模擬與數(shù)字布局(3)

三、12位傳感系統(tǒng)為例的布局竅門

12位傳感系統(tǒng)簡(jiǎn)介布局竅門以12位傳感系統(tǒng)的良好布線方法作為應(yīng)用舉例，其目的為了討論概念和原理，而不是為了將某個(gè)布線推薦為唯一可用的方案。
　　其應(yīng)用電路是一負(fù)載單元電路，該電路可精確測(cè)量傳感器上施加的重量，然后將結(jié)果顯示在LCD顯示屏。系統(tǒng)電路原理圖如圖7所示。這兒采用的負(fù)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(lì)。將5V激勵(lì)電壓加在傳感器高端，施加32盎司(重量單位)最大信號(hào)時(shí)，滿刻度輸出擺幅為+/-10mV差分信號(hào)。該小差分信號(hào)被雙運(yùn)放儀表放大器(MCP6021)放大。根據(jù)電路精度要求，選了一個(gè)12位A/D轉(zhuǎn)換器。當(dāng)轉(zhuǎn)換器將輸入端的電壓進(jìn)行數(shù)字化后，數(shù)字碼經(jīng)轉(zhuǎn)換器SPI(串行外設(shè)端口發(fā)送到單片機(jī)。然后，單片機(jī)用軟件查表法表將來自A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為重量。此時(shí)如需要的話，線性化和標(biāo)定工作可由單片機(jī)(控制器)代碼實(shí)現(xiàn)。完成這一步后，結(jié)果送到LCD顯示器。最后一步是為控制器軟件固化。電路設(shè)計(jì)好后，下面即可設(shè)計(jì)印刷電路板和布線了。

3.1 關(guān)于設(shè)計(jì)印刷電路板和布線

需要說明的是， 若使用自動(dòng)布線工具，則經(jīng)常要返回來對(duì)布線做很大的修改。如果自動(dòng)布線工具可以實(shí)現(xiàn)布線限制，可能還有成功的可能性。但如果自動(dòng)布線工具沒有限制選項(xiàng)的話，為此，最好的方法是不要使用自動(dòng)布線工具，為此采用手工布線。

3.1.1 布線的一般準(zhǔn)則

* 器件布局

既然是采用手工布線，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(yīng)該做的比較好，因?yàn)榭蓪⒃肼暶舾衅骷彤a(chǎn)生噪聲器件分開放置。完成這個(gè)任務(wù)有兩個(gè)準(zhǔn)則：

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

第二、將上述大類再分成三個(gè)子類：純數(shù)字、純模擬和混合信號(hào)。電路板的布線要符合要領(lǐng)：器件布局圖應(yīng)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(shù)字器件最靠近電路板的接插件和電源，與其他數(shù)字和模擬電路分離開了，與圖4(a) 類同; 要將高頻元件盡量靠近接插件和電源放置， 與圖4(b) 類同;純模擬器件距離數(shù)字器件最遠(yuǎn)，以確保開關(guān)噪聲不會(huì)耦合到模擬信號(hào)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(xiàn)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(xiǎn)的，尤其是在模擬和混合信號(hào)設(shè)計(jì)中。這是何因呢?其一，因?yàn)槟M信號(hào)是以地為基準(zhǔn)的，地噪聲問題比電源噪聲問題更難應(yīng)對(duì)。例如，在圖7所示電路中，A/D轉(zhuǎn)換器(MCP3201)的反相輸入引腳是接地的;其二，地平面還對(duì)噪聲有屏蔽作用。采用地平面可以很容易解決這些問題，如圖8所示的布線在底層添加了地平面。地平面(圖8b)有幾處被信號(hào)線打斷，應(yīng)盡量減少地平面被斷開的次數(shù)。電流返回路徑不應(yīng)縮短，因?yàn)檫@些走線會(huì)限制從器件到電源接插件的電流流動(dòng)。A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器輸出碼不太要密集。

從上述數(shù)據(jù)很容易看出，地平面確實(shí)對(duì)電路噪聲有抑制作用。當(dāng)電路中沒有地平面時(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(cè)試是在電磁干擾較低的實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的。

A/D轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字碼的噪聲可歸因于運(yùn)放的噪聲和缺少抗信號(hào)混疊濾波器。如果電路中有“最少”量的數(shù)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(shù)字和模擬地平面連接在一起的危險(xiǎn)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(hào)路徑中。在電路的一點(diǎn)或多點(diǎn)上，要將模擬電路和數(shù)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(biāo)稱值不會(huì)被破壞。

