论24位转换器AD7714在嵌入式STM32软硬件设计中注意点

308709362 · 发表于 2013-11-5 21:52:31

首先声明本人还是在校本科生，这里所说的纯粹是个人体会，不一定正确，仅仅是拿来交流，欢迎大家一起针对我的问题讨论！fficeffice" />

一直在学习PCB板的绘制技巧，因为平时接触的都是低速板，因而在PCB布局布线中没有太多体会，不多的收获就是把Altium 这个软件玩的越来越溜了。但是软件毕竟只是一种工具，真正的秘诀在于你怎么使用它完成一个完美的设计，就像PS会的人很多，但是能够使用它把凤姐那样的人变成美女的估计没有几个！板子画过几块之后，突然对它貌似失去了一种兴趣，反而觉得有点枯燥无聊，于是一直企盼能有一个机会，让我布布高精度板或者高速板，调试调试，学习经验！

机会来了，这次BOSS接了个项目，测量传感器的信号，要求精度达到0.001mv！当他给我的那一刻，我就知道这是机遇也是挑战，毕竟要做这样一个高精度的测量仪器，以我目前的水平还真不一定够。但是BOSS很信任我，任我发挥！经过对项目了解，最后我选择了AD7714这样一款24位高精度的A/D转换器！

AD7714 是美国 AD公司采用 - 技术生产的 24 位串行模数转换器，主要应用于低频小信号的测量。有5通道输入，可根据需要采用,3路差分输入或4路伪差分输入，其通信采用简单的三线数据接口，不仅简化了对器件的操作，而且减少了对系统资源的占用，其通信时序类似于模拟SPI，相对来说比较简单！

此次CPU采用的是STM32F107,用在这里确实有点浪费.只因为自己对此款芯片比较熟悉.本来是打算用103的,但是BOSS怕我的设计出问题故没有同意!

硬件设计:

我每次用一个新的外设,基本上都是从网上COPY他的配置函数,但是这次没有找到.所以在写配置方面基本上没有经验.只知道按照时序逻辑去读写,但是最开始按照这个时序去写配置,一直读不出数,通过一步步的仿真,发现寄存器里面压根就没有写入状态字!反复查找也没有发现原因!最后查看这个时序时间才恍然大悟:

原来我只注意了”序”却没有注意”时”,在数字电路中,高低电平的触发和保持都是需要一个时间的,并不是理想的那样!所以每一步你都得针对于这个时间去配置,因为STM32的精确延时只能达到1uS,而这里的很多时间都是以nS来计时的，故只能采用while(t--)这样的一个方法来达到延时的目的！

这也是51单片机控制外设和STM32控制后外设的不同之处，因为51的主频低，一个时间周期就是1us，而STM32的主频可以到达72Mhz,有时候频率快也不一定是好事啊，因为在51里面，有些地方你无需采用while(t--)这样的方法，因为他执行一句话之后，肯定已经过了1uS了，那么这个时间足够AD7714的高低电平触发，但是STM32不同啊，他的执行速度竟然达到了1.25MIPS(Million Instructions Per Second)。所以这里提醒各位精通于51的朋友，千万不要让BUG出现在这个地方！

下面来说我的PCB设计，因为之前或多或少的自学过一些高速板的知识，所以这次布局布线我可谓小心翼翼，下足了功夫！但是最后调试的时候还是出现了很大的问题！

因为精度要求在0.001mv，但是读出来的数最后一位抖动的特别厉害，按理说，一款高精度的PCB板，最后一位从在0和1之间这样反复抖动是可以理解的，但是你要是从0突然跳动到5再从5跳到9再跳到2……这样无规律的抖动，那么这一款产品就是失败的！经过仔细思索，想到了很多引起抖动的原因：

1、电源不稳定，引起AD7714的数字电源引脚的逻辑电平出现错误，但是这一般是不会出现的，电源的抖动不可能有那么大；

2、参考电压的不稳定，导致转化后算出的结果出现了很大的偏差；

3、布局布线的问题，导致模拟信号对数字信号的干扰太大；

4、信号本身确实是很不稳定，抖动太大了；

因为我采用的是高精度的AD780输出作为参考电压，万用表测量的时候也是很稳定的，所以不可能是2.那会不会是第4呢？因为相对来说传感器的信号是比较稳定的，但是它上面可能会有许多高频的毛刺干扰信号，这样AD转换后肯定会不稳定！但是这样一个高频的毛刺相对来说是比较好处理的，只要设计一个一阶低通RC滤波器即可，f=1/(2*3.14*R*C)，选好截止频率，即可得到相应的RC的值，当然，这个RC的值肯定不止一个，所以很多时候你还得通过仿真或者不断地调试来选定最优值！但是奇怪的是，无论怎么滤波，效果没有丝毫的改善！现在我知道，激动人心的时刻来了，布线出了问题！于是仔细检查线路！

