模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的接地原理

使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)時我們最需要關(guān)注什么？將傳感器輸出端連接到ADC的輸入端然后直接開始讀數(shù)，對吧？畢竟，數(shù)字信號具有很強(qiáng)的噪聲抑制能力，電平之間的轉(zhuǎn)換很穩(wěn)固，并且有足夠的內(nèi)置余量。模擬信號則更容易受到噪聲的影響。

ADC周圍有太多噪聲肯定會影響到結(jié)果。大多數(shù)模擬噪聲問題都可以追溯到一個主題：缺乏對接地的關(guān)注。對于制造商來說，了解有關(guān)接地的基本原理會讓ADC發(fā)揮更大的作用。

接地真的像看起來那么簡單嗎？

低速和中速數(shù)字設(shè)計(jì)的簡易性讓接地看起來很簡單。在沒有焊接的插入式面包板上，有沿相對兩條邊——電源和地——向下延伸的電源軌。電源連接到電源軌上的紅色引腳或電池上的紅色引線，地連接到黑色引腳或引線。元件上的電源和接地引腳連接到附近的電源軌并加電后，很多人就認(rèn)為萬事大吉了！實(shí)際上接地的細(xì)節(jié)被許多設(shè)計(jì)所忽視。

圖1：位于沒有焊接的插入式面包板邊沿的電源軌。來源：BusBoard Prototype Systems

數(shù)字信號切換得越快，模擬分辨率越精細(xì)，人們就要越注意接地問題。地不僅僅是零電壓電平，它還是電流的返回路徑，電子在通過晶體管和無源元件完成實(shí)際任務(wù)后在地那里被吸收。

完美的接地一點(diǎn)都不會影響電路行為，不完美的接地則是另一回事。在包含細(xì)導(dǎo)線、不良焊點(diǎn)或芯片上很少的接地引腳的返回路徑中添加一點(diǎn)電阻，就會產(chǎn)生“地線反彈”現(xiàn)象并顯示為電壓尖峰。在芯片封裝的引線上引入一點(diǎn)雜散電感，較高頻率處的電源噪聲就會加劇。

更高的ADC分辨率將步進(jìn)值壓縮到毫伏范圍，從而使模擬輸入端的噪聲和尖峰成為問題。來自輸入噪聲的比特誤差就來源于ADC內(nèi)部的誤差源。

成熟設(shè)計(jì)可以提供很多幫助

那么，使用ADC時應(yīng)該如何接地？好消息是，制造商可以獲得精心設(shè)計(jì)的、采取了提高接地質(zhì)量措施的電路板和傳感器。

帶有微控制器或SoC的電路板通常都有一個接地層。整個地是在一個幾乎實(shí)心的、具有很厚銅箔的PCB層上，有的大型多層板中地層數(shù)量還不止一層。需要接地的引腳靠近地層布置，這樣從電路板的一側(cè)到另一側(cè)的電阻就會很低。用電容旁路電源引腳可以抵消雜散電感并消除電源噪聲。

更智能的傳感器則集成了微控制器和ADC。在這種應(yīng)用場合，信號以模擬形式傳播的距離越短，噪聲干擾它們的機(jī)會就越少。制造商還可以獲取用I2C或SPI接口傳輸數(shù)據(jù)的許多傳感器，這些數(shù)字化了的接口非常管用。

使用現(xiàn)成模塊的問題是未接地的信號島。讓我們看一個帶有一塊薄邊板、一個數(shù)字傳感器分線和一個模擬傳感器分線的示例。

星形接地和使用雙絞線信號

那些未接地的信號孤島可以使一切變得不同。這里有兩個相關(guān)的原則應(yīng)該用來指導(dǎo)連接。

接地形狀應(yīng)該是星形的，而不是菊花鏈形的，一直回到進(jìn)行電源轉(zhuǎn)換的模塊。

模擬信號線的長度應(yīng)該與地到模塊的距離大致相同。

將模擬傳感器分線放置在最靠近薄板接地引腳和模擬輸入端的位置會很管用。使用可堆疊的模塊，如FeatherWing Proto，也有助于保持信號與分線之間的距離較短。

雖然板載ADC通道很方便，但它們可能只使用一個模擬輸入引腳，并依靠數(shù)字地作為模擬地。隨著采樣率的增加，以及模擬信號路徑長度變得超過幾厘米，模擬信號可能需要更多的噪聲保護(hù)。下面指導(dǎo)大家在這種情況下該怎么做。

使用幾匝模擬線和地線在ADC輸入端創(chuàng)建一對雙絞線。

引入具有差分輸入的ADC，使模擬傳感器信號的返回不接地，呈懸浮狀態(tài)。

雙絞線和差分方法依賴于相同的概念。疊加在緊耦合的一對線上的噪聲在兩根線上是相同的，在采樣時會被抵消掉。為獲得差分信號的最佳性能，可以使用預(yù)絞線和屏蔽線。專業(yè)提示：使用屏蔽線時，不要將屏蔽線兩端都直接接地；一端直接接地，另一端通過電容再接地。

圖2：針對沒有焊接的面包板、可堆疊模擬傳感器分線和帶I2C接口的可堆疊ADC的簡化布局示例。

獲得更好的ADC結(jié)果

有關(guān)接地回路的文章有很多。接地環(huán)路可能會帶來令人望而生畏的問題，但它們主要出現(xiàn)在復(fù)雜的電路板和系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。在將多個模塊與幾個模擬傳感器結(jié)合在一起的數(shù)字優(yōu)先制造商項(xiàng)目中，稍微關(guān)注一下接地問題就能消除環(huán)路的機(jī)會并解決大多數(shù)問題。

遵循這些原則，有助于圍繞ADC創(chuàng)建更好的設(shè)計(jì)，并獲得算法可以依賴的良好結(jié)果。

編輯：黃飛

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