盡管在模擬量采集系統(tǒng)中，對ADC芯片等的供電一般建議最好不用開關(guān)電源,，以避免其固有的紋波大,、噪聲等問題，但開關(guān)電源仍以其高效率,、低價格等優(yōu)點得到廣泛應(yīng)用,，尤其是在工業(yè)控制等領(lǐng)域。本文介紹開關(guān)電源在模擬量采集系統(tǒng)中的應(yīng)用,，并對可能出現(xiàn)的一些問題進行分析,。
開關(guān)電源對ADC芯片工作的影響及解決方法
　　電源對ADC芯片的影響，除了體現(xiàn)在電源抑制比（PSRR）參數(shù)上,，還表現(xiàn)在,，當(dāng)ADC芯片對輸入的模擬信號進行采樣、保持,、轉(zhuǎn)換時,，電源電壓、參考地的變化,，都會對ADC芯片內(nèi)部采樣電路,、比較器等的工作產(chǎn)生影響，使得采集結(jié)果出現(xiàn)晃動,。因此,，一般ADC芯片特別是高精度ADC芯片，都建議最好用質(zhì)量好的線性電源供電,。如果采用開關(guān)電源,，則需要盡力避免它對ADC芯片產(chǎn)生影響。

圖1：開關(guān)電源在模擬量采集系統(tǒng)中的典型應(yīng)用圖
　　圖1是一個典型的應(yīng)用,，其中模擬采樣用的信號調(diào)理電路,、ADC和現(xiàn)場模擬信號不隔離，ADC芯片和CPU電源相互隔離,。CPU采用控制系統(tǒng)內(nèi)部電源,。而ADC的+5V電源是由+24V電源經(jīng)過+24V到+5V電源變換而來的。圖中左側(cè)部分是典型的串聯(lián),、降壓非隔離型DC-DC變換器的原理框圖,。設(shè)計中，可以根據(jù)開關(guān)管的開關(guān)頻率,、+5V消耗電流,、要求的輸出紋波最大值，計算出電感L1,、電容C1的合適大小,。
　　為了分析出開關(guān)電源對ADC芯片的影響,，這里假設(shè)信號調(diào)理電路及ADC芯片正常運行的耗電是25mA/+5V，對于光耦部分,，如果采用6N136,、TLP521等三極管輸出型的光耦，則當(dāng)CPU不啟動ADC工作時,，光耦全不導(dǎo)通,，耗電小于1mA;當(dāng)CPU啟動ADC工作時,，將有數(shù)據(jù)輸出Dout,、數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好Ready等信號經(jīng)過光耦，光耦處于導(dǎo)通狀態(tài),，為了達到比較高的通訊速率,，光耦總耗電需要25mA/+5V左右。這樣,，+5V負載電流將在25～50mA之間來回變動,。正常開關(guān)電源設(shè)計的輸出電流應(yīng)該2倍于最大負載電流，這里設(shè)為100mA,，下面將要說明負載電流的變化將極大影響+5V,，從而影響ADC采樣穩(wěn)定性。
　　開關(guān)電源的工作原理是,，平時Q1的周期性開關(guān)動作,，再經(jīng)過L1、C1,，得到所需要的輸出;而當(dāng)輸出+5V電壓發(fā)生上升/下降超過一定限度（如幾十毫伏）,，經(jīng)過采樣、反饋后,，開關(guān)控制電路控制Q1的開關(guān),，使得輸出電壓向+5V回歸。在+5V負載比較恒定的情況下,，輸出+5V的最大紋波,，可以根據(jù)采樣反饋電路工作原理（比如MC34063是通過比較器和鎖存器來控制Q1的開關(guān)）、開關(guān)頻率等計算出來,。