我用万用表测量传感器经过滤波后的信号,基本上是没有波动的,比较稳定,可是当把万用表的正极放在AD7714的信号输入口,负极放在芯片模拟地上时候,就可以很明显的看到了0.008mv的波动了，把负极再移到板子的另外一个地点，恐怖的是这时候的波动竟然达到了0.02mv。所以我明白了测量出来的0.005mv的波动并不是来源于信号本身，而是来源于你的PCB布局布线不合理，导致模拟信号对数字信号产生很大的干扰，显然这是你无法通过滤波解决的！

于是我自己仔细检查我的PCB设计：虽然有很多的基本注意点，每个信号都先滤波再进IC，数字电路和模拟电路分开设计了，连接点尽量靠近，并通过0R电阻相连；传感器模拟信号线到达AD7714的距离尽量短；同时对于重要信号还做了包地处理；每个IC采用单点接地，尽量减少串扰。可还有很多致命点！

1、在AD7714下面走了数字地线；

2、由于前期布局不合理，在单点接地后，而导致形成了环路，无形中产生了电磁干扰；

3、没有注意PCB中线宽的调整，导致阻抗突变；

当然还是有很多问题，只是我水平有限，仅仅发现这么一点！

这里我总结了数模布线的一些基本常识，分享给大家：

1、低频电路对于模拟地和数字地要分开布线，不能混用

2、如果有多个A/D转换电路，几个ADC尽量放在一起，只在尽量靠近该器件处单点接地,AGND和DGND都要接到模拟地,电源端子都要接到模拟电源端子；

3、数字电路和模拟电路在同一块多层板上时，模拟地和数字地不需要排到不同的层上，但模拟电路和数字电路仍然要分开放置,

4、数字地严禁设计在AD转换芯片下面，因为这样会把噪声耦合给芯片，从而影响ADC正常工作。但是应当使模拟地在芯片下面运行，因为这样能减少数字噪声的耦合。

5、对于高分辨率的ad芯片，电源的耦合电路尤为重要，因此在印制电路板设计时，应对所有的模拟电源输入都加一级去耦电路，即用10μF钽电容和0．1μF陶瓷电容并联到地。这些去耦电路的元件应尽可能靠近芯片的电源引脚，这样才能获得更好的去耦效果和消除引线过长而带来的干扰

6、数字器件和高频元器件应该靠近电源和插件放置;电源和地构成的环路尽量小.接地线应尽量加粗，若接地线用很细的线条，则接地电位随电流的变化而变化，使抗噪性能降低。

7、如果把模拟地和数字地大面积直接相连，会导致互相干扰。不短接又不妥，有四种方法解决此问题∶1、用磁珠连接(只对某个频点的噪声有抑制作用，如果不能预知噪点，就不知如何选择型号，况且，噪点频率也不一定固定，故磁珠不是一个好的选择。)；2、用电容连接；3、用电感连接(一般用几uH到数十uH)；4、用0欧姆电阻连接。总结、建议，不同种类地之间用0欧电阻相连；电源引入高频器件时用磁珠；高频信号线耦合用小电容；电感用在大功率低频上。

总体来说：模拟电路对地的主要要求是，完整、回路小、阻抗匹配。数字信号如果低频没有特别要求；如果速度高，也需要考虑阻抗匹配和地完整。

所以这里写下这篇文章，分享给大家，因为自己前期的不注意，导致项目很不完美，没有满足客户的需求，0.005mv的波动起码我的这块板子上是没有办法消除的！诚心欢迎大家跟帖为我的设计再提出建议！

shell+ · 发表于 2015-5-9 21:15:41

楼主可否将完整的原理图分享出来

F8023M · 发表于 2013-11-5 22:06:49

lz如果是还没毕业的话那可以说是非常的牛逼了，前面你说到转换出来的数值最后一位跳动？是24位最后一位跳动？总之第一次做高精度能做到这个lz已经很厉害了。7714我没用过，以前一直用7710。

