摘 要：电子线路中高性能A/D转换器的外围电路设计难度大，精度难以保证，为了充分发挥高速高精度A/D转换器的性能，分析A/D噪声来源的多输入特性，针对地线、供电电源、参考电源、模拟输入、控制信号、数据总线设计6个方面可能存在的问题进行讨论，依据工程设计经验，提出切实可行的解决方法，这些方法对工程设计人员具有重要参考价值。
关键词：A/D转换器；地平面；噪声；模拟信号；参考信号
中图分类号：TP344 文献标识码：A 文章编号：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转换器作为模拟信号和数字信号的桥梁在信号处理系统中的作用是不言而喻，一个高性能的数字系统不但要求有好的算法，同时也要求高质量的输入信号，现代数字系统对A/D的转换精度和转换速度都有较高的要求。目前半导体厂家的A/D产品已经能够满足设计的要求，昂贵的价格也在逐年下降，高速高精度A/D正在逐步进入通用设计。
采用高性能的A/D转换器件并不意味着就有高质量的转换结果，与A/D器件指标同等重要的还有A/D外围电路的设计［1］。由于高速高精度A/D在各个方面有着苛刻的要求，为保证其性能，设计就显得尤为重要，本文对高性能A/D应用中的常见问题进行了分析，对这些问题提出了应对方法并总结了一些设计经验，在高性能A/D转换器的应用方面做了一些探讨。
1 A/D转换器的多输入特性
模拟信号输入端是被测信号进入A/D的通道，由于它是A/D的源端信号，而且普遍认为干扰信号是通过输入端子传播的，所以设计人员在此往往花费了大量精力，试图从这里解决A/D精度降低的问题，但事实表明，单纯解决好这一点似乎并不能达到预期结果，设计人员习惯性认为模拟输入信号是重点，简单地以为干扰信号只能通过输入端子进入芯片，这些观点是片面的。事实上A/D转换器除了模拟信号输入端之外，还有很多输入端子，而且这些端子都有可能导致转换结果出现偏差，比如地线、电源供电端、参考电源端，它们都是事实上的信号输入端，设计中应当防止噪声从这些端子进入芯片内部［2］。A/D转换器除了输入端之外还有大量的输出端子，在设计中它们往往被忽视。如果当所有输入端子处理得当后A/D转换精度仍然不够，这时就应该检查输出端子的外围电路是否合理，因为干扰信号完全可能从这些所谓的输出端子耦合进入A/D转换器内部。接地方式、供电电源、参考电源、模拟信号驱动电路、A/D转换器时钟信号、A/D读控制信号、片选信号以及数据输出总线中的任何一个处理不当都会降低A/D的性能，所以全面设计是保证A/D转换器高速转换性能的第一步。
2 地线设计
在电子线路的设计中，地线的重要性不言而喻，地线在电路中的作用就像地基于高楼的作用，地线处理不好，无论A/D的性能多高都不会达到理想效果，电子线路期望稳定而无杂波的地线［3］。采用地平面是解决这个问题的最好方法，用整块的铜箔做地线，这在多层电路板中比较容易实现，但在双面板中存在一定难度。不管哪种电路板，通行原则是使A/D的各个地线端之间、模拟信号驱动端和其地线端之间、不同供电电源和其地线端之间的连接阻抗尽可能小。分离数字电路和模拟电路是电子线路设计的常用方法，为此模拟和数字地平面应当割裂开来［4］。对于多层电路板，可以将模拟和数字地平面分配在不同的层上；对于双面板，可以将数字地平面和模拟地平面分离成独立的两个地平面，任何有可能产生噪声的电路原则上放置在数字地线平面，与A/D转换器相连的所有地线、旁路电容、以及A/D转换器的数字地线端都连接到模拟地平面，最后通过单点法将模拟地平面和数字地平面连接起来。
