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ADI读书活动第六十八期:高精度ADC信号链中固定频率杂散问...

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发表于 2017-7-5 16:39:08 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 Savy1314 于 2017-7-5 16:41 编辑

高精度ADC信号链中固定频率杂散问题分析及解决办法

简介

无杂散动态范围(SFDR)表示可从大干扰信号分辨出的最小功率信号。SFDR一般主要由基波频率与目标基波频率的第二或第三谐波之间的动态范围构成。然而,由于系统其他方面的因素,可能会导致杂散产生并限制系统的性能。
这些杂散可分为输入频率相关杂散和固定频率杂散。输入频率相关杂散与谐波或非线性特性有关。下面将分析电源、外部基准源、数字连接、外部干扰等造成的固定频率杂散。

针对高分辨率、精密ADC应用中的杂散问题,本文将介绍五种判断其根本原因的方法,并提出相应的解决方案:
1        DC-DC电源辐射而导致的杂散问题。
2        由AC-DC适配器噪声通过外部基准源而导致的杂散问题。
3        由模拟输入电缆而导致的杂散问题。
4        由模拟输入电缆上的耦合干扰而导致的杂散问题。
5        由室内照明设备导致的杂散问题。

一,DC-DC电源辐射而导致的杂散问题

在精密ADC应用中采用DC-DC开关稳压器时。为了实现理想的信号链性能,必须限制纹波噪声或使用高PSRRADC,以确保这些纹波噪声低于ADC噪底。避免因出现杂散,而使信号链的动态范围降级。例如AD7616它就是一款高PSRR ADC。
仅仅使用高PSRR ADC并不能保证开关稳压器在精密测量系统中不会造成任何问题。开关稳压器产生的纹波噪声可能会通过其他方式馈入ADC的数字码中。
AD4003是一款低噪声、低功耗、高速、18位、2 MSPS精密逐次逼近型寄存器(SAR) ADC。杂散导致的噪声可能会通过调理电路进入AD4003的模拟输入端。
针对这种DC-DC电源转换器导致的杂散问题,可行的解决方案有:
1,在AD4003 ADC前端使用一个低通滤波器,以在应用带宽允许的情况下,将耦合的DC-DC开关频率干扰衰减到符合设计目标的程度(即杂散位于噪底以下)。
2,对于设计中使用屏蔽型电感器件,降低辐射干扰功率。
3,使用较低的电压电平(如VADJ_FMC2.5 V)也会使杂散消失。

二,由AC-DC适配器噪声耦合通过外部基准源而导致的杂散问题

AD7175-2是一款低噪声、快速建立、多路复用、2/4通道(全差分/伪差分)Σ-ΔADC,以其评估板的信号链测试为例:
60 kHz附近捕获到一簇杂散信号,如图1所示。
在使用一个9 V直流电源模块替换该适配器后。杂散簇消失,仅在60 kHz处留下一个窄带杂散。见图2
这可证实,该杂散簇是由AC-DC适配器的开关纹波馈入外部基准源造成的。剩下的窄带杂散将在下一章节中予以分析。

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图1.评估板上观察到的杂散问题。

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图2.评估板上已消除杂散簇



三,由电源电缆干扰注入信号链而导致的杂散问题

在硬件系统中,从输入传感器到精密转换器输入端之间往往具有很长一段信号链。该信号链包括连接电缆、连接器、路由导线、调整和调理电路、ADC驱动器等等。因此,外部干扰很有可能会注入模拟输入信号链并产生ADC杂散。
如图3所示,示波器的220 V交流电源电缆(黑色)与评估板的模拟输入电缆(灰色)有一部分重叠。造成了60 kHz处的窄带杂散,如图4所示。
由此看来,将敏感的低电平模拟信号与大电流电力线隔离开来是一个良好的操作习惯。

63.jpg
图3.示波器电源电缆导致的杂散。

64.png
图4.评估板上已消除所有杂散。  

四,由灯具辐射导致的杂散问题

日光灯辐射干扰从缓冲放大器的同相输入端前方进入到信号链路中,见图5 对于工作在照明环境下的系统,在前端电路上安装一个屏蔽罩有助于防止辐射干扰和优化信号链性能。
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66.png

图5.日光灯辐射造成的杂散

五,由较长模拟输入电缆导致的杂散问题

信号发生器输出端与测试板输入端,如接入过长的电缆,可能在频谱700kHz处出现一个约–125 dB的杂散,如图6所示。
有三种方法可解决此类问题:
A,不用两米长的电缆,而直接将AP平衡输出的插针与转接板的插口短接。
B,将信号源输出阻抗改大,如,设置从Z-Out = 40 Ω改为Z-Out = 600 Ω
C,向信号链中插入一个窄带RC滤波器(如1 kΩ10 nF)。
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68.jpg

图6.长电缆造成的杂散


结论

针对系统应用中高分辨率、精密ADC的杂散问题,本文探讨了判断其根本原因的方法。文中介绍了在五种不同应用情况下消除或降低杂散的特定设计解决方案。

原文链接:
http://www.analog.com/cn/analog-dialogue/articles/analyzing-and-solving-fixed-frequency-spur-issues-in-high-precision-adc-signal-chains.html

QA
1ADC电路中的杂散可分为哪两类?
2,本文介绍了哪几种判断ADC电路中杂散产生原因的方法?
3,对于电源电缆干扰注入信号链而导致的杂散问题应如何解决?
4,对于工作在照明环境下的系统,如何避免其对电路产生辐射干扰?
5,由于较长模拟输入电缆导致的杂散问题,有哪些解决方法?

第六十七期获奖网友:
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请以上5位尽快联系管理员,qq:459888529,注明读书月活动获奖。领奖截止时间:7.31日





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