摘 要：電子線路中高性能A/D轉(zhuǎn)換器的外圍電路設(shè)計(jì)難度大，精度難以保證，為了充分發(fā)揮高速高精度A/D轉(zhuǎn)換器的性能，分析A/D噪聲來源的多輸入特性，針對(duì)地線、供電電源、參考電源、模擬輸入、控制信號(hào)、數(shù)據(jù)總線設(shè)計(jì)6個(gè)方面可能存在的問題進(jìn)行討論，依據(jù)工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，提出切實(shí)可行的解決方法，這些方法對(duì)工程設(shè)計(jì)人員具有重要參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：A/D轉(zhuǎn)換器；地平面；噪聲；模擬信號(hào)；參考信號(hào)

中圖分類號(hào)：TP344 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004373X(2008)1602503

Study on the Application of High Performance A/D Converter

HU Zhihong，JIANG Yong

(College of Electronic Information Engineering，Zhengzhou University of Light Industry，Zhengzhou，450002，China)

Abstract：The design of peripheral circuits for high performance A/D converter is difficult and its precision property is reduced in electronic circuit，in order to fully take the high performance A/D converter，the multiinput properties of interference source in A/D converter is analyzed.According to design experience，some practicable measures are proposed to solve the actual problem during its application in this paper，such as the ground design，the power supply，the analog input，the control signal，the data output，and so on.These measures have certain preference value to designers

Keywords：A/D converter;ground planes;noise;analog signal;reference signal

A/D轉(zhuǎn)換器作為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的橋梁在信號(hào)處理系統(tǒng)中的作用是不言而喻，一個(gè)高性能的數(shù)字系統(tǒng)不但要求有好的算法，同時(shí)也要求高質(zhì)量的輸入信號(hào)，現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)對(duì)A/D的轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度都有較高的要求。目前半導(dǎo)體廠家的A/D產(chǎn)品已經(jīng)能夠滿足設(shè)計(jì)的要求，昂貴的價(jià)格也在逐年下降，高速高精度A/D正在逐步進(jìn)入通用設(shè)計(jì)。

采用高性能的A/D轉(zhuǎn)換器件并不意味著就有高質(zhì)量的轉(zhuǎn)換結(jié)果，與A/D器件指標(biāo)同等重要的還有A/D外圍電路的設(shè)計(jì)^［1］。由于高速高精度A/D在各個(gè)方面有著苛刻的要求，為保證其性能，設(shè)計(jì)就顯得尤為重要，本文對(duì)高性能A/D應(yīng)用中的常見問題進(jìn)行了分析，對(duì)這些問題提出了應(yīng)對(duì)方法并總結(jié)了一些設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在高性能A/D轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用方面做了一些探討。

1 A/D轉(zhuǎn)換器的多輸入特性

模擬信號(hào)輸入端是被測信號(hào)進(jìn)入A/D的通道，由于它是A/D的源端信號(hào)，而且普遍認(rèn)為干擾信號(hào)是通過輸入端子傳播的，所以設(shè)計(jì)人員在此往往花費(fèi)了大量精力，試圖從這里解決A/D精度降低的問題，但事實(shí)表明，單純解決好這一點(diǎn)似乎并不能達(dá)到預(yù)期結(jié)果，設(shè)計(jì)人員習(xí)慣性認(rèn)為模擬輸入信號(hào)是重點(diǎn)，簡單地以為干擾信號(hào)只能通過輸入端子進(jìn)入芯片，這些觀點(diǎn)是片面的。事實(shí)上A/D轉(zhuǎn)換器除了模擬信號(hào)輸入端之外，還有很多輸入端子，而且這些端子都有可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)換結(jié)果出現(xiàn)偏差，比如地線、電源供電端、參考電源端，它們都是事實(shí)上的信號(hào)輸入端，設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)防止噪聲從這些端子進(jìn)入芯片內(nèi)部^［2］。A/D轉(zhuǎn)換器除了輸入端之外還有大量的輸出端子，在設(shè)計(jì)中它們往往被忽視。如果當(dāng)所有輸入端子處理得當(dāng)后A/D轉(zhuǎn)換精度仍然不夠，這時(shí)就應(yīng)該檢查輸出端子的外圍電路是否合理，因?yàn)楦蓴_信號(hào)完全可能從這些所謂的輸出端子耦合進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部。接地方式、供電電源、參考電源、模擬信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路、A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)鐘信號(hào)、A/D讀控制信號(hào)、片選信號(hào)以及數(shù)據(jù)輸出總線中的任何一個(gè)處理不當(dāng)都會(huì)降低A/D的性能，所以全面設(shè)計(jì)是保證A/D轉(zhuǎn)換器高速轉(zhuǎn)換性能的第一步。