308709362 · 发表于 2013-11-5 22:16:59

回复【2楼】F8023M:
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7714是7710的升级版，性能有了很大的提升！不是24位的最后一位波动，是转成十进制后小数点后面第6位在波动！也就是0.001mv这位波动的特别厉害！要是24位最后一位波动，那我就真牛逼了！呵呵

aleda303 · 发表于 2013-11-5 22:21:04

恍惚记得 7714 是16位的了？

308709362 · 发表于 2013-11-5 22:29:59

回复【4楼】aleda303:
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可以设置为24位！

F8023M · 发表于 2013-11-5 22:30:01

已经不错了，当时我们是做到17位不跳动，不软件滤波的话，算算精度没你的高

tim4146 · 发表于 2013-11-5 22:45:11

话说24位的ADC真的是很高的精度了，我用过MAX1166的，16位的精度，当时买的时候一片进口的居然要100多...
不过楼主能控制在最后一位的跳动也算不错的了，学习了。
说道Altium软件，我倒是有个问题，软件菜单栏的“文件”下拉菜单有个“智能PDF”功能，我发现我在原理图上的中文总是没法正确转换到PDF中。不知道楼主有没有解决的办法

艾科 · 发表于 2013-11-5 22:51:43

回复【楼主位】308709362:
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楼主，话说，我现在也在做一个高精度的测量仪器，也用24位AD，刚好手头上有AD7710,就先用AD7710做。

正点原子 · 发表于 2013-11-5 22:52:40

不错，楼主说的1位跳动，应该不是指24bit里面的LSB，这样的ADC，那就太恐怖了吧....
应该是转换后的电压。
总结的不错，cool。

308709362 · 发表于 2013-11-6 09:20:39

回复【7楼】tim4146:
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你好，请关注我的免费系列教学视频，http://www.openedv.com/posts/list/20957.htm
在第六讲里面详细教你解决，不懂欢迎交流！

LTKKS · 发表于 2013-11-6 11:04:11

楼主基准用的是什么？

308709362 · 发表于 2013-11-6 12:27:14

AD780产生2.5V基准电压！

lansing1648 · 发表于 2013-11-7 16:00:02

国产的CS1232也不错.一般用在电子称,血压计等高精度数据采样上面.感兴趣的可以讨论一下.

secondshot · 发表于 2013-11-8 11:51:26

我做的也是传感器采集，用的STM32L152，AD芯片用的32位的ADS1282,不过板子不是我画的，程序什么的都是我写的，感觉还蛮简单的。
芯片确实很贵，好像记得听领导说过300多一片，刚开始调试的时候特别小心，反复确认电压，没有问题了才敢焊AD芯片

海洋饼干 · 发表于 2013-11-13 20:57:44

AD7714的那些时间限制有些标明的是min 也就是最小值，楼主的延时只要比这大就行，没必要跟的这么紧，跟的太紧更容易出问题。

zq6220c · 发表于 2013-11-14 12:12:10

厉害的学生真多！感谢分享！

308709362 · 发表于 2013-11-14 18:05:55

回复【15楼】海洋饼干:
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多谢，这个是的，但是为了保证实时性最好，这个时间我调了很久的！

coosign · 发表于 2013-11-29 17:38:12

楼主强人~~~

aaaa9780 · 发表于 2014-1-17 10:38:15

回复【楼主位】308709362:
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请问下楼主，AD7714的差分输入的最小直流电压信号是多少？

2012lc · 发表于 2014-1-26 12:56:41

谢谢分享宝贵经验

robinyuan · 发表于 2014-7-23 19:07:22

多谢楼主分享经验
不知能否分享一下这个STM32的测试例程。学习一下代码调试SPI口。

xouou_53320 · 发表于 2014-7-23 20:00:26

感谢分享,版区有你更精彩!

mmyg · 发表于 2015-5-19 10:47:55

回复【3楼】308709362:
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跪求楼主帮忙分析一下，我的电路有8个通道的模拟信号，通过ADG706进行通道选通，选通后输入16位的LTC1864进行模数转化，出来的结果老是相邻的通道之间有串扰，不知道是什么问题，如果楼主有空帮忙分析一下，谢谢！