PCB布線設(shè)計之六

1、PCB布線設(shè)計（之六）對于12位傳感系統(tǒng)的布線，應(yīng)用的電路是一負(fù)載單元電路，該電路可精確測疑傳感器 上施加的重量，然后將結(jié)果顯示在LCD顯示屏上。系統(tǒng)電路原理圖如圖1所示。采用的負(fù) 載單元是Omega公司的LCL-816GO 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900g最大激勵時，滿刻度輸岀擺幅為10mV 差分信號。該小差分信號被雙運放儀表放大器放大。根據(jù)電路精度要求，選擇一個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端口發(fā)送到單片機(jī)。 然后，單片機(jī)用查找表將來自A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為重疑

2、。此時如需要的話，線性 化和標(biāo)左工作可由控制器代碼實現(xiàn)。完成這一步后，結(jié)果送到LCD顯示器。最后一步是為 控制器寫固件。電路設(shè)計好之后，即可設(shè)計印刷電路板和布線了。查看這個完整的電路原理圖時，若使用自動布線工具，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。如果自動布線工具沒有 限制選項的話，最好不要使用自動布線工具。雙運放儀表放大器圖1負(fù)載單元傳感器輸出端的信號由雙運放儀表放大器放大，然后由12位A/D轉(zhuǎn)換器MCP32O1濾波和數(shù)字化。每次轉(zhuǎn)換的結(jié)果顯示在LCD顯示屏上。b）數(shù)字器件應(yīng)該靠近接插件 和電源放置圖2在精度髙于12位的電路中，PCB上有

3、源元件的放置很重要。要將高頻元件和數(shù)字器件盡量靠近接插件放置.運放2.5V巻當(dāng)電壓聽負(fù)載單無.）頂層b底圧圖3圖1電路的頂層布線和底層布線，此布線中沒有地平而和電源平而。注意：為降低電源線的感抗，電源線要比信號線寬很多。數(shù)字碼出現(xiàn)次數(shù)圖4在沒有地平而或電源平而的PCB（PCB布線如圖3所示）中，對A/D轉(zhuǎn)換器輸出4096次 采樣的柱狀圖匚電路的噪聲碼寬度為15個碼。布線的一般準(zhǔn)則器件布局既然是采用手工布線，那么第一個步驟是在板上放豊器件。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(wù)有兩個準(zhǔn)則：1. 將電路中器件分成兩大類：高速（XOMHz）器件和低速器件。如果可能的話，將高速 器件盡量

4、靠近板的接插件和電源放垃。2. 將上述大類再分成三個子類：純數(shù)字、純模擬和混合信號。將數(shù)字器件盡量靠近板 的接插件和電源放宜。電路板的布線策略要符合圖2所示的器件布局圖。注意圖2a中髙速器件、低速器件與 電路板的接插件和電源之間的關(guān)系.在圖2b中，數(shù)字器件最靠近電路板的接插件和電源，與其它數(shù)字和模擬電路分離開了。純模擬器件距離數(shù)字器件最遠(yuǎn)，以確保開關(guān)噪聲不會耦合 到模擬信號路徑中。A/D轉(zhuǎn)換器的布線策略在本刊2004年1月中有詳細(xì)論述。地和電源策略確左了器件的大體位置后，就可以左義地平面和電源平而了。實現(xiàn)這些平面是需要一些 策略技巧的。在PCB中不使用地平而是很危險的，尤其是在模擬和混合信號設(shè)

5、計中。其一，因為模 擬信號是以地為基準(zhǔn)的，地噪聲問題比電源噪聲問題更難應(yīng)對。例如，在圖1所示電路中, A/D轉(zhuǎn)換器（MCP3201）的反相輸入引腳是接地的；二，地平而還對噪聲有屏蔽作用。采用地 平而可以很容易解決這些問題，但是，如果沒有地平而，要克服這些問題幾乎是不可能的。這里，假設(shè)不需要地平而。圖1所示的電路無地平而布線，如圖3所示?！安恍枰仄蕉暗睦碚撨€行得通嗎？這可以通過數(shù)據(jù)來驗證。在圖4中，對A/D轉(zhuǎn)換 器進(jìn)行了 4096次采樣并記錄了數(shù)據(jù)。在采集數(shù)據(jù)時，沒有在傳感器上施加激勵。采用這種 電路布線，控制器專用于與轉(zhuǎn)換器接口，并將轉(zhuǎn)換器的結(jié)果發(fā)送到LCD顯示藩。a.）頂層壇平面b）辰層

