【正文】 8. 確保對混合信號電路中的信號正確濾波。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)。 PCB 設(shè)計準則 只要遵循如下幾個準則，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，確保高速器件和數(shù)字器件最靠近接插件。正如數(shù)據(jù)所顯示，這一疏忽在電路中引起了噪聲問題。旁路電容必須盡可能靠近器件的電源引腳放置，如圖 5 所示。如果器件的帶寬小于或等于 1MHz，那么采用 1mF 的電容可以顯著降低引入的噪聲。 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。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。 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。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。請注意，測試是在電磁干擾較低的實驗室中進行的。兩次測試中使用了相同的有源器件。地 平面 (圖 5b)有幾處被信號線打斷，應(yīng)盡量減少地平面被斷開的次數(shù)。信號會通過這種寄生電容在走線之間耦合。注意此布線中有地平面。在圖 4 中，對 A/D 轉(zhuǎn)換器進行 了 4096 次采樣并記錄了數(shù)據(jù)。采用地平面可以很容易解決這些問題，但是，如果沒有地平面，要克服這些問題幾乎是不可能的。實現(xiàn)這些平面是需要一些策略技巧的。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。 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。 27 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。 圖 3 圖 1 電路的頂層布線和底層布線 ，此布線中沒有地平面和電源平面。 圖 1 負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MCP3201 濾波和數(shù)字化。電路設(shè)計好之后，即可設(shè)計印刷電路板和布線了。然后，單片機用查找表將來自 A/D 轉(zhuǎn)換器的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為重量。 10mV 差分信號。系統(tǒng)電路原理圖如圖 1 所示。 結(jié)語 解決信號完 整性可能會花費很多時間，尤其是當工程師沒有工具來解決棘手的問題時。 圖 5 所示的 FFT 圖顯示了施加上述條件后的電路性能。 25 這個問題可以通過修改布線來解決，將高阻抗模擬走線遠離數(shù)字開關(guān)走線；或者在模擬信號路徑中，在 A/D 轉(zhuǎn)換器之前加抗混疊濾波器。 時鐘信號干擾的示例可參見圖 4 所示的 FFT 圖。 24 圖 4 耦合到模擬走線的數(shù)字噪聲有時被誤解為寬帶噪聲。數(shù)據(jù)顯示，電路的這些更改消除了來自電路信號路徑的噪聲源。 對電路的深入研究表明，時序圖 上看到的噪聲源來自于開關(guān)電源。例如，圖 1 中 A/D 轉(zhuǎn)換器輸出的時序圖如圖 2 所示。此信號源可追溯到電源。我們將研究如何決定找什么；到哪里找；如何通過測試檢驗問題；以及如何解決發(fā)現(xiàn)的問題等。 22 PCB 布線設(shè)計（五） 要解決信號完整性問題，最好有多個工具分析系統(tǒng)性能。 必須要有地平面，這意味著至少需要雙面板。此高頻率時鐘用于開關(guān)調(diào)制器和運行過采樣引擎。與逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器一樣，這些類型 A/D 轉(zhuǎn)換器可能有多個模擬地、數(shù)字地和電源引腳。然后，A/D 轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸出應(yīng)使用外部的三態(tài)輸出緩沖器緩沖。當這些器件與單片機接口時，應(yīng)該使用外部的數(shù)字緩沖器，以獲得無噪聲運行。然而，隔離開地可增大轉(zhuǎn)換器具有良好和可重復(fù)精度的可能性。電源有一個引出引腳。 例如， 10 位和 12 位轉(zhuǎn)換器典型樣片的引腳配置如圖 2 所示。 這些類型的轉(zhuǎn)換器可以有多個地和電源連接引腳。在此方框圖中，采樣 /保持、比較器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器（ DAC）的大部分以及 12 位逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器都是模擬的。對于這些器件，需要特別注意防止來自轉(zhuǎn)換器串行或并行輸出接口的數(shù)字反饋。最初，這些轉(zhuǎn)換器的工藝和結(jié)構(gòu)是帶 R2R 梯形電阻網(wǎng)絡(luò)的雙極型。