盡(jin)管在(zai)模擬(ni)量(liang)采集(ji)系統(tong)中(zhong)，對ADC芯片等(deng)的供(gong)電(dian)般(ban)建議(yi)不用(yong)開(kai)關電(dian)源(yuan)，以避免(mian)其固有(you)的紋(wen)波大、噪聲(sheng)等(deng)問(wen)題，但開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)仍以其率(lv)、低價格等優點(dian)得到應(ying)用(yong)，尤(you)其是(shi)在(zai)工(gong)業等領(ling)域。本文(wen)介(jie)紹開(kai)關電(dian)源(yuan)在模擬(ni)量(liang)采集(ji)系統(tong)中(zhong)的應(ying)用(yong)，並(bing)對可能(neng)出(chu)現的些問(wen)題進行分(fen)析(xi)。 
   開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)對ADC芯片工(gong)作(zuo)的影(ying)響(xiang)及(ji)解決方法
　　電(dian)源(yuan)對ADC芯片的影(ying)響(xiang)，除(chu)了體現在(zai)電(dian)源(yuan)抑制(zhi)比（PSRR）參數上，還(hai)表(biao)現在(zai)，當(dang)ADC芯(xin)片對輸入(ru)的模擬(ni)信(xin)號進行采樣、保(bao)持(chi)、轉換時(shi)，電(dian)源(yuan)電(dian)壓(ya)、參考(kao)地的變化，都(dou)會(hui)對ADC芯片內(nei)部(bu)采(cai)樣電(dian)路(lu)、比較器等的工(gong)作(zuo)產生影(ying)響(xiang)，使(shi)得采(cai)集(ji)結(jie)果出(chu)現晃(huang)動。因(yin)此，般ADC芯(xin)片特(te)別(bie)是(shi)ADC芯(xin)片，都(dou)建議(yi)用(yong)質量(liang)好的線(xian)電(dian)源(yuan)供電(dian)。如果采(cai)用(yong)開(kai)關電(dian)源(yuan)，則需要盡(jin)力避(bi)免它對ADC芯片產生影(ying)響(xiang)。

圖1：開關電(dian)源(yuan)在模擬(ni)量(liang)采集(ji)系統(tong)中(zhong)的應(ying)用(yong)圖
　　圖1是(shi)個的應(ying)用(yong)，其中(zhong)模擬(ni)采(cai)樣用(yong)的信(xin)號調(tiao)理電(dian)路(lu)、ADC和現場(chang)模擬(ni)信(xin)號不，ADC芯片和(he)CPU電(dian)源(yuan)相(xiang)互(hu)。CPU采(cai)用(yong)系統(tong)內部(bu)電(dian)源(yuan)。而ADC的+5V電(dian)源(yuan)是(shi)由(you)+24V電(dian)源(yuan)經(jing)過(guo)+24V到(dao)+5V電(dian)源(yuan)變換(huan)而來的。圖中(zhong)左側(ce)部(bu)分(fen)是(shi)的串(chuan)聯(lian)、降(jiang)壓非型DC-DC變換(huan)器的原(yuan)理(li)框圖。設(she)計(ji)中(zhong)，可以(yi)根據開關管的開(kai)關(guan)頻(pin)率、+5V消(xiao)耗電(dian)流、要求的輸(shu)出(chu)紋波zui大值，計(ji)算(suan)出(chu)電(dian)感L1、電(dian)容(rong)C1的合(he)適大小(xiao)。