　　但如果是圖1中帶光耦的情況,，開關(guān)電源的輸出不僅供給相對恒定的負載（如信號調(diào)理電路、ADC芯片）,，而且還要供給光耦等數(shù)字部分電路,，有可能發(fā)生最壞的情況是，當(dāng)開關(guān)管Q1正處于上述穩(wěn)定工作中的關(guān)斷時刻,，光耦突然被ADC導(dǎo)通,，此時L1,、C1將要提供50mA的負載電流，而平時穩(wěn)定工作中L1只提供25mA的電流,，剩下電流只能從電容C1中獲取,，使得C1上的電壓即+5V電平下降比較大。這將持續(xù)半個開關(guān)周期,，直到開關(guān)管Q1打開,。如果開關(guān)電源的開關(guān)頻率是100KHz，而ADC芯片數(shù)據(jù)Dout的通訊頻率也是100KHz左右,，將引起輸出+5V電壓頻繁波動,，造成更大的輸出紋波。在示波器上甚至能看到噪聲反饋在+24V輸入上,。
　　上面只是理論分析的最壞情況,，實際應(yīng)用中，濾波電容等器件的非理想性,、PCB布線等等,，將使得電源紋波更大，ADC采樣結(jié)果不穩(wěn)定,。有的微功率型隔離DC/DC,，或者如電荷泵器件，只有開關(guān)管的周期性開關(guān)動作,，而沒有上述采樣,、反饋電路，輸出更容易受到負載不穩(wěn)定的影響,，使得ADC采樣結(jié)果更不穩(wěn)定,。
比較好的解決辦法
　　1. 設(shè)法降低開關(guān)電源的負載變化，因為雖然目前開關(guān)電源的工作頻率已到幾百kHz以上,，但開關(guān)電源的負載響應(yīng)時間仍至少要幾個μs,，低于目前大多ADC采樣的速度。比如采用光耦6N137就比6N136好,，因為6N137只是靜態(tài)電流比較大,，而它需要的二極管導(dǎo)通電流小，使得電源的負載變化不會很大,?；蛘卟话涯M+5V電源接到小功率的開關(guān)電源輸出上，而接到其它功率比較大的開關(guān)電源輸出上,，避免開關(guān)電源輸出受到負載變動的影響,。同樣一個值得注意的問題是，不要使用ADC芯片的Ready,、Dout,、Din等引腳直接驅(qū)動光耦,，最好通過光耦驅(qū)動電路，使得模擬和數(shù)字電源得到很好地相互隔離,，避免在光耦開關(guān)時,，有大的電流越過ADC芯片。
　　2. 開關(guān)電源后加LDO等輸出電壓紋波小的器件,，再供給信號調(diào)理電路,、ADC芯片，保證模擬電路電源的穩(wěn)定,。
　　3. 如果在開關(guān)電源后加LC濾波,，將LC濾波后的電源供給數(shù)字部分，此時應(yīng)該針對不同的負載電流大小,，選擇相應(yīng)的L,、C數(shù)值,，必要的時候,，要通過一定的計算、仿真及試驗來加以確定,。電感,、電容不能過大，否則難以響應(yīng)負載（光耦開/關(guān)）的變化,。建議開關(guān)電源輸出直接供給數(shù)字部分;同時經(jīng)過LC濾波或者RC濾波,，再供給信號調(diào)理電路、ADC芯片,。在采用LC濾波時,，還需要注意LC的諧振頻率要遠遠偏離開關(guān)電源工作頻率。比如濾波RC電路的電阻R可以取10Ω左右,，電容取10μF左右,。
　　4. 其它常規(guī)的方法也特別重要，如信號調(diào)理電路,、ADC芯片的電源和地,，要同光耦等數(shù)字部分的電源和地分開走線，最后單點連接,?；蛘邇烧卟捎脙蓚€DC/DC電路分別給ADC芯片等模擬電路和光耦等數(shù)字電路供電。原因和上文分析一樣,，也是為了更好的避免數(shù)字,、模擬之間電源的相互干擾。
開關(guān)電源對運算放大器的影響及解決方法
　　一般模擬量信號進入ADC芯片之前,，要利用運算放大器進行信號調(diào)理,，以提供必要的電平變換,、濾波、ADC芯片驅(qū)動等等,。運算放大器與ADC相接口時,，容易受到電源的影響，從而也影響ADC芯片采集的穩(wěn)定,。圖2是運算放大器與ADC的典型接口圖,。
　　

圖2：運算放大器與ADC的典型接口圖
