AD7780 在電子秤應(yīng)用中的輻射抗擾度性能
簡介
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201610/306715.htmAD7780是一款包含PGA的低噪聲、低功耗、24位∑-△型轉(zhuǎn)換器。AD7780用于低端到中端的電子秤系統(tǒng)。作為發(fā)布過程的一部分,測試了電子秤系統(tǒng)的輻射抗擾度。本應(yīng)用筆記介紹如何實(shí)現(xiàn)AD7780的最佳抗輻射性能,在設(shè)計(jì)印刷電路板(PCB)的過程中考慮了電路板布局和元件放置的影響。根據(jù)IEC 61000-4-3標(biāo)準(zhǔn)對整套系統(tǒng)(ADC、PCB和稱重傳感器)進(jìn)行了輻射抗擾度測試。
輻射抗擾度
輻射抗擾度測試按照IEC 61000-4-3標(biāo)準(zhǔn)中的說明進(jìn)行。磁場強(qiáng)度為10 V/m,RF頻率從80 MHz掃至1 GHz。根據(jù)規(guī)范,器件的分類如下:
● A類:在制造商、請求者或購買者指定的限制范圍內(nèi)性能正常。
● B類:暫時(shí)喪失功能或性能暫時(shí)降低,這種現(xiàn)象在干擾停止后消失,然后受測設(shè)備就會恢復(fù)正常性能,無需操作人員介入。
● C類:暫時(shí)喪失功能或性能暫時(shí)降低,需要操作人員介入才能解決此問題。
● D類:因?yàn)橛布蜍浖p壞或者數(shù)據(jù)丟失而導(dǎo)致功能喪失或性能降低,并且無法恢復(fù)。
ADC在頻率掃描期間持續(xù)轉(zhuǎn)換。本應(yīng)用筆記中通篇提到的誤差是指有RF頻率和沒有RF頻率時(shí)的ADC轉(zhuǎn)換之間的最大偏差。
要讓一套電子秤系統(tǒng)算得上A類,那么存在RF干擾時(shí)允許的誤差e為
輻射抗擾度測試分析
設(shè)置
圖1是輻射抗擾度測試所用電路的框圖。AD7780配置如下:
輸出數(shù)據(jù)速率 = 10 Hz
增益 = 128
AD7780采用3.3 V電源供電。此電源還用于激勵(lì)稱重傳感器。稱重傳感器采用6線,靈敏度為2 mV/V。
誤差
正如“輻射抗擾度”部分所述,允許的誤差e為
±滿量程輸出/2n
其中n為計(jì)數(shù)次數(shù)。誤差相當(dāng)于±0.5次。
本應(yīng)用筆記中的目標(biāo)是設(shè)計(jì)一種次數(shù)為3000且歸為A類的電子秤系統(tǒng),并且在實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)時(shí)稱重傳感器的激勵(lì)電壓為3.3 V。在靈敏度為2 mV/V且激勵(lì)電壓為3.3 V的情況下,稱重傳感器的最大信號為6.6 mV。為了使用稱重傳感器最具線性的部分,常常僅使用此范圍的三分之二。這樣就將稱重傳感器的滿量程輸出電壓降到了4.4 mV。
對于3000次的精度,1次為
1次 = 4.4 mV/3000 = 1.46 μV
±0.5次 = ±1.46 μV/2 = ±0.73 μV
存在RF頻率的情況下,誤差必須小于±0.73 μV。應(yīng)用中的稱重傳感器可接受的最大重量為2 kg,因此誤差需要小于±2 kg/(2 × 3000) = ±0.33 g,這樣可以確保數(shù)字顯示屏不受RF干擾的影響。
圖1. AD7780的測試設(shè)置
印刷電路板
標(biāo)準(zhǔn)AD7780評估板專用于提供最佳的模數(shù)轉(zhuǎn)換性能。不過,它沒有針對EMC進(jìn)行優(yōu)化。例如,標(biāo)準(zhǔn)AD7780評估板包含一些可容許不同電源選項(xiàng)的鏈路(垂直引腳),可用于噪聲測試連接;這些接頭充當(dāng)著天線的作用。此外,模擬和數(shù)字輸入端并未針對位置和元件大小(采用0603元件)進(jìn)行濾波優(yōu)化。然而,將此評估板用作起點(diǎn),展開的調(diào)查重點(diǎn)突出了EMC造成的不利影響。有關(guān)詳情,請參見“結(jié)果”部分。對接地、元件位置和增加額外濾波進(jìn)行了全面考察。所有階段都維持ADC性能。
