生物電阻抗測(cè)量系統(tǒng)中弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)研究--PCB制作

4.4電路PCB設(shè)計(jì)

由于電路的輸入為微弱信號(hào)，在電路設(shè)計(jì)與印制電路板設(shè)計(jì)時(shí)，稍有疏忽就會(huì)增加與微弱信號(hào)相當(dāng)甚至大得多的額外噪聲。因此，在電路設(shè)計(jì)與PCB板設(shè)計(jì)時(shí)候需要特別注意。

4.4.1元件選擇

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的是弱信號(hào)檢測(cè)預(yù)處理電路，由于要對(duì)弱信號(hào)進(jìn)行調(diào)理放大，因此在再三比較了芯片之后，才選擇了對(duì)應(yīng)的芯片。主要進(jìn)行了以下考慮：

1、在滿(mǎn)足基本功能要求的基礎(chǔ)上，信號(hào)處理電路的運(yùn)放、可編程運(yùn)算放大器都選擇低噪聲的芯片，本文選用的是ADA4817和PGA870；若選用噪聲較高的元件，則經(jīng)過(guò)后續(xù)放大電路后，會(huì)引入額外的強(qiáng)噪聲，增加了噪聲的有效值，在信號(hào)采集時(shí)需要采集更多的樣點(diǎn)才能獲得相同的檢測(cè)效果。

2、在電阻的選擇上，選用尺寸為0603的金屬膜電阻。這種電阻功率為0.125W，體積較小，噪聲低，穩(wěn)定性較好。此外，電阻所產(chǎn)生的熱噪聲雖然無(wú)法避免，但在設(shè)計(jì)時(shí)選取了數(shù)值小的電阻，盡量減少了電路中因電阻所引起的熱噪聲。

3、考慮了整個(gè)系統(tǒng)的頻率要求。由于激勵(lì)信號(hào)頻率范圍大，故在芯片選型上著重考慮此芯片能否滿(mǎn)足信號(hào)頻率的要求，要求芯片有足夠的頻率帶寬和轉(zhuǎn)換速率。

4.4.2電容退耦

電容在電路版中應(yīng)用非常廣泛，例如退耦、補(bǔ)償電路等。本文設(shè)計(jì)主要考慮以下電容退耦作用。

實(shí)際中電源往往會(huì)產(chǎn)生低頻的擾動(dòng)，常常還拌雜著高頻噪聲，特別是當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，更容易引入瞬變的噪聲電壓。因此，每個(gè)芯片電源引腳配置退耦電容，對(duì)增強(qiáng)電路的穩(wěn)定性有非常重要的作用。

從整體上來(lái)講，退耦電容的使用有以下好處：

（1）作為集成電路處的蓄能電容，例如使用一個(gè)容量較大的電容，可減小電壓波動(dòng)對(duì)電路造成的低頻干擾；

（2）濾除該器件產(chǎn)生的高頻噪聲，切斷其通過(guò)供電回路進(jìn)行傳播的通路，如圖中的C2；

（3）防止電源攜帶的噪聲對(duì)電路構(gòu)成干擾。

4.4.3 PCB接地

接地是將一個(gè)電路、設(shè)備、分系統(tǒng)與參考地連接，目的在于提供一個(gè)等電位點(diǎn)或面。接地必須有接地導(dǎo)體和參考地才能完成。參考地可以是大地，也可以是起大地作用的，有足夠面積的導(dǎo)體。理想的參考地是一個(gè)零電位、零阻抗的物理體。接地導(dǎo)體則是電路、設(shè)備、分系統(tǒng)的接地點(diǎn)與參考地的連接體。

這里所講的PCB接地主要是指板上的參考接地。由于該板由數(shù)字電路和模擬電路組成，其中既有AD轉(zhuǎn)換器也有DA轉(zhuǎn)換器，因此，在板上既有模擬地，又有數(shù)字地。為防止數(shù)字電路對(duì)模擬電路的干擾，這里設(shè)計(jì)為分開(kāi)接地，如圖4.13所示，左邊為模擬地，右邊為數(shù)字地。

一、數(shù)字地的處理

作為功能板上最主要的地線(xiàn)，數(shù)字互連信號(hào)將之作為主要回流通路，也是控制信號(hào)線(xiàn)特征阻抗的關(guān)鍵參考平面，同時(shí)是各種單板內(nèi)濾波屏蔽的參考點(diǎn)，地位十分的重要，在處理時(shí)也要保證它的合理、可靠。