　　為了分(fen)析(xi)出(chu)開關(guan)電(dian)源(yuan)對ADC芯片的影(ying)響(xiang)，這(zhe)裏(li)假設(she)信(xin)號調(tiao)理電(dian)路(lu)及ADC芯片正(zheng)常運(yun)行的耗電(dian)是(shi)25mA/+5V，對於(yu)光(guang)耦(ou)部(bu)分(fen)，如果采(cai)用(yong)6N136、TLP521等(deng)三管(guan)輸(shu)出(chu)型的光(guang)耦(ou)，則當(dang)CPU不啟動ADC工(gong)作(zuo)時(shi)，光(guang)耦(ou)不導通(tong)，耗電(dian)小(xiao)於(yu)1mA;當(dang)CPU啟動ADC工(gong)作(zuo)時(shi)，將(jiang)有(you)數據(ju)輸出(chu)Dout、數據(ju)準備好Ready等(deng)信號經(jing)過(guo)光(guang)耦(ou)，光耦(ou)處(chu)於(yu)導(dao)通(tong)狀(zhuang)態(tai)，為了達到(dao)比較的通(tong)訊速率(lv)，光(guang)耦(ou)總耗電(dian)需(xu)要25mA/+5V左(zuo)右(you)。這(zhe)樣，+5V負載(zai)電(dian)流將在25～50mA之(zhi)間來回(hui)變動。正(zheng)常開(kai)關電(dian)源(yuan)設(she)計(ji)的輸(shu)出(chu)電(dian)流應(ying)該(gai)2倍於(yu)zui大負載(zai)電(dian)流，這(zhe)裏(li)設(she)為100mA，下面將要說(shuo)明負載(zai)電(dian)流的變化將(jiang)大影(ying)響(xiang)+5V，從(cong)而影(ying)響(xiang)ADC采(cai)樣穩定(ding)。
　　開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)的工(gong)作(zuo)原理(li)是(shi)，平(ping)時(shi)Q1的周期開關(guan)動作(zuo)，再經(jing)過(guo)L1、C1，得(de)到(dao)所(suo)需要的輸(shu)出(chu);而當(dang)輸(shu)出(chu)+5V電(dian)壓(ya)發(fa)生上升/下降(jiang)過(guo)限(xian)度（如幾(ji)十(shi)毫伏(fu)），經(jing)過(guo)采(cai)樣、反饋後(hou)，開(kai)關電(dian)路(lu)Q1的開(kai)關(guan)，使(shi)得輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)向(xiang)+5V回(hui)歸。在+5V負載(zai)比較恒(heng)定(ding)的情(qing)況(kuang)下，輸出(chu)+5V的zui大紋波，可(ke)以根據采樣反饋電(dian)路(lu)工作(zuo)原理(li)（比如MC34063是(shi)通(tong)過(guo)比較器和鎖存(cun)器來Q1的開(kai)關(guan)）、開關頻(pin)率等(deng)計(ji)算(suan)出(chu)來。
　　但如果是(shi)圖1中(zhong)帶光(guang)耦(ou)的情(qing)況(kuang)，開關電(dian)源(yuan)的輸(shu)出(chu)不供給相(xiang)對恒(heng)定(ding)的負載(zai)（如信(xin)號調(tiao)理電(dian)路(lu)、ADC芯片），而且(qie)還(hai)要供(gong)給(gei)光(guang)耦(ou)等數字部(bu)分(fen)電(dian)路(lu)，有(you)可(ke)能(neng)發(fa)生zui壞的情(qing)況(kuang)是(shi)，當(dang)開(kai)關管Q1正(zheng)處(chu)於(yu)上述穩(wen)定(ding)工(gong)作(zuo)中(zhong)的關(guan)斷(duan)時(shi)刻，光耦(ou)突然被(bei)ADC導(dao)通(tong)，此時(shi)L1、C1將(jiang)要提(ti)供50mA的負載(zai)電(dian)流，而平(ping)時(shi)穩(wen)定(ding)工(gong)作(zuo)中(zhong)L1只提(ti)供25mA的電(dian)流，剩下電(dian)流只能從(cong)電(dian)容(rong)C1中(zhong)獲取(qu)，使(shi)得C1上的電(dian)壓(ya)即+5V電(dian)平(ping)下(xia)降(jiang)比較大。這(zhe)將(jiang)持(chi)續半個開關周期，直(zhi)到(dao)開(kai)關(guan)管Q1打開。如果開(kai)關電(dian)源(yuan)的開(kai)關(guan)頻(pin)率是(shi)100KHz，而ADC芯(xin)片數據(ju)Dout的通(tong)訊頻(pin)率也(ye)是(shi)100KHz左(zuo)右(you)，將(jiang)引(yin)起輸出(chu)+5V電(dian)壓(ya)頻(pin)繁波動，造成(cheng)大的輸(shu)出(chu)紋波。在(zai)示波器上甚(shen)至能看(kan)到噪聲(sheng)反饋在(zai)+24V輸(shu)入(ru)上。