2 地線設(shè)計(jì)

在電子線路的設(shè)計(jì)中，地線的重要性不言而喻，地線在電路中的作用就像地基于高樓的作用，地線處理不好，無論A/D的性能多高都不會(huì)達(dá)到理想效果，電子線路期望穩(wěn)定而無雜波的地線^［3］。采用地平面是解決這個(gè)問題的最好方法，用整塊的銅箔做地線，這在多層電路板中比較容易實(shí)現(xiàn)，但在雙面板中存在一定難度。不管哪種電路板，通行原則是使A/D的各個(gè)地線端之間、模擬信號(hào)驅(qū)動(dòng)端和其地線端之間、不同供電電源和其地線端之間的連接阻抗盡可能小。分離數(shù)字電路和模擬電路是電子線路設(shè)計(jì)的常用方法，為此模擬和數(shù)字地平面應(yīng)當(dāng)割裂開來^［4］。對(duì)于多層電路板，可以將模擬和數(shù)字地平面分配在不同的層上；對(duì)于雙面板，可以將數(shù)字地平面和模擬地平面分離成獨(dú)立的兩個(gè)地平面，任何有可能產(chǎn)生噪聲的電路原則上放置在數(shù)字地線平面，與A/D轉(zhuǎn)換器相連的所有地線、旁路電容、以及A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)字地線端都連接到模擬地平面，最后通過單點(diǎn)法將模擬地平面和數(shù)字地平面連接起來。

A/D轉(zhuǎn)換器一般用2個(gè)電源供電，即芯片的DVCC和AVCC端子，前者是芯片的數(shù)字部分供電端，后者是模擬部分供電端，當(dāng)芯片工作時(shí)數(shù)字信號(hào)的電流會(huì)流經(jīng)模擬系統(tǒng)，這時(shí)應(yīng)該注意讓數(shù)字部分電流流經(jīng)模擬地平面的路徑最短。在單片A/D轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)中，這一點(diǎn)容易做到，只需將這個(gè)連接點(diǎn)放在A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)字地端即可，即用DGND作為數(shù)字地平面和模擬地平面地連接節(jié)點(diǎn)。但在多個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)中，堅(jiān)持這個(gè)原則意味著數(shù)字地平面和模擬地平面具有多個(gè)連接點(diǎn)，這就違背了數(shù)字地平面和模擬地平面單點(diǎn)連接的原則。正確的解決方法是先將所有芯片的數(shù)字地端連接到數(shù)字地平面，所有的模擬地端連接到模擬地平面，再選擇一個(gè)合適的地方作為數(shù)字地平面和模擬地平面的連接點(diǎn)，如可選擇供電電源的地線點(diǎn)作為這個(gè)連接點(diǎn)，無論什么情況，數(shù)字地平面和模擬地平面只能有一個(gè)連接點(diǎn)是必須遵循的原則，此外還需要做到數(shù)字電路的電流流經(jīng)模擬地平面的路徑盡可能短。

3 供電電源和參考輸入

穩(wěn)定而無雜波的供電環(huán)境是A/D可靠工作的保障，這要求供給A/D的電源質(zhì)量要高^［5］，包括DVCC和AVCC兩個(gè)供電電源，此外還要在臨近A/D的地方設(shè)計(jì)濾波電路，目的是讓電源的交流成份以盡可能短的路徑返回，旁路電容是常用的濾波電路，交流成份從電源供電端出來，經(jīng)過旁路電容，最后通過地平面返回。

