原標(biāo)題：大佬帶你深入ADC，親身傳授ADC外圍電路設(shè)計方法

模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）是電子系統(tǒng)中至關(guān)重要的組件，負(fù)責(zé)將連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號，以供微處理器或數(shù)字信號處理器進(jìn)一步處理。為了確保ADC能夠準(zhǔn)確、穩(wěn)定地工作，其外圍電路的設(shè)計至關(guān)重要。以下將詳細(xì)解析ADC外圍電路的設(shè)計方法。

一、ADC外圍電路概述

ADC外圍電路的設(shè)計通常涵蓋模擬電路、數(shù)字電路以及電源電路三個方面。模擬電路部分負(fù)責(zé)處理輸入信號，包括信號的放大、濾波和采樣保持等；數(shù)字電路部分則處理ADC輸出的數(shù)字信號，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和接口轉(zhuǎn)換；電源電路為整個系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的電源供應(yīng)。

二、模擬電路設(shè)計

1. 前置放大器電路

目的：由于多數(shù)ADC的模擬輸入信號較小，需要通過前置放大器提升輸入電壓至ADC可接受的范圍內(nèi)。

選型：前置放大器一般選用集成運(yùn)算放大器、儀表放大器或隔離放大器等。選擇時需考慮放大器的帶寬、精度、輸入阻抗和輸出阻抗等參數(shù)，確保放大器的性能優(yōu)于所選ADC。

設(shè)計要點：

• 對于輸入電阻較小的ADC，若信號源內(nèi)阻較大，需選用高輸入阻抗、低輸出阻抗的放大器。

• 有時可在放大器后加接電壓跟隨器，進(jìn)一步提高輸入阻抗，實現(xiàn)阻抗匹配。

2. 采樣保持電路

目的：在ADC轉(zhuǎn)換期間保持輸入電壓不變，避免因輸入信號變化而引起的轉(zhuǎn)換誤差。

設(shè)計要點：

• 捕獲時間：采樣保持器的采樣階段所需時間應(yīng)與ADC的轉(zhuǎn)換時間合理配合。捕獲時間過大會影響ADC的轉(zhuǎn)換速率，過小則可能產(chǎn)生功能混亂或數(shù)據(jù)丟失。

• 頂級率：保持的模擬電壓隨時間的延續(xù)而有所下降（或上升）的速率。頂級率過大會影響轉(zhuǎn)換精度。頂級率和捕獲時間不僅與采樣保持電路有關(guān)，還與外接的保持電容有關(guān)。增大電容可以減小頂級率，但會增大捕獲時間，因此需要綜合考慮。

• 對于模擬輸入電壓變化緩慢的系統(tǒng)，可以不使用采樣保持電路。一般模擬輸入電壓變化不超過ADC分辨率的1/2LSB（最低有效位）時，可省略采樣保持電路。

三、數(shù)字電路設(shè)計

1. 并行接口電路

目的：實現(xiàn)ADC與微處理器或其他數(shù)字電路之間的快速數(shù)據(jù)傳輸。

設(shè)計要點：

• 大多數(shù)ADC提供并行接口，數(shù)據(jù)總線寬度通常為8位或16位。設(shè)計時需根據(jù)微處理器的數(shù)據(jù)總線寬度選擇合適的接口方式。

• 并行接口除了數(shù)據(jù)線外，還需包括啟動轉(zhuǎn)換信號線、讀/寫信號線、片選信號線等控制信號線。需確保這些信號線的時序與微處理器的總線時序相匹配。

2. 串行接口電路

目的：簡化電路布線，減少芯片引腳數(shù)量。

設(shè)計要點：

• 串行接口只需一根雙向數(shù)據(jù)線（或兩條傳輸方向相反的數(shù)據(jù)線）和少量控制線。常見的串行接口包括通用異步接收/發(fā)送器（UART）、串行外圍接口（SPI）和I2C總線等。

• 設(shè)計時需根據(jù)具體應(yīng)用場景選擇合適的串行接口標(biāo)準(zhǔn)，并配置相應(yīng)的接口電路。

四、電源和接地設(shè)計

目的：為ADC及其外圍電路提供穩(wěn)定可靠的電源供應(yīng)，減少噪聲干擾。

設(shè)計要點：

• 模擬地與數(shù)字地分開：建立模擬參考點（AGND），將所有的模擬電路部分連接到該參考點上。數(shù)字地（DGND）則連接到數(shù)字電路部分和數(shù)字電源地。AGND和DGND只在靠近ADC的引腳處進(jìn)行單點連接，以減少數(shù)字噪聲對模擬信號的干擾。

• 電源接線：多數(shù)ADC需要多種電源供電，如5V電源供數(shù)字部分使用，15V電源供模擬部分使用。這些電源需分別接到AGND和DGND上，并確保電源變壓器繞組之間具有良好的絕緣和靜電隔離。

• 電源去耦：在ADC的電源引腳附近安裝去耦電容，以濾除電源中的高頻噪聲。一般使用110μF的鉭電容與0.010.1μF的高頻瓷介電容并聯(lián)。

五、其他設(shè)計考慮

1. 多路開關(guān)設(shè)計

目的：實現(xiàn)多個模擬信號源之間的切換，提高ADC的復(fù)用率。

設(shè)計要點：

• 選擇低泄漏、低噪聲的多路開關(guān)。

• 確保多路開關(guān)的切換速度滿足ADC的采樣速率要求。

2. 信號隔離設(shè)計

目的：進(jìn)一步減少模擬信號和數(shù)字信號之間的干擾。

設(shè)計要點：

• 使用光電耦合器、變壓器等隔離元件實現(xiàn)信號的電氣隔離。

• 根據(jù)隔離位置的不同，選擇合適的隔離方式（如隔離模擬信號端或隔離數(shù)字信號端）。

六、設(shè)計流程與注意事項

1. 設(shè)計流程

1. 需求分析：明確ADC的分辨率、采樣速率、輸入范圍等性能指標(biāo)。

2. 元件選型：根據(jù)需求選擇合適的ADC芯片、放大器、采樣保持器、多路開關(guān)等元件。

3. 電路設(shè)計：設(shè)計前置放大器電路、采樣保持電路、接口電路和電源電路等。

4. 仿真驗證：使用電路仿真軟件對設(shè)計進(jìn)行仿真驗證，確保電路性能滿足要求。

5. 制版與調(diào)試：制作PCB板，進(jìn)行實物調(diào)試和優(yōu)化。

2. 注意事項

• 在設(shè)計過程中需充分考慮噪聲干擾問題，采取有效的去耦、濾波和隔離措施。

• 確保電路的時序匹配和信號完整性，避免信號反射、串?dāng)_等問題。

• 進(jìn)行充分的測試和驗證，確保ADC外圍電路的性能穩(wěn)定可靠。

七、總結(jié)