高性能/多通道ADC在数据采集系统(DAS)中的应用

PCB设计和布板考虑

多通道、同时采样ADC设计所面临的挑战将在电力线监控应用中详细讨论，该部分将参考上述板级框图和图3所示的主要噪声/干扰源进行讨论。

噪声抑制—采用低通滤波器(LPF)

任何时候电力线上都会存在相当客观的噪声/干扰，噪声主要来自线缆/传输系统，是电容/电感将外部噪声源耦合到了传输线上。噪声和干扰还与电力线的动态特性有关。

如图3所示，每个CT和PT隔离/测量变压器的工作频率为50Hz/60Hz。实际上，这些变压器具有很宽(100kHz)的带宽，仅对100kHz或更高频率的信号提供衰减/滤波。

另外一个重要的噪声/干扰源来自PCB上DAS系统的电子元件。这些元件包括CPU和电源子系统(特别是在使用开关电源的情况下)，这意味着ADC的每个输入通道都需要一个抗混叠滤波器和噪声抑制低通滤波器。滤波元件应该尽可能靠近ADC输入放置，上述表5提供了配合MAX11046使用的推荐元件。

图6给出了在考虑上述因素的情况下MAX11046的一个设计实例。该原理图部分参考了MAX11046评估(EV)板的设计。通道2至通道7的输入电路显示为直连连接通道，可将信号直接连接到ADC输入，无需缓冲器。表5给出了10ksps采样速率下的最佳电阻、电容值。R = 4.6kΩ、C = 1000pF是电力线监控系统的最佳组合，评估板的通道0和通道1可以配置使用外部缓冲器，以满足100ksps或更高采样率的应用需求。可以从Maxim®的ADC产品事业部订购该评估板，加速DAS的开发。


图6. MAX11046典型电路

利用接地和屏蔽措施保持信号完整性

从连接器到ADC输入的承载敏感模拟信号的PCB引线会受噪声、干扰以及通道间串扰的影响，对这些模拟信号线采取特殊的接地和信号屏蔽措施对于保持输入信号完整性至关重要。图7给出了一个保护模拟信号的PCB布线示例。


图7. 从连接器到MAX11046的模拟输入路径

注意，MAX11046具有极高的通道间隔离度，为了获得高隔离度，采用了共面微带线结构。

PCB布线通用规则

在多通道、同时采样DAS应用中为了获得最佳性能，需要遵循几项重要的PCB布线规则。

• 使用有地层的PCB板。
• 确保模拟、数字线路相互分离。
• 不要将数字信号线和模拟信号线并行布线。
• 避免在ADC封装的下方铺设数字信号线。
• 采用独立的GND层，数字信号分布在一侧，模拟信号分布在另一侧。
• 保持电源的地回路具有较低阻抗并保持尽可能短的引线，以便达到无噪声工作。
• 在AVDD和DVDD的引脚与地之间连接一个0.1µF陶瓷电容，电容须靠近器件放置，以便降低寄生电感。
• 每个PCB板的AVDD和DVDD引脚至少增加一个10µF去耦电容。
• 采用两个电源平面分别连接所有AVDD和DVDD。
• MAX11046模拟接口侧的AVDD电源平面和DVDD电源平面最好远离器件的数字接口引线。
  
  

图8给出了一个基于8通道MAX11046的DAS典型应用的优化布局和PCB布局示例。按照器件的评估板，该设计采用6层PCB，包含独立的地层和电源层。

来自传感器或信号发生器的高精度模拟信号可以通过BNC1至BNC8屏蔽同轴连接器连接到电路板。BNC1和BNC2输入可以配置成直接连接或当采样速率为100ksps甚至更高时通过外部缓冲器连接。BNC3至BNC8输入只能配置成直接连接；外部信号可以直接作用到ADC，不需要缓冲器。不使用缓冲器时有助于简化设计，但信号线需采用屏蔽措施，请参考图9、图10和图11。

图9和图11给出了独立的模拟电源和数字电源平面，采用这样的电源平面可以大大降低电源线的分布电阻、电容和电感，从而改善电源的噪声特性。

图12显示了独立的地层，数字信号在一侧布线，模拟信号在另一侧布线。


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图8. 基于8通道MAX11046的DAS应用电路板的元件布局示例，评估板采用该布局，该图为丝网印刷图，顶层。


图9. 基于8通道MAX11046的DAS系统电路板布局的第2层，电源平面分区。


图10. 基于8通道MAX11046的DAS系统电路板布局的第3层，信号屏蔽示例。