模擬與數字布局(3)

三、12位傳感系統為例的布局竅門(mén)

12位傳感系統簡(jiǎn)介布局竅門(mén)以12位傳感系統的良好布線(xiàn)方法作為應用舉例，其目的為了討論概念和原理，而不是為了將某個(gè)布線(xiàn)推薦為唯一可用的方案。
　　其應用電路是一負載單元電路，該電路可精確測量傳感器上施加的重量，然后將結果顯示在LCD顯示屏。系統電路原理圖如圖7所示。這兒采用的負載單元是Omega公司的LCL-816G橋式壓力傳感器。

LCL-816G傳感器模型是由四個(gè)電阻元件組成的橋，需電壓激勵。將5V激勵電壓加在傳感器高端，施加32盎司(重量單位)最大信號時(shí)，滿(mǎn)刻度輸出擺幅為+/-10mV差分信號。該小差分信號被雙運放儀表放大器(MCP6021)放大。根據電路精度要求，選了一個(gè)12位A/D轉換器。當轉換器將輸入端的電壓進(jìn)行數字化后，數字碼經(jīng)轉換器SPI(串行外設端口發(fā)送到單片機。然后，單片機用軟件查表法表將來(lái)自A/D轉換器的數字信號轉換為重量。此時(shí)如需要的話(huà)，線(xiàn)性化和標定工作可由單片機(控制器)代碼實(shí)現。完成這一步后，結果送到LCD顯示器。最后一步是為控制器軟件固化。電路設計好后，下面即可設計印刷電路板和布線(xiàn)了。

3.1 關(guān)于設計印刷電路板和布線(xiàn)

需要說(shuō)明的是， 若使用自動(dòng)布線(xiàn)工具，則經(jīng)常要返回來(lái)對布線(xiàn)做很大的修改。如果自動(dòng)布線(xiàn)工具可以實(shí)現布線(xiàn)限制，可能還有成功的可能性。但如果自動(dòng)布線(xiàn)工具沒(méi)有限制選項的話(huà)，為此，最好的方法是不要使用自動(dòng)布線(xiàn)工具，為此采用手工布線(xiàn)。

3.1.1 布線(xiàn)的一般準則

* 器件布局

既然是采用手工布線(xiàn)，那么第一個(gè)步驟是在板上放置器件。這個(gè)關(guān)鍵步驟應該做的比較好，因為可將噪聲敏感器件和產(chǎn)生噪聲器件分開(kāi)放置。完成這個(gè)任務(wù)有兩個(gè)準則：

第一、將電路中器件分成兩大類(lèi)：高速(>40MHz) 器件和低速器件。如果可能的話(huà)，將高速器件盡量靠近板的接插件和電源放置。

第二、將上述大類(lèi)再分成三個(gè)子類(lèi)：純數字、純模擬和混合信號。電路板的布線(xiàn)要符合要領(lǐng)：器件布局圖應注意高速器件、低速器件與電路板的接插件和電源之間的關(guān)系;數字器件最靠近電路板的接插件和電源，與其他數字和模擬電路分離開(kāi)了，與圖4(a) 類(lèi)同; 要將高頻元件盡量靠近接插件和電源放置， 與圖4(b) 類(lèi)同;純模擬器件距離數字器件最遠，以確保開(kāi)關(guān)噪聲不會(huì )耦合到模擬信號路徑中。

* 地和電源策略

確定了器件的大體位置后，就可以定義地平面和電源平面了。實(shí)現這些平面是需要一些策略技巧的。

首先，在PCB中不使用地平面是很危險的，尤其是在模擬和混合信號設計中。這是何因呢?其一，因為模擬信號是以地為基準的，地噪聲問(wèn)題比電源噪聲問(wèn)題更難應對。例如，在圖7所示電路中，A/D轉換器(MCP3201)的反相輸入引腳是接地的;其二，地平面還對噪聲有屏蔽作用。采用地平面可以很容易解決這些問(wèn)題，如圖8所示的布線(xiàn)在底層添加了地平面。地平面(圖8b)有幾處被信號線(xiàn)打斷，應盡量減少地平面被斷開(kāi)的次數。電流返回路徑不應縮短，因為這些走線(xiàn)會(huì )限制從器件到電源接插件的電流流動(dòng)。A/D轉換器輸出碼要密集得多，而電路的噪聲碼寬度僅為11個(gè)碼，而在沒(méi)有地平面或電源平面的電路的噪聲碼寬度要為15個(gè)碼，其A/D轉換器輸出碼不太要密集。

從上述數據很容易看出，地平面確實(shí)對電路噪聲有抑制作用。當電路中沒(méi)有地平面時(shí)，噪聲的寬度大約為15個(gè)碼;添加了地平面后，性能提高了約1.5倍或15/11倍。測試是在電磁干擾較低的實(shí)驗室中進(jìn)行的。

A/D轉換器輸出數字碼的噪聲可歸因于運放的噪聲和缺少抗信號混疊濾波器。如果電路中有“最少”量的數字電路，可能只需要一個(gè)地平面和一個(gè)電源平面就可以了。

需要注意的是，將數字和模擬地平面連接在一起的危險在于模擬電路會(huì )從電源引腳引入噪聲，并將噪聲耦合到信號路徑中。在電路的一點(diǎn)或多點(diǎn)上，要將模擬電路和數字電路的地和電源連接在一起，以確保所有器件的電源、輸入和輸出共地，其標稱(chēng)值不會(huì )被破壞。

