儘管在模擬量採集系統中，對adc晶元等的供電一般建議最好不用電源 target=_blank>開關電源 ，以避免其固有的紋波大、雜訊等問題，但電源 target=_blank>開關電源 仍以其高效率、低**等優點得到廣泛應用，尤其是在工業控制等領域。本文介紹電源 target=_blank>開關電源 在模擬量採集系統中的應用，並對可能出現的一些問題進行分析。
電源 target=_blank>開關電源 對adc晶元工作的影響及解決方法
電源 對adc晶元的影響，除了體現在電源 抑制比（psrr）引數上，還表現在，當adc晶元對輸入的模擬訊號進行取樣、保持、轉換時，電源 電壓、參考地的變化，都會對adc晶元內部取樣電路、比較器等的工作產生影響，使得採集結果出現晃動。因此，一般adc晶元特別是高精度adc晶元，都建議最好用***的線性電源 供電。如果採用電源 target=_blank>開關電源 ，則需要盡力避免它對adc晶元產生影響。
圖1：電源 target=_blank>開關電源 在模擬量採集系統中的典型應用圖
圖1是乙個典型的應用，其中模擬取樣用的訊號調理電路、adc和現場模擬訊號不隔離，adc晶元和cpu電源 相互隔離。cpu採用控制系統 內部電源 。而adc的+5v電源 是由+24v電源 經過+24v到+5v電源 變換而來的。圖中左側部分是典型的串聯、降壓非隔離型dc-dc變換器的原理框圖。設計中，可以根據開關管的開關頻率、+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。
為了分析出電源 target=_blank>開關電源 對 adc晶元的影響，這裡假設訊號調理電路及adc晶元正常執行的耗電是25ma/+5v，對於光耦部分，如果採用6n136、tlp521等三極體輸出型 的光耦，則當cpu不啟動adc工作時，光耦全不導通，耗電小於1ma;當cpu啟動adc工作時，將有資料輸出dout、資料準備好ready等訊號經 過光耦，光耦處於導通狀態，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。正常電源 target=_blank>開關電源 設計的輸出電流應該2倍於最大負載電流，這裡設為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取樣穩定性。
電源 target=_blank>開關電源 的 工作原理是，平時q1的週期性開關動作，再經過l1、c1，得到所需要的輸出;而當輸出+5v電壓發生上公升/下降超過一定限度（如幾十毫伏），經過取樣、 反饋後，開關控制電路控制q1的開關，使得輸出電壓向+5v回歸。在+5v負載比較恆定的情況下，輸出+5v的最大紋波，可以根據取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）、開關頻率等計算出來。
但如果是圖1中帶光耦的情況，電源 target=_blank>開關電源 的 輸出不僅供給相對恆定的負載（如訊號調理電路、adc晶元），而且還要供給光耦等數字部分電路，有可能發生最壞的情況是，當開關管q1正處於上述穩定工作 中的關斷時刻，光耦突然被adc導通，此時l1、c1將要提供50ma的負載電流，而平時穩定工作中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。這將持續半個開關週期，直到開關管q1開啟。如果電源 target=_blank>開關電源 的開關頻率是100khz，而adc晶元資料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 上甚至能看到雜訊反饋在+24v輸入上。
上面只是理論分析的最壞情況，實際應用中，濾波電容 等器件 的非理想性、pcb佈線等等，將使得電源 紋波更大，adc取樣結果不穩定。有的微功率型隔離dc/dc，或者如電荷幫浦
器件 ，只有開關管的週期性開關動作，而沒有上述取樣、反饋電路，輸出更容易受到負載不穩定的影響，使得adc取樣結果更不穩定。
比較好的解決辦法
1. 設法降低電源 target=_blank>開關電源 的負載變化，因為雖然目前電源 target=_blank>開關電源 的工作頻率已到幾百khz以上，但電源 target=_blank>開關電源 的負載響應時間仍至少要幾個μs，低於目前大多adc取樣的速度。比如採用光耦6n137就比6n136好，因為6n137只是靜態電流比較大，而它需要的二極體導通電流小，使得電源 的負載變化不會很大。或者不把模擬+5v電源 接到小功率的電源 target=_blank>開關電源 輸出上，而接到其它功率比較大的電源 target=_blank>開關電源 輸出上，避免電源 target=_blank>開關電源 輸出受到負載變動的影響。同樣乙個值得注意的問題是，不要使用adc晶元的ready、dout、din等引腳直接驅動光耦，最好通過光耦驅動電路，使得模擬和數字電源 得到很好地相互隔離，避免在光耦開關時，有大的電流越過adc晶元。
