AN-1187: AD7780在电子秤应用中的辐射抗扰度性能 (Rev. 0)

AN-1187
应用笔记
One Technology Way • P.O. Box 9106 • Norwood, MA 02062-9106, U.S.A. • Tel: 781.329.4700 • Fax: 781.461.3113 • www.analog.com
AD7780在电子秤应用中的辐射抗扰度性能
作者:Mary McCarthy和Li Ke
简介
AD7780是一款包含PGA的低噪声、低功耗、24位Σ-Δ型转
换器。AD7780用于低端到中端的电子秤系统。作为发布过
程的一部分,测试了电子秤系统的辐射抗扰度。本应用笔
记介绍如何实现AD7780的最佳抗辐射性能,在设计印刷电
路板(PCB)的过程中考虑了电路板布局和元件放置的影
响。根据IEC 61000-4-3标准对整套系统(ADC、PCB和称重
传感器)进行了辐射抗扰度测试。
• C类:暂时丧失功能或性能暂时降低,需要操作人员介
入才能解决此问题。
• D类:因为硬件或软件损坏或者数据丢失而导致功能丧
失或性能降低,并且无法恢复。
ADC在频率扫描期间持续转换。本应用笔记中通篇提到的
误差是指有RF频率和没有RF频率时的ADC转换之间的最
大偏差。
辐射抗扰度
要让一套电子秤系统算得上A类,那么存在RF干扰时允许
辐射抗扰度测试按照IEC 61000-4-3标准中的说明进行。磁
的误差e为
场强度为10 V/m,RF频率从80 MHz扫至1 GHz。根据规范,
器件的分类如下:
± 称重传感器的最大输出电压
(2 × 计数次数)
• A类:在制造商、请求者或购买者指定的限制范围内性
±满量程输出
2n
能正常。
• B类:暂时丧失功能或性能暂时降低,这种现象在干扰
其中n为电子秤系统的计数次数。
停止后消失,然后受测设备就会恢复正常性能,无需操
作人员介入。
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=
AN-1187
目录
简介...................................................................................................... 1
印刷电路板 ................................................................................... 4
辐射抗扰度......................................................................................... 1
结果 ................................................................................................ 6
修订历史 ............................................................................................. 2
结论 ................................................................................................ 6
辐射抗扰度测试分析 ....................................................................... 3
评估板原理图与PCB布局图........................................................... 7
设置 ................................................................................................ 3
物料清单 ........................................................................................... 10
误差 ................................................................................................ 3
修订历史
2013年3月—修订版0:初始版
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AN-1187
辐射抗扰度测试分析
设置
本应用笔记中的目标是设计一种次数为3000且归为A类的
图1是辐射抗扰度测试所用电路的框图。AD7780配置如下:
电子秤系统,并且在实现此目标时称重传感器的激励电压
为3.3 V。在灵敏度为2 mV/V且激励电压为3.3 V的情况下,
输出数据速率 = 10 Hz
称重传感器的最大信号为6.6 mV。为了使用称重传感器最
增益 = 128
具线性的部分,常常仅使用此范围的三分之二。这样就将
AD7780采用3.3 V电源供电。此电源还用于激励称重传感器。
称重传感器的满量程输出电压降到了4.4 mV。
称重传感器采用6线,灵敏度为2 mV/V。有关采用AD7780
对于3000次的精度,1次为
的电子秤设计的更多详情,请参见Circuits from the Lab®参
考电路(CN-0107)。
1次 = 4.4 mV/3000 = 1.46 µV
误差
±0.5次 = ±1.46 µV /2 = ±0.73 µV