總而言之,取得以下重要發(fā)現(xiàn)
●評估板上不應(yīng)該包含接頭選項(xiàng)(垂直引腳)。這些接頭充當(dāng)著天線的作用。因此,用焊接線替代這些接頭選項(xiàng)。
●印刷電路板應(yīng)該為4層,模擬輸入端和參考輸入端埋入內(nèi)層中。應(yīng)該使用一個(gè)接地層。用地線填充電路板的頂面和底面。此外,也用地線填充內(nèi)層。應(yīng)該包含多個(gè)通孔,以便最大限度地降低整個(gè)電路板的電位差。對于所需通孔的密度,沒有硬性規(guī)定。在AD7780評估板上,ADC以及模擬和參考輸入端的濾波周圍有一圈通孔。一般而言,評估板上的任何孤島也都應(yīng)該有通孔,通孔數(shù)量大于1即可。頂面和底面上的任何走線都應(yīng)該盡可能短,因?yàn)樽呔€也充當(dāng)著天線的作用。
●建議在模擬和參考輸入端采用濾波。圖1顯示了通常對模擬和參考輸入端建議的R和C值。這種濾波可在AD7780的采樣頻率(64 kHz)和多種其他采樣頻率下提供衰減。AD7780本身不在這些頻率條件下提供任何衰減。電容需要盡可能接近AD7780的模擬輸入端和參考輸入端,這樣可以最大限度地減小元件與ADC之間的走線長度。使用物理尺寸較小的元件讓用戶能夠?qū)⒃胖玫酶拷_。布局應(yīng)該確保從引腳到元件的走線長度很好地匹配。
●除了這些濾波器之外,如圖1所示在R和L位置增加額外的濾波可以進(jìn)一步增強(qiáng)抗擾度。此濾波器位于接至稱重傳感器的連接器上。為實(shí)現(xiàn)最佳結(jié)果,評估了各種形式的L(L2、L3、L4和L5)和C(C38、C39和C40)值組合。“物料清單”部分列出了最終選擇的元件。
●電源通過與0.1 μF電容并聯(lián)的10 μF電容去耦。同樣,這些元件應(yīng)該盡可能靠近AD7780的電源引腳。模擬電源用作稱重傳感器的激勵(lì)電壓,稱重傳感器則用作ADC的基準(zhǔn)。因此,電源走線也埋入內(nèi)層中。
圖2. 標(biāo)準(zhǔn)AD7780評估板的頂面
圖3. AD7780 EMC板的頂面
結(jié)果
在調(diào)研之后,我們開發(fā)了針對抗輻射干擾的優(yōu)化印刷電路板(見圖3)。本應(yīng)用筆記的“評估板原理圖與PCB布局圖”部分提供了評估板的原理圖和布局圖。使用此評估板和物料清單所列的元件時(shí),測得的最大誤差超過了e。圖4顯示了RF頻率從80 MHz掃至1 GHz的情況下從AD7780讀取的轉(zhuǎn)換。測試期間,對稱重傳感器施加的重量保持恒定。
測得的誤差為1.79 μV,高于e。這相當(dāng)于0.81 g。但是,在有RF干擾的情況下,ADC會繼續(xù)發(fā)揮作用,一旦干擾清除就會自動恢復(fù)到額定范圍內(nèi)。因此,就輻射抗擾度而言,該電子秤系統(tǒng)為B類。
圖4. AD7780 EMC板的誤差與頻率
為了對比,圖5顯示了測試輻射抗擾度時(shí)從標(biāo)準(zhǔn)AD7780評估板讀取的轉(zhuǎn)換。在有RF干擾的情況下,此評估板的誤差為2101 μV,相當(dāng)于955 g。
圖5. AD7780評估板的輻射抗擾度
這種對比突出了布局、元件選擇和元件放置的重要性,妥善考慮這些因素將能實(shí)現(xiàn)最佳的輻射抗擾度性能。
為了進(jìn)一步增強(qiáng)器件的輻射抗擾度,可以在AD7780和輔助元件外裝上一層銅制屏蔽罩。這樣可將系統(tǒng)提升至A類。
結(jié)論
優(yōu)化電子秤系統(tǒng)輻射抗擾度性能的關(guān)鍵因素是電路板布局以及元件的放置和選擇。遵循本應(yīng)用筆記中介紹的布局做法時(shí),根據(jù)IEC 61000-4-3,電子秤系統(tǒng)將為B類。在有RF干擾的情況下,電子秤系統(tǒng)會繼續(xù)工作,但系統(tǒng)精度會超出額定范圍。清除RF干擾后,電子秤系統(tǒng)的精度會自動恢復(fù)到額定范圍內(nèi)。利用銅制屏蔽罩可將輻射抗擾度提升至A類。
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