ADC接地至关重要

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使用模数转换器(ADC)时我们最需要关注什么?将传感器输出端连接到ADC的输入端然后直接开始读数,对吧?毕竟,数字信号具有很强的噪声抑制能力,电平之间的转换很稳固,并且有足够的内置余量。模拟信号则更容易受到噪声的影响。

ADC周围有太多噪声肯定会影响到结果。大多数模拟噪声问题都可以追溯到一个主题:缺乏对接地的关注。对于制造商来说,了解有关接地的基本原理会让ADC发挥更大的作用。

接地真的像看起来那么简单吗?

低速和中速数字设计的简易性让接地看起来很简单。在没有焊接的插入式面包板上,有沿相对两条边——电源和地——向下延伸的电源轨。电源连接到电源轨上的红色引脚或电池上的红色引线,地连接到黑色引脚或引线。元件上的电源和接地引脚连接到附近的电源轨并加电后,很多人就认为万事大吉了!实际上接地的细节被许多设计所忽视。

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图1:位于没有焊接的插入式面包板边沿的电源轨。来源:BusBoard Prototype Systems

数字信号切换得越快,模拟分辨率越精细,人们就要越注意接地问题。地不仅仅是零电压电平,它还是电流的返回路径,电子在通过晶体管和无源元件完成实际任务后在地那里被吸收。

完美的接地一点都不会影响电路行为,不完美的接地则是另一回事。在包含细导线、不良焊点或芯片上很少的接地引脚的返回路径中添加一点电阻,就会产生“地线反弹”现象并显示为电压尖峰。在芯片封装的引线上引入一点杂散电感,较高频率处的电源噪声就会加剧。

更高的ADC分辨率将步进值压缩到毫伏范围,从而使模拟输入端的噪声和尖峰成为问题。来自输入噪声的比特误差就来源于ADC内部的误差源。

成熟设计可以提供很多帮助

那么,使用ADC时应该如何接地?好消息是,制造商可以获得精心设计的、采取了提高接地质量措施的电路板和传感器。

带有微控制器或SoC的电路板通常都有一个接地层。整个地是在一个几乎实心的、具有很厚铜箔的PCB层上,有的大型多层板中地层数量还不止一层。需要接地的引脚靠近地层布置,这样从电路板的一侧到另一侧的电阻就会很低。用电容旁路电源引脚可以抵消杂散电感并消除电源噪声。

更智能的传感器则集成了微控制器和ADC。在这种应用场合,信号以模拟形式传播的距离越短,噪声干扰它们的机会就越少。制造商还可以获取用I2C或SPI接口传输数据的许多传感器,这些数字化了的接口非常管用。

使用现成模块的问题是未接地的信号岛。让我们看一个带有一块薄边板、一个数字传感器分线和一个模拟传感器分线的示例。

星形接地使用双绞线信号

那些未接地的信号孤岛可以使一切变得不同。这里有两个相关的原则应该用来指导连接。

接地形状应该是星形的,而不是菊花链形的,一直回到进行电源转换的模块。

模拟信号线的长度应该与地到模块的距离大致相同。

将模拟传感器分线放置在最靠近薄板接地引脚和模拟输入端的位置会很管用。使用可堆叠的模块,如FeatherWing Proto,也有助于保持信号与分线之间的距离较短。

虽然板载ADC通道很方便,但它们可能只使用一个模拟输入引脚,并依靠数字地作为模拟地。随着采样率的增加,以及模拟信号路径长度变得超过几厘米,模拟信号可能需要更多的噪声保护。下面指导大家在这种情况下该怎么做。

使用几匝模拟线和地线在ADC输入端创建一对双绞线。

引入具有差分输入的ADC,使模拟传感器信号的返回不接地,呈悬浮状态。

双绞线和差分方法依赖于相同的概念。叠加在紧耦合的一对线上的噪声在两根线上是相同的,在采样时会被抵消掉。为获得差分信号的最佳性能,可以使用预绞线和屏蔽线。专业提示:使用屏蔽线时,不要将屏蔽线两端都直接接地;一端直接接地,另一端通过电容再接地。

图2:针对没有焊接的面包板、可堆叠模拟传感器分线和带I2C接口的可堆叠ADC的简化布局示例。

获得更好的ADC结果

有关接地回路的文章有很多。接地环路可能会带来令人望而生畏的问题,但它们主要出现在复杂的电路板和系统设计中。在将多个模块与几个模拟传感器结合在一起的数字优先制造商项目中,稍微关注一下接地问题就能消除环路的机会并解决大多数问题。

遵循这些原则,有助于围绕ADC创建更好的设计,并获得算法可以依赖的良好结果。

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