ADC外圍電路設計方法 - 全文

在使用ADC芯片時，由于ADC的型號多樣化，其性能各有局限性，所以為了使ADC能夠適應現(xiàn)場需要以及滿足后繼電路的要求，必需對ADC的外圍電路進行設計。ADC外圍電路的設計通常包括模擬電路、數(shù)字電路和電源電路的設計。

1 模擬電路的設計
1．1 前置放大器電路的設計
??? 市場上除了少數(shù)的ADC本身帶有放大電路外，多數(shù)ADC都不具備此結(jié)構(gòu)，而一般模／數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的模擬輸入信號是比較小的，因此通常需要使用模擬放大器，來提升輸入電壓。模擬放大器一般選用集成運算放大器、儀表放大器或隔離放大器等。使用模擬放大器時要著重考慮放大器的帶寬和精度，當選擇運算放大器時，其帶寬和精度都應當優(yōu)于所選擇的ADC。
??? 模擬放大器不僅能放大模擬輸入信號，而且還具有阻抗變化的作用。對于輸入電阻比較小的ADC，而信號源的內(nèi)阻又比較大時，需要選用高輸入阻抗、低輸出阻抗的放大器，有時也可以加接電壓跟隨器，以提高輸入阻抗，從而達到匹配的目的。
1．2 采樣保持電路的設計
????采樣保持電路可以使ADC轉(zhuǎn)換器在轉(zhuǎn)換期間保持電壓不變，因此對于沒有采樣保持電路的ADC，必需在模擬輸入之前加接采樣保持電路。在選用采樣保持器時，要注重捕獲時間和頂級率的選擇，因為它們直接關(guān)系到模／數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的整體性能。捕獲時間實質(zhì)就是采樣保持器的采樣階段所需的時間，它要與ADC的轉(zhuǎn)換時間合理配合，過大則影響ADC的轉(zhuǎn)換速率，過小則容易產(chǎn)生功能混亂或數(shù)據(jù)丟失等現(xiàn)象。
??? 在ADC進行轉(zhuǎn)換的過程中，采樣保持電路進入保持階段。通常采樣保持電路是靠電容來進行電壓保持的，由于電容和采樣開關(guān)中漏電流以及保持電路中偏置電流的影響，使保持的模擬電壓隨時間的延續(xù)而有所下降(或上升)，其下降的速率就是采樣保持電路的頂級率。頂級率過大就會影響轉(zhuǎn)換精度。頂級率和捕獲時間不但與采樣保持電路有關(guān)，而且還與外接的保持電容有關(guān)，增大電容時，可以減小頂級率，但捕獲時間將增大，因此需要全面考慮。對于模擬輸入電壓變化緩慢的系統(tǒng)，可以不使用采樣保持電路，一般模擬輸入電壓變化不超過1／2LSB時，就可不用。
1．3 多路開關(guān)的設計
????多路開關(guān)也是ADC的主要外圍設備之一。設計時需要注意以下問題：實際中，部分ADC的輸入電阻較小，而模擬多路開關(guān)并不是理想開關(guān)，其導通電阻較大，因此ADC與模擬多路開關(guān)之間的阻抗并不匹配，這將影響整個系統(tǒng)的運行精度，因此不容忽視，這時可在多路開關(guān)與ADC之間加接高輸入阻抗的電壓跟隨器；此外模擬多路開關(guān)存在漏電流，而且各路開關(guān)是并聯(lián)的，當開關(guān)的路數(shù)較多時，漏電流就不能忽視，這時可采用分級模擬開關(guān)來解決這個問題；在多通道的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，當通道切換時，模擬電壓將產(chǎn)生階躍變化，這時應等階躍變化穩(wěn)定后，再讓采樣保持電路進入采樣階段；具有分級流水結(jié)構(gòu)的ADC和∑-△型的ADC，其輸出的數(shù)據(jù)是滯后的，因此需要全面考慮轉(zhuǎn)換器外圍電路所需的穩(wěn)定時間以及ADC對多路開關(guān)的階躍變化所需的響應時間等。

