模拟信号和数字信号-为什么不能在一起

限制ADC分辨率最主要的因素是噪声，然而电路设计中数字电路产生大量的噪声。

中间省略掉一段故事。

在数字电路中增加ADC分辨率不是一件容易的事情，这个观点通常发生在12位分辨率即以上。难道模拟信号和数字信号就不能在一起了？答案是可以，如果增加一些基础的规则在里面。

一个客户告诉我（如图一）应用。它包含了两个主要的功能：采用一个参考电压为1.024V，16位ADC读取一个模拟传感器的值，然后使用PWM控制LED的发光强度。这个客户非常生气的抱怨我们的ADC质量有问题。他采用以前旧的10位ADC在电路板上实现了想要的功能。

通过询问了他一些问题之后，我意识到问题的关键是在数字信号的回环电路和细小的线阻抗影响了模拟线路。这个数字信号已经接近16位了，布线上变得不是那么容易了。我提出一些建议，按照这个建议ADC实现了预期的效果。

首先，ADC的分辨率为1.024/65536，或者LSB是15.6uV。这是一块双面板。四层板有专门的地线层将非常的好，但是一块双面板可以节省花费。使得数字地和模拟地连接在一起。

设计者告诉他这样做是因为他的设计没有提供两组分开的电源，因此不必要分开地线。这是一个错误的观点。任何电源输入噪声都被模拟PSRR减少。无论如何，任何噪声被加入到地网中都会影响测量的精度。

在这种情况下，4-mA的LED方波信号经过数字地节点进入了公共地。这里有一个细小的阻抗电路中（线阻）（trace）。这条布线（trace）是8mils宽0.25in长，0.5-oz（0.7mil）的厚度。一般情况下，电路板的铜皮厚度是在1-oz（1.4mil）。但是作为电源来说就太少了，0.5-oz是非常的不足。一根0.008到0.25-in厚度为0.5-oz的铜皮导线电阻是31.25mΩ。

4-mA 的LED电流循环经过数字地节点引起了125-uV或者8-LSB电压信号经过这个线路中。ADC的模拟地直接连接在了数字地的节点上，造成了125uV的干扰信号到传感器的地线上。如果这条线路（trace）增加到32mils的宽度同时这块电路板使用1-oz的铜皮，这个线路（trace）的电阻将会降低到3.9mΩ，干扰电压降低到31uV或者是2LSB，但是这不是最好的方案。因此非常有必要将地网分开。

应该有一个模拟地通道和数字地通道，它们应该有一个单点相连接。早在使用多层板时，我们归纳了一个观点所有的地都被返回作为“Mecca”。这就是为什么所有的屏蔽都要连接在一起。

较好的方式是分开提供模拟电路和数字电路的电源。使用一个PSRR是90dB，100mV的噪声信号将会给ADC的输入提供3uV的噪声。如果双电源不好提供，我们可以让它像双电源。意思就是说模拟电源节点和数字电源节点都有自己的通路

对于数字电路的电源供给，一个电容旁路就足够了。对于模拟电路的电源供给，你也许要考虑加入R-C或者L-C旁路。同时降低LED工作电路电流位置使得它在数字地的源头（详情可以见图二）。这样保持了电流通路独立于器件接地点。最后，这种方法在ADC读取传感器电压的时候精度会发生改变。选择一个ADC的时候最好是选择能够被用来任意单信号输入或者差动输入。

图二就是改进后的电路，花费了很少的钱。这个改变需要给模拟通路增加额外的电阻和电容。数字信号和地网分开。电路板采用了1-oz厚度的铜皮，同时使trace的宽度尽量的大。

理想的是让地网可以帮助减少阻抗回到Mecca。此外，你也许需要尽量保证多的铜皮在电路板上

 

我收到了一个读者ED的信件关于电容的。在早期的杂志中我举了关于我谈论NPO电容器的经验法则(见“Don’t Let Fear Of Risk Dictate Your ADC Selection”)。ED纠正我的NP0（en pee zero），写到我们在30年前叫它COGs（see oh gee），有时候我对它们很疑惑。

我在Cypress做快速测量工程师的时候，这里的应用电子工程师犯了许多错误。这些集成电路设计者甚至不知道我说的什么意思。

人们在说一个数字的时候经常说“oh”。我猜测他们说错的原因是因为它更容易卷舌。我指责电话公司使用0来标示刻度盘。 

 图一：

 

 

 

图二：

 

 

 

 

欢迎各位网友指证错误。

原文链接:

http://electronicdesign.com/article/analog-and-mixed-signal/analog_and_digital_why_can_t_they_get_along.aspx