高性能、多通道、同时采样ADC在数据采集系统(DAS)中的设计

传感器连接，例如，CT和PT测量变压器阻抗相对较低(10Ω至50Ω)，因此，可以直接通过简单的低通滤波器连接到MAX11046输入级。

　　表5给出了低频应用，如电网监控或电机控制，所要求的最大RSOURCE设计值。

　　表5. 不同CEXTERNAL和FSAMPLE下的RSOURCE设计值

　　CEXTERNAL (pF) FSAMPLE(ksps) 0 100 300 1000 3000 RSOURCE (Ω)

　　1000 1.0E+06 3.3E+05 1.4E+05 4.7E+04 1.6E+04

　　2500 4.0E+05 1.3E+05 5.7E+04 1.9E+04 6.5E+03

　　5000 2.0E+05 6.6E+04 2.8E+04 9.4E+03 3.2E+03

　　10000 9.7E+04 3.2E+04 1.4E+04 4.6E+03 1.6E+03

　　25000 3.7E+04 1.2E+04 5.3E+03 1.8E+03 6.1E+02

为了保持DAS的精度，选择正确的RSOURCE和CEXTERNAL非常关键。

　　RSOURCE电阻必须为金属膜电阻，精度为1%或更高精度，还应具有较低的温度系数。建议选择一些知名厂商(如Panasonic®、ROHM®或Vishay®)提供的元件。

　　为了达到最佳效果，CEXTERNAL电容应选择陶瓷电容，推荐电介质类型为COG (NPO)。这些电容能够在较宽的温度和电压范围内保持其标称值，Kemet®、AVX®或Samsung®等公司可提供高性价比的SMT器件。

　　ADC基准选择

　　基准的选择对于整个DAS的性能非常重要，并且与ADC的分辨率和精度要求密切相关，如上述表1所示。在整个温度范围内保持合理的温漂和初始精度非常关键。

　　以MAX11046为例，1 LSB ＝ 62.5µV。MAX11046内部基准的温漂为±10ppm/°C。在整个50°C温度范围内，基准漂移可达±500ppm或约±2.048mV (±33 LSB)。

　　在对温漂要求比较严格的应用中，最好使用外部低温漂基准，如MAX6341 (1ppm/°C)。1ppm/°C的电压基准在整个50°C范围内的漂移只有0.2mV (或±3 LSB)。MAX6341基准的初始精度为4.096 ±0.001，远远优于MAX11046的内部基准(4.096 ±0.0016)，大大提高了DAS精度和温度稳定性。

　　使用外部基准时，MAX11046的基准输入电流仅为±10µA。串联型基准(如MAX6341)的输出电流可达10mA，因此，单个基准器件可以为多个高性能ADC提供参考，从而消除了不同器件之间的基准差异。

　　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。