本應(yīng)用筆記將幫助設(shè)計人員設(shè)計高性能、多通道、同時采樣數(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。測試數(shù)據(jù)說明了遵循指南的好處。

介紹

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

MAX1308、MAX1320和MAX11046 DAS器件在單封裝中包括<>個獨立的同步采樣輸入通道和快速逐次逼近型ADC。為了達到器件的規(guī)格并最大限度地提高性能，設(shè)計人員必須適當注意系統(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中的每個電源相位由電流互感器（CT）和電壓互感器（PT）表示。整個系統(tǒng)由四個這樣的對組成（三相中各一對加上中性線）。

通過對同時采樣和數(shù)字轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)進行數(shù)字處理計算，可以找到瞬時和平均有功、無功、視在功率和功率因數(shù)的參數(shù)。

圖2.典型的電機控制系統(tǒng)。

圖2中的每個ADC器件同時對輸入進行采樣，無需復(fù)雜的DSP算法將順序采樣數(shù)據(jù)重新對齊到同步采樣集中。

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。

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

干擾的第二個來源是系統(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 引腳串擾以及數(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 信號處理鏈由 CT、PT 測量變壓器組成;抗混疊低通濾波器（LPF）;緩沖放大器;同時采樣ADC;和中央處理器 （CPU）。

同時采樣ADC是系統(tǒng)的核心;它測量的電壓和電流調(diào)整為+5V、±5V或±10V標準工業(yè)輸入動態(tài)范圍。MAX130x、MAX132x和MAX1104x器件系列均包含支持這些擴展范圍的衍生產(chǎn)品，無需額外的信號調(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位號向設(shè)計人員顯示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，量化噪聲決定了系統(tǒng)的最終本底噪聲。

注意：在某些設(shè)計中僅為1mV有效值的總噪聲可能會破壞設(shè)計規(guī)范。見表2。

表 2.總噪聲不等于時ADC分辨率下降的示例 “修剪”足夠

電子元件選擇：DAS 信號處理鏈

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，這些器件需要一個輸入緩沖器來實現(xiàn)12位至14位精度。

圖4.MAX130x和MAX132x系列ADC的典型簡化輸入電路

選擇12位至16位精度放大器時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，遠低于ADC的SNR。放大器在整個溫度范圍內(nèi)的總失調(diào)誤差（包括漂移）應(yīng)小于所需的精度。因此，每個緩沖放大器電路都需要根據(jù)應(yīng)用進行精確定制。

一些推薦的高精度運算放大器如表3所示。一些常用的運算放大器不推薦用于高精度ADC。見表4。

表 3.推薦用于各種ADC分辨率的高精度運算放大器

表 4.不推薦用于高精度ADC的常用通用運算放大器

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測量變壓器代表相對低阻抗的傳感器（大約10Ω至50Ω），因此可以使用簡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)控或電機控制）的設(shè)計值。

表 5.R源C 語言的設(shè)計值外部和 F樣本率

R的正確選擇源和 C外部組件對于保持 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? 等信譽良好的來源購買組件。

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 基準電壓源考慮因素

基準電壓源選擇對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)。請參閱上面的表 1。在整個溫度范圍內(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)部基準的漂移規(guī)格為±10ppm/°C。 在50°C溫度范圍內(nèi)，基準電壓源的漂移可能高達±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，如MAX6341 （1ppm/°C），是更好的選擇。1ppm/°C基準電壓源在0°C（或僅為±2 LSB）內(nèi)僅漂移50.3mV。MAX6341的基準初始精度為4.096 ±0.001，也比MAX11046的內(nèi)部基準4.096 ±0.0016要好得多，從而提高了DAS的精度和熱穩(wěn)定性。

MAX11046在外部基準模式下的基準輸入電流僅為±10μA。像MAX6341這樣輸出電流高達10mA的串行基準可以像單個基準一樣使用，并帶有多個高性能ADC，從而消除了器件間基準之間的差異。