存在RF频率的情况下,误差必须小于±0.73 µV。应用中的
正如“辐射抗扰度”部分所述,允许的误差e为
称重传感器可接受的最大重量为2 kg,因此误差需要小于
±满量程输出
±2 kg/(2 × 3000) = ±0.33 g,这样可以确保数字显示屏不受
2n
RF干扰的影响。
其中n为计数次数。误差相当于±0.5次。
ADP3303-3.3V
5V FROM USB
+
10µF
IN
IN
SD
OUT
OUT
NR
GND
0.1µF
0.1µF
+
10µF
100Ω
1.5Ω @ 100MHz
1µF
+
+
10µF
1µF
0.1µF
+
100pF
AVDD
0.1µF
+
10µF
DVDD
REFIN(+)
1000pF
DOUT/RDY
REFIN(–)
SCLK
100pF
SENSE+
MICROCONTROLLER
USB
PDRST
L
AD7780
C
OUT+
L
1kΩ
LCD
DRIVER
0.01µF
AIN(+)
C
LCD
0.1µF
OUT–
L
1kΩ
C
C
DVDD
AIN(–)
FILTER
0.01µF
BPDSW
GND
图1. AD7780的测试设置
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GAIN
11441-001
SENSE–
AN-1187
印刷电路板
标准AD7780评估板专用于提供最佳的模数转换性能。不
• 建议在模拟和参考输入端采用滤波。图1显示了通常对
过,它没有针对EMC进行优化。例如,标准AD7780评估
模 拟 和 参 考 输 入 端 建 议 的 R和 C值 。 这 种 滤 波 可 在
板包含一些可容许不同电源选项的链路(垂直引脚),可用
AD7780的采样频率(64 kHz)和多种其他采样频率下提供
于噪声测试连接;这些接头充当着天线的作用。此外,模
衰减。AD7780本身不在这些频率条件下提供任何衰
拟和数字输入端并未针对位置和元件大小(采用0603元件)
减。电容需要尽可能接近AD7780的模拟输入端和参考
进行滤波优化。然而,将此评估板用作起点,展开的调查
输入端,这样可以最大限度地减小元件与ADC之间的走
重点突出了EMC造成的不利影响。有关详情,请参见“结
线长度。使用物理尺寸较小的元件让用户能够将元件放
果”部分。对接地、元件位置和增加额外滤波进行了全面
置得更靠近引脚。布局应该确保从引脚到元件的走线长
度很好地匹配。
考察。所有阶段都维持ADC性能。
• 除了这些滤波器之外,如图1所示在R和L位置增加额外
总而言之,取得以下重要发现
的滤波可以进一步增强抗扰度。此滤波器位于接至称重
• 评估板上不应该包含接头选项(垂直引脚)。这些接头充
当着天线的作用。因此,用焊接线替代这些接头选项。
• 印刷电路板应该为4层,模拟输入端和参考输入端埋入
传感器的连接器上。为实现最佳结果,评估了各种形式
的L(L2、L3、L4和L5)和C(C38、C39和C40)值组合。“物
料清单”部分列出了最终选择的元件。
内层中。应该使用一个接地层。用地线填充电路板的顶
• 电源通过与0.1 µF电容并联的10 µF电容去耦。同样,这
面和底面。此外,也用地线填充内层。应该包含多个通
些元件应该尽可能靠近AD7780的电源引脚。模拟电源
孔,以便最大限度地降低整个电路板的电位差。对于所
用作称重传感器的激励电压,称重传感器则用作ADC的
需通孔的密度,没有硬性规定。在AD7780评估板上,
基准。因此,电源走线也埋入内层中。
ADC以及模拟和参考输入端的滤波周围有一圈通孔。一
般而言,评估板上的任何孤岛也都应该有通孔,通孔数
量大于1即可。顶面和底面上的任何走线都应该尽可能
短,因为走线也充当着天线的作用。
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AN-1187
REFERENCE
FILTERING
75mm
LOAD CELL
CONNECTION
ADC
11441-002
ANALOG
FILTERING
105mm
图2. 标准AD7780评估板的顶面
98mm
LOAD CELL
CONNECTED USING
RS-232 TO SMB
CABLE
57mm
REFERENCE
FILTERING AT
LOAD CELL
CONNECTOR
ADC
ANALOG REFERENCE
FILTERING FILTERING
图3. AD7780 EMC板的顶面
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11441-003
ANALOG
FILTERING AT
LOAD CELL
CONNECTOR
AN-1187
1000
结果
在调研之后,我们开发了针对抗辐射干扰的优化印刷电路
500
板(见图3)。本应用笔记的“评估板原理图与PCB布局图”部
清单所列的元件时,测得的最大误差超过了e。图4显示了
RF频率从80 MHz扫至1 GHz的情况下从AD7780读取的转
0
ADC VOS (µV)
分提供了评估板的原理图和布局图。使用此评估板和物料
换。测试期间,对称重传感器施加的重量保持恒定。
–500
–1000
–1500
测得的误差为1.79 µV,高于e。这相当于0.81 g。但是,在
–2000
–2500
就会自动恢复到额定范围内。因此,就辐射抗扰度而言,
0
200
400
600
800
1000
FREQUENCY (MHz)
该电子秤系统为B类。
1200
11441-005
有RF干扰的情况下,ADC会继续发挥作用,一旦干扰清除
图5. AD7780评估板的辐射抗扰度
1152.0
这种对比突出了布局、元件选择和元件放置的重要性,妥