從背板來(lái)的直流電源經(jīng)過(guò)AD/DA轉(zhuǎn)換成單板上供電電源以及其回流地線(xiàn)（DGND），在本板上作為參考電平，連接到背板后成為系統(tǒng)成為系統(tǒng)內(nèi)的通信參考。

單板內(nèi)部其他工作地線(xiàn)都在單板上以多點(diǎn)接地方式與DGND相連。

接地理論中的單點(diǎn)、多點(diǎn)接地的區(qū)別在單板上最能體現(xiàn)，因?yàn)镮C的工作電流的變化速率是系統(tǒng)中最高的，而且工作電壓又是系統(tǒng)中最低的，地線(xiàn)上的共阻抗最可能引起干擾問(wèn)題[16]。

單點(diǎn)接地的好處是接地線(xiàn)比較明確清楚，成本較低。但最大的問(wèn)題是地線(xiàn)較長(zhǎng)，在高頻是阻抗較大，可能影響芯片自身的穩(wěn)定性，更多的時(shí)候是產(chǎn)品共阻抗干擾，耦合到相鄰的芯片或者在共地線(xiàn)的芯片上產(chǎn)生互擾。

多點(diǎn)接地的好處是芯片工作各自有各自的電流回路，不會(huì)產(chǎn)生共地線(xiàn)阻抗的互擾問(wèn)題，同時(shí)，接地線(xiàn)可以很短，減少地線(xiàn)阻抗。多點(diǎn)接地的不足之處在于這種方式需要增加PCB的成本，同時(shí)板上的高頻回路劇增，這些高頻的電流回路對(duì)磁場(chǎng)是很敏感的，所以在設(shè)計(jì)PCB時(shí)兼顧了單點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地的方法。

混合接地結(jié)合了單點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地兩者的特點(diǎn)，低頻電流從串聯(lián)單點(diǎn)接地線(xiàn)經(jīng)過(guò)，高頻電流將沿著各自IC的接地電流回流，相互獨(dú)立。

本文設(shè)計(jì)的功能板的數(shù)字地是從DA變換經(jīng)濾波后接入PCB的地線(xiàn)層，延伸至整個(gè)功能板，為每個(gè)器件的信號(hào)線(xiàn)提供參考的回流平面，在需要接地的地方就近打孔連接，加上旁路和去耦電容的使用，解決了多點(diǎn)接地的隱患。

數(shù)字地和背板連接就成為系統(tǒng)通信的參考地（GND），一般情況下是使用高密度的連接器同時(shí)實(shí)現(xiàn)地和信號(hào)的連接，此時(shí)注意地線(xiàn)針數(shù)，將針數(shù)控制在總針數(shù)的三分之一；同時(shí)注意地線(xiàn)針的安排，將地針散布在信號(hào)針之間，減少了信號(hào)間的互擾，也減弱了信號(hào)線(xiàn)的特征阻抗經(jīng)過(guò)連接器產(chǎn)生的跳變，在關(guān)鍵的信號(hào)和敏感的信號(hào)周?chē)才帕溯^多的地線(xiàn)針。

功能板上各種電路的連線(xiàn)都從各自的參考平面走線(xiàn)，數(shù)模電路之間一般通過(guò)數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行連接，各種地分割之間通過(guò)一定寬度的金屬相通連接，同時(shí)避免各模塊內(nèi)部連線(xiàn)從相連出經(jīng)過(guò)，以減少互擾的機(jī)會(huì)。

二、模擬地的處理

模擬電路抗干擾能力非常弱，尤其是和對(duì)外干擾大的數(shù)字電路放在一起時(shí)要特別注意采取必要的保護(hù)措施，避免和數(shù)字電路接觸是首要原則。模擬信號(hào)的參考地（AGND）安排在地線(xiàn)層中分割產(chǎn)生，以其作為模擬信號(hào)專(zhuān)用的回流途徑。為了保證數(shù)字信號(hào)的電流不對(duì)其產(chǎn)生干擾，AGND上不設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)高速數(shù)字信號(hào)線(xiàn)，同時(shí)，容易受干擾的模擬信號(hào)也不從數(shù)字地上走線(xiàn)。

