本應用筆記將幫助設計人員設計高性能、多通道、同時采樣數據采集系統（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。測試數據說明了遵循指南的好處。

介紹

許多高級工業(yè)應用需要使用高性能、同步采樣、多通道ADC。以先進的電力線監(jiān)控（圖1）或現代三相電機控制系統（圖2）為例。這些應用需要在~70dB至90dB的寬動態(tài)范圍內進行精確的同時多通道測量（取決于應用）。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，設計人員必須適當注意系統架構、元件選擇和PCB布局。

DAS 架構的典型示例

圖1.典型的電網監(jiān)控應用。

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字轉換的數據進行數字處理計算，可以找到瞬時和平均有功、無功、視在功率和功率因數的參數。

圖2.典型的電機控制系統。

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

影響工業(yè)數據采集系統 （DAS） 的主要噪聲和干擾源

DAS 中可以定義兩類噪聲/干擾。

第一類噪聲來自內部電子元件噪聲。源包括ADC轉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 引腳串擾以及數字系統噪聲和干擾。

這些不同的噪聲源如圖3所示。

圖3.典型電力線監(jiān)控應用的板級框圖。繪圖顯示了影響系統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是系統的核心;它測量的電壓和電流調整為+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品，無需額外的信號調理電路。

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ADC位號向設計人員顯示DAS中允許的總噪聲和干擾水平。

表 1.根據 ADC 位號的量子和量化噪聲電平

模數轉換器	頻道數量	位數	V裁判（五）	低密度纖維化 （毫伏）	量化 噪聲（mV）	信噪比 （分貝）
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輸入中的總噪聲和紋波應低于1/2 LSB。同時，量化噪聲決定了系統的最終本底噪聲。

注意：在某些設計中僅為1mV有效值的總噪聲可能會破壞設計規(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

模數轉換器	頻道數量	位數	輸入噪聲時損失 的位數數 （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

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，在大多數應用中，這些器件需要一個輸入緩沖器來實現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的總失調誤差（包括漂移）應小于所需的精度。因此，每個緩沖放大器電路都需要根據應用進行精確定制。

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

部分	電源	單位增益 帶寬 （MHz）	壓擺率 （V/μs）	VP-P（五）	失調 （mV，最大值）	噪聲密度 （nV/√Hz）	評論
MAX410–MAX412	±5V	28	4.5	7.2	0.25	2.4	適用于 12 位至 16 位
MAX4250	+5V	3	0.3	5	0.75	7.9	適用于 12 位至 14 位

表 4.不推薦用于高精度ADC的常用通用運算放大器

部分	電源	單位增益 帶寬 （MHz）	壓擺率 （V/μs）	VP-P（五）	失調 （mV，最大值）	噪聲密度 （nV/√Hz）	評論
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

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構，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源低頻應用（如電網監(jiān)控或電機控制）的設計值。

表 5.R源C 語言的設計值外部和 F樣本率

	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的正確選擇源和 C外部組件對于保持 DAS 精度至關重要。

R源電阻器應為金屬膜型，容差為1%或更好，溫度系數低。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的整體性能也至關重要，并且與所需的ADC分辨率和精度密切相關。請參閱上面的表 1。在整個溫度范圍內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內部基準的漂移規(guī)格為±10ppm/°C。 在50°C溫度范圍內，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）內僅漂移50.3mV。MAX6341的基準初始精度為4.096 ±0.001，也比MAX11046的內部基準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 設計和布局注意事項

多通道、同步采樣ADC設計挑戰(zhàn)可以在電力線監(jiān)控應用中討論。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，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。（在開關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。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用所必需的。該評估板可從Maxim?的ADC業(yè)務部門訂購，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到ADC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構。

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應用中實現最佳性能。

使用帶接地層的印刷電路板。

確保模擬線和數字線彼此分離。

不要平行運行數字和模擬線路。

避免在ADC封裝下方鋪設數字線路。

使用單個實心GND平面，數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模擬接口側的電源層DD設備數字接口側的電源層。

基于MAX8的11046通道DAS應用的最佳元件布局和PCB布局實現示例如圖8所示。該設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。

用于模擬和數字配電的專用電源層的實現也如圖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印刷，頂部。

圖9.在基于MAX2的8通道DAS中實現的第11046層電源層分區(qū)示例。

圖 10.在基于MAX3的8通道DAS的第11046層實現信號屏蔽路由的示例。

圖 11.在基于MAX4的8通道DAS中實現的第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電壓基準產生）施加于MAX11046的DAS輸入端。ADC輸出轉換為±32768范圍。圖13是客戶原型PCB上的測試結果，該結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上的測試結果。測量和直方圖顯示 DAS 的有效位數大幅提高到 ~13.5。在此測試期間，直方圖模式變得可重復，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果。測量和直方圖顯示，DAS的有效位數約為14。在該測試中，直方圖模式具有很強的可重復性，反映了測量的穩(wěn)定性以及Maxim布局和設計配置的優(yōu)勢。

圖 15.Maxim DAS 的輸出直方圖。

結論

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”電網監(jiān)測高級規(guī)范的新型DAS應用（參見應用筆記4281：“高級電力線監(jiān)測需要高性能、同步采樣ADC”）或現代三相電機控制系統的要求。

為了實現DAS設計參數并滿足這些ADC的已發(fā)布規(guī)格，需要特別注意關鍵設計領域。這些設計考慮因素涉及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。考慮到這些設計原理，最新一代高性能ADC將提供出色的結果。

審核編輯：郭婷