1151.5
善考虑这些因素将能实现最佳的辐射抗扰度性能。
ADC VOS (µV)
1151.0
为了进一步增强器件的辐射抗扰度,可以在AD7780和辅助
元件外装上一层铜制屏蔽罩。这样可将系统提升至A类。
1150.5
结论
1150.0
优化电子秤系统辐射抗扰度性能的关键因素是电路板布局
以及元件的放置和选择。遵循本应用笔记中介绍的布局做
1149.5
0
100
200
300
400
500
600
700
800
FREQUENCY (MHz)
900
1000
11441-004
法时,根据IEC 61000-4-3,电子秤系统将为B类。在有RF干
1149.0
图4. AD7780 EMC板的误差与频率
扰的情况下,电子秤系统会继续工作,但系统精度会超出
额定范围。清除RF干扰后,电子秤系统的精度会自动恢复到
额定范围内。利用铜制屏蔽罩可将辐射抗扰度提升至A类。
为了对比,图5显示了测试辐射抗扰度时从标准AD7780评
估板读取的转换。在有RF干扰的情况下,此评估板的误差
为2101 µV,相当于955 g。
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评估板原理图和PCB布局图
11441-006
图6. 原理图
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11441-008
图7. 第1层
11441-009
图8. 第2层
图9. 第3层
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11441-011
图10. 第4层
图11. 顶层丝印
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物料清单
表1. AD7780-EMC BOM
PCB封装
器件描述
制造厂商
产品型号
SO14NB
AD7780,Σ-Δ型ADC
ADI公司
AD7780BRZ
ADC参考输入端(滤波)
C4
100 pF
10%
C0402
陶瓷电容,50 V,NPO
AVX
FEC 1327627
C5
100 pF
10%
C0402
陶瓷电容,50 V,NPO
AVX
FEC 1327627
C6
1000 pF
10%
C0402
陶瓷电容,50 V,X7R
AVX
FEC 1327646
R3
100 Ω
R0402
电阻
FEC 1697307
R4
100 Ω
R0402
电阻
FEC 1697307
ADC模拟输入端(滤波)
C1
0.01 uF
C0402
陶瓷电容
Kemet
FEC 1650807
C2
0.01 uF
C0402
陶瓷电容
Kemet
FEC 1650807
C3
0.1 uF
C0402
陶瓷电容,16 V,X7R
AVX
FEC 1833861
R1
1 kΩ
R0402
电阻
FEC 1174154
R2
1 kΩ
R0402
电阻
FEC 1174154
称重传感器连接器
AIN+
SMB
SMB
连接器,50 Ω,直式
Amphenol
AIN-
SMB
SMB
连接器,50 Ω,直式
Amphenol
REF+
SMB
SMB
连接器,50 Ω,直式
Amphenol
REF+
SMB
SMB
连接器,50 Ω,直式
Amphenol
AVDD
SMB
SMB
连接器,50 Ω,直式
Amphenol
GND
SMB
SMB
连接器,50 Ω,直式
Amphenol
称重传感器连接器参考线路(滤波)
C38
1 nF
10%
C0603
陶瓷电容,C0G,50 V
Murata
L2
100 Ω
R0402
电阻
FEC 1127365
L3
100 Ω
R0402
电阻
FEC 1127365
名称
值
ADC
U1
AD7780
容差
SMB1251B13GT30G-50
SMB1251B13GT30G-50
SMB1251B13GT30G-50
SMB1251B13GT30G-50
SMB1251B13GT30G-50
SMB1251B13GT30G-50
GRM1885C1H102
JA01
库存代码
FEC 111-1349
FEC 111-1349
FEC 111-1349
FEC 111-1349
FEC 111-1349
FEC 111-1349
FEC 8819920
称重传感器连接器模拟输入线路(滤波)
C39
1 nF
10%
C0603
陶瓷电容,C0G,50 V
Murata
C40
1 nF
C0603
陶瓷电容,C0G,50 V
Murata
L4
100 Ω
R0402
电阻
FEC 1127365
L5
100 Ω
R0402
电阻
FEC 1127365
10%
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GRM1885C1H102
JA01
GRM1885C1H102
JA01
FEC 8819920
FEC 8819920
AN-1187
PCB封装
器件描述
制造厂商
ADC电源
C7
10 µF
CAP\TAJ_A
钽电容,TAJ系列
AVX
FEC 197130
C8
0.1 µF
C0402
陶瓷电容,X7R,16 V
AVX
FEC 1833861
C9
0.1 µF
C0402
陶瓷电容,X7R,16 V
AVX
FEC 1833861
C10
10 µF
CAP\TAJ_A
钽电容,TAJ系列
AVX
FEC 197130
名称
值
容差
产品型号
C11
C12
库存代码
未插入
1 µF
C0603
陶瓷电容,16 V
Yageo
Yageo
C13
1 µF
C0603
陶瓷电容,16 V
R10
0Ω
C0805
