ADC采样中如何消除电源纹波对微弱信号（<10mV）的干扰？

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在ADC采样中消除电源纹波对微弱信号（<10mV）的干扰是一个系统工程，需要从电源设计、PCB布局、信号调理、ADC选择和数字后处理等多个层面着手。以下是详细的关键策略：

? 核心策略：降低电源纹波幅值 + 提高信号链抗干扰能力

? 1. 电源设计与滤波 (从源头扼杀纹波)

• 使用超低噪声电源:
  
  
  
  • 首选: 使用超低噪声低压差线性稳压器 (LDO) 为模拟部分（传感器、前置放大器、ADC模拟电源、ADC参考电压）供电。LDO本身产生的噪声极低。
  
  
  • 关注PSRR: 选择在目标频率范围内（尤其是电源纹波主要频谱，如开关电源的开关频率及其谐波）具有高电源抑制比 (PSRR) 的LDO。PSRR越高，抑制纹波的能力越强。仔细查阅LDO数据手册的PSRR vs Frequency曲线。
  
  
  • 多级稳压: 如果系统必须使用开关电源 (SMPS)，务必在其后级联一级甚至两级LDO进行稳压和滤波。SMPS -> LDO1 (提供中等电流/初级滤波) -> LDO2 (为关键模拟电路供电)。
  
  


• π型滤波网络:
  
  
  
  • 在每个模拟电源入口处（特别是ADC的AVDD、REF引脚）使用π型滤波电路：大容量钽电容/电解电容 (10uF-100uF) -> 铁氧体磁珠 -> 小容量陶瓷电容 (0.1uF, 0.01uF, 100pF)并联。
  
  
  • 目的: 大电容滤低频纹波，铁氧体磁珠阻抗高频噪声并将其转化为热量，小电容滤高频噪声（陶瓷电容ESR低，高频性能好）。
  
  
  • 电容选择: 使用低ESR电容。多个不同容值（如10uF, 1uF, 0.1uF, 0.01uF）的陶瓷电容并联可以提供更宽的滤波频带。
  
  


• 专用超低噪声参考电压源:
  
  
  
  • 为ADC使用独立、超低噪声的基准电压源IC，而不是直接使用供电电源。这至关重要！
  
  
  • 对基准源输出同样进行严格的π型滤波甚至额外LDO稳压。
  
  
  • 确保基准源具有足够的驱动能力和低温度漂移。
  
  


• 隔离电源:
  
  
  
  • 在要求极高的场合，考虑使用隔离DC-DC转换器模块或变压器绕组为模拟部分供电，物理上切断干扰传导路径。
  
  

? 2. PCB布局与布线 (切断耦合路径)

• 严格的接地设计:
  
  
  
  • 星型接地/单点接地: 模拟地 (AGND) 和数字地 (DGND) 在靠近ADC下方通过单点连接（通常是ADC的GND引脚或特意设计的接地点），避免地环路噪声耦合。
  
  
  • 完整的地平面: 至少使用双层板，为模拟部分提供完整、连续的接地平面，最小化地阻抗和地环路面积。
  
  
  • 分区隔离: 清晰划分模拟区域和数字区域。电源、模拟信号、数字信号走线严格分开，避免交叉。模拟区域远离开关电源、高速数字电路和时钟源。
  
  


• 电源走线优化:
  
  
  
  • 电源走线尽量短、宽、粗，减小电阻和电感。
  
  
  • 电源进入模拟区域后立即进行滤波。
  
  


• 去耦电容就近摆放:
  
  
  
  • 所有模拟电源引脚（包括传感器、运放、ADC的AVDD/DVDD、参考源）都必须就近（<1cm以内）连接高质量的去耦电容到其相应的地平面（通常是AGND）。典型用法：引脚 -> 0.1uF MLCC -> AGND 平面，有时再加一个更小（如0.01uF）或更大（如1uF或10uF）并联。
  
  


• 模拟信号路径保护:
  
  
  
  • 模拟信号线（特别是来自传感器的差分信号线）尽量短。
  
  
  • 使用差分信号传输（如仪表放大器输出）。
  
  
  • 屏蔽: 如果传感器线缆较长，使用屏蔽双绞线，并将屏蔽层在模拟端单点接地（通常是ADC的AGND）。
  
  
  • 保护环 (Guard Ring): 围绕极高阻抗节点或微弱信号走线敷设连接到低阻抗点（如放大器输出或稳定的直流电压）的保护环，吸收漏电流干扰。
  
  


• ADC参考引脚处理:
  
  
  
  • ADC的参考电压输入端 (REF+, REF-) 是最敏感的节点之一！必须使用超安静的参考源和极致的滤波。将去耦电容直接跨接在REF引脚和AGND之间，距离尽可能近。
  
  

? 3. 信号调理前端 (提升信号质量)

• 仪表放大器:
  
  
  
  • 对于差分传感器信号（如电桥、热电偶），使用仪表放大器进行第一级放大。仪表放大器具有极高的共模抑制比 (CMRR)，能有效抑制来自电源的共模干扰。
  
  


• 低通滤波:
  
  
  
  • 在ADC采样之前，加入抗混叠滤波器，它同时也是低通滤波器。根据有用信号的最大频率 (f_signal_max)，选择适当的截止频率 (f_cutoff) 和滚降斜率（阶数）。
  
