為什么值得關(guān)注 ADC 的接地

運(yùn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 設(shè)備有什么大不了的?將傳感器輸出連接到 ADC 輸入并開始讀取讀數(shù)。正確的?畢竟，數(shù)字信號提供了強(qiáng)大的噪聲抑制能力，因此電平之間的切換很牢固，并且有足夠的內(nèi)置余量。盡管如此，模擬信號更容易受到噪聲的影響。

在 ADC 周圍放置太多噪聲，結(jié)果會受到影響。大多數(shù)模擬噪聲問題都可以追溯到一個問題：缺乏對接地的關(guān)注。對于創(chuàng)客來說，了解接地的基本原理會帶來更多 ADC 的樂趣。

接地真的像看起來那么簡單嗎?

低速和中速數(shù)字設(shè)計的易用性使地面看起來很簡單。在無焊插件面包板上，有導(dǎo)軌從相對的邊緣向下延伸——電源和接地。電源連接到電源上的紅色引腳或電池上的紅色引線，接地連接到黑色引腳或引線。在零件上的電源和接地引腳連接到附近的導(dǎo)軌并且設(shè)備通電后，在許多設(shè)計中接地會被忽視。

數(shù)字事物切換得越快，模擬分辨率變得越精細(xì)，地面就越需要關(guān)注。接地不僅僅是一個零電壓電平。這是電流的返回路徑，電子在通過晶體管和無源元件進(jìn)行實(shí)際工作后被吸收。

完美的接地不會改變電路行為。不完美的地面是另一回事。從狹窄的走線、不良的焊點(diǎn)或芯片上的接地引腳太少在返回路徑中添加一點(diǎn)電阻，“接地反彈”會顯示為電壓尖峰。從芯片封裝的引線中加入一點(diǎn)雜散電感，電源噪聲在較高頻率下會加劇。

更高的 ADC 分辨率將步長推入毫伏范圍，從而使模擬輸入上的噪聲和尖峰成為問題。來自輸入噪聲的誤差位位于 ADC 內(nèi)部誤差源之上。

現(xiàn)成的設(shè)計可以幫助很多

那么，在使用 ADC 時，地線應(yīng)該如何看呢?好消息是，制造商可以獲得精心設(shè)計的電路板和傳感器，這些電路板和傳感器可以采取措施提高地面質(zhì)量。

帶有微控制器或 SoC 的電路板通常有一個接地層。接地位于幾乎堅(jiān)固的 PCB 層上，其銅厚度盡可能大，或者在大型多層板上超過一層。需要接地的引腳就在附近，從電路板的一側(cè)到另一側(cè)的電阻很低。用電容器繞過電源引腳可抵消雜散電感并消除電源噪聲。

更智能的傳感器集成了微控制器和 ADC。在這里，信號以模擬形式傳播的距離越短，噪聲破壞它們的機(jī)會就越少。制造商還可以獲取許多傳感器，這些傳感器在 I 2 C 或 SPI 接口上呈現(xiàn)數(shù)據(jù)，數(shù)字化并準(zhǔn)備就緒。

現(xiàn)成模塊的問題是未連接的地島。讓我們看一個帶有羽毛板、一個數(shù)字傳感器分線器和一個模擬傳感器分線器的示例。

星形接地，然后根據(jù)需要扭曲信號

那些未連接的地面島嶼可以使一切變得不同。在這里，兩個相關(guān)的原則應(yīng)該指導(dǎo)連接。

· 地線應(yīng)該是星形的，而不是菊花鏈，回到發(fā)生功率轉(zhuǎn)換的模塊。

· 模擬信號應(yīng)該與模塊的接地距離大致相同。

將模擬傳感器分接頭放置在最靠近接地引腳和模擬輸入的位置會有所幫助。使用可堆疊模塊，如FeatherWing Proto，也有助于縮短信號運(yùn)行距離。

雖然板載 ADC 通道很方便，但它們可能只使用一個模擬輸入引腳，依靠數(shù)字地作為模擬地。隨著采樣率的增加和模擬運(yùn)行變得超過幾厘米，模擬信號可能需要更多的噪聲保護(hù)。以下是在這種情況下該怎么做。

· 使用幾匝模擬線和地線為 ADC 輸入創(chuàng)建雙絞線。

· 引入具有差分輸入的 ADC，使模擬傳感器信號返回接地。

雙絞線和差分方法依賴于相同的概念。施加在緊密耦合的一對導(dǎo)線上的噪聲在兩根導(dǎo)線上是相同的，在采樣時會被抵消。為了獲得差分信號的最佳性能，可以使用預(yù)絞合屏蔽線。專業(yè)提示：使用屏蔽時，不要將屏蔽的兩端接地;將一個接地并通過電容器將另一個接地。

獲得更好的 ADC 結(jié)果

已經(jīng)寫了很多關(guān)于接地回路的文章。它們可能會帶來令人生畏的問題，但它們是一種主要在復(fù)雜的電路板和系統(tǒng)設(shè)計中發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象。在將模塊與幾個模擬傳感器相結(jié)合的數(shù)字優(yōu)先制造商項(xiàng)目中，對接地的一點(diǎn)關(guān)注會消除環(huán)路的機(jī)會并解決大多數(shù)問題。

遵循這些原則應(yīng)該有助于圍繞 ADC 創(chuàng)建更好的設(shè)計，并獲得算法可以依賴的結(jié)果。