當使用者試圖完全解決信號問題時，最好的方式就是使用一個以上的工具來檢查系統的動作狀況。如果在信號路徑中有一個類比數位轉換器，可以輕易地檢查三個基本問題來評估電路的性能；亦即評估轉換過程、佈線以及和其他部份電路的互動；須考慮的範圍有三，包含使用頻率分析、時間分析，以及直流分析技術。

本文將探討如何使用這些工具來找出有關電路佈線的問題，我們將分析使用者如何決定要尋找什麼、在哪尋找、如何透過測試來驗證問題，以及如何解決被確認的問題，(圖一)則為以下的討論所採用的範例電路圖 。

《圖一　範例電路圖》

＜SCX015 壓力感側器的輸出電壓由儀器放大器（A1 and A2）取得；在儀器放大器後，有一個低通濾波器 （A3）以消除 12 位元類比數位轉換器轉換時的雜訊。＞

電源供應雜訊

在電路應用上一個常見的干擾源是出自電源供應，這個干擾訊號通常是由主動元件的電源接腳進入。如(圖二)是圖一中類比數位轉換輸出的時間軸的圖形；圖中類比數位轉換器的取樣速度是40ksps ，共 4096個取樣數。在這個例子中，儀器放大器、參考電壓源以及類比數位轉換器並未裝有旁路電容。另外，對電路的輸入均參考一個低雜訊、2.5V直流電壓源。

《圖二　圖一中類比數位轉換輸出的時間軸的圖形》

＜3201、12 位元類比數位轉換器的時間軸表示的資料，圖中顯示一個有趣的週期信號，這個信號源可追溯至電源供應。＞

對電路的進一步研究顯示，在時間軸上看到的雜訊源來自切換式電源供應器。加入一個電感扼流圈與旁路電容到電路裡，並加入一個10uF 到電源供應而三個0.1uF 電容儘可能靠近主動元件的電源接腳。現在時間軸上可以看到一個穩定的 DC 輸出，(圖三)統計分佈圖的結果可以證實。輸出資料顯示，這些改變使雜訊從電路中的信號路徑消除了。

《圖三　統計分佈圖的結果》

＜一旦電源雜訊充分降低，MCP3201 的輸出碼固定在同一碼，2108。＞

外部時脈信號干擾

另一個干擾源可能出自時脈信號電路中的數位切換。如果這種雜訊與轉換過程相關，則不會在轉換過程中形成干擾；但是如果不相關，則可在 FFT 分析中發現。(圖四)所示為時脈信號干擾之FFT圖表，圖四的圖形是以圖一 所示的電路加上旁路電容。圖四中FFT 圖表裡一根一根突出的信號，是由電路板上的19.84MHz 時脈信號產生；在本例中，進行佈線時，並不特別注意走線與走線間的耦合，疏忽這個細節，結果就出現在 FFT 圖表中。

《圖四　時脈信號干擾之FFT圖表》

＜耦合入類比走線的數位雜訊有時會被誤解為寬頻雜訊。FFT 圖表可輕易找出這些「雜訊」使其成為可辨識的頻率，故即可確認雜訊源。＞

這個問題可藉由改變佈線來解決，讓高阻抗類比走線遠離數位切換走線，或在類比數位轉換器之前的類比訊號中使用一個平滑濾波器。要發現任意的走線與走線間的耦合是稍微有點難，這時使用時間分析可以更有效率。

不適當的使用放大器

回到圖一所示的電路，1kHz 交流信輸入至儀器放大器的正輸入端。這個信號不是壓力感測的特性，但是這個例子用來說明元件在類比訊號路徑中的作用。依上述條件的電路性能見(圖五)中的 FFT 圖表；應該要注意的是基本波似乎失真了，而且許多諧波同樣有失真，造成失真的原因是稍為過度地將放大器驅動至軌對軌的範圍外，解決方式是降低放大器增益。

《圖五　失真信號的FFT 圖表》

＜稍微過度驅使放大器可能造成信號失真；這種轉換的 FFT 圖表迅速指出信號失真。＞

結論

完全解決信號問題可能要花許多時間，尤其是，如果使用者沒有用來處理棘手問題的工具時。在您的「道具箱」裡有三種最佳分析工具，亦即頻率分析（FFT）、時間分析（示波器）以及直流分析（統計分佈圖）工具。我們使用許多這些工具，以確認電源雜訊、外部時脈雜訊、以及過度驅動的放大器失真。

（作者任職於Microchip）