基于AD73360轉換器在級聯場景下應用的關注與思考

石東耀，王蘇南

基于AD73360轉換器在級聯場景下應用的關注與思考

石東耀1，王蘇南2

（1. 中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471009；2. 深圳職業技術學院 電子與通信工程學院，廣東 深圳 518005）

本文以AD73360為例，討論了模數轉換器在級聯使用時容易遇到的共性問題．首先分析了在電路板設計時，對于功能相同性能又各自獨立的電路功能模塊在EDA布線時采用公共回路的地線噪音給系統穩定性帶來的影響；隨后討論了級聯模式下導致串行數據線誤碼問題的可能原因，并提出在EDA布線階段對上述問題的解決方案及建議．

模數轉換器；級聯；電流回路

1 引 言

5G技術的推廣，有效地解決了通信管道這個瓶頸問題．特別在物聯網領域，由于5G-SA組網，可以實現1平方公里接入百萬個傳感器，為多通道信號采集的數據化提供了廣闊空間．出于成本因素的考慮，多通道模數轉換器的級聯使用是硬件方案的較佳選擇．

物聯網的推廣得以實現物與物之間任何時間、地點的互聯，物聯網產業生態可以劃分為硬件、網絡連接、平臺及各個領域的應用服務等環節．其中傳感、模組等硬件是實現物聯網運載功能的主要基石，感知信號的采集、數據化及分析是系統運行物理過程的基礎．

本文以AD73360為例，分析了模數轉換器在級聯使用時遇到的問題．

2 問題的提出

2.1 芯片介紹

AD73360是一款面向工業計量的6通道模擬輸入通用模數轉換器，配有6路獨立工作的16位A/D轉換器，片內自帶基準電壓．串行端口（SPORT)模式作為數據通道實現多個（最多8個）模數轉換器級聯使用．

本文只討論在使用AD73360的級聯模式過程中（圖1）遇到的一些EDA設計時的共性問題，不討論該芯片的個性化特性．

2.2 參考電壓的差異引發的問題

2.2.1 問題分析

2.2.2 故障現象分析

通過對數據采集通道的前置比例器的比例系數進行調整，沒有明顯的改善；通過硬件上對其模擬通道信號線的布線的走向、長短及地線簡單處理也沒有明顯的效果．

圖1 級聯使用的系統框圖

根據芯片AD73360的數據手冊的描述，簡單構建芯片在級聯使用時其參考電壓的電氣連接關系如圖2所示．

首先對芯片自身參考電壓（REFRENCE）輸的出進行建模．從理論上講是：通過電壓控制的電流源配以較小的輸出電阻0來實現參考電壓V的量化輸出．

為了簡化分析，假設系統工作在最簡單的單極電壓模擬量數據采集工作模式．以這種模式建模，其結構簡單且具備代表性．

在這種情況下，個模數轉換器的模擬量輸入通道往往共用一個模擬地平面回路．多層電路板布局模式往往把多層電路板的其中一層規劃出一塊空間作為PCB的局部共地平面布線模式．如果把這個回路的寄生效應（引線的微電感、電容及電阻）集成近似為Z，如圖2所示，芯片各采集端口的參考電壓輸入端口的輸入阻抗假設為R，則R上產生的壓降V，這個值實際上是模數轉換器參考電壓的實際值[1]．

圖2中，1表示“1號芯片”的任意一采集通道的VINP管腳的輸入阻抗，對于AD73360來說，同一芯片的6路相同功能通道的輸入阻抗值的一致性是有保證的．1表示芯片管腳外部連接布線的微帶阻抗．角碼代表第個級聯芯片的任意一路采集輸入通道．

首先用疊加法來分析這個電路，假設不同芯片的采集通道VINP管腳的輸入阻抗是相等的（即：1=2=R），由于級聯的各路是并聯關系，相互間的關聯算法也是相同的．在這里只討論“1號芯片”的V1對其他級聯芯片的任意模擬量采集通道參考電壓的影響．為了簡化分析，在這里可以忽略其他級聯芯片參考電壓源的低阻抗狀態，整個電路可以看作“回路1”（是自身布線阻抗1與輸入阻態1及Z（公共阻抗與其他芯片回路阻抗并聯后的等效阻抗）的串聯電路．等效電路見圖3[2]．