在12位系統(tǒng)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題，使電源線比電路板上其他走線寬兩倍或三倍，以及有效使用旁路電容，都可以降低電源的噪聲。

* 信號(hào)線

電路板(包括數(shù)字和模擬電路)上的信號(hào)線要盡量短。這個(gè)基本準(zhǔn)則將降低無關(guān)信號(hào)耦合到信號(hào)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(zhuǎn)換器的參考電壓輸入引腳在進(jìn)行轉(zhuǎn)換期間是最為敏感的。對(duì)于圖7中的12位轉(zhuǎn)換器，輸入引腳(IN+和IN-)對(duì)引入的噪聲也很敏感。運(yùn)放的輸入端也有可能在信號(hào)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(duì)于輸入電流比較敏感。如果從高阻抗輸入端引出的走線靠近有快速變化電壓的走線(如數(shù)字或時(shí)鐘信號(hào)線)，就會(huì)發(fā)生這種情況，此時(shí)電荷通過寄生電容耦合到高阻抗走線中。這兩條走線之間的關(guān)系，與圖5所示類同。圖5中，兩條走線之間寄生電容C的值主要取決于走線之間的距離(d)，以及兩條走線保持平行的長(zhǎng)度(L)，其寄生電容C公式與上述公式(1)相同，通過這個(gè)模型，高阻抗走線中產(chǎn)生的電流等于：

盡管本文是關(guān)于布線的文章，但認(rèn)為討論一些電路設(shè)計(jì)的基本知識(shí)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(shè)計(jì)電路時(shí)，沒有加旁路電容，電源噪聲很可能使電路的精度達(dá)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(cè);一個(gè)電容放置在每個(gè)有源器件(包括數(shù)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(qǐng)參考廠商的使用指南)。

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(hào)混疊濾波器

可能注意到，圖7所示的電路中沒有抗信號(hào)混疊濾波器。正如數(shù)據(jù)所顯示，這一疏忽在電路中引起了噪聲問題。此電路板中，當(dāng)在儀表放大器的輸出和A/D轉(zhuǎn)換器的輸入之間接入一個(gè)四階、10Hz抗信號(hào)混疊濾波器時(shí)，轉(zhuǎn)換響應(yīng)的性能大為提高。

模擬濾波可在模擬信號(hào)到達(dá)A/D轉(zhuǎn)換器之前，消除疊加在模擬信號(hào)上的噪聲，尤其是無關(guān)的噪聲尖峰。模數(shù)轉(zhuǎn)換器將對(duì)出現(xiàn)在其輸入端的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這種信號(hào)可能包括傳感器電壓信號(hào)或噪聲，抗信號(hào)混疊濾波器消除了轉(zhuǎn)換過程中的高頻噪聲。

3.2 12位布線技巧歸納-PCB設(shè)計(jì)檢查表

只要遵循如下幾個(gè)準(zhǔn)則，良好的12位布線技巧并不難掌握：

*檢查器件相對(duì)于接插件的位置，確保高速器件和數(shù)字器件最靠近接插件。

*電路中至少要有一個(gè)地平面。

*使電源線比板上的其他走線寬。

*檢查電流回路，尋找地線中的可能噪聲源。這可通過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實(shí)現(xiàn)。

*正確旁路所有器件，將電容盡量靠近器件的電源引腳放置。

*使所有走線都盡量短。

*查看所有的高阻抗走線，逐條走線查找可能的電容耦合問題。

*確保對(duì)混合信號(hào)電路中的信號(hào)正確濾波。

四、結(jié)論

數(shù)字和模擬范圍確定后，謹(jǐn)慎布線對(duì)獲得成功的PCB是至關(guān)重要的。布線要領(lǐng)通常作為經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則作介紹，因?yàn)楹茈y在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中測(cè)試出產(chǎn)品的最終成功與否。因此，盡管數(shù)字和模擬電路的布線要領(lǐng)存在相似之處，但我們還是要認(rèn)識(shí)到并認(rèn)真對(duì)待其布線要領(lǐng)的差別。

尤其是有源數(shù)字走線靠近高阻抗模擬走線時(shí)，會(huì)引起嚴(yán)重的耦合噪聲，這只能通過增加走線之間的距離來避免。