能ADC的優異結果。