　　上面只是(shi)理(li)論(lun)分(fen)析(xi)的zui壞情況，實(shi)際(ji)應(ying)用(yong)中(zhong)，濾波電(dian)容(rong)等器件的非理想、PCB布線(xian)等等(deng)，將使(shi)得電(dian)源(yuan)紋波大，ADC采樣結果不穩定(ding)。有(you)的微功(gong)率型(xing)DC/DC，或(huo)者(zhe)如電(dian)荷泵(beng)器件，只有(you)開(kai)關(guan)管(guan)的周期開關(guan)動作(zuo)，而沒(mei)有(you)上述采(cai)樣、反饋電(dian)路(lu)，輸出(chu)受到負載(zai)不穩定(ding)的影(ying)響(xiang)，使(shi)得ADC采(cai)樣結果不穩定(ding)。
比較好的解(jie)決辦(ban)法
　　1. 設(she)法(fa)降(jiang)低開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)的負載(zai)變化，因(yin)為雖然目(mu)前開(kai)關電(dian)源(yuan)的工(gong)作(zuo)頻(pin)率已(yi)到幾(ji)百kHz以上，但開關電(dian)源(yuan)的負載(zai)響(xiang)應(ying)時(shi)間仍至少要幾(ji)個μs，低於(yu)目(mu)前大多(duo)ADC采樣的速(su)度。比如采(cai)用(yong)光(guang)耦(ou)6N137就比6N136好，因(yin)為6N137只是(shi)靜(jing)態電(dian)流比較大，而它需要的二(er)管(guan)導通(tong)電(dian)流小(xiao)，使(shi)得電(dian)源(yuan)的負載(zai)變化不會(hui)很(hen)大。或(huo)者(zhe)不把模擬(ni)+5V電(dian)源(yuan)接到小(xiao)功(gong)率的開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)輸出(chu)上，而接(jie)到(dao)其它功(gong)率比較大的開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)輸出(chu)上，避免開關電(dian)源(yuan)輸出(chu)受到負載(zai)變動的影(ying)響(xiang)。同樣個值得註(zhu)意的問(wen)題是(shi)，不要使(shi)用(yong)ADC芯(xin)片的Ready、Dout、Din等(deng)引(yin)腳直(zhi)接(jie)驅(qu)動光(guang)耦(ou)，通(tong)過(guo)光(guang)耦(ou)驅(qu)動電(dian)路(lu)，使(shi)得模擬(ni)和(he)數字電(dian)源(yuan)得到很(hen)好(hao)地(di)相(xiang)互(hu)，避(bi)免(mian)在(zai)光耦(ou)開關(guan)時(shi)，有(you)大的電(dian)流越(yue)過(guo)ADC芯(xin)片。
　　2. 開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)後加LDO等輸出(chu)電(dian)壓(ya)紋波小(xiao)的器件，再供給(gei)信(xin)號調(tiao)理電(dian)路(lu)、ADC芯片，模擬(ni)電(dian)路(lu)電(dian)源(yuan)的穩(wen)定(ding)。