在12位系統中，電源平面并不象地平面那么重要。盡管電源平面可以解決許多問(wèn)題，使電源線(xiàn)比電路板上其他走線(xiàn)寬兩倍或三倍，以及有效使用旁路電容，都可以降低電源的噪聲。

* 信號線(xiàn)

電路板(包括數字和模擬電路)上的信號線(xiàn)要盡量短。這個(gè)基本準則將降低無(wú)關(guān)信號耦合到信號路徑的可能性。尤其要注意的是模擬器件的輸入端，這些輸入端通常比輸出引腳或電源引腳具有更高的阻抗。例如，A/D轉換器的參考電壓輸入引腳在進(jìn)行轉換期間是最為敏感的。對于圖7中的12位轉換器，輸入引腳(IN+和IN-)對引入的噪聲也很敏感。運放的輸入端也有可能在信號路徑中引入噪聲。這些端通常具有109至1013的輸入阻抗。

高阻抗輸入端對于輸入電流比較敏感。如果從高阻抗輸入端引出的走線(xiàn)靠近有快速變化電壓的走線(xiàn)(如數字或時(shí)鐘信號線(xiàn))，就會(huì )發(fā)生這種情況，此時(shí)電荷通過(guò)寄生電容耦合到高阻抗走線(xiàn)中。這兩條走線(xiàn)之間的關(guān)系，與圖5所示類(lèi)同。圖5中，兩條走線(xiàn)之間寄生電容C的值主要取決于走線(xiàn)之間的距離(d)，以及兩條走線(xiàn)保持平行的長(cháng)度(L)，其寄生電容C公式與上述公式(1)相同，通過(guò)這個(gè)模型，高阻抗走線(xiàn)中產(chǎn)生的電流等于：

盡管本文是關(guān)于布線(xiàn)的文章，但認為討論一些電路設計的基本知識也是非常必要的。有關(guān)旁路電容的一個(gè)好原則是：在電路中始終包含旁路電容。如果設計電路時(shí)，沒(méi)有加旁路電容，電源噪聲很可能使電路的精度達不到12位。

* 旁路電容

可在電路板上的如下兩個(gè)位置放置旁路電容：一個(gè)電容(12μF至I00μF)放置在電源側;一個(gè)電容放置在每個(gè)有源器件(包括數字和模擬器件)旁邊。加在器件上旁路電容的值取決于使用的器件。如果器件的帶寬小于或大約等子1MHz，那么采用lμF的電容可以顯著(zhù)降低引入的噪聲。如果器件的帶寬約大于10MHz，則用0.1μF 的電容可能比較合適。如果帶寬在這兩個(gè)頻率之間，可同時(shí)使用這兩種容值的電容，或使用其一。(或請參考廠(chǎng)商的使用指南)。

電路板上的每個(gè)有源器件都需要一個(gè)旁路電容。旁路電容必須盡可能靠近器件的電源引腳放置，如圖8所示。如果一個(gè)器件使用了兩個(gè)旁路電容，容值小的電容要最靠近器件引腳。而且，旁路電容的引腳要盡量短。

* 抗信號混疊濾波器

可能注意到，圖7所示的電路中沒(méi)有抗信號混疊濾波器。正如數據所顯示，這一疏忽在電路中引起了噪聲問(wèn)題。此電路板中，當在儀表放大器的輸出和A/D轉換器的輸入之間接入一個(gè)四階、10Hz抗信號混疊濾波器時(shí)，轉換響應的性能大為提高。

模擬濾波可在模擬信號到達A/D轉換器之前，消除疊加在模擬信號上的噪聲，尤其是無(wú)關(guān)的噪聲尖峰。模數轉換器將對出現在其輸入端的信號進(jìn)行轉換，這種信號可能包括傳感器電壓信號或噪聲，抗信號混疊濾波器消除了轉換過(guò)程中的高頻噪聲。

3.2 12位布線(xiàn)技巧歸納-PCB設計檢查表

只要遵循如下幾個(gè)準則，良好的12位布線(xiàn)技巧并不難掌握：

*檢查器件相對于接插件的位置，確保高速器件和數字器件最靠近接插件。

*電路中至少要有一個(gè)地平面。

*使電源線(xiàn)比板上的其他走線(xiàn)寬。

*檢查電流回路，尋找地線(xiàn)中的可能噪聲源。這可通過(guò)確定地平面上所有點(diǎn)的電流密度和可能存在的噪聲量來(lái)實(shí)現。

*正確旁路所有器件，將電容盡量靠近器件的電源引腳放置。

*使所有走線(xiàn)都盡量短。

*查看所有的高阻抗走線(xiàn)，逐條走線(xiàn)查找可能的電容耦合問(wèn)題。

*確保對混合信號電路中的信號正確濾波。

四、結論

數字和模擬范圍確定后，謹慎布線(xiàn)對獲得成功的PCB是至關(guān)重要的。布線(xiàn)要領(lǐng)通常作為經(jīng)驗準則作介紹，因為很難在實(shí)驗室環(huán)境中測試出產(chǎn)品的最終成功與否。因此，盡管數字和模擬電路的布線(xiàn)要領(lǐng)存在相似之處，但我們還是要認識到并認真對待其布線(xiàn)要領(lǐng)的差別。

尤其是有源數字走線(xiàn)靠近高阻抗模擬走線(xiàn)時(shí)，會(huì )引起嚴重的耦合噪聲，這只能通過(guò)增加走線(xiàn)之間的距離來(lái)避免。