高性能Ａ／Ｄ轉換器的應用研究

摘 要：電子線路中高性能A/D轉換器的外圍電路設計難度大，精度難以保證，為了充分發揮高速高精度A/D轉換器的性能，分析A/D噪聲來源的多輸入特性，針對地線、供電電源、參考電源、模擬輸入、控制信號、數據總線設計6個方面可能存在的問題進行討論，依據工程設計經驗，提出切實可行的解決方法，這些方法對工程設計人員具有重要參考價值。

關鍵詞：A/D轉換器；地平面；噪聲；模擬信號；參考信號

中圖分類號：TP344 文獻標識碼：A 文章編號：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轉換器作為模擬信號和數字信號的橋梁在信號處理系統中的作用是不言而喻，一個高性能的數字系統不但要求有好的算法，同時也要求高質量的輸入信號，現代數字系統對A/D的轉換精度和轉換速度都有較高的要求。目前半導體廠家的A/D產品已經能夠滿足設計的要求，昂貴的價格也在逐年下降，高速高精度A/D正在逐步進入通用設計。

采用高性能的A/D轉換器件并不意味著就有高質量的轉換結果，與A/D器件指標同等重要的還有A/D外圍電路的設計^［1］。由于高速高精度A/D在各個方面有著苛刻的要求，為保證其性能，設計就顯得尤為重要，本文對高性能A/D應用中的常見問題進行了分析，對這些問題提出了應對方法并總結了一些設計經驗，在高性能A/D轉換器的應用方面做了一些探討。

1 A/D轉換器的多輸入特性

模擬信號輸入端是被測信號進入A/D的通道，由于它是A/D的源端信號，而且普遍認為干擾信號是通過輸入端子傳播的，所以設計人員在此往往花費了大量精力，試圖從這里解決A/D精度降低的問題，但事實表明，單純解決好這一點似乎并不能達到預期結果，設計人員習慣性認為模擬輸入信號是重點，簡單地以為干擾信號只能通過輸入端子進入芯片，這些觀點是片面的。事實上A/D轉換器除了模擬信號輸入端之外，還有很多輸入端子，而且這些端子都有可能導致轉換結果出現偏差，比如地線、電源供電端、參考電源端，它們都是事實上的信號輸入端，設計中應當防止噪聲從這些端子進入芯片內部^［2］。A/D轉換器除了輸入端之外還有大量的輸出端子，在設計中它們往往被忽視。如果當所有輸入端子處理得當后A/D轉換精度仍然不夠，這時就應該檢查輸出端子的外圍電路是否合理，因為干擾信號完全可能從這些所謂的輸出端子耦合進入A/D轉換器內部。接地方式、供電電源、參考電源、模擬信號驅動電路、A/D轉換器時鐘信號、A/D讀控制信號、片選信號以及數據輸出總線中的任何一個處理不當都會降低A/D的性能，所以全面設計是保證A/D轉換器高速轉換性能的第一步。

2 地線設計

在電子線路的設計中，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的性能多高都不會達到理想效果，電子線路期望穩定而無雜波的地線^［3］。采用地平面是解決這個問題的最好方法，用整塊的銅箔做地線，這在多層電路板中比較容易實現，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的各個地線端之間、模擬信號驅動端和其地線端之間、不同供電電源和其地線端之間的連接阻抗盡可能小。分離數字電路和模擬電路是電子線路設計的常用方法，為此模擬和數字地平面應當割裂開來^［4］。對于多層電路板，可以將模擬和數字地平面分配在不同的層上；對于雙面板，可以將數字地平面和模擬地平面分離成獨立的兩個地平面，任何有可能產生噪聲的電路原則上放置在數字地線平面，與A/D轉換器相連的所有地線、旁路電容、以及A/D轉換器的數字地線端都連接到模擬地平面，最后通過單點法將模擬地平面和數字地平面連接起來。

A/D轉換器一般用2個電源供電，即芯片的DVCC和AVCC端子，前者是芯片的數字部分供電端，后者是模擬部分供電端，當芯片工作時數字信號的電流會流經模擬系統，這時應該注意讓數字部分電流流經模擬地平面的路徑最短。在單片A/D轉換器的系統中，這一點容易做到，只需將這個連接點放在A/D轉換器的數字地端即可，即用DGND作為數字地平面和模擬地平面地連接節點。但在多個A/D轉換器的系統中，堅持這個原則意味著數字地平面和模擬地平面具有多個連接點，這就違背了數字地平面和模擬地平面單點連接的原則。正確的解決方法是先將所有芯片的數字地端連接到數字地平面，所有的模擬地端連接到模擬地平面，再選擇一個合適的地方作為數字地平面和模擬地平面的連接點，如可選擇供電電源的地線點作為這個連接點，無論什么情況，數字地平面和模擬地平面只能有一個連接點是必須遵循的原則，此外還需要做到數字電路的電流流經模擬地平面的路徑盡可能短。

3 供電電源和參考輸入

穩定而無雜波的供電環境是A/D可靠工作的保障，這要求供給A/D的電源質量要高^［5］，包括DVCC和AVCC兩個供電電源，此外還要在臨近A/D的地方設計濾波電路，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轉換器的地方，在布線時讓旁路電容盡可能地靠近A/D供電端。為了有效地發揮旁路電容的作用，應盡可能減小A/D轉換器和旁路電容之間的連接阻抗，電容的等效串聯阻抗也要求盡可能小，通常用10 μF的鉭貼片并聯0.1 μF瓷片電容來作濾波電路，如果10 μF電容的等效串聯阻抗較小，可以去掉0.1 μF瓷片電容。為了達到良好的效果，旁路電容焊接引線長度以及旁路電容距A/D轉換器的引線要盡可能短，盡可能粗^［6］。A/D轉換器的模擬參考端為A/D轉換器提供基準，為了獲得可靠的轉換結果，必須讓模擬參考端遠離噪聲。當A/D轉換器開始轉換后，A/D內部從參考端取電提供給轉換電路，這就導致輸入參考電壓的抖動，所以在參考端安裝旁路電容是很重要的。和電源旁路設計一樣，用鉭貼片電容和瓷片貼片電容的組合就能達到良好的效果。設計中按A/D轉換速率選擇電容的大小，布線時應使旁路電容盡可能靠近模擬參考輸入端，而且讓流經的電流回路阻抗盡可能小。