　　3. 如果在(zai)開關(guan)電(dian)源(yuan)後加LC濾波，將(jiang)LC濾波後(hou)的電(dian)源(yuan)供給數字部(bu)分(fen)，此時(shi)應(ying)該(gai)針對不同的負載(zai)電(dian)流大小(xiao)，選(xuan)擇(ze)相(xiang)應(ying)的L、C數值，必要的時(shi)候(hou)，要通(tong)過(guo)的計(ji)算(suan)、仿真及(ji)試(shi)驗來加以確定(ding)。電(dian)感、電(dian)容(rong)不能過(guo)大，否(fou)則難以(yi)響應(ying)負載(zai)（光(guang)耦(ou)開/關(guan)）的變化。建議(yi)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)輸出(chu)直(zhi)接(jie)供(gong)給(gei)數字部(bu)分(fen);同時(shi)經(jing)過(guo)LC濾(lv)波或(huo)者(zhe)RC濾波，再供給(gei)信(xin)號調(tiao)理電(dian)路(lu)、ADC芯片。在(zai)采(cai)用(yong)LC濾(lv)波時(shi)，還(hai)需(xu)要註(zhu)意LC的諧(xie)振(zhen)頻(pin)率要遠(yuan)遠(yuan)偏(pian)離(li)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)工作(zuo)頻(pin)率。比如濾(lv)波RC電(dian)路(lu)的電(dian)阻(zu)R可以取(qu)10Ω左右(you)，電(dian)容(rong)取10μF左右(you)。
　　4. 其它常規的方(fang)法(fa)也特別(bie)重要，如信(xin)號調(tiao)理電(dian)路(lu)、ADC芯片的電(dian)源(yuan)和地，要同光耦(ou)等數字部(bu)分(fen)的電(dian)源(yuan)和地分(fen)開(kai)走(zou)線(xian)，zui後單點連(lian)接。或(huo)者(zhe)兩(liang)者(zhe)采用(yong)兩(liang)個DC/DC電(dian)路(lu)分(fen)別(bie)給(gei)ADC芯(xin)片等(deng)模擬(ni)電(dian)路(lu)和光耦(ou)等數字電(dian)路(lu)供電(dian)。原(yuan)因和上文分(fen)析(xi)樣，也是(shi)為了好的避(bi)免(mian)數字、模擬(ni)之(zhi)間電(dian)源(yuan)的相(xiang)互(hu)幹擾(rao)。
開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)對運(yun)算放(fang)大器的影(ying)響(xiang)及(ji)解決方法
　　般模擬(ni)量(liang)信號進入(ru)ADC芯(xin)片之(zhi)前，要利(li)用(yong)運(yun)算放(fang)大器進行信號調(tiao)理，以提(ti)供必要的電(dian)平(ping)變換(huan)、濾波、ADC芯(xin)片驅(qu)動等(deng)等(deng)。運(yun)算放(fang)大器與(yu)ADC相(xiang)接口(kou)時(shi)，受到電(dian)源(yuan)的影(ying)響(xiang)，從(cong)而也(ye)影(ying)響(xiang)ADC芯(xin)片采(cai)集(ji)的穩(wen)定(ding)。圖2是(shi)運(yun)算放(fang)大器與(yu)ADC的接(jie)口(kou)圖。
　　


圖2：運(yun)算放(fang)大器與(yu)ADC的接(jie)口(kou)圖
　　大多(duo)ADC芯片內(nei)部(bu)的模擬(ni)輸(shu)入(ru)端(duan)都具有(you)個采樣電(dian)容(rong)Cin，電(dian)阻(zu)R1對運(yun)放輸(shu)出(chu)限流，數倍於(yu)采(cai)樣電(dian)容(rong)的陶瓷(ci)電(dian)容(rong)C1使(shi)得開(kai)關SW合(he)上的瞬(shun)間，通(tong)過(guo)C1迅速給采(cai)樣電(dian)容(rong)Cin充(chong)電(dian)。R1、C1的具體數值，與(yu)運(yun)放的穩(wen)定(ding)、建立時(shi)間、ADC采樣時(shi)間、需要的采(cai)樣有(you)關(guan)。
