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)

1、    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：實(shí)現(xiàn)了一種全集成可變帶寬中頻寬帶低通濾波器，討論分析了跨導(dǎo)放大器-電容(OTAC)連續(xù)時(shí)間型濾波器的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)和具體實(shí)現(xiàn)，使用外部可編程電路對所設(shè)計(jì)濾波器帶寬進(jìn)行控制，并利用ADS軟件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，該濾波器帶寬的可調(diào)范圍為126 MHz，阻帶抑制率大于35 dB，帶內(nèi)波紋小于05 dB，采用18 V電源，TSMC 018m CMOS工藝庫仿真，功耗小于21 mW，頻響曲線接近理想狀態(tài)。關(guān)鍵詞：Butte高性能、多通道、同時(shí)采樣ADC在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)

2、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)較寬的動態(tài)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)精確的多通道同時(shí)測量。通常要求16ksps甚至更高的采樣速率。MAX1308、MAX1320和M

3、AX11046 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。整個(gè)系統(tǒng)包括四對此類結(jié)構(gòu)(三相中的每相對應(yīng)一對、零線對應(yīng)一對)。通過對同時(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，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)

4、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(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

5、電路，用于測量調(diào)整在標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)輸入動態(tài)范圍(如+5V、±5V或±10V)的電壓和電流信號。MAX130x、MAX132x和MAX1104x及其衍生產(chǎn)品支持這些擴(kuò)展測量范圍，無需增加任何信號調(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)MAX13088122.50.61040.176271MAX13208142.50.15260.044076MAX110468164.096

6、0.06250.018085ADC輸入的總噪聲和紋波應(yīng)小于½ 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A(chǔ)DC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MAX13088120.7111.3MAX13208142.7111.3MAX110468164.0012.0 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(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

7、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。對于高精度ADC，不建議使用通用運(yùn)放，請參考表4。表3. 針對不同精度的ADC所推薦的高精度運(yùn)放型號電源單位增益帶寬(MHz)擺率(V/µs)VP-P (V)失調(diào)(

8、mV，最大值)噪聲密度(nV/Hz)說明MAX410MAX412±5V284.57.20.252.4適用于12位至16位分辨率MAX4250+5V30.350.757.9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(yùn)放型號電源單位增益帶寬(MHz)擺率(V/µs)VP-P (V)失調(diào)(mV，最大值)噪聲密度(nV/Hz)說明LF411±15V415202.025適用于12位以下分辨率LM124±15V1.20.5203.035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

9、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266k25ksps時(shí)為2.66M圖5. MAX11046系列器件的簡化輸入電路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測量變壓器阻抗相對較低(10至50)，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(yīng)用，如電網(wǎng)監(jiān)控或電機(jī)控制，所要求的最大R

10、SOURCE設(shè)計(jì)值。表5. 不同CEXTERNAL和FSAMPLE下的RSOURCE設(shè)計(jì)值 CEXTERNAL (pF)FSAMPLE(ksps)010030010003000RSOURCE ()10001.0E+063.3E+051.4E+054.7E+041.6E+0425004.0E+051.3E+055.7E+041.9E+046.5E+0350002.0E+056.6E+042.8E+049.4E+033.2E+03100009.7E+043.2E+041.4E+044.6E+031.6E+03250003.7E+041.2E+045.3E+031.8E+036.1E+02

11、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)的選擇對于整個(gè)DAS的性能非常重要，并且與ADC的

12、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

13、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)候電力線上都會存

14、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態(tài)特性有關(guān)。如圖3所示，每個(gè)CT和PT隔離/測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100kHz或更高頻率的信號提供衰減/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

15、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 = 4.6k、C = 1000pF是電力線監(jiān)控系統(tǒng)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(yīng)用需求?？梢詮腗axim®的ADC產(chǎn)品事業(yè)部訂購該評估板，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完整性從連接器到ADC輸入的承載敏感模擬信號的PCB

16、引線會受噪聲、干擾以及通道間串?dāng)_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(guān)重要。圖7給出了一個(gè)保護(hù)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(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)字信號線和模擬信號線并行布線。· 避免在ADC封裝的下方鋪設(shè)數(shù)字信號線。

17、· 采用獨(dú)立的GND層，數(shù)字信號分布在一側(cè)，模擬信號分布在另一側(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

18、典型應(yīng)用的優(yōu)化布局和PCB布局示例。按照器件的評估板，該設(shè)計(jì)采用6層PCB，包含獨(dú)立的地層和電源層。來自傳感器或信號發(fā)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(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)有助于簡化設(shè)計(jì)，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(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

19、了獨(dú)立的地層，數(shù)字信號在一側(cè)布線，模擬信號在另一側(cè)布線。詳細(xì)圖片(PDF, 850kB)圖8. 基于8通道MAX11046的DAS應(yīng)用電路板的元件布局示例，評估板采用該布局，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)字信號和模擬信號分別在兩側(cè)布線。 測試結(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是對用戶提供的一個(gè)PCB原型進(jìn)行測試的結(jié)果，該設(shè)計(jì)違反了電源布局和輸入信號完整性的布板原則。測試數(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。由于直方圖測試模板不穩(wěn)定，也反映了測量的不可預(yù)期性。圖13. 對用戶的PCB布板不合理