2 數(shù)字外圍電路的設計
????ADC的輸出是數(shù)字電路，它與后繼電路相連接所需要的數(shù)據(jù)線可以分為并行接口和串行接口兩種型式。
2．1 并行接口電路的設計
????絕大多數(shù)ADC的數(shù)據(jù)輸出都具備并行接口，可以很方便地與下級電路(微處理器等)的數(shù)據(jù)總線相連接，數(shù)據(jù)傳送速度快。ADC的數(shù)據(jù)總線常用的有8位和16位，但一般10～16位的ADC既能與16位的接口方式與16位的微控制器直接相連，又能以8位接口方式與8位微控制器相連。并行接口除了并行的數(shù)據(jù)線外，還需要許多控制信號線和狀態(tài)信號線，如啟動轉(zhuǎn)換信號線、讀／寫信號線、片選信號線等。由于各種ADC的芯片各不相同，所以在設計時，必須弄清具體型號的各信號定義、時序以及使用微控制器的總線時序，從而才能設計出滿足時序要求的接口電路。
2．2 串行接口電路的設計
????串行接口只需要1根雙向數(shù)據(jù)線、或者2條傳輸方向相反的數(shù)據(jù)線和少量的控制線。這樣能大大地減少芯片的引腳數(shù)目，進而簡化了整機的布線。實際中多數(shù)微型控制器都有串行接口，這樣給串行數(shù)據(jù)輸出的ADC使用提供了便利的條件，不過這種傳輸方式速度慢、效率低，但隨著芯片工作頻率的提高，串行傳輸速率也得到了改善。常見的串行接口有通用異步接收／發(fā)送器、串行外圍接口和I2C總線等，設計時應根據(jù)具體情況采取相應的方式。

3 電源和接地的設計
????在ADC電路中既含有模擬信號，又含有數(shù)字信號，而模擬信號部分是精密的信號處理電路，例如分辨率為10位5V量程的ADC，所對應1LSB的模擬電壓為4．88mV。數(shù)字電路部分是與其他邏輯電路連接在一起的，工作信號為脈沖信號，信號的幅度大，頻譜寬。對于模擬信號來說，數(shù)字信號是一個干擾源，地線噪聲可達幾十毫伏，甚至幾百毫伏。如果存在接地不良，布線不當?shù)纫蛩兀敲磾?shù)字噪聲將嚴重影響模擬信號部分的精度，甚至無法工作，所以對于高速ADC或高分辨率的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)要特別重視印制電路板的布線以及電源的去耦問題。為了減小地線噪聲干擾可以采取下列措施：
3．1 參考點的設計
??? AGND與DGND分開，建立模擬參考點，把所有的模擬部分都接到這個參考點上。此外還應注意合理布局，盡量縮短地線的長度，加大地線的橫截面積等。
3．2 AGND和DGND連接的設計
??? AGND接模擬參考點，DGND接數(shù)字電路，并與數(shù)字電源地相連接，并且AGND和DGND只在靠近ADC的引腳一處進行連接。
3．3 電源接線的設計
????多數(shù)ADC使用的不止是一種電源，通常5 V電源供數(shù)字部分使用，15 V電源供模擬部分使用。這兩組電源要分別接到AGND和DGND上，同時注意這兩組電源的變壓器繞組之間應具有良好的絕緣和良好的靜電隔離。
3．4 電源去耦的設計
????ADC的電源要加去耦電容，并且安裝時電容要盡量靠近ADC的電源。一般情況下，電容可用1～10μF鉭電容與0．01～0．1μF高頻瓷介電容并聯(lián)。
3．5 高低噪聲電路接地的設計
????數(shù)字電路中的高頻信號電路和大電流電路屬于高噪聲電路，而ADC接口中的數(shù)字信號則屬于低噪聲電路，因此兩者應各有接地參考點。前面是地線連接時需要考慮的問題，但是在實際中各電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)的差別很大，所以一般不能采取同一模式。對于一些ADC芯片說明書中已經(jīng)給出了電源和地線以及芯片評估板的印制電路布線圖，使用時要按照說明書去連接，這樣才能達到系統(tǒng)的預期指標。

4 信號隔離的設計
????從上面的分析可知，合理的布線和接地可以有效地抑制噪聲干擾，但由于模擬信號和數(shù)字信號仍存在共地，所以要徹底消除數(shù)字噪聲對模擬信號的影響是不可能的。此外，模擬信號在傳輸線上也容易受到干擾，這些干擾不僅對模擬信號有影響，對數(shù)字電路影響更大，嚴重時會產(chǎn)生運行錯誤。因此采取隔離措施可以進一步抑制干擾，常用的隔離元件是光電耦合器。根據(jù)隔離位置的不同，可分為2種隔離方式：一種是隔離模擬信號端；另一種是隔離數(shù)字信號端。由于數(shù)字信號的工作頻率較高，所以必須采用高速光電耦合器或采取加速措施，并且在微處理器中加人等待周期或增加信號鎖存器等，以協(xié)調(diào)光電耦合器引來的延遲時間，這將帶來接口電路的復雜性和降低系統(tǒng)響應速度的負面影響。在實際應用中，由于對不同系統(tǒng)的技術(shù)要求各有不同，所以ADC外圍電路的設計也要根據(jù)具體情況采用不同的方法。