PCB 設(shè)計和布局注意事項

多通道、同步采樣ADC設(shè)計挑戰(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態(tài)特性引起的。

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

噪聲/干擾的另一個主要來源來自位于 PCB 上的 DAS 電子元件。這些組件包括 CPU 和電源子系統(tǒng)。（在開關(guān)電源的情況下尤其如此。這意味著ADC的每個輸入通道都需要一個抗混疊和噪聲抑制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的這些考慮的實際示例如圖6所示。該原理圖作為MAX11046評估（EV）板的一部分實現(xiàn)。通道2至7的輸入原理圖展示了一種直接連接方案，其中外部信號可以直接施加到ADC，無需緩沖器。10ksps采樣率的最佳電阻和電容見表5。R = 4.6kΩ 和 C = 1000pF 的值是電力線監(jiān)控應(yīng)用的一個有吸引力的組合。評估板中的通道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。該評估板可從Maxim?的ADC業(yè)務(wù)部門訂購，有助于大大加快DAS的開發(fā)。

圖6.MAX11046采用典型連接方案。

通過接地和屏蔽保持信號完整性

將敏感模擬信號從連接器傳輸?shù)紸DC輸入的輸入PCB走線可能會受到噪聲、干擾和通道間串擾的影響。這些模擬走線的特殊接地和信號屏蔽對于輸入信號的完整性至關(guān)重要。圖7顯示了用于保護模擬信號的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

其他幾個重要的PCB指南將有助于在多通道、同時采樣DAS應(yīng)用中實現(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。

使用單個實心GND平面，數(shù)字信號從一個方向路由，模擬信號從另一個方向路由。

保持電源的接地回路具有低阻抗，并且盡可能短，以實現(xiàn)無噪聲運行。

旁路視音頻DD和DVDD接地層，每個引腳上都有一個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大容量 10μF 去耦電容DD和DVDD對于每個印刷電路板。

互連所有視音頻DD和DVDD輸入使用兩個穩(wěn)定電源層。

帶上視聽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布局實現(xiàn)示例如圖8所示。該設(shè)計基于器件的評估板，采用六層PCB，具有單個接地層和獨立電源層。

來自傳感器或信號發(fā)生器的精密模擬信號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;外部信號可以直接施加到ADC，無需緩沖器。在沒有緩沖器的情況下簡化設(shè)計是將這種信號屏蔽方法用于路由的原因。參見圖 9、10 和 11。

用于模擬和數(shù)字配電的專用電源層的實現(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。

使用單個實心接地層，數(shù)字信號從一個方向路由，模擬信號從另一個方向路由，如圖12所示。

圖 8.評估板中基于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層實現(xiàn)信號屏蔽路由的示例。

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

圖 12.單個實心第 5 層接地層的示例，其中數(shù)字信號從一個方向路由，模擬信號從另一個方向路由。

測試結(jié)果

基于MAX11046的多芯片、多通道、同步采樣DAS的工業(yè)原型的測試結(jié)果如圖13、14和15所示。將精密的2.048V直流基準信號（由MAX6126電壓基準產(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上的測試結(jié)果，該結(jié)果違反了配電和輸入信號完整性的許多布局指南。測量和直方圖顯示，噪聲/干擾將DAS的有效位數(shù)降低到~11.5。在此測試期間，直方圖模式不穩(wěn)定，因此反映了測量的不可預(yù)測性。

圖 13.在對PCB進行改進之前客戶DAS的輸出直方圖。

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

圖 14.對PCB進行電源/接地分配和信號完整性改進后，客戶DAS的輸出直方圖。

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

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“智能”電網(wǎng)監(jiān)測高級規(guī)范的新型DAS應(yīng)用（參見應(yīng)用筆記4281：“高級電力線監(jiān)測需要高性能、同步采樣ADC”）或現(xiàn)代三相電機控制系統(tǒng)的要求。

為了實現(xiàn)DAS設(shè)計參數(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)計領(lǐng)域。這些設(shè)計考慮因素涉及LPF濾波器;低噪聲緩沖器和基準電壓源選擇;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