旁路電容通常安放在靠近A/D轉(zhuǎn)換器的地方，在布線時(shí)讓旁路電容盡可能地靠近A/D供電端。為了有效地發(fā)揮旁路電容的作用，應(yīng)盡可能減小A/D轉(zhuǎn)換器和旁路電容之間的連接阻抗，電容的等效串聯(lián)阻抗也要求盡可能小，通常用10 μF的鉭貼片并聯(lián)0.1 μF瓷片電容來作濾波電路，如果10 μF電容的等效串聯(lián)阻抗較小，可以去掉0.1 μF瓷片電容。為了達(dá)到良好的效果，旁路電容焊接引線長度以及旁路電容距A/D轉(zhuǎn)換器的引線要盡可能短，盡可能粗^［6］。A/D轉(zhuǎn)換器的模擬參考端為A/D轉(zhuǎn)換器提供基準(zhǔn)，為了獲得可靠的轉(zhuǎn)換結(jié)果，必須讓模擬參考端遠(yuǎn)離噪聲。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換器開始轉(zhuǎn)換后，A/D內(nèi)部從參考端取電提供給轉(zhuǎn)換電路，這就導(dǎo)致輸入?yún)⒖茧妷旱亩秳?dòng)，所以在參考端安裝旁路電容是很重要的。和電源旁路設(shè)計(jì)一樣，用鉭貼片電容和瓷片貼片電容的組合就能達(dá)到良好的效果。設(shè)計(jì)中按A/D轉(zhuǎn)換速率選擇電容的大小，布線時(shí)應(yīng)使旁路電容盡可能靠近模擬參考輸入端，而且讓流經(jīng)的電流回路阻抗盡可能小。

4 模擬信號(hào)輸入

一個(gè)高性能的A/D轉(zhuǎn)換器必須選用與之配套的運(yùn)放來驅(qū)動(dòng)其模擬信號(hào)輸入端。通常電流反饋型運(yùn)放的直流精度較低，不如電壓反饋型好，然而它在避免失真和驅(qū)動(dòng)能力上性能較好，適合高速交流信號(hào)采樣的場合。電壓型反饋運(yùn)放有較高的精度，適合直流高精度或有混合信號(hào)采樣的場合。低速運(yùn)算放大器在抗噪和精度方面較好，但不適合高速采樣^［7，8］。

很多新型A/D轉(zhuǎn)換器的采樣頻率比較高，這種轉(zhuǎn)換器特別適合捕捉高頻輸入信號(hào)，但當(dāng)這類A/D轉(zhuǎn)換器用分時(shí)方式采集多通道低速信號(hào)時(shí)，就有可能捕捉到全帶寬范圍類的輸入信號(hào)，其中包括耦合到輸入端的噪聲信號(hào)。為了消除噪聲影響，應(yīng)當(dāng)在A/D轉(zhuǎn)換器模擬量輸入端加裝濾波器濾除掉寬帶噪聲，只讓期望的信號(hào)通過。

絕大多數(shù)A/D芯片都集成有采樣保持電路。實(shí)際測量發(fā)現(xiàn)，在每次采樣期間模擬信號(hào)輸入端都會(huì)出現(xiàn)很小的瞬態(tài)電流波動(dòng)，發(fā)生該現(xiàn)象的原因是由于在采樣時(shí)刻A/D芯片內(nèi)采樣電容被切換到輸入模擬信號(hào)，采樣電容充放電的沖擊造成了瞬態(tài)電流的波動(dòng)。如果輸入模擬信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于A/D采樣電容充放電對(duì)信號(hào)的沖擊，這個(gè)問題就可以解決，具體實(shí)施有2個(gè)辦法，第一：選擇快速強(qiáng)輸出放大器來驅(qū)動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器，這要求A/D的高頻特性和驅(qū)動(dòng)能力要好；第二：在A/D的模擬信號(hào)輸入端加裝一個(gè)RC濾波電路，要求濾波電路的電容大于采樣電容的容值。具體做法如圖1示，在A/D的模擬量輸入端對(duì)模擬地并聯(lián)一個(gè)電容，在模擬信號(hào)驅(qū)動(dòng)端和A/D之間的連線上串連一個(gè)較小的電阻，依據(jù)被測模擬信號(hào)的帶寬選擇恰當(dāng)?shù)膮?shù)可以有效地減小采樣時(shí)的瞬態(tài)電流波動(dòng)。注意電容和電阻值不能太大，否則會(huì)嚴(yán)重影響被測信號(hào)的高頻部分。

5 控制信號(hào)

A/D轉(zhuǎn)換器的控制信號(hào)間接影響轉(zhuǎn)換結(jié)果，與供電端、模擬信號(hào)輸入端、參考端相比控制端信號(hào)的影響容易被忽視，但對(duì)于高性能轉(zhuǎn)換器來說，差距就在細(xì)微之處?？刂菩盘?hào)包括A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)端、讀取控制端、片選端和轉(zhuǎn)換忙指示端。

