AD7780 在電子秤應用中的輻射抗擾度性能

簡(jiǎn)介

AD7780是一款包含PGA的低噪聲、低功耗、24位∑-△型轉換器。AD7780用于低端到中端的電子秤系統。作為發(fā)布過(guò)程的一部分，測試了電子秤系統的輻射抗擾度。本應用筆記介紹如何實(shí)現AD7780的最佳抗輻射性能，在設計印刷電路板(PCB)的過(guò)程中考慮了電路板布局和元件放置的影響。根據IEC 61000-4-3標準對整套系統(ADC、PCB和稱(chēng)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標準中的說(shuō)明進(jìn)行。磁場(chǎng)強度為10 V/m，RF頻率從80 MHz掃至1 GHz。根據規范，器件的分類(lèi)如下：

● A類(lèi)：在制造商、請求者或購買(mǎi)者指定的限制范圍內性能正常。

● B類(lèi)：暫時(shí)喪失功能或性能暫時(shí)降低，這種現象在干擾停止后消失，然后受測設備就會(huì )恢復正常性能，無(wú)需操作人員介入。

● C類(lèi)：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(wèn)題。

● D類(lèi)：因為硬件或軟件損壞或者數據丟失而導致功能喪失或性能降低，并且無(wú)法恢復。

ADC在頻率掃描期間持續轉換。本應用筆記中通篇提到的誤差是指有RF頻率和沒(méi)有RF頻率時(shí)的ADC轉換之間的最大偏差。

要讓一套電子秤系統算得上A類(lèi)，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：

輸出數據速率 = 10 Hz

增益 = 128

AD7780采用3.3 V電源供電。此電源還用于激勵稱(chēng)重傳感器。稱(chēng)重傳感器采用6線(xiàn)，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(mǎn)量程輸出/2n

其中n為計數次數。誤差相當于±0.5次。

本應用筆記中的目標是設計一種次數為3000且歸為A類(lèi)的電子秤系統，并且在實(shí)現此目標時(shí)稱(chēng)重傳感器的激勵電壓為3.3 V。在靈敏度為2 mV/V且激勵電壓為3.3 V的情況下，稱(chēng)重傳感器的最大信號為6.6 mV。為了使用稱(chēng)重傳感器最具線(xiàn)性的部分，常常僅使用此范圍的三分之二。這樣就將稱(chēng)重傳感器的滿(mǎn)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。應用中的稱(chēng)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，這樣可以確保數字顯示屏不受RF干擾的影響。

圖1. AD7780的測試設置

印刷電路板

標準AD7780評估板專(zhuān)用于提供最佳的模數轉換性能。不過(guò)，它沒(méi)有針對EMC進(jìn)行優(yōu)化。例如，標準AD7780評估板包含一些可容許不同電源選項的鏈路(垂直引腳)，可用于噪聲測試連接;這些接頭充當著(zhù)天線(xiàn)的作用。此外，模擬和數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(kāi)的調查重點(diǎn)突出了EMC造成的不利影響。有關(guān)詳情，請參見(jiàn)“結果”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

●評估板上不應該包含接頭選項(垂直引腳)。這些接頭充當著(zhù)天線(xiàn)的作用。因此，用焊接線(xiàn)替代這些接頭選項。

●印刷電路板應該為4層，模擬輸入端和參考輸入端埋入內層中。應該使用一個(gè)接地層。用地線(xiàn)填充電路板的頂面和底面。此外，也用地線(xiàn)填充內層。應該包含多個(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(méi)有硬性規定。在A(yíng)D7780評估板上，ADC以及模擬和參考輸入端的濾波周?chē)幸蝗ν?。一般而言，評估板上的任何孤島也都應該有通孔，通孔數量大于1即可。頂面和底面上的任何走線(xiàn)都應該盡可能短，因為走線(xiàn)也充當著(zhù)天線(xiàn)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A(yíng)D7780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(xiàn)長(cháng)度。使用物理尺寸較小的元件讓用戶(hù)能夠將元件放置得更靠近引腳。布局應該確保從引腳到元件的走線(xiàn)長(cháng)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)一步增強抗擾度。此濾波器位于接至稱(chēng)重傳感器的連接器上。為實(shí)現最佳結果，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(guò)與0.1 μF電容并聯(lián)的10 μF電容去耦。同樣，這些元件應該盡可能靠近AD7780的電源引腳。模擬電源用作稱(chēng)重傳感器的激勵電壓，稱(chēng)重傳感器則用作ADC的基準。因此，電源走線(xiàn)也埋入內層中。

圖2. 標準AD7780評估板的頂面

圖3. AD7780 EMC板的頂面

結果

在調研之后，我們開(kāi)發(fā)了針對抗輻射干擾的優(yōu)化印刷電路板(見(jiàn)圖3)。本應用筆記的“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(guò)了e。圖4顯示了RF頻率從80 MHz掃至1 GHz的情況下從AD7780讀取的轉換。測試期間，對稱(chēng)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。這相當于0.81 g。但是，在有RF干擾的情況下，ADC會(huì )繼續發(fā)揮作用，一旦干擾清除就會(huì )自動(dòng)恢復到額定范圍內。因此，就輻射抗擾度而言，該電子秤系統為B類(lèi)。

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)從標準AD7780評估板讀取的轉換。在有RF干擾的情況下，此評估板的誤差為2101 μV，相當于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)現最佳的輻射抗擾度性能。

為了進(jìn)一步增強器件的輻射抗擾度，可以在A(yíng)D7780和輔助元件外裝上一層銅制屏蔽罩。這樣可將系統提升至A類(lèi)。

結論

優(yōu)化電子秤系統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。遵循本應用筆記中介紹的布局做法時(shí)，根據IEC 61000-4-3，電子秤系統將為B類(lèi)。在有RF干擾的情況下，電子秤系統會(huì )繼續工作，但系統精度會(huì )超出額定范圍。清除RF干擾后，電子秤系統的精度會(huì )自動(dòng)恢復到額定范圍內。利用銅制屏蔽罩可將輻射抗擾度提升至A類(lèi)。