生物電阻抗測量系統(tǒng)中弱信號檢測技術(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，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)的是弱信號檢測預(yù)處理電路，由于要對弱信號進(jìn)行調(diào)理放大，因此在再三比較了芯片之后，才選擇了對應(yīng)的芯片。主要進(jìn)行了以下考慮：

1、在滿足基本功能要求的基礎(chǔ)上，信號處理電路的運(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，在信號采集時(shí)需要采集更多的樣點(diǎn)才能獲得相同的檢測效果。

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)信號頻率范圍大，故在芯片選型上著重考慮此芯片能否滿足信號頻率的要求，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，對增強(qiáng)電路的穩(wěn)定性有非常重要的作用。

從整體上來講，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)字電路對模擬電路的干擾，這里設(shè)計(jì)為分開接地，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，數(shù)字互連信號將之作為主要回流通路，也是控制信號線特征阻抗的關(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。

從背板來的直流電源經(jīng)過AD/DA轉(zhuǎn)換成單板上供電電源以及其回流地線（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，地線上的共阻抗最可能引起干擾問題[16]。

單點(diǎn)接地的好處是接地線比較明確清楚，成本較低。但最大的問題是地線較長，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)生共地線阻抗的互擾問題，同時(shí)，接地線可以很短，減少地線阻抗。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磁場是很敏感的，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)接地線經(jīng)過，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的地線層，延伸至整個(gè)功能板，為每個(gè)器件的信號線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)地和信號的連接，此時(shí)注意地線針數(shù)，將針數(shù)控制在總針數(shù)的三分之一；同時(shí)注意地線針的安排，將地針散布在信號針之間，減少了信號間的互擾，也減弱了信號線的特征阻抗經(jīng)過連接器產(chǎn)生的跳變，在關(guān)鍵的信號和敏感的信號周圍安排了較多的地線針。

功能板上各種電路的連線都從各自的參考平面走線，數(shù)模電路之間一般通過數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行連接，各種地分割之間通過一定寬度的金屬相通連接，同時(shí)避免各模塊內(nèi)部連線從相連出經(jīng)過，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。模擬信號的參考地（AGND）安排在地線層中分割產(chǎn)生，以其作為模擬信號專用的回流途徑。為了保證數(shù)字信號的電流不對其產(chǎn)生干擾，AGND上不設(shè)計(jì)經(jīng)過高速數(shù)字信號線，同時(shí)，容易受干擾的模擬信號也不從數(shù)字地上走線。

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。

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)走線的情況對電路進(jìn)行進(jìn)一步分配，使其成為布線的最佳布局。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)注的對象，也有大量的文章論述這方面的問題。各自針對這個(gè)問題都有自己的一套解決方案。針對本文PCB功能板，其前向放大器的多條地線就是采用地線匯合后再與干地線相連的方式接地的。

3.線條與過孔的考慮。

在有條件做寬線的地方，決不做細(xì)線，同時(shí)在線過彎是都采用圓弧型過彎，避免直角拐彎。在過孔方面，盡量考慮減少布線的過孔。因?yàn)樵谶^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，以布線的設(shè)計(jì)過程限定最高，技巧最細(xì)，工作量最大。因此在PCB布線時(shí)也采取了相應(yīng)的措施。

PCB布線有單面布線，雙面布線和多層布線。布線的方式也有兩種：自動(dòng)布線和交互式布線，在自動(dòng)布線之前，用交互式事先對要求比較嚴(yán)格的線進(jìn)行布線，輸入端與輸出端的布線避免相鄰平行，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。表面貼片元件和過孔最小間距設(shè)為6mil，表面貼片元件和第一導(dǎo)線彎曲點(diǎn)間的最小間距設(shè)為6mil，在相同網(wǎng)絡(luò)中，兩過孔間的最小間距為6mil，通孔焊盤和第一導(dǎo)線彎曲點(diǎn)間的最小間距為8mil，導(dǎo)線和另一導(dǎo)線彎曲點(diǎn)間的最小距離設(shè)為8mil.

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

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