2. 電源 target=_blank>開關電源 後加ldo等輸出電壓紋波小的器件 ，再供給訊號調理電路、adc晶元，保證模擬電路電源 的穩定。
3. 如果在電源 target=_blank>開關電源 後加lc濾波，將lc濾波後的電源 供給數字部分，此時應該針對不同的負載電流大小，選擇相應的l、c數值，必要的時候，要通過一定的計算、**及試驗來加以確定。電感、電容 不能過大，否則難以響應負載（光耦開/關）的變化。建議電源 target=_blank>開關電源 輸出直接供給數字部分;同時經過lc濾波或者rc濾波，再供給訊號調理電路、adc晶元。在採用lc濾波時，還需要注意lc的諧振頻率要遠遠偏離電源 target=_blank>開關電源 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. 其它常規的方法也特別重要，如訊號調理電路、adc晶元的電源 和地，要同光耦等數字部分的電源 和地分開走線，最後單點連線。或者兩者採用兩個dc/dc電路分別給adc晶元等模擬電路和光耦等數位電路供電。原因和上文分析一樣，也是為了更好的避免數字、模擬之間電源 的相互干擾。
電源 target=_blank>開關電源 對運算放大器的影響及解決方法
一般模擬量訊號進入adc晶元之前，要利用運算放大器進行訊號調理，以提供必要的電平變換、濾波、adc晶元驅動等等。運算放大器與adc相介面時，容易受到電源 的影響，從而也影響adc晶元採集的穩定。圖2是運算放大器與adc的典型介面圖。
圖2：運算放大器與adc的典型介面圖
大多adc晶元內部的模擬輸入端都具有乙個取樣電容 cin，電阻 r1對運放輸出限流，數倍於取樣電容 的陶瓷電容 c1使得開關sw合上的瞬間，通過c1迅速給取樣電容 cin充電。r1、c1的具體數值，與運放的穩定性、建立時間、adc取樣時間、需要的取樣精度有關。
這裡要指出的是，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，而電源 target=_blank>開關電源 的負載響應時間不夠，將造成比較大的電源 紋 波，影響運放的輸出。比如採用c1=10cin=250pf，則當sw從別的通道（假設為-5v）切到ai0通道（假設+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 輸出穩定性問題，同時也會對運放輸出電流帶來衝擊，影響電源 電壓。
特別是在採用電荷幫浦 給運放-vcc提供小的負電源 時，電荷幫浦 輸出電壓隨負載增大而降低的特性使得效果更加明顯。比較發現，運放採用直流線性電源 target=_blank>穩壓電源 時，12位的adc採集結果很穩定，結果變動可達1lsb以下;相比之下，採用電荷幫浦
器件 時，如果電荷幫浦 輸出沒有大的濾波，adc採集結果晃動可達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），小於一般運放的最大輸出電流。但r1太大，將明顯降低adc所能採集到的訊號頻 率，在adc對該通道「跟蹤」期間，運放無法完成對c1和cin充電，使得該次取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，同時還可以採用以下方法：
1. 運放的正負電源 對地除並接乙個10～22μf大電容 以減少電源 紋波外，再並接乙個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。效果類似於數字晶元電源 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。當然r1大的話，將衰減通過運放的訊號。
電源 target=_blank>開關電源 對參考源的影響及解決方法
有的adc晶元要外部提供參考源，這時外部參考源的供電，也需要參照前文所述的處理方法，採取在輸入端加濾波等措施。同時注意，對連續逼近（sar）型 adc晶元，如tlc2543晶元，取樣、保持後的內部每次電壓轉換，都需要將採集電壓和參考源的1/2、1/4、1/8等組合相比較，以確定相應n位 adc結果的第（n-1）位、第（n-2）位等，參考源的分壓是通過電容 實現的。
這樣，對應轉換每位均需要將參考源vref通過開關接到相應分壓電容 上， 對參考源而言，將看到乙個變化的容性負載，從而產生了上文所說的問題。如果adc晶元內部沒有參考源緩衝電路，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，串乙個緩衝器，再通過乙個rc電路接到adc晶元的參考源輸入端。其它處理方法，同上文所述，如在外部參考源的電源 端，並接乙個10～22μf大電容 和乙個0.1～1μf的小陶瓷電容 等。
本文小結
本文雖然針對sar型adc進行分析、處理，但其應用原理，對各種adc都有參考價值。仔細分析各個環節的工作原理，採取一定的對策，就能在模擬量採集系統中，使用廉價的電源 target=_blank>開關電源 ，而又獲得極佳的採集效能。
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