数据采集系统中高性能、多通道、同步采样ADC的设计指南

本应用笔记将帮助设计人员设计高性能、多通道、同时采样数据采集系统（DAS）。它解释了如何选择合适的组件并将其放置在PCB上以获得最佳性能。提供Maxim的MAX1308、MAX1320和MAX11046同步采样ADC。测试数据说明了遵循指南的好处。

介绍

许多高级工业应用需要使用高性能、同步采样、多通道ADC。以先进的电力线监控（图1）或现代三相电机控制系统（图2）为例。这些应用需要在~70dB至90dB的宽动态范围内进行精确的同时多通道测量（取决于应用）。16ksps 或更高的采样率很常见。

MAX1308、MAX1320和MAX11046 DAS器件在单封装中包括<>个独立的同步采样输入通道和快速逐次逼近型ADC。为了达到器件的规格并最大限度地提高性能，设计人员必须适当注意系统架构、元件选择和PCB布局。

DAS 架构的典型示例

图1.典型的电网监控应用。

图1中的每个电源相位由电流互感器（CT）和电压互感器（PT）表示。整个系统由四个这样的对组成（三相中各一对加上中性线）。

通过对同时采样和数字转换的数据进行数字处理计算，可以找到瞬时和平均有功、无功、视在功率和功率因数的参数。

图2.典型的电机控制系统。

图2中的每个ADC器件同时对输入进行采样，无需复杂的DSP算法将顺序采样数据重新对齐到同步采样集中。

影响工业数据采集系统 （DAS） 的主要噪声和干扰源

DAS 中可以定义两类噪声/干扰。

第一类噪声来自内部电子元件噪声。源包括ADC转换过程噪声和谐波失真、缓冲放大器噪声和失真以及基准噪声和稳定性。

干扰的第二个来源是系统的外部环境。示例包括外部电磁噪声、电源噪声/纹波、I/O 引脚串扰以及数字系统噪声和干扰。

这些不同的噪声源如图3所示。

图3.典型电力线监控应用的板级框图。绘图显示了影响系统分辨率和精度的各种噪声和干扰源。

电力线 DAS 信号处理链由 CT、PT 测量变压器组成;抗混叠低通滤波器（LPF）;缓冲放大器;同时采样ADC;和中央处理器 （CPU）。

同时采样ADC是系统的核心;它测量的电压和电流调整为+5V、±5V或±10V标准工业输入动态范围。MAX130x、MAX132x和MAX1104x器件系列均包含支持这些扩展范围的衍生产品，无需额外的信号调理电路。

表1给出了这些器件系列的1 LSB值和量化噪声。这些值根据ADC位号向设计人员显示DAS中允许的总噪声和干扰水平。

表 1.根据 ADC 位号的量子和量化噪声电平

 

模数转换器	频道数量	位数	V裁判（五）	低密度纤维化 （毫伏）	量化 噪声（mV）	信噪比 （分贝）
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输入中的总噪声和纹波应低于1/2 LSB。同时，量化噪声决定了系统的最终本底噪声。

注意：在某些设计中仅为1mV有效值的总噪声可能会破坏设计规范。见表2。

表 2.总噪声不等于时ADC分辨率下降的示例 “修剪”足够

 

模数转换器	频道数量	位数	输入噪声时损失 的位数数 （1mV）	分辨率降低
MAX1308	8	12	0.71	11.3
MAX1320	8	14	2.71	11.3
MAX11046	8	16	4.00	12.0

 

电子元件选择：DAS 信号处理链

选择正确的输入缓冲放大器

MAX130x和MAX132x系列ADC具有相对低阻抗的输入电路，如图4所示。因此，在大多数应用中，这些器件需要一个输入缓冲器来实现12位至14位精度。

图4.MAX130x和MAX132x系列ADC的典型简化输入电路

选择12位至16位精度放大器时要考虑的主要要求是：足够的带宽、压摆率、VP-P输出、低噪声、低失真、低偏移。缓冲放大器噪声必须保持在尽可能低的水平，远低于ADC的SNR。放大器在整个温度范围内的总失调误差（包括漂移）应小于所需的精度。因此，每个缓冲放大器电路都需要根据应用进行精确定制。

一些推荐的高精度运算放大器如表3所示。一些常用的运算放大器不推荐用于高精度ADC。见表4。

表 3.推荐用于各种ADC分辨率的高精度运算放大器

 

部分	电源	单位增益 带宽 （MHz）	压摆率 （V/μs）	VP-P（五）	失调 （mV，最大值）	噪声密度 （nV/√Hz）	评论
MAX410–MAX412	±5V	28	4.5	7.2	0.25	2.4	适用于 12 位至 16 位
MAX4250	+5V	3	0.3	5	0.75	7.9	适用于 12 位至 14 位