根據電路的基爾霍夫定理，可以建立如下等式：

（2）

圖3 等效電路圖

對于共地阻抗模式的推算，近似于地平面阻抗與其他芯片的模擬回流回路并聯：

可以推導出：

多個回路形成一個分流器，流經其中任意一個回路的電流設定為I，則有：

這個電流在級聯的其他的任意通道的VINP管腳的輸入阻抗R上產生壓降V：

如果考慮到各級聯芯片同時工作，單路VINN管腳參考電壓值（VINNx)所受到的擾動與其他芯片參考電壓輸出之和相關，則有：

通過式（5）可以看出，級聯A/D芯片參考電壓輸入端口的電平擾動量變化的相關因素有如下兩個方面：

● 與其他芯片的參考電壓輸出值（V）有關；

● 與級聯芯片的數量（）相關．

2.2.3 解決方法

通過上面分析，模數轉換器級聯使用時級聯各芯片參考電壓值的偏差是導致采集通道數據漂移的原因之一．本案在EDA設計初期由于級聯各芯片采用了簡單共地模式而形成對“地”的公共回路使得這種擾動有條件產生．

解決方案：在電路板EDA設計階段，PCB布線時級聯各芯片的模擬信號建立獨立的回路系統，各級聯芯片的模擬地信號單點接入PCB板設定的模擬地平面（如果多層板有條件），這樣可以有效抑制各芯片間共地回路產生的串擾．

產品進行裝配前，對級聯模數轉換器進行篩選．盡量保證參考電壓值相同的芯片用于同一產品上，這樣也可有效降低同一系統中片間串擾．本案就是采取這種方法使得采集系統的穩定性得到了很大的提高．具體方法是在電路板焊接裝配前，對模數轉換器AD73360的參考電壓輸出值進行通電測試分類，參考電壓值相同的芯片用到同一塊電路板上．這種方法有效地解決了某產品在批產中遇到的轉換數據不穩定的問題．

2.3 串行口初始化時的誤碼問題分析

系統啟動之初DSP要對模數轉換器進行控制字寫入，以設置A/D芯片的工作模式．所以系統上電后模數轉換器的默認數據傳輸模式要有較寬泛的兼容性，以適應不同主頻的控制器．兼容性越強，相應付出的代價就是犧牲系統的穩定性．

在實際應用中，就發生過DSP對模數轉換器初始化失敗的案例．

2.3.1 問題分析

模數轉換器在級聯使用時與主機的通訊一般采用串行口的方式．為了兼容不同主頻的數據處理器，在上電或重啟后芯片默認的串行口傳輸波特率都是比較低的，而且要兼顧最多級聯芯片的個數，所以默認的寫入允許信號有效時間比較長．

以AD73360為例：當芯片的工作主頻為16.384MHz時，系統上電啟動時或Reset信號后，芯片默認的串行數據傳輸時鐘SCLK為A/D芯片工作主頻的八分頻，即：

假設N個模式裝換器級聯使用，上電后DSP對AD芯片片選信號的有效時間為：

該脈寬最長可達256 μs，長時間的等待使得數據口誤讀到“地彈”或其他噪音的概率大大增加（圖4）．

圖4 系統上電初始化的控制字寫入模式

本案在調試初期就發生初始化失敗的現象，并在邏輯分析儀上捕捉到導致初始化失敗的脈沖噪音信號．

系統對模數轉換器初始化設置成功后，有了固定的讀寫頻率和嚴謹的時序邏輯，誤碼讀入的概率也相應會降低．

2.3.2 解決方案

通過上述分析，導致初始化失敗的可能是如下多種原因的集成：

● 芯片上電默認的讀寫模式過于寬泛，導致誤讀噪音的概率增加．

● EDA布線不理想，地線噪音環境污染數據傳輸線．

● EDA階段器件布局的限制導致級聯數據線布線長度過長及器件的端接“反彈”也是潛在的導致誤碼的原因．

解決這一問題就要在EDA階段對電路板布線進行系統考慮．級聯的概念意味著通過串聯數據方式控制不少于兩片模數轉換芯片的使用，在硬件上要求盡量將芯片間的數據線的傳輸阻抗在布局時統籌考慮，例如：設計在同一布線層、如果由于布局限制不能保證兩根信號線同一長度，則通過改變線寬度適當調整．傳輸線阻抗比決定傳輸線的反射特性．

在這一案例里，“地彈”污染數據信號線的概率較“端接反彈”要高，特別是集“模擬地”與“數字地”于一身的模數轉換器芯片．如何有效地解決地線污染問題，除了“模擬地”和“數字地”之間做有效的隔離外，每個芯片在地線布局上形成各自獨立的回路，盡量減少功能相同的部件之間的電流回路的串擾．

