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[导读]运行模数转换器 (ADC) 设备有什么大不了的?将传感器输出连接到 ADC 输入并开始读取读数。正确的?毕竟,数字信号提供了强大的噪声抑制能力,因此电平之间的切换很牢固,并且有足够的内置余量。尽管如此,模拟信号更容易受到噪声的影响。

运行模数转换器 (ADC) 设备有什么大不了的?将传感器输出连接到 ADC 输入并开始读取读数。正确的?毕竟,数字信号提供了强大的噪声抑制能力,因此电平之间的切换很牢固,并且有足够的内置余量。尽管如此,模拟信号更容易受到噪声的影响。

在 ADC 周围放置太多噪声,结果会受到影响。大多数模拟噪声问题都可以追溯到一个问题:缺乏对接地的关注。对于创客来说,了解接地的基本原理会带来更多 ADC 的乐趣。

接地真的像看起来那么简单吗?

低速和中速数字设计的易用性使地面看起来很简单。在无焊插件面包板上,有导轨从相对的边缘向下延伸——电源和接地。电源连接到电源上的红色引脚或电池上的红色引线,接地连接到黑色引脚或引线。在零件上的电源和接地引脚连接到附近的导轨并且设备通电后,在许多设计中接地会被忽视。

数字事物切换得越快,模拟分辨率变得越精细,地面就越需要关注。接地不仅仅是一个零电压电平。这是电流的返回路径,电子在通过晶体管和无源元件进行实际工作后被吸收。

完美的接地不会改变电路行为。不完美的地面是另一回事。从狭窄的走线、不良的焊点或芯片上的接地引脚太少在返回路径中添加一点电阻,“接地反弹”会显示为电压尖峰。从芯片封装的引线中加入一点杂散电感,电源噪声在较高频率下会加剧。

更高的 ADC 分辨率将步长推入毫伏范围,从而使模拟输入上的噪声和尖峰成为问题。来自输入噪声的误差位位于 ADC 内部误差源之上。

现成的设计可以帮助很多

那么,在使用 ADC 时,地线应该如何看呢?好消息是,制造商可以获得精心设计的电路板和传感器,这些电路板和传感器可以采取措施提高地面质量。

带有微控制器或 SoC 的电路板通常有一个接地层。接地位于几乎坚固的 PCB 层上,其铜厚度尽可能大,或者在大型多层板上超过一层。需要接地的引脚就在附近,从电路板的一侧到另一侧的电阻很低。用电容器绕过电源引脚可抵消杂散电感并消除电源噪声。

更智能的传感器集成了微控制器和 ADC。在这里,信号以模拟形式传播的距离越短,噪声破坏它们的机会就越少。制造商还可以获取许多传感器,这些传感器在 I 2 C 或 SPI 接口上呈现数据,数字化并准备就绪。

现成模块的问题是未连接的地岛。让我们看一个带有羽毛板、一个数字传感器分线器和一个模拟传感器分线器的示例。

星形接地,然后根据需要扭曲信号

那些未连接的地面岛屿可以使一切变得不同。在这里,两个相关的原则应该指导连接。

· 地线应该是星形的,而不是菊花链,回到发生功率转换的模块。

· 模拟信号应该与模块的接地距离大致相同。

将模拟传感器分接头放置在最靠近接地引脚和模拟输入的位置会有所帮助。使用可堆叠模块,如FeatherWing Proto,也有助于缩短信号运行距离。

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,依靠数字地作为模拟地。随着采样率的增加和模拟运行变得超过几厘米,模拟信号可能需要更多的噪声保护。以下是在这种情况下该怎么做。

· 使用几匝模拟线和地线为 ADC 输入创建双绞线。

· 引入具有差分输入的 ADC,使模拟传感器信号返回接地。

双绞线和差分方法依赖于相同的概念。施加在紧密耦合的一对导线上的噪声在两根导线上是相同的,在采样时会被抵消。为了获得差分信号的最佳性能,可以使用预绞合屏蔽线。专业提示:使用屏蔽时,不要将屏蔽的两端接地;将一个接地并通过电容器将另一个接地。

获得更好的 ADC 结果

已经写了很多关于接地回路的文章。它们可能会带来令人生畏的问题,但它们是一种主要在复杂的电路板和系统设计中发现的现象。在将模块与几个模拟传感器相结合的数字优先制造商项目中,对接地的一点关注会消除环路的机会并解决大多数问题。

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


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