　　這(zhe)裏(li)要指(zhi)出(chu)的是(shi)，在(zai)上述過(guo)程(cheng)中(zhong)，運(yun)放的電(dian)源(yuan)也會(hui)起很(hen)大的作(zuo)用(yong)。在(zai)運(yun)放對電(dian)容(rong)充(chong)電(dian)期(qi)間，瞬(shun)間需要較大的電(dian)流，而開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)的負載(zai)響(xiang)應(ying)時(shi)間不夠，將(jiang)造成(cheng)比較大的電(dian)源(yuan)紋波，影(ying)響(xiang)運(yun)放的輸(shu)出(chu)。比如采(cai)用(yong)C1=10Cin=250pF，則當(dang)SW從(cong)別的通(tong)道(dao)（假設(she)為-5V）切到AI0通(tong)道(dao)（假設(she)+5V）時(shi)，Cin從(cong)-5V切換到(dao)C1上的電(dian)壓(ya)+5V，C1迅速給Cin充(chong)電(dian)，zui終(zhong)電(dian)壓(ya)為（5V×10-5V）/11=4.09V，運(yun)放輸(shu)出(chu)要從(cong)5V變到(dao)4.09V，R1太小(xiao)帶來運(yun)放輸(shu)出(chu)穩定(ding)問(wen)題，同時(shi)也(ye)會(hui)對運(yun)放輸(shu)出(chu)電(dian)流帶來沖(chong)擊(ji)，影(ying)響(xiang)電(dian)源(yuan)電(dian)壓(ya)。
　　特別是(shi)在(zai)采(cai)用(yong)電(dian)荷泵(beng)給(gei)運(yun)放-VCC提(ti)供小(xiao)的負電(dian)源(yuan)時(shi)，電(dian)荷泵(beng)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)隨負載(zai)增(zeng)大而降(jiang)低的特(te)使(shi)得效(xiao)果加明顯(xian)。比較發(fa)現，運(yun)放采(cai)用(yong)直(zhi)流線(xian)穩壓(ya)電(dian)源(yuan)時(shi)，12位(wei)的ADC采(cai)集(ji)結(jie)果很(hen)穩(wen)定(ding)，結(jie)果變動可(ke)達1LSB以(yi)下;相(xiang)比之下(xia)，采(cai)用(yong)電(dian)荷泵(beng)器件時(shi)，如果電(dian)荷泵(beng)輸(shu)出(chu)沒有(you)大的濾(lv)波，ADC采(cai)集(ji)結(jie)果晃(huang)動可(ke)達3LSB。如果增(zeng)大R1為100Ω時(shi)，C1=10Cin，不考(kao)慮運(yun)放輸(shu)出(chu)電(dian)阻(zu)時(shi)，需(xu)要運(yun)放輸(shu)出(chu)電(dian)流的zui大值為（5-4.09）V/100Ω=9.1mA），小(xiao)於(yu)般(ban)運(yun)放的zui大輸出(chu)電(dian)流。但R1太大，將明顯(xian)降(jiang)低ADC所(suo)能(neng)采集(ji)到(dao)的信(xin)號頻(pin)率，在(zai)ADC對該(gai)通(tong)道(dao)“跟蹤”期間，運(yun)放無法完(wan)成(cheng)對C1和Cin充(chong)電(dian)，使(shi)得該(gai)次采樣與(yu)運(yun)放輸(shu)入(ru)端(duan)電(dian)壓(ya)相(xiang)差較大，會(hui)造成(cheng)諧(xie)波失(shi)真。
　　解(jie)決辦(ban)法除了前文(wen)描述的以(yi)外，同時(shi)還(hai)可(ke)以(yi)采(cai)用(yong)以(yi)下方(fang)法(fa)：