在電路板的EDA設計的實際應用中，噪音問題是十分復雜的，電路板布線措施也有點“拆東墻補西墻”的味道．此案中，級聯的芯片越多誤碼的概率就越高，優化硬件設計的空間也越小．如果能犧牲一路模數轉換器的資源作為檢測通道，可以降低誤碼給系統帶來的破壞．如圖1所示，將測試通道接入特定值電平信號，系統對模數轉換器初始化完成后，把測試通道采樣值是否正確作為芯片設置是否成功的判據，否則就重新配置．

3 共性分析及EDA階段的思考

3.1 關于單點接地原則的理解

關于“接地”的感念往往誤導了EDA工程師在電路設計中對“地”的理解．用“回路”的概念去思考則更容易理解[3]7．每一個獨立功能的電路模塊都有自己獨立的回路，不同的功能模塊如果簡單地通過“某覆銅層”而形成共同回路，則不同模塊的信號之間的就會通過共同的“地回路”而產生污染．回路獨立是減少功能模塊間噪音的有效手段．

典型的用法是在模擬地和數字地之間，跨接一個磁珠，對于不同頻率特性電路間串擾信號的抑制有積極的作用，圖5(b)．

圖5 回路與擾動

3.2 串行數據線布線時的完整性思考

本案例中，DSP輸出到第一片AD73360的串行信號數據線布線距離比較長（約20 cm），該段走線傳輸阻抗的估算也較為復雜．通過仿真軟件對該段走線的傳輸特性進行分析，當數據信號上升沿接近2 ns時，傳輸信號才有端接反彈的跡象，如圖6．這一結果表明：芯片復位時默認的波特率（5K)不足以產生端接反彈，端接反彈產生的噪聲導致初始化失敗的可能性較低[3]183．受總體結構布局的限制，印制板上DSP到模數轉換器物理距離較遠導致信號線布線空間過長，也存在復雜環境的交互信號線之間串擾發生的概率．

圖6 端接反彈仿真結果

建議在EDA階段，串聯使用的數字信號傳輸線布線時預留串聯調試電阻的焊盤，既可調整導線的傳輸阻抗保持與器件的輸入阻抗一致，以降低反彈；又可與帶狀線的對地電容形成RC回路，抑制某些頻段的擾動．經過驗證后的阻值參數，可以固化到最終裝配工藝中．

4 結 論

本文從EDA設計的角度，分析了模數轉換器AD73360在級聯使用時遇到的問題，并提出相應的解決方法，實踐證明這些方法是有效的．

在EDA的布線規則中關于“單點接地”概念的核心不是“地”，而是“電流回路”．功能獨立的電路模塊有條件最好能形成各自獨立的電流回路，最后通過單點接地來鉗定電位．獨立的功能模塊有相對獨立的電流回路，是降低電路間信號串擾的有效手段．

關于串行數據線在電路板布線之初就應該列為關注點．如果串行數據傳輸有嚴格的讀寫節拍，誤讀概率會很低，節拍本身就是一種濾波方式．本案例中的模數轉換器為了適應更大主頻范圍的DSP，在上電初始默認的寫入時鐘及邏輯是比較寬泛的，增加了讀入異常脈沖的概率．EDA的規則有很多，但難以兼而全之，系統自檢軟件及自恢復功能可以彌補硬件設計的不足．

[1] 菲利普（Phlips K）．∑△A/D轉換技術在信號調理中的應用[M]．北京：工業技術圖書館，2018：92．

[2] 威廉·J·達利頓，約翰·W·波爾．辛斌，譯．數字系統工程[M]．北京：科學出版社，2005：262-263．

[3] Eric Bogatin．李玉山，劉洋，等譯．信號完整性與電源完整性分析[M]．北京：電子工業出版社，2015．

Reflowing After Application of AD73360 at Cascade Model

SHI Dongyao1, WANG Sunan2

（）

This article analyzes the common problems existing in cascade model operation of analog to digital converter AD73360 and proposes potential solutions. A mathematical model is established based on kirchhoff’s law. Causes of performance issues such as drifting are rationalized by analyzing parameters varying per PCB layout. A special case of ADC faulty initialization is also addressed and recommendations are made to optimize the design application in EDA layout design.

A/D converter; cascade; current-loop

TP23

B

1672-0318（2022）01-0021-05

10.13899/j.cnki.szptxb.2022.01.005

2021-05-21

石東耀，男，河北邢臺人，高級工程師，主要研究方向：機電控制自動化．

王蘇南，男，河南洛陽人，副教授，主要研究方向：計算機網絡體系結構、網絡流量特性分析及檢測．

（責任編輯：羅歡）