高性能、多通道、同時采樣ADC在數據采集系統(DAS)中的設計

PCB設計和布板考慮

多通道、同時采樣ADC設計所面臨的挑戰將在電力線監控應用中詳細討論，該部分將參考上述板級框圖和圖3所示的主要噪聲/干擾源進行討論。

噪聲抑制—采用低通濾波器(LPF)

任何時候電力線上都會存在相當客觀的噪聲/干擾，噪聲主要來自線纜/傳輸系統，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特性有關。

如圖3所示，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。

另外一個重要的噪聲/干擾源來自PCB上DAS系統的電子元件。這些元件包括CPU和電源子系統(特別是在使用開關電源的情況下)，這意味著ADC的每個輸入通道都需要一個抗混疊濾波器和噪聲抑制低通濾波器。濾波元件應該盡可能靠近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的一個設計實例。該原理圖部分參考了MAX11046評估(EV)板的設計。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 = 4.6kΩ、C = 1000pF是電力線監控系統的最佳組合，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或更高采樣率的應用需求。可以從Maxim®的ADC產品事業部訂購該評估板，加速DAS的開發。


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引線會受噪聲、干擾以及通道間串擾的影響，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重要。圖7給出了一個保護模擬信號的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構。

PCB布線通用規則

在多通道、同時采樣DAS應用中為了獲得最佳性能，需要遵循幾項重要的PCB布線規則。

• 使用有地層的PCB板。
• 確保模擬、數字線路相互分離。
• 不要將數字信號線和模擬信號線并行布線。
• 避免在ADC封裝的下方鋪設數字信號線。
• 采用獨立的GND層，數字信號分布在一側，模擬信號分布在另一側。
• 保持電源的地回路具有較低阻抗并保持盡可能短的引線，以便達到無噪聲工作。
• 在AVDD和DVDD的引腳與地之間連接一個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PCB板的AVDD和DVDD引腳至少增加一個10µF去耦電容。
• 采用兩個電源平面分別連接所有AVDD和DVDD。
• MAX11046模擬接口側的AVDD電源平面和DVDD電源平面最好遠離器件的數字接口引線。
  
  

圖8給出了一個基于8通道MAX11046的DAS典型應用的優化布局和PCB布局示例。按照器件的評估板，該設計采用6層PCB，包含獨立的地層和電源層。

來自傳感器或信號發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采樣速率為100ksps甚至更高時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。不使用緩沖器時有助于簡化設計，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給出了獨立的模擬電源和數字電源平面，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顯示了獨立的地層，數字信號在一側布線，模擬信號在另一側布線。


詳細圖片(PDF, 850kB)
圖8. 基于8通道MAX11046的DAS應用電路板的元件布局示例，評估板采用該布局，該圖為絲網印刷圖，頂層。


圖9. 基于8通道MAX11046的DAS系統電路板布局的第2層，電源平面分區。


圖10. 基于8通道MAX11046的DAS系統電路板布局的第3層，信號屏蔽示例。