　　1. 運(yun)放的正(zheng)負電(dian)源(yuan)對地除(chu)並(bing)接個10～22μF大電(dian)容(rong)以減少(shao)電(dian)源(yuan)紋波外，再並(bing)接個0.1～1μF的小(xiao)陶瓷(ci)電(dian)容(rong)，以通(tong)過(guo)0.1～1μF頻(pin)去耦(ou)電(dian)容(rong)的作(zuo)用(yong)，避(bi)免負載(zai)電(dian)容(rong)的瞬(shun)間充(chong)電(dian)對電(dian)源(yuan)的影(ying)響(xiang)。效(xiao)果類(lei)似於(yu)數字芯(xin)片電(dian)源(yuan)和地之(zhi)間加的去耦(ou)電(dian)容(rong)。
　　2. 增大圖2中(zhong)ADC前端(duan)電(dian)阻(zu)R1，減小(xiao)運(yun)放的輸(shu)出(chu)電(dian)流，能起到(dao)的濾(lv)波作(zuo)用(yong)。當(dang)然R1大的話(hua)，將(jiang)衰減通(tong)過(guo)運(yun)放的信(xin)號。
    開關電(dian)源(yuan)對參考(kao)源的影(ying)響(xiang)及(ji)解決方法
　　有(you)的ADC芯(xin)片要外部(bu)提(ti)供參考(kao)源，這(zhe)時(shi)外部(bu)參(can)考(kao)源的供(gong)電(dian)，也(ye)需要參(can)照前文(wen)所述的處(chu)理(li)方法，采取(qu)在(zai)輸(shu)入(ru)端(duan)加濾波等(deng)措(cuo)施。同時(shi)註(zhu)意，對連(lian)續逼近（SAR）型ADC芯(xin)片，如TLC2543芯(xin)片，采(cai)樣、保(bao)持(chi)後(hou)的內(nei)部(bu)每(mei)次(ci)電(dian)壓(ya)轉換，都需要將(jiang)采(cai)集(ji)電(dian)壓(ya)和參考(kao)源的1/2、1/4、1/8等(deng)組(zu)合(he)相(xiang)比較，以確定(ding)相(xiang)應(ying)n位ADC結(jie)果的第（n-1）位、第（n-2）位等(deng)，參(can)考(kao)源的分(fen)壓(ya)是(shi)通(tong)過(guo)電(dian)容(rong)實(shi)現的。
　　這(zhe)樣，對應(ying)轉換每位均需要將(jiang)參(can)考(kao)源VREF通(tong)過(guo)開(kai)關(guan)接(jie)到相(xiang)應(ying)分(fen)壓(ya)電(dian)容(rong)上，對參考(kao)源而言(yan)，將(jiang)看(kan)到個變化的容(rong)負載(zai)，從(cong)而產生了上文所說(shuo)的問(wen)題。如果ADC芯(xin)片內(nei)部(bu)沒(mei)有(you)參(can)考(kao)源緩(huan)沖(chong)電(dian)路(lu)，而外部(bu)參(can)考(kao)源的容(rong)負載(zai)能(neng)力又不夠時(shi)，需(xu)要在(zai)外部(bu)參(can)考(kao)源輸(shu)出(chu)端(duan)，串個緩(huan)沖(chong)器，再通(tong)過(guo)個RC電(dian)路(lu)接到ADC芯(xin)片的參(can)考(kao)源輸(shu)入(ru)端(duan)。其它處(chu)理(li)方法，同上文所述，如在(zai)外部(bu)參(can)考(kao)源的電(dian)源(yuan)端(duan)，並(bing)接個10～22μF大電(dian)容(rong)和個0.1～1μF的小(xiao)陶瓷(ci)電(dian)容(rong)等。
本文(wen)小(xiao)結
　　本文(wen)雖(sui)然針(zhen)對SAR型ADC進(jin)行分(fen)析(xi)、處(chu)理(li)，但其應(ying)用(yong)原(yuan)理，對ADC都有(you)參(can)考(kao)價值。仔細分(fen)析(xi)各個環節(jie)的工(gong)作(zuo)原理(li)，采(cai)取(qu)的對策，就能在(zai)模擬(ni)量(liang)采集(ji)系統(tong)中(zhong)，使(shi)用(yong)廉(lian)價的開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)，而又獲(huo)得(de)的采(cai)集(ji)能(neng)。