A/D转换器一般用2个电源供电，即芯片的DVCC和AVCC端子，前者是芯片的数字部分供电端，后者是模拟部分供电端，当芯片工作时数字信号的电流会流经模拟系统，这时应该注意让数字部分电流流经模拟地平面的路径最短。在单片A/D转换器的系统中，这一点容易做到，只需将这个连接点放在A/D转换器的数字地端即可，即用DGND作为数字地平面和模拟地平面地连接节点。但在多个A/D转换器的系统中，坚持这个原则意味着数字地平面和模拟地平面具有多个连接点，这就违背了数字地平面和模拟地平面单点连接的原则。正确的解决方法是先将所有芯片的数字地端连接到数字地平面，所有的模拟地端连接到模拟地平面，再选择一个合适的地方作为数字地平面和模拟地平面的连接点，如可选择供电电源的地线点作为这个连接点，无论什么情况，数字地平面和模拟地平面只能有一个连接点是必须遵循的原则，此外还需要做到数字电路的电流流经模拟地平面的路径尽可能短。
3 供电电源和参考输入
稳定而无杂波的供电环境是A/D可靠工作的保障，这要求供给A/D的电源质量要高［5］，包括DVCC和AVCC两个供电电源，此外还要在临近A/D的地方设计滤波电路，目的是让电源的交流成份以尽可能短的路径返回，旁路电容是常用的滤波电路，交流成份从电源供电端出来，经过旁路电容，最后通过地平面返回。
旁路电容通常安放在靠近A/D转换器的地方，在布线时让旁路电容尽可能地靠近A/D供电端。为了有效地发挥旁路电容的作用，应尽可能减小A/D转换器和旁路电容之间的连接阻抗，电容的等效串联阻抗也要求尽可能小，通常用10 μF的钽贴片并联0.1 μF瓷片电容来作滤波电路，如果10 μF电容的等效串联阻抗较小，可以去掉0.1 μF瓷片电容。为了达到良好的效果，旁路电容焊接引线长度以及旁路电容距A/D转换器的引线要尽可能短，尽可能粗［6］。A/D转换器的模拟参考端为A/D转换器提供基准，为了获得可靠的转换结果，必须让模拟参考端远离噪声。当A/D转换器开始转换后，A/D内部从参考端取电提供给转换电路，这就导致输入参考电压的抖动，所以在参考端安装旁路电容是很重要的。和电源旁路设计一样，用钽贴片电容和瓷片贴片电容的组合就能达到良好的效果。设计中按A/D转换速率选择电容的大小，布线时应使旁路电容尽可能靠近模拟参考输入端，而且让流经的电流回路阻抗尽可能小。
4 模拟信号输入
一个高性能的A/D转换器必须选用与之配套的运放来驱动其模拟信号输入端。通常电流反馈型运放的直流精度较低，不如电压反馈型好，然而它在避免失真和驱动能力上性能较好，适合高速交流信号采样的场合。电压型反馈运放有较高的精度，适合直流高精度或有混合信号采样的场合。低速运算放大器在抗噪和精度方面较好，但不适合高速采样［7，8］。
很多新型A/D转换器的采样频率比较高，这种转换器特别适合捕捉高频输入信号，但当这类A/D转换器用分时方式采集多通道低速信号时，就有可能捕捉到全带宽范围类的输入信号，其中包括耦合到输入端的噪声信号。为了消除噪声影响，应当在A/D转换器模拟量输入端加装滤波器滤除掉宽带噪声，只让期望的信号通过。
绝大多数A/D芯片都集成有采样保持电路。实际测量发现，在每次采样期间模拟信号输入端都会出现很小的瞬态电流波动，发生该现象的原因是由于在采样时刻A/D芯片内采样电容被切换到输入模拟信号，采样电容充放电的冲击造成了瞬态电流的波动。如果输入模拟信号的驱动能力远远大于A/D采样电容充放电对信号的冲击，这个问题就可以解决，具体实施有2个办法，第一：选择快速强输出放大器来驱动A/D转换器，这要求A/D的高频特性和驱动能力要好；第二：在A/D的模拟信号输入端加装一个RC滤波电路，要求滤波电路的电容大于采样电容的容值。具体做法如图1示，在A/D的模拟量输入端对模拟地并联一个电容，在模拟信号驱动端和A/D之间的连线上串连一个较小的电阻，依据被测模拟信号的带宽选择恰当的参数可以有效地减小采样时的瞬态电流波动。注意电容和电阻值不能太大，否则会严重影响被测信号的高频部分。
5 控制信号
A/D转换器的控制信号间接影响转换结果，与供电端、模拟信号输入端、参考端相比控制端信号的影响容易被忽视，但对于高性能转换器来说，差距就在细微之处。控制信号包括A/D转换启动端、读取控制端、片选端和转换忙指示端。
