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)簡介布局竅門以12位傳感系統(tǒng)的良好布線方法作為應用舉例，其目的為了討論概念和原理，而不是為了將某個布線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(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，滿刻度輸出擺幅為+/-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(jù)電路精度要求，選了一個12位A/D轉(zhuǎn)換器。當轉(zhuǎn)換器將輸入端的電壓進行數(shù)字化后，數(shù)字碼經(jīng)轉(zhuǎn)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自A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為重量。此時如需要的話，線性化和標定工作可由單片機(控制器)代碼實現(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。電路設計好后，下面即可設計印刷電路板和布線了。

3.1 關于設計印刷電路板和布線

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

3.1.1 布線的一般準則

* 器件布局

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

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子類：純數(shù)字、純模擬和混合信號。電路板的布線要符合要領：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，以確保開關噪聲不會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，地噪聲問題比電源噪聲問題更難應對。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)有幾處被信號線打斷，應盡量減少地平面被斷開的次數(shù)。電流返回路徑不應縮短，因為這些走線會限制從器件到電源接插件的電流流動。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，地平面確實對電路噪聲有抑制作用。當電路中沒有地平面時，噪聲的寬度大約為15個碼;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驗室中進行的。

A/D轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)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(shù)字電路，可能只需要一個地平面和一個電源平面就可以了。

需要注意的是，將數(shù)字和模擬地平面連接在一起的危險在于模擬電路會從電源引腳引入噪聲，并將噪聲耦合到信號路徑中。在電路的一點或多點上，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，其標稱值不會被破壞。

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。

* 信號線

電路板(包括數(shù)字和模擬電路)上的信號線要盡量短。這個基本準則將降低無關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(zhuǎn)換器的參考電壓輸入引腳在進行轉(zhuǎn)換期間是最為敏感的。對于圖7中的12位轉(zhuǎn)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靠近有快速變化電壓的走線(如數(shù)字或時鐘信號線)，就會發(fā)生這種情況，此時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度(L)，其寄生電容C公式與上述公式(1)相同，通過這個模型，高阻抗走線中產(chǎn)生的電流等于：

盡管本文是關于布線的文章，但認為討論一些電路設計的基本知識也是非常必要的。有關旁路電容的一個好原則是：在電路中始終包含旁路電容。如果設計電路時，沒有加旁路電容，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位置放置旁路電容：一個電容(12μF至I00μF)放置在電源側(cè);一個電容放置在每個有源器件(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。如果帶寬在這兩個頻率之間，可同時使用這兩種容值的電容，或使用其一。(或請參考廠商的使用指南)。

電路板上的每個有源器件都需要一個旁路電容。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。如果一個器件使用了兩個旁路電容，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所示的電路中沒有抗信號混疊濾波器。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四階、10Hz抗信號混疊濾波器時，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器之前，消除疊加在模擬信號上的噪聲，尤其是無關的噪聲尖峰。模數(shù)轉(zhuǎn)換器將對出現(xiàn)在其輸入端的信號進行轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換過程中的高頻噪聲。

3.2 12位布線技巧歸納-PCB設計檢查表

只要遵循如下幾個準則，良好的12位布線技巧并不難掌握：

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

*電路中至少要有一個地平面。

*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的電流密度和可能存在的噪聲量來實現(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。

*確保對混合信號電路中的信號正確濾波。

四、結(jié)論

數(shù)字和模擬范圍確定后，謹慎布線對獲得成功的PCB是至關重要的。布線要領通常作為經(jīng)驗準則作介紹，因為很難在實驗室環(huán)境中測試出產(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存在相似之處，但我們還是要認識到并認真對待其布線要領的差別。

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