A/D轉(zhuǎn)換器的工作是分階段進(jìn)行，啟動(dòng)端接收到有效啟動(dòng)信號(hào)后，內(nèi)部采樣電路工作，采樣完成后進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完畢后發(fā)出轉(zhuǎn)換完成信號(hào)。對(duì)于高精度A/D，在采樣和轉(zhuǎn)換期間最為敏感，采樣信號(hào)存儲(chǔ)在采樣電容上，在此期間沒有任何驅(qū)動(dòng)源驅(qū)動(dòng)采樣電容，很小的干擾都會(huì)導(dǎo)致采樣電容上電荷的變化，這期間進(jìn)入A/D的擾動(dòng)往往是精度下降的一個(gè)重要因素。

分析可知當(dāng)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換后，模擬信號(hào)的輸入通道被采樣電路切斷，與外界相連的有供電電源端、參考端，剩下的就是這些控制信號(hào)，所以在A/D啟動(dòng)后切忌改變外部的控制信號(hào)。即使設(shè)計(jì)原理避免了A/D轉(zhuǎn)換期間控制信號(hào)的改變，但事實(shí)上存在一些潛在改變的因素，比如振鈴波問題，如圖2所示。當(dāng)高速信號(hào)在非均勻?qū)Ь€上傳輸時(shí)，在介質(zhì)改變的地方就會(huì)發(fā)生反射，在電子線路中，反射發(fā)生在芯片與PCB導(dǎo)線相連的地方，反復(fù)反射的結(jié)果就產(chǎn)生了振鈴波。假如上升沿啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，A/D芯片在見到上升沿后開始采樣并啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，這時(shí)緊隨上升沿的振鈴波就會(huì)從啟動(dòng)端進(jìn)入A/D內(nèi)部，導(dǎo)致轉(zhuǎn)換精度下降。解決方法是對(duì)啟動(dòng)控制信號(hào)線做阻抗匹配處理，讓振鈴波盡快衰減下來^［911］。

與啟動(dòng)端的處理相同，讀取控制端、片選端和轉(zhuǎn)換忙指示端在A/D轉(zhuǎn)換期間信號(hào)不應(yīng)產(chǎn)生變化，如有可能最好都做阻抗匹配處理。

兩次轉(zhuǎn)換之間間隔時(shí)間是影響轉(zhuǎn)換結(jié)果的另外一個(gè)因素。應(yīng)用中定時(shí)采樣居多，如果轉(zhuǎn)換間隔不穩(wěn)定，意味著用一個(gè)周期變換信號(hào)控制A/D轉(zhuǎn)換器，相應(yīng)模擬輸入信號(hào)采樣點(diǎn)也是不等間隔的，采樣得到的值并不是我們預(yù)期采樣值。在這種情況下，輸入模擬信號(hào)的頻率越高、幅值越大，轉(zhuǎn)換間隔失調(diào)造成的測量誤差就越大。為了避免這種情況出現(xiàn)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)換電路應(yīng)選擇驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、漂移小的元件。

6 數(shù)據(jù)總線輸出

通常認(rèn)為，A/D的數(shù)據(jù)輸出線沒有關(guān)注的必要性，事實(shí)上噪聲的耦合并不因?yàn)榫€路是輸出類型而停止。A/D的數(shù)據(jù)輸出線通常掛接在處理器的總線上，而總線上的傳輸信號(hào)相對(duì)復(fù)雜，對(duì)處于轉(zhuǎn)換中的A/D來說是一個(gè)噪聲源。如果數(shù)據(jù)總線的信號(hào)質(zhì)量較高就沒有處理的必要，如果信號(hào)質(zhì)量較低或在A/D轉(zhuǎn)換器件總線操作頻繁，建議進(jìn)行阻抗匹配設(shè)計(jì)或附加一級(jí)緩沖器解決。

7 結(jié) 語

以上幾點(diǎn)是在進(jìn)行高性能A/D設(shè)計(jì)時(shí)遇到問題的分析和總結(jié)，文中參照多方資料提出的一些切實(shí)可行的解決方法，經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證，基本上能夠解決高速高精度A/D設(shè)計(jì)中的一些常見問題。在實(shí)際的應(yīng)用時(shí)，不同的場合有些問題反映的較為突出，有些問題相對(duì)次要，需要權(quán)衡電路的成本和性能再做決定，同時(shí)建議設(shè)計(jì)人員足夠重視A/D生產(chǎn)廠家提供的技術(shù)資料。

參 考 文 獻(xiàn)

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作者簡介 胡智宏 1974年出生，講師， 碩士。主要研究方向?yàn)殡娮有畔⒓扒度胧较到y(tǒng)應(yīng)用。