A/D转换器的工作是分阶段进行，启动端接收到有效启动信号后，内部采样电路工作，采样完成后进行转换，转换完毕后发出转换完成信号。对于高精度A/D，在采样和转换期间最为敏感，采样信号存储在采样电容上，在此期间没有任何驱动源驱动采样电容，很小的干扰都会导致采样电容上电荷的变化，这期间进入A/D的扰动往往是精度下降的一个重要因素。
分析可知当启动转换后，模拟信号的输入通道被采样电路切断，与外界相连的有供电电源端、参考端，剩下的就是这些控制信号，所以在A/D启动后切忌改变外部的控制信号。即使设计原理避免了A/D转换期间控制信号的改变，但事实上存在一些潜在改变的因素，比如振铃波问题，如图2所示。当高速信号在非均匀导线上传输时，在介质改变的地方就会发生反射，在电子线路中，反射发生在芯片与PCB导线相连的地方，反复反射的结果就产生了振铃波。假如上升沿启动A/D转换，A/D芯片在见到上升沿后开始采样并启动转换，这时紧随上升沿的振铃波就会从启动端进入A/D内部，导致转换精度下降。解决方法是对启动控制信号线做阻抗匹配处理，让振铃波尽快衰减下来［911］。
与启动端的处理相同，读取控制端、片选端和转换忙指示端在A/D转换期间信号不应产生变化，如有可能最好都做阻抗匹配处理。
两次转换之间间隔时间是影响转换结果的另外一个因素。应用中定时采样居多，如果转换间隔不稳定，意味着用一个周期变换信号控制A/D转换器，相应模拟输入信号采样点也是不等间隔的，采样得到的值并不是我们预期采样值。在这种情况下，输入模拟信号的频率越高、幅值越大，转换间隔失调造成的测量误差就越大。为了避免这种情况出现，启动转换电路应选择驱动能力强、漂移小的元件。
6 数据总线输出
通常认为，A/D的数据输出线没有关注的必要性，事实上噪声的耦合并不因为线路是输出类型而停止。A/D的数据输出线通常挂接在处理器的总线上，而总线上的传输信号相对复杂，对处于转换中的A/D来说是一个噪声源。如果数据总线的信号质量较高就没有处理的必要，如果信号质量较低或在A/D转换器件总线操作频繁，建议进行阻抗匹配设计或附加一级缓冲器解决。
7 结 语
以上几点是在进行高性能A/D设计时遇到问题的分析和总结，文中参照多方资料提出的一些切实可行的解决方法，经过实践验证，基本上能够解决高速高精度A/D设计中的一些常见问题。在实际的应用时，不同的场合有些问题反映的较为突出，有些问题相对次要，需要权衡电路的成本和性能再做决定，同时建议设计人员足够重视A/D生产厂家提供的技术资料。
参 考 文 献
［1］白同云．电磁兼容性设计要点\．安全与电磁兼容,2000（２）:2528.
［2］王曙光．提高ADC分辨率的电路设计\.机床与液压,2007,35（7）:201202.
［3］杨存祥，王平．微控制器电磁兼容性设计\.电测与仪表,2000,37（7）:3436.
［4］张若岚．电路系统中的噪声问题研究\.电讯技术,2001（2）:6366.
［5］高光天．ADI 产品技术指南［M］．北京：科学出版社，1997.
［6］Brad Brannon．DNL and Some of its Effects on Converter Performance．Analog Devices Inc．2001（6）.
［7］Stephen Lee．Optimizing Analog Front-Ends for Data Acquisition．Analog Devices Inc．2007（3）.
［8］方志坚，余绍斌，朱跃生．电磁兼容设计中电容的应用［J］.电子质量,2007（9）:7981.
［9］吴本炎．电子电路的电磁兼容性［M］．北京:人民邮电出版社,1982.
［10］孟晓玲，郭陈江．电子设备的电磁兼容设计［J］．航空兵器,2005（4）:2931,36.
［11］岳春华，尹征琦．高速PCB电磁兼容的研究\.电子质量,2007（8）:9294.
作者简介 胡智宏 1974年出生，讲师， 硕士。主要研究方向为电子信息及嵌入式系统应用。
推荐访问： 高性能 转换器 研究
