高性能/多通道ADC在数据采集系统(DAS)中的应用

• 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。


图11. 基于8通道MAX11046的DAS系统电路板布局的第4层，电源平面分区。


图12. 独立的地层，第5层，数字信号和模拟信号分别在两侧布线。

测试结果

图13、图14和图15提供了基于MAX11046多芯片、多通道、同时采样DAS工业原型机的一些测试结果。精密的2.048V直流基准(由MAX6126电压基准提供)作用在DAS的MAX11046输入端。ADC输出转换结果的范围为±32768。图13是对用户提供的一个PCB原型进行测试的结果，该设计违反了电源布局和输入信号完整性的布板原则。测试数据和直方图显示：噪声/干扰使DAS的有效位降至大约11.5。由于直方图测试模板不稳定，也反映了测量的不可预期性。


图13. 对用户的PCB布板不合理的DAS进行测试得到的输出直方图

图14是对用户的PCB布局进行改进后的测试结果，采取了本文介绍的电源/地布局规则和保持输入信号完整性的处理方案。从测试结果和直方图可以看出显著的性能改善，DAS系统的有效位达到约13.5。在此测试期间，直方图模板变得具有可重复性，反映了测量的稳定性得到了改善。


图14. 对用户的PCB进行改进后测试得到的DAS输出直方图，改善了原电路板的电源/地布局，并采取了保持信号完整性的措施。

图15是在相同测试条件下，在同一实验室对Maxim DAS的测试结果。测试结果和直方图显示，DAS的有效位达到大约14。该测试中，直方图模板具有非常好的可重复性，反映了测试的稳定性和Maxim布板、设计配置的优势。


图15. Maxim DAS的输出直方图

结论

MAX1308、MAX1320、MAX11046等高性能、多通道、同时采样ADC在新型DAS中尤其有用，能够达到或超出“智能”电网监控系统的要求(参见应用笔记4281：Advanced Power-Line Monitoring Requires a High-Performance, Simultaneous-Sampling ADC)或三相电机控制系统的要求。

为了达到DAS设计指标以及这些ADC数据资料发布的指标，需要遵循严格的设计原则。这些设计考虑包括：LPF滤波器、低噪声缓冲器和基准选择、元件布局、PCB布局以及电源噪声/纹波的滤波。注意了这些设计原则，即可获得新一代高性能ADC的优异结果。