 

表 4.不推荐用于高精度ADC的常用通用运算放大器

 

部分	电源	单位增益 带宽 （MHz）	压摆率 （V/μs）	VP-P（五）	失调 （mV，最大值）	噪声密度 （nV/√Hz）	评论
LF411	±15V	4	15	20	2.0	25	低于 12 位的良好
LM124	±15V	1.2	0.5	20	3.0	35	低于 11 位的良好

 

备用输入滤波器要求：MAX11046系列

MAX11046系列器件采用不同的输入结构，可能不需要输入缓冲放大器（图5）。

图5.MAX11046系列器件的典型简化输入电路

MAX11046系列具有极高的输入阻抗值，可直接连接低阻抗传感器。例如，CT和PT测量变压器代表相对低阻抗的传感器（大约10Ω至50Ω），因此可以使用简单的低通滤波器直接连接到MAX11046输入端。

表 5 提供了最大 R源低频应用（如电网监控或电机控制）的设计值。

表 5.R源C 语言的设计值外部和 F样本率

 

	C外部（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

 

R的正确选择源和 C外部组件对于保持 DAS 精度至关重要。

R源电阻器应为金属膜型，容差为1%或更好，温度系数低。最好从松下®、ROHM® 或 Vishay® 等信誉良好的来源购买组件。

为了获得最佳效果 C外部电容器应为陶瓷电容器，建议使用介电COG（NPO）。这些电容器在很宽的温度和电压范围内保持其标称值。Kemet®，AVX®或三星®等公司提供多种具有成本效益的SMT零件。

ADC 基准电压源考虑因素

基准电压源选择对DAS的整体性能也至关重要，并且与所需的ADC分辨率和精度密切相关。请参阅上面的表 1。在整个温度范围内具有合理的漂移和初始精度是最重要的。

以MAX11046为例，其中1 LSB = 62.5μV。MAX11046内部基准的漂移规格为±10ppm/°C。 在50°C温度范围内，基准电压源的漂移可能高达±500ppm或约±2.048mV （±33 LSB）。

在漂移很重要的应用中，外部低漂移基准，如MAX6341 （1ppm/°C），是更好的选择。1ppm/°C基准电压源在0°C（或仅为±2 LSB）内仅漂移50.3mV。MAX6341的基准初始精度为4.096 ±0.001，也比MAX11046的内部基准4.096 ±0.0016要好得多，从而提高了DAS的精度和热稳定性。

MAX11046在外部基准模式下的基准输入电流仅为±10μA。像MAX6341这样输出电流高达10mA的串行基准可以像单个基准一样使用，并带有多个高性能ADC，从而消除了器件间基准之间的差异。

PCB 设计和布局注意事项

多通道、同步采样ADC设计挑战可以在电力线监控应用中讨论。本演示将参考上图3所示的板级框图和主要噪声/干扰源。

抑制噪声—使用低通滤波器 （LPF）

在任何给定时间，电源线上存在的噪声/干扰量都可能非常大。这种噪声通常来自电缆/配电系统，这是由于电容/电感耦合与外部噪声源引起的。噪声和干扰也是由电源线的动态特性引起的。

参见图3，每个CT和PT隔离/测量变压器的工作频率为50Hz/60Hz。实际上，这些变压器具有更宽的带宽（100kHz），并且只能在100kHz及以上的区域提供实质性的衰减/滤波功能。

噪声/干扰的另一个主要来源来自位于 PCB 上的 DAS 电子元件。这些组件包括 CPU 和电源子系统。（在开关电源的情况下尤其如此。这意味着ADC的每个输入通道都需要一个抗混叠和噪声抑制LPF。滤波器元件也应尽可能靠近ADC输入。上表5给出了MAX11046滤波器的推荐元件值。

MAX11046的这些考虑的实际示例如图6所示。该原理图作为MAX11046评估（EV）板的一部分实现。通道2至7的输入原理图展示了一种直接连接方案，其中外部信号可以直接施加到ADC，无需缓冲器。10ksps采样率的最佳电阻和电容见表5。R = 4.6kΩ 和 C = 1000pF 的值是电力线监控应用的一个有吸引力的组合。评估板中的通道0和通道1可配置为与外部缓冲器配合使用，这是要求100ksps或更高采样速率的应用所必需的。该评估板可从Maxim®的ADC业务部门订购，有助于大大加快DAS的开发。

图6.MAX11046采用典型连接方案。

通过接地和屏蔽保持信号完整性

将敏感模拟信号从连接器传输到ADC输入的输入PCB走线可能会受到噪声、干扰和通道间串扰的影响。这些模拟走线的特殊接地和信号屏蔽对于输入信号的完整性至关重要。图7显示了用于保护模拟信号的PCB布局示例。