  
  • 目的: 滤除远高于有用信号频率的外部噪声（包括高频电源纹波成分），防止其混叠到信号带宽内。对于<10mV信号，滤波器的设计和元件选择（低噪声运放、高精度电阻电容）至关重要。
  
  


• 增益设置:
  
  
  
  • 在保证不饱和的前提下，使用前置放大器将微弱的<10mV信号放大到接近ADC满量程范围 (FSR) 的较大值（例如0.1V - 2V）。放大有用信号本身就是在相对地抑制背景噪声（包括纹波）。
  
  


• 屏蔽与隔离:
  
  
  
  • 传感器及其引线妥善屏蔽，屏蔽层正确接地。考虑在传感器与ADC系统之间使用隔离放大器或线性光耦，彻底切断地环路。
  
  

? 4. ADC选择与配置 (利用ADC自身特性)

• 高分辨率Σ-Δ ADC:
  
  
  
  • 对于超低频（DC或慢变）微弱信号，优先选择高分辨率 (≥24位) Σ-Δ ADC。其工作原理（过采样 + 数字滤波）天然具有极强的抑制带外噪声（包括电源纹波）的能力。其内部数字滤波器（如Sinc³）在陷波频率处（如50Hz工频干扰）衰减很大。
  
  


• 关注ADC的PSRR和CMRR:
  
  
  
  • 查阅ADC数据手册，选择在干扰频谱上具有高PSRR和高CMRR的型号。
  
  


• 优化采样时钟:
  
  
  
  • 使用低抖动、干净的采样时钟源。时钟抖动会调制电源噪声，将其转换为信号带宽内的噪声。
  
  
  • 同步采样 (如果适用): 如果干扰源频率稳定且可知（如50/60Hz工频或其谐波），尝试使采样频率 (f_s) 或其整数倍 (N * f_s) 等于干扰频率 (f_interference)，这样干扰能量会集中在特定的离散频率点上，便于后续数字滤波移除 (f_interference = k * f_s / M，其中k, M为整数）。但需注意避免混叠。
  
  


• 差分输入:
  
  
  
  • 尽量使用ADC的差分输入模式。差分输入本身具有抑制共模噪声（包括通过传导耦合进来的电源纹波共模部分）的能力。
  
  

? 5. 数字后处理 (软件补偿)

• 数字滤波:
  
  
  
  • 陷波滤波器 (Notch Filter): 如果能精确知道电源纹波的主频率（如开关电源的100kHz，或工频50Hz），可以在数字域设计并应用陷波滤波器，精准滤除该频率及其主要谐波分量。需谨慎防止影响有用信号。
  
  
  • 低通滤波: 在ADC内部数字滤波器之后，如果信号带宽允许，可以进一步应用截止频率合适的数字低通滤波器（FIR或IIR）。
  
  


• 过采样与抽取 (Oversampling & Decimation):
  
  
  
  • 利用Σ-Δ ADC或配合外部高速ADC实现过采样。以远高于奈奎斯特频率 (f_s >> 2 * f_signal_max) 采样。
  
  
  • 对大量过采样数据进行数字低通滤波（抗混叠滤波）。
  
  
  • 对滤波后的数据进行抽取，降低数据速率到所需的有效采样率。
  
  
  • 效果: 显著提高信噪比 (SNR) 和有效位数 (ENOB)，本质上平均掉了高频噪声（包括高频电源纹波成分）。过采样4倍可额外获得1位分辨率。
  
  

? 诊断与调试

1. 示波器测量: 用示波器（最好用差分探头或尽量缩短地线）直接测量：
   
   
   
   • 关键模拟电源引脚上的噪声（纹波幅值、频谱）。
   
   
   • ADC参考电压引脚上的噪声。
   
   
   • 传感器输出端、放大器输出端的信号波形（检查是否被污染）。
   
   


2. 频谱分析仪: 分析电源噪声和ADC输出数据的频谱，找出干扰源的具体频率点，以便针对性设计滤波器和评估抑制效果。


3. 断开法测试: 尝试断开传感器或短接ADC输入端，看ADC输出读数是否稳定（接近0）。如果不稳定，干扰主要来自信号链本身（电源/地/参考）。

? 总结关键点

• 低噪LDO供电: 为模拟前端、ADC、参考源提供超稳定、超低噪声的电源。


• 极致滤波: 在所有电源入口（特别是ADC AVDD, REF）和每一级IC电源引脚处使用精心设计的π滤波和就近去耦电容。


• 黄金参考源: 使用专用、超低噪、良好滤波的基准源。


• 完美接地: 单点星型接地，完整模拟地平面，严格分区隔离。


• 信号放大与低通滤波: 前置放大微弱信号，并加入抗混叠/低通滤波器限制带宽。


• 差分传输与屏蔽: 尽量使用差分信号，对敏感线路进行屏蔽。


• 优选Σ-Δ ADC: 利用其过采样和数字滤波优势。


• 数字后处理: 过采样+抽取，必要时使用陷波滤波。

对于<10mV的微弱信号，电源质量、参考电压纯净度、接地设计和模拟前端滤波（包括ADC前的抗混叠滤波） 是重中之重。任何一个环节的疏忽都可能导致电源纹波淹没有用信号。必须采用系统级、多管齐下的方法才能有效解决。??