6、圖5圖1電路的頂層和底層布線。注意此布線中有地平而。數(shù)字瑪一出班次數(shù)MJO40020024-*. wn1 24.90 2500 1 2501 1 29O2 11290*5 1 230*12位S轉(zhuǎn)換闌的帑出碼圖6在有地平而的PCB（PCB布線如圖5所示）中，對A/D轉(zhuǎn)換器輸岀4096次采樣的柱狀圖。噪聲碼寬度為11個碼。PC吐線o o O o o O 10 91 1o o o o O- o o O o o o o o o o O8 7 6 5 4 3 2 1 出現(xiàn)的次w z PCB走線的卸度L kFCB走線的蘇 d =兩條兀3蓬握之間的距禹 e.=空氣前介電荒敎0板的相對介電戀數(shù)圖7在PCB上將

7、兩條泄線靠近放置，就會產(chǎn)生寄生電容。信號會通過這種寄生電容在疋線 之間耦合。25012 血250312位A/0晴換器的輸出礙圖8顯示在圖1電路中添加一個四階抗信號混疊濾波器后的轉(zhuǎn)換結(jié)果。另外，電路板布線中添加了地平而。圖5所示的布線與圖3中的布線基本相同，但在底層添加了地平而。地平而（圖5b）有幾 處被信號線打斷，應(yīng)盡量減少地平而被斷開的次數(shù)。電流返回路徑不應(yīng)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)換器輸岀的柱狀圖如圖6所示。與圖4相比, 輸出碼要密集得多。兩次測試中使用了相同的有源器件。無源器件不同，會導(dǎo)致較小的偏巻 差異。從上述數(shù)據(jù)很容易看岀，地平而確實對電路噪聲有

8、抑制作用。當(dāng)電路中沒有地平而時, 噪聲的寬度大約為15個碼；添加了地平而后，性能提高了約1.5倍或15/11倍。請注意，測 試是在電磁干擾較低的實驗室中進(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而和一個電源平面就可以了?！白钌佟翱捎呻?路板設(shè)計人員宦義。將數(shù)字和模擬地平而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(biāo)稱值不會被破壞。在12位系統(tǒng)中，電源平而并不象地

9、平而那么重要。盡管電源平面可以解決許多問題， 使電源線比電路板上其它定線寬兩倍或三倍，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(zhǔn)則將降低無關(guān)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岀引腳或電 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。對于圖1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109W至1013W的輸入阻抗。髙阻抗輸入端對于輸入電流比較敏感。如果從髙阻抗輸入

10、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(guān)系如圖7所示。圖中，兩條走線之間寄生電容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）。通過這個模型，髙阻抗走線中產(chǎn)生的電 流等于：I=C dV/dt其中：I是高阻抗走線上的電流，C是兩條PCB泄線之間的電容值，dV是有開關(guān)動作的走 線上的電壓變化，dt是電壓從一個電平變化到下一個電平所用的時間。旁路電容和抗信號混疊濾波器的使用有關(guān)旁路電容的一個原則是：在電路中始終包含旁路電容。如果設(shè)計電路時，沒有加旁 路電容，電源噪聲很可能使電路

11、的精度達(dá)不到12位。旁路電容可在電路板上的如下兩個位巻放置旁路電容：一個電容（10mF至100mF）放苣在電源側(cè), 另一個電容放宜在每個有源器件（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等于1MHz,那么采用lmF的電容可以顯著降低引 入的噪聲。如果器件的帶寬大于10MHz, 0.1 mF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。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 腳放程，如圖5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

12、容的引腳要盡量短。抗信號混疊濾波器請注意，圖1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(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 個四階、10Hz抗信號混疊濾波器時，轉(zhuǎn)換響應(yīng)的性能大為提高，如圖8所示。模擬濾波可在模擬信號到達(dá)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(guān)的噪聲尖峰。A/D轉(zhuǎn)換器將對出現(xiàn)在其輸入端的信號進(jìn)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。PCB設(shè)計準(zhǔn)則只要遵循如下幾個準(zhǔn)則，良好的12位布線技巧并不難掌握：1. 檢查器件相對于接插件的位置，確保髙速器件和數(shù)字