图7.从连接器到MAX11046的模拟输入路由。

注意，MAX11046具有非常高的通道间隔离度。为了保持高隔离度，请使用如上所示的共面带状线结构。

通用印刷电路板布局指南

其他几个重要的PCB指南将有助于在多通道、同时采样DAS应用中实现最佳性能。

使用带接地层的印刷电路板。

确保模拟线和数字线彼此分离。

不要平行运行数字和模拟线路。

避免在ADC封装下方铺设数字线路。

使用单个实心GND平面，数字信号从一个方向路由，模拟信号从另一个方向路由。

保持电源的接地回路具有低阻抗，并且尽可能短，以实现无噪声运行。

旁路视音频DD和DVDD接地层，每个引脚上都有一个0.1μF陶瓷片式电容，尽可能靠近器件，以最大限度地降低寄生电感。

向视音频添加至少一个大容量 10μF 去耦电容DD和DVDD对于每个印刷电路板。

互连所有视音频DD和DVDD输入使用两个稳定电源层。

带上视听DDMAX11046和DV模拟接口侧的电源层DD设备数字接口侧的电源层。

基于MAX8的11046通道DAS应用的最佳元件布局和PCB布局实现示例如图8所示。该设计基于器件的评估板，采用六层PCB，具有单个接地层和独立电源层。

来自传感器或信号发生器的精密模拟信号可以使用屏蔽同轴连接器 BNC1 至 BNC8 连接到电路板。BNC1 和 BNC2 输入可配置为直接连接或与外部缓冲器配合使用，这对于需要 100ksps 或更高采样速率的应用是必需的。BNC3 到 BNC8 输入仅用于直接连接;外部信号可以直接施加到ADC，无需缓冲器。在没有缓冲器的情况下简化设计是将这种信号屏蔽方法用于路由的原因。参见图 9、10 和 11。

用于模拟和数字配电的专用电源层的实现也如图9和图11所示。电源层方法大大降低了电源线走线的分布电阻、电容和电感，从而提高了功率和噪声效率。

使用单个实心接地层，数字信号从一个方向路由，模拟信号从另一个方向路由，如图12所示。

图 8.评估板中基于MAX8的11046通道DAS中的元件放置示例这张照片是丝网印刷，顶部。

图9.在基于MAX2的8通道DAS中实现的第11046层电源层分区示例。

图 10.在基于MAX3的8通道DAS的第11046层实现信号屏蔽路由的示例。

图 11.在基于MAX4的8通道DAS中实现的第11046层电源层分区示例。

图 12.单个实心第 5 层接地层的示例，其中数字信号从一个方向路由，模拟信号从另一个方向路由。

测试结果

基于MAX11046的多芯片、多通道、同步采样DAS的工业原型的测试结果如图13、14和15所示。将精密的2.048V直流基准信号（由MAX6126电压基准产生）施加于MAX11046的DAS输入端。ADC输出转换为±32768范围。图13是客户原型PCB上的测试结果，该结果违反了配电和输入信号完整性的许多布局指南。测量和直方图显示，噪声/干扰将DAS的有效位数降低到~11.5。在此测试期间，直方图模式不稳定，因此反映了测量的不可预测性。

图 13.在对PCB进行改进之前客户DAS的输出直方图。

图14是本文讨论的一些布局改进后，针对电源/接地分配和输入信号完整性进行了一些布局改进后，客户原型PCB上的测试结果。测量和直方图显示 DAS 的有效位数大幅提高到 ~13.5。在此测试期间，直方图模式变得可重复，反映了测量稳定性的提高。

图 14.对PCB进行电源/接地分配和信号完整性改进后，客户DAS的输出直方图。

图15显示了Maxim DAS在同一工业实验室中在类似测试条件下生成的测试结果。测量和直方图显示，DAS的有效位数约为14。在该测试中，直方图模式具有很强的可重复性，反映了测量的稳定性以及Maxim布局和设计配置的优势。

图 15.Maxim DAS 的输出直方图。

结论

MAX1308、MAX1320和MAX11046系列器件等高性能多通道、同步采样ADC特别适用于必须满足或超过“智能”电网监测高级规范的新型DAS应用（参见应用笔记4281：“高级电力线监测需要高性能、同步采样ADC”）或现代三相电机控制系统的要求。

为了实现DAS设计参数并满足这些ADC的已发布规格，需要特别注意关键设计领域。这些设计考虑因素涉及LPF滤波器;低噪声缓冲器和基准电压源选择;组件放置;印刷电路板布局;以及电源噪声/纹波滤波。考虑到这些设计原理，最新一代高性能ADC将提供出色的结果。

审核编辑：郭婷