　　大多ADC芯片內(nèi)部的模擬輸入端都具有一個采樣電容Cin，電阻R1對運放輸出限流,，數(shù)倍于采樣電容的陶瓷電容C1使得開關(guān)SW合上的瞬間,，通過C1迅速給采樣電容Cin充電。R1,、C1的具體數(shù)值,，與運放的穩(wěn)定性、建立時間,、ADC采樣時間,、需要的采樣精度有關(guān)。
　　這里要指出的是,，在上述過程中,，運放的電源也會起很大的作用。在運放對電容充電期間,，瞬間需要較大的電流,，而開關(guān)電源的負載響應(yīng)時間不夠，將造成比較大的電源紋波,，影響運放的輸出,。比如采用C1=10Cin=250pF，則當(dāng)SW從別的通道（假設(shè)為-5V）切到AI0通道（假設(shè)+5V）時,，Cin從-5V切換到C1上的電壓+5V,，C1迅速給Cin充電，最終電壓為（5V×10-5V）/11=4.09V,，運放輸出要從5V變到4.09V,，R1太小容易帶來運放輸出穩(wěn)定性問題，同時也會對運放輸出電流帶來沖擊,，影響電源電壓,。
　　特別是在采用電荷泵給運放-VCC提供小的負電源時，電荷泵輸出電壓隨負載增大而降低的特性使得效果更加明顯,。比較發(fā)現(xiàn),，運放采用直流線性穩(wěn)壓電源時，12位的ADC采集結(jié)果很穩(wěn)定,，結(jié)果變動可達1LSB以下;相比之下,，采用電荷泵器件時,，如果電荷泵輸出沒有大的濾波，ADC采集結(jié)果晃動可達3LSB,。如果增大R1為100Ω時,，C1=10Cin，不考慮運放輸出電阻時,，需要運放輸出電流的最大值為（5-4.09）V/100Ω=9.1mA）,，小于一般運放的最大輸出電流。但R1太大,，將明顯降低ADC所能采集到的信號頻率,，在ADC對該通道“跟蹤”期間，運放無法完成對C1和Cin充電,，使得該次采樣與運放輸入端電壓相差較大,，會造成諧波失真。
　　解決辦法除了前文描述的以外,，同時還可以采用以下方法：
　　1. 運放的正負電源對地除并接一個10～22μF大電容以減少電源紋波外,，再并接一個0.1～1μF的小陶瓷電容，以通過0.1～1μF高頻去耦電容的作用,，避免負載電容的瞬間充電對電源的影響,。效果類似于數(shù)字芯片電源和地之間加的去耦電容,。
　　2. 增大圖2中ADC前端電阻R1,，減小運放的輸出電流，能起到一定的濾波作用,。當(dāng)然R1大的話,，將衰減通過運放的信號。
開關(guān)電源對參考源的影響及解決方法
　　有的ADC芯片要外部提供參考源,，這時外部參考源的供電,，也需要參照前文所述的處理方法，采取在輸入端加濾波等措施,。同時注意,，對連續(xù)逼近（SAR）型ADC芯片，如TLC2543芯片,，采樣,、保持后的內(nèi)部每次電壓轉(zhuǎn)換，都需要將采集電壓和參考源的1/2,、1/4,、1/8等組合相比較，以確定相應(yīng)n位ADC結(jié)果的第（n-1）位,、第（n-2）位等,，參考源的分壓是通過電容實現(xiàn)的,。
　　這樣，對應(yīng)轉(zhuǎn)換每位均需要將參考源VREF通過開關(guān)接到相應(yīng)分壓電容上,，對參考源而言,，將看到一個變化的容性負載，從而產(chǎn)生了上文所說的問題,。如果ADC芯片內(nèi)部沒有參考源緩沖電路,，而外部參考源的容性負載能力又不夠時，需要在外部參考源輸出端,，串一個緩沖器,，再通過一個RC電路接到ADC芯片的參考源輸入端。其它處理方法,，同上文所述,，如在外部參考源的電源端，并接一個10～22μF大電容和一個0.1～1μF的小陶瓷電容等,。
本文小結(jié)
　　本文雖然針對SAR型ADC進行分析,、處理，但其應(yīng)用原理,，對各種ADC都有參考價值,。仔細分析各個環(huán)節(jié)的工作原理，采取一定的對策,，就能在模擬量采集系統(tǒng)中,，使用廉價的開關(guān)電源，而又獲得極佳的采集性能,。