4 模擬信號輸入

一個高性能的A/D轉換器必須選用與之配套的運放來驅動其模擬信號輸入端。通常電流反饋型運放的直流精度較低，不如電壓反饋型好，然而它在避免失真和驅動能力上性能較好，適合高速交流信號采樣的場合。電壓型反饋運放有較高的精度，適合直流高精度或有混合信號采樣的場合。低速運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轉換器的采樣頻率比較高，這種轉換器特別適合捕捉高頻輸入信號，但當這類A/D轉換器用分時方式采集多通道低速信號時，就有可能捕捉到全帶寬范圍類的輸入信號，其中包括耦合到輸入端的噪聲信號。為了消除噪聲影響，應當在A/D轉換器模擬量輸入端加裝濾波器濾除掉寬帶噪聲，只讓期望的信號通過。

絕大多數A/D芯片都集成有采樣保持電路。實際測量發現，在每次采樣期間模擬信號輸入端都會出現很小的瞬態電流波動，發生該現象的原因是由于在采樣時刻A/D芯片內采樣電容被切換到輸入模擬信號，采樣電容充放電的沖擊造成了瞬態電流的波動。如果輸入模擬信號的驅動能力遠遠大于A/D采樣電容充放電對信號的沖擊，這個問題就可以解決，具體實施有2個辦法，第一：選擇快速強輸出放大器來驅動A/D轉換器，這要求A/D的高頻特性和驅動能力要好；第二：在A/D的模擬信號輸入端加裝一個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的模擬量輸入端對模擬地并聯一個電容，在模擬信號驅動端和A/D之間的連線上串連一個較小的電阻，依據被測模擬信號的帶寬選擇恰當的參數可以有效地減小采樣時的瞬態電流波動。注意電容和電阻值不能太大，否則會嚴重影響被測信號的高頻部分。

5 控制信號

A/D轉換器的控制信號間接影響轉換結果，與供電端、模擬信號輸入端、參考端相比控制端信號的影響容易被忽視，但對于高性能轉換器來說，差距就在細微之處?？刂菩盘柊ˋ/D轉換啟動端、讀取控制端、片選端和轉換忙指示端。

A/D轉換器的工作是分階段進行，啟動端接收到有效啟動信號后，內部采樣電路工作，采樣完成后進行轉換，轉換完畢后發出轉換完成信號。對于高精度A/D，在采樣和轉換期間最為敏感，采樣信號存儲在采樣電容上，在此期間沒有任何驅動源驅動采樣電容，很小的干擾都會導致采樣電容上電荷的變化，這期間進入A/D的擾動往往是精度下降的一個重要因素。

分析可知當啟動轉換后，模擬信號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，所以在A/D啟動后切忌改變外部的控制信號。即使設計原理避免了A/D轉換期間控制信號的改變，但事實上存在一些潛在改變的因素，比如振鈴波問題，如圖2所示。當高速信號在非均勻導線上傳輸時，在介質改變的地方就會發生反射，在電子線路中，反射發生在芯片與PCB導線相連的地方，反復反射的結果就產生了振鈴波。假如上升沿啟動A/D轉換，A/D芯片在見到上升沿后開始采樣并啟動轉換，這時緊隨上升沿的振鈴波就會從啟動端進入A/D內部，導致轉換精度下降。解決方法是對啟動控制信號線做阻抗匹配處理，讓振鈴波盡快衰減下來^［911］。

與啟動端的處理相同，讀取控制端、片選端和轉換忙指示端在A/D轉換期間信號不應產生變化，如有可能最好都做阻抗匹配處理。

兩次轉換之間間隔時間是影響轉換結果的另外一個因素。應用中定時采樣居多，如果轉換間隔不穩定，意味著用一個周期變換信號控制A/D轉換器，相應模擬輸入信號采樣點也是不等間隔的，采樣得到的值并不是我們預期采樣值。在這種情況下，輸入模擬信號的頻率越高、幅值越大，轉換間隔失調造成的測量誤差就越大。為了避免這種情況出現，啟動轉換電路應選擇驅動能力強、漂移小的元件。

6 數據總線輸出

通常認為，A/D的數據輸出線沒有關注的必要性，事實上噪聲的耦合并不因為線路是輸出類型而停止。A/D的數據輸出線通常掛接在處理器的總線上，而總線上的傳輸信號相對復雜，對處于轉換中的A/D來說是一個噪聲源。如果數據總線的信號質量較高就沒有處理的必要，如果信號質量較低或在A/D轉換器件總線操作頻繁，建議進行阻抗匹配設計或附加一級緩沖器解決。

7 結 語

以上幾點是在進行高性能A/D設計時遇到問題的分析和總結，文中參照多方資料提出的一些切實可行的解決方法，經過實踐驗證，基本上能夠解決高速高精度A/D設計中的一些常見問題。在實際的應用時，不同的場合有些問題反映的較為突出，有些問題相對次要，需要權衡電路的成本和性能再做決定，同時建議設計人員足夠重視A/D生產廠家提供的技術資料。

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作者簡介 胡智宏 1974年出生，講師， 碩士。主要研究方向為電子信息及嵌入式系統應用。