PCB布线设计

 

图1 SCX015压力传感器输出端的电压由仪表放大器(A1和A2)放大。在仪表放大器之后，添加了一个低通滤波器 (A3)，以消除来自12位A/D转换器转换的混叠噪声。

 

图2 来自于12位A/D转换器MCP3201的数据的时域表示，产生了有趣的周期信号。此信号源可追溯到电源。

 

图3 电源噪声充分降低后，MCP3201的输出码一直是一个码，2108。

　　本文要论述的电路如图1所示。

　　 电源噪声

　　电路应用中的常见干扰源来自电源，这种干扰信号通常通过有源器件的电源引脚引入。例如，图1中A/D转换器输出的时序图如图2所示。在此图中，A/D转换器的采样速度是40ksps，进行了4096次采样。

　　在此例中，仪表放大器、参考电压源和A/D转换器上没有加旁路电容。另外，电路的输入都是以一个低噪声、2.5V的直流电压源作为基准。

　　对电路的深入研究表明，时序图上看到的噪声源来自于开关电源。电路中添加了旁路电容和扼流环。电源上加了一个10mF的电容，并且在尽可能靠近有源元件的电源引脚旁放置了三个0.1mF的电容。在产生的新时序图上可以看到，产生了稳定的直流输出，图3所示的柱状图可验证这一点。数据显示，电路的这些更改消除了来自电路信号路径的噪声源。

造成干扰的外部时钟

　　其它系统噪声源可能来自时钟源或电路中的数字开关。如果这种噪声与转换过程有关，它不会作为转换过程中的干扰出现。但是，如果这种噪声与转换过程无关，采用FFT(快速傅立叶变换)分析，可以很容易发现这种噪声。

 

图4 耦合到模拟走线的数字噪声有时被误解为宽带噪声。FFT图可以很容易识别这种所谓 “噪声”的频率，因此可识别出噪声源。

 

图5 放大器轻微过激励，会使信号产生失真。通过这种转换的FFT图，可以很快发现信号的失真。

　　时钟信号干扰的示例可参见图4所示的FFT图。此图使用了图1所示的电路，并添加了旁路电容。在图4所示的FFT图中看到的激励，由电路板上的19.84MHz时钟信号产生。在此例中，布线时几乎没有考虑走线之间的耦合作用，在FFT图中可以看到忽略此细节的结果。

　　这个问题可以通过修改布线来解决，将高阻抗模拟走线远离数字开关走线；或者在模拟信号路径中，在A/D转换器之前加抗混叠滤波器。走线之间的随机耦合在某种程度上更难以发现，在这种情况下，时域分析可能比较有效。

放大器使用不恰当

　　回到图1所示的电路，在仪表放大器的正相输入端施加一个1kHz的交流信号。此信号不是压力传感的特性，但是可以采用这个示例来说明模拟信号路径中器件的影响。

　　图5所示的FFT图显示了施加上述条件后的电路性能。注意基波看起来有失真，许多谐波也有同样的失真。失真是由于使放大器轻微过激励引起的。解决此问题的方法是降低放大器增益。

结语

　　解决信号完整性问题可能会花费很多时间，尤其是当工程师没有工具来解决棘手的问题时。在“窍门箱”中有三种最佳的分析工具：频域分析工具(FFT)、时域分析工具(示波器照片)和直流分析工具(柱状图)。工程师可以用这些工具来识别电源噪声、外部时钟源和过激励放大器失真。


 对于12位传感系统的布线，应用的电路是一负载单元电路，该电路可精确测量传感器上施加的重量，然后将结果显示在LCD显示屏上。系统电路原理图如图1所示。采用的负载单元是Omega公司的LCL-816G。LCL-816G传感器模型是由四个电阻元件组成的桥，需电压激励。将5V激励电压加在传感器高端，施加900g最大激励时，满刻度输出摆幅为±10mV差分信号。该小差分信号被双运放仪表放大器放大。

　　根据电路精度要求，选择一个12位A/D转换器。当转换器将输入端的电压进行数字化后，数字码经转换器SPI端口发送到单片机。然后，单片机用查找表将来自A/D转换器的数字信号转换为重量。此时如需要的话，线性化和标定工作可由控制器代码实现。完成这一步后，结果送到LCD显示器。最后一步是为控制器写固件。电路设计好之后，即可设计印刷电路板和布线了。

　　查看这个完整的电路原理图时，若使用自动布线工具，经常要返回来对布线做很大的修改。如果自动布线工具可以实现布线限制，可能还有成功的可能性。如果自动布线工具没有限制选项的话，最好不要使用自动布线工具。

 

图1 负载单元传感器输出端的信号由双运放仪表放大器放大，然后由12位A/D转换器MCP3201滤波和数字化。每次转换的结果显示在LCD显示屏上。

 

图2 在精度高于12位的电路中，PCB上有源元件的放置很重要。要将高频元件 和数字器件尽量靠近接插件放置。

 

图3 图1电路的顶层布线和底层布线，此布线中没有地平面和电源平面。注意：为降低电源线的感抗，电源线要比信号线宽很多。

 

图4 在没有地平面或电源平面的PCB(PCB布线如图3所示)中，对A/D转换器输出4096次采样的柱状图。电路的噪声码宽度为15个码。

　　 布线的一般准则

　　器件布局

　　既然是采用手工布线，那么第一个步骤是在板上放置器件。将噪声敏感器件和产生噪声器件分开放置。完成这个任务有两个准则：

　　1. 将电路中器件分成两大类：高速(>40MHz)器件和低速器件。如果可能的话，将高速器件尽量靠近板的接插件和电源放置。

　　2. 将上述大类再分成三个子类：纯数字、纯模拟和混合信号。将数字器件尽量靠近板的接插件和电源放置。

　　电路板的布线策略要符合图2所示的器件布局图。注意图2a中高速器件、低速器件与电路板的接插件和电源之间的关系。在图2b中，数字器件最靠近电路板的接插件和电源，与其它数字和模拟电路分离开了。纯模拟器件距离数字器件最远，以确保开关噪声不会耦合到模拟信号路径中。A/D转换器的布线策略在本刊2004年1月中有详细论述。

　　地和电源策略

　　确定了器件的大体位置后，就可以定义地平面和电源平面了。实现这些平面是需要一些策略技巧的。

　　在PCB中不使用地平面是很危险的，尤其是在模拟和混合信号设计中。其一，因为模拟信号是以地为基准的，地噪声问题比电源噪声问题更难应对。例如，在图1所示电路中，A/D转换器(MCP3201)的反相输入引脚是接地的；二，地平面还对噪声有屏蔽作用。采用地平面可以很容易解决这些问题，但是，如果没有地平面，要克服这些问题几乎是不可能的。

　　这里，假设不需要地平面。图1所示的电路无地平面布线，如图3所示。
“不需要地平面”的理论还行得通吗？这可以通过数据来验证。在图4中，对A/D转换器进行了4096次采样并记录了数据。在采集数据时，没有在传感器上施加激励。采用这种电路布线，控制器专用于与转换器接口，并将转换器的结果发送到LCD显示器。

 

图 5 图1电路的顶层和底层布线。注意此布线中有地平面。

图 6 在有地平面的PCB(PCB布线如图5所示)中，对A/D转换器输出4096次采样的柱状图。噪声码宽度为11个码。

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