數(shù)模電路之間的相互控制和通信只使用A/D進(jìn)行，ADC放在DGND和AGND的交界處，并將數(shù)字和模擬部分分開(kāi)。

模擬地最終還是和數(shù)字地連接在一起，保證系統(tǒng)內(nèi)有統(tǒng)一的參考點(diǎn)，采用單點(diǎn)連接方式，保證數(shù)模電路各自的電流通路在同一個(gè)參考平面上，同時(shí)保留了一定的寬度。

4.4.4電路板布局

在PCB設(shè)計(jì)中，布局是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。布局結(jié)果好壞將直接影響到不線(xiàn)的效果，因此，合理的布局是PCB設(shè)計(jì)成功的第一步。

布局常用的有兩種方式，一是交互式布局，二是自動(dòng)布局。本文采取的是在自動(dòng)布局的基礎(chǔ)上用交互式布局進(jìn)行調(diào)整，在布局時(shí)根據(jù)走線(xiàn)的情況對(duì)電路進(jìn)行進(jìn)一步分配，使其成為布線(xiàn)的最佳布局。本文布局主要考慮以下幾個(gè)重點(diǎn)。

1.合理的走向。

特別是輸入與輸出，他們的走向是成線(xiàn)性的，互不交融的。其目的是防止互相干擾。

2.選擇合理接地點(diǎn)。

接地點(diǎn)的選擇是許多工程人員重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象，也有大量的文章論述這方面的問(wèn)題。各自針對(duì)這個(gè)問(wèn)題都有自己的一套解決方案。針對(duì)本文PCB功能板，其前向放大器的多條地線(xiàn)就是采用地線(xiàn)匯合后再與干地線(xiàn)相連的方式接地的。

3.線(xiàn)條與過(guò)孔的考慮。

在有條件做寬線(xiàn)的地方，決不做細(xì)線(xiàn)，同時(shí)在線(xiàn)過(guò)彎是都采用圓弧型過(guò)彎，避免直角拐彎。在過(guò)孔方面，盡量考慮減少布線(xiàn)的過(guò)孔。因?yàn)樵谶^(guò)孔多的情況下，沉銅工藝稍有不慎就會(huì)埋下許多隱患。

功能板的PCB布局圖如圖4.14所示。在整個(gè)PCB設(shè)計(jì)中，以布線(xiàn)的設(shè)計(jì)過(guò)程限定最高，技巧最細(xì)，工作量最大。因此在PCB布線(xiàn)時(shí)也采取了相應(yīng)的措施。

PCB布線(xiàn)有單面布線(xiàn)，雙面布線(xiàn)和多層布線(xiàn)。布線(xiàn)的方式也有兩種：自動(dòng)布線(xiàn)和交互式布線(xiàn)，在自動(dòng)布線(xiàn)之前，用交互式事先對(duì)要求比較嚴(yán)格的線(xiàn)進(jìn)行布線(xiàn)，輸入端與輸出端的布線(xiàn)避免相鄰平行，以避免產(chǎn)生反射干擾。

本系統(tǒng)電路板布局走線(xiàn)主要考慮了以下原則：

1.安全間距。PCB設(shè)計(jì)是在PADS2007上設(shè)計(jì)的。表面貼片元件和過(guò)孔最小間距設(shè)為6mil，表面貼片元件和第一導(dǎo)線(xiàn)彎曲點(diǎn)間的最小間距設(shè)為6mil，在相同網(wǎng)絡(luò)中，兩過(guò)孔間的最小間距為6mil，通孔焊盤(pán)和第一導(dǎo)線(xiàn)彎曲點(diǎn)間的最小間距為8mil，導(dǎo)線(xiàn)和另一導(dǎo)線(xiàn)彎曲點(diǎn)間的最小距離設(shè)為8mil.

2.設(shè)定布線(xiàn)規(guī)則。利用PADS2007設(shè)定了布線(xiàn)規(guī)則。設(shè)置了過(guò)孔與導(dǎo)線(xiàn)敷銅共享，考慮了網(wǎng)絡(luò)連接長(zhǎng)度最小化，差分走線(xiàn)的最小延遲等。

3.高速電路布線(xiàn)。通過(guò)HiSpeed Rules工具，設(shè)置了平行線(xiàn)走線(xiàn)規(guī)則，高速電路規(guī)則和匹配規(guī)則。同一層平面平行線(xiàn)長(zhǎng)度和間距分別為1000mil和200mil，不同平面的平行線(xiàn)長(zhǎng)度和間距分別設(shè)置為800mil和200mil.