0.063W电阻
R11
0Ω
R9
1.5 Ω
L1
0Ω
1%
FEC 3188840
FEC 3188840
FEC 9331662
C0805
0.063W电阻
R0603
电阻
Phycomp
FEC 9331662
R0603
0.063W电阻
Multicomp
RC0603FR-071R5L
FEC 923-8140
FEC 1193418
ADC SPI线路
C32
–
-
C0805
陶瓷电容,50 V,X7R
未插入
C33
–
-
C0805
陶瓷电容,50 V,X7R
未插入
C34
–
-
C0805
陶瓷电容,50 V,X7R
未插入
电阻
FEC 9331662
FEC 9331662
R5
0Ω
R0805
R6
0Ω
R0805
电阻
R8
0Ω
R0805
电阻
R12
100 kΩ
R0805
电阻
Multicomp
FEC 9330402
R13
100 kΩ
R0805
电阻
Multicomp
FEC 9330402
R15
100 kΩ
R0805
电阻
Multicomp
FEC 9330402
SO8NB
稳压器3.3 V
ADI公司
C21
10 µF
CAP\TAJ_C
钽电容
AVX
FEC 9753907
C22
0.1 µF
C0603
陶瓷电容,50 V,X7R
AVX
FEC 1216538
C23
0.1 µF
C0603
陶瓷电容,50 V,X7R
AVX
FEC 1216538
C24
10 µF
CAP\TAJ_C
钽电容
AVX
FEC 9753907
R20
1 kΩ
稳压器
U4
FEC 9331662
ADP3303ARZ-3.3
0.063W电阻
Multicomp
D1
LED-0805
发光二极管
Avago
HSMG-C170
FEC 579-0852
USB接口/微控制器
U2
CY7C68013
LFCSP-56_RP
微控制器,EZ-USB FX2LP
Cypress
FEC 126-9133
U3
24LC64
DFN-8
EEPROM,I2C,64k
Microchip
CY7C6801356LFXC
24LC64-I/MC
C14
10 µF
CAP\TAJ_A
钽电容,TAJ系列
AVX
FEC 197130
C15
0.1 µF
C0603
陶瓷电容,16 V,X7R
AVX
FEC 1216538
C16
0.1 µF
C0603
陶瓷电容,16 V,X7R
AVX
FEC 1216538
C17
2.2 µF
CAP\TAJ_A
外壳A,10 V
Kemet
FEC 9753796
C18
0.1 µF
C0603
陶瓷电容,16 V,X7R
AVX
FEC 1216538
C25
0.1 µF
C0603
陶瓷电容,16 V,X7R
AVX
FEC 1216538
C26
0.1 µF
C0603
陶瓷电容,16 V,X7R
AVX
FEC 1216538
C27
0.1 µF
C0603
陶瓷电容,16 V,X7R
AVX
FEC 1216538
C28
0.1 µF
C0603
陶瓷电容,16 V,X7R
AVX
FEC 1216538
C29
0.1 µF
C0603
陶瓷电容,16 V,X7R
AVX
FEC 1216538
C30
0.1 µF
C0603
陶瓷电容,16 V,X7R
AVX
FEC 1216538
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FEC 9330380
FEC 133-1336
AN-1187
名称
C31
值
0.1 µF
容差
PCB封装
C0603
D3
器件描述
陶瓷电容,16 V,X7R
制造厂商
AVX
产品型号
二极管
库存代码
FEC 1216538
未插入
J1
微型USB
USB-OTG
连接器,USB
Molex
565790576
FEC 9786490
J2
1 × 2引脚
CON\POWER
100 kΩ
1%
R0603
Phoenix
Contact
Multicomp
17 25 67 2
R16
2引脚端子板
(5 mm间距)
电阻
未插入(采用
焊接短路)
FEC 933-0402
R17
100 kΩ
1%
R0603
电阻
Multicomp
R18
0Ω
R0603
电阻
R19
10 Ω
1%
R0603
电阻
Multicomp
FEC 933-0399
R21
2.2 kΩ
1%
R0603
电阻
Multicomp
FEC 923-8727
R522
2.2 kΩ
1%
R0603
电阻
Multicomp
FEC 923-8727
微控制器晶振
Y1
24 MHz
FEC 933-0402
FEC 9331662
XTAL_CM309S
晶振
AEL Crystals
C19
12 pF
5%
C0603
陶瓷电容,50 V,COG
Phycomp
C20
12 pF
5%
C0603
陶瓷电容,50 V,COG
Phycomp
©2013 Analog Devices, Inc. All rights reserved. Trademarks and
registered trademarks are the property of their respective owners.
AN11441sc-0-3/13(0)
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FEC 9509658
CC0603JRNPO9B
N120
CC0603JRNPO9B
N120
FEC 721979
FEC 721979
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