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)

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(jí)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(huì)存在相當(dāng)客觀的噪聲/干擾，噪聲主要來(lái)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(dòng)態(tài)特性有關(guān)。

如圖3所示，每個(gè)CT和PT隔離/測(cè)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(duì)100kHz或更高頻率的信號(hào)提供衰減/濾波。

另外一個(gè)重要的噪聲/干擾源來(lái)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(kāi)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(píng)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(hào)直接連接到ADC輸入，無(wú)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(jiān)控系統(tǒng)的最佳組合，評(píng)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。可以從Maxim®的ADC產(chǎn)品事業(yè)部訂購(gòu)該評(píng)估板，加速DAS的開(kāi)發(fā)。


圖6. MAX11046典型電路

利用接地和屏蔽措施保持信號(hào)完整性

從連接器到ADC輸入的承載敏感模擬信號(hào)的PCB引線會(huì)受噪聲、干擾以及通道間串?dāng)_的影響，對(duì)這些模擬信號(hào)線采取特殊的接地和信號(hào)屏蔽措施對(duì)于保持輸入信號(hào)完整性至關(guān)重要。圖7給出了一個(gè)保護(hù)模擬信號(hào)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(hào)線和模擬信號(hào)線并行布線。
• 避免在ADC封裝的下方鋪設(shè)數(shù)字信號(hào)線。
• 采用獨(dú)立的GND層，數(shù)字信號(hào)分布在一側(cè)，模擬信號(hào)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(wú)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典型應(yīng)用的優(yōu)化布局和PCB布局示例。按照器件的評(píng)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(lái)自傳感器或信號(hào)發(fā)生器的高精度模擬信號(hào)可以通過(guò)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(guò)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(hào)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(jiǎn)化設(shè)計(jì)，但信號(hào)線需采用屏蔽措施，請(qǐng)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顯示了獨(dú)立的地層，數(shù)字信號(hào)在一側(cè)布線，模擬信號(hào)在另一側(cè)布線。


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圖8. 基于8通道MAX11046的DAS應(yīng)用電路板的元件布局示例，評(píng)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(hào)屏蔽示例。