PCB布線設(shè)計(jì)(之五)

圖1 SCX015壓力傳感器輸出端的電壓由儀表放大器(A1和A2)放大。在儀表放大器之后，添加了一個(gè)低通濾波器 (A3)，以消除來(lái)自12位A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的混疊噪聲

圖2 來(lái)自于12位A/D轉(zhuǎn)換器MCP3201的數(shù)據(jù)的時(shí)域表示，
產(chǎn)生了有趣的周期信號(hào)。此信號(hào)源可追溯到電源

圖3 電源噪聲充分降低后，MCP3201的輸出碼
一直是一個(gè)碼，2108

本文要論述的電路如圖1所示。

電源噪聲
電路應(yīng)用中的常見(jiàn)干擾源來(lái)自電源，這種干擾信號(hào)通常通過(guò)有源器件的電源引腳引入。例如，圖1中A/D轉(zhuǎn)換器輸出的時(shí)序圖如圖2所示。在此圖中，A/D轉(zhuǎn)換器的采樣速度是40ksps，進(jìn)行了4096次采樣。
在此例中，儀表放大器、參考電壓源和A/D轉(zhuǎn)換器上沒(méi)有加旁路電容。另外，電路的輸入都是以一個(gè)低噪聲、2.5V的直流電壓源作為基準(zhǔn)。
對(duì)電路的深入研究表明，時(shí)序圖上看到的噪聲源來(lái)自于開(kāi)關(guān)電源。電路中添加了旁路電容和扼流環(huán)。電源上加了一個(gè)10mF的電容，并且在盡可能靠近有源元件的電源引腳旁放置了三個(gè)0.1mF的電容。在產(chǎn)生的新時(shí)序圖上可以看到，產(chǎn)生了穩(wěn)定的直流輸出，圖3所示的柱狀圖可驗(yàn)證這一點(diǎn)。數(shù)據(jù)顯示，電路的這些更改消除了來(lái)自電路信號(hào)路徑的噪聲源。

造成干擾的外部時(shí)鐘
其它系統(tǒng)噪聲源可能來(lái)自時(shí)鐘源或電路中的數(shù)字開(kāi)關(guān)。如果這種噪聲與轉(zhuǎn)換過(guò)程有關(guān)，它不會(huì)作為轉(zhuǎn)換過(guò)程中的干擾出現(xiàn)。但是，如果這種噪聲與轉(zhuǎn)換過(guò)程無(wú)關(guān)，采用FFT(快速傅立葉變換)分析，可以很容易發(fā)現(xiàn)這種噪聲。

圖4 耦合到模擬走線的數(shù)字噪聲有時(shí)被誤解為寬帶噪聲。FFT圖可以很容易識(shí)別這種所謂 “噪聲”的頻率，因此可識(shí)別出噪聲源

圖5 放大器輕微過(guò)激勵(lì)，會(huì)使信號(hào)產(chǎn)生失真。通過(guò)這種轉(zhuǎn)換的FFT圖，可以很快發(fā)現(xiàn)信號(hào)的失真

時(shí)鐘信號(hào)干擾的示例可參見(jiàn)圖4所示的FFT圖。此圖使用了圖1所示的電路，并添加了旁路電容。在圖4所示的FFT圖中看到的激勵(lì)，由電路板上的19.84MHz時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生。在此例中，布線時(shí)幾乎沒(méi)有考慮走線之間的耦合作用，在FFT圖中可以看到忽略此細(xì)節(jié)的結(jié)果。
這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)修改布線來(lái)解決，將高阻抗模擬走線遠(yuǎn)離數(shù)字開(kāi)關(guān)走線；或者在模擬信號(hào)路徑中，在A/D轉(zhuǎn)換器之前加抗混疊濾波器。走線之間的隨機(jī)耦合在某種程度上更難以發(fā)現(xiàn)，在這種情況下，時(shí)域分析可能比較有效。

放大器使用不恰當(dāng)
回到圖1所示的電路，在儀表放大器的正相輸入端施加一個(gè)1kHz的交流信號(hào)。此信號(hào)不是壓力傳感的特性，但是可以采用這個(gè)示例來(lái)說(shuō)明模擬信號(hào)路徑中器件的影響。
圖5所示的FFT圖顯示了施加上述條件后的電路性能。注意基波看起來(lái)有失真，許多諧波也有同樣的失真。失真是由于使放大器輕微過(guò)激勵(lì)引起的。解決此問(wèn)題的方法是降低放大器增益。

結(jié)語(yǔ)
解決信號(hào)完整性問(wèn)題可能會(huì)花費(fèi)很多時(shí)間，尤其是當(dāng)工程師沒(méi)有工具來(lái)解決棘手的問(wèn)題時(shí)。在“竅門(mén)箱”中有三種最佳的分析工具：頻域分析工具(FFT)、時(shí)域分析工具(示波器照片)和直流分析工具(柱狀圖)。工程師可以用這些工具來(lái)識(shí)別電源噪聲、外部時(shí)鐘源和過(guò)激勵(lì)放大器失真。■