本文將以逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器和 ∑△ 型 A/D 轉(zhuǎn)換器為例，探討 A/D 轉(zhuǎn)換器所需的 PCB 布線策略。 最初，模數(shù) (A/D)轉(zhuǎn)換器起源于模擬范例，其中物理硅的大部分是模擬。圖中的波形是第三個數(shù)字電位器的單碼轉(zhuǎn)換結(jié)果 。第三個數(shù)字電位器在兩個輸出狀態(tài)之間翻轉(zhuǎn)。圖中的數(shù)字走線傳送對數(shù)字電位器設(shè)置進行編程的數(shù)字碼。在檢查布線時，發(fā)現(xiàn)將數(shù)字走線布在了高阻抗模擬線路的旁邊。在此模式中，電路的數(shù)字部分是電路運行的 必需部分。 此電路有兩種基本工作模式。 U3a 和 U3b 的編程設(shè)定經(jīng)數(shù)字電位器后的電壓值。 圖 5 采用這種新 的布線，將模擬線路和數(shù)字線路隔離開了。 這兩個數(shù)字電位器的抽頭都分別連接到兩個配置了緩沖器的運放的正 相輸入端。在此圖的左側(cè)，在 VDD 和地之間跨接了兩個數(shù)字電位器 (U3a 和 U3b)，其抽頭輸出連接到兩個運放 (U4a和 U4b)的正相輸入端。可以采用圖 1 所示的公式來計算這種電容值。如果系統(tǒng)中的 VDD 為 5V，那么此 D/A 轉(zhuǎn)換器的分辨率或 LSB 大小為 。本文將對最棘手的電路板寄生元件類型 — 寄生電容進行量化，并提供一個可清楚看到寄生電容對電路性能影響的示例。 PCB 布線設(shè)計（三 ） 布線需要考慮的問題很多，但是最基本的的還是要做到周密，謹慎 。如果在第一條走線上的電壓變化足夠大，干擾可能會降低數(shù)字電路的電壓容限而產(chǎn)生誤差。地線是低阻抗的，而且添加這樣的另外一條走線將削弱產(chǎn)生干擾的電場，如圖 5 所示。應(yīng)該注意，變量 d 在電容方程的分母中， d 增加，容抗會降低。在這種環(huán)境中，模擬電路有兩個不利的方面：其噪聲容限比數(shù)字電路低得多；高阻抗走線比較常見。在這兩種走線配置中，一條走線上電壓隨時間的變化 (dV/dt)可能在另一條走線上產(chǎn)生電流。在混合信號系統(tǒng)的布線中，這兩種電路要分隔開，如圖 4 所示。由于這種電容的存在，在一條走線上的快速電壓變化，可在另一條走線上產(chǎn)生電流信號 圖 6 如果不注意走線的放置， PCB 中的走線可能產(chǎn)生線路感抗和互感。這樣做是為了保持信號路徑所受到的外部干擾最小。一個基本的經(jīng)驗準則是使用不間斷的地平面，這一常識降低了數(shù)字電路中的 dI/dt(電流隨時間的變化 )效應(yīng)，這一效應(yīng)會改變地的電勢并會使噪聲進入模擬電路。電源線和地線配合不當?shù)?PCB 設(shè)計示例如圖 2所示。流經(jīng)電路板走線的開關(guān)電流將引起電壓發(fā)生變化，電路板走線存在寄生電感，可采用如下公式計算電壓的變化： V = LdI/dt 其中， V = 電壓的變 化； L = 電路板走線感抗； dI = 流經(jīng)走線的電流變化； dt =電流變化的時間。在數(shù)字電路中，執(zhí)行門狀態(tài)的切換通常需要 很大的電流。所有情況下 ，這些電容的引腳都應(yīng)較短 11 圖 2 在此電路板上，使用不同的路線來布電源線和地線，由于這種不恰當?shù)呐浜希?路板的電子元器件和線路受電磁干擾的可能性比較大 圖 3 在此單面板中，到電路板上器件的電源線和地線彼此靠近。一般來說，這些高頻信號的頻率超出模擬器件抑制高頻信號的能力。但引腳須較短，且要盡量靠近器件 (對于 電容 )或供電電源 (對于 10mF 電容 )。 模擬和數(shù)字布線策略的相似之處旁路或去耦電容 在布線時，模擬器件和數(shù)字器件都需要這些類型的 電容，都需要靠近其電源引腳連接一個電容，此電容值通常為 。 PCB 布線設(shè)計（二） 工程領(lǐng)域中的數(shù)字設(shè) 計人員和數(shù)字電路板設(shè)計專家在不斷增加，這反映了行業(yè)的發(fā)展趨勢。此干擾的計算公式和上述相同，對于地平面或接地走線的感抗， V = Ldi/dt ；對于地平面或接地走線的阻抗， V = RI 。對于地平面或接地走線的感抗部分，計算公式為 V = Ldi/dt，其中 V 是產(chǎn)生的電壓， L 是地平面或接地走線的感抗， di 是數(shù)字器件的電流變化， dt 是持續(xù)時間。 2. 應(yīng)避免地環(huán)路 3. 如果不能采用地平面，應(yīng)采用星形連接策略 (見圖 6) 通過這種方法，地電流獨立返回電源連接端。廠商的演示板和評估板通常采用這種布線策略。這種接地方案的可取之處是，模擬器件 (12 位 A/D 轉(zhuǎn)換器MCP3202 和 參考電壓源 MCP4125)放在電路板的最右側(cè)，這種布局確保了這些模擬芯片下面不會有數(shù)字地信號經(jīng)過。如果在頂層 布地線，則頂層的器件都通過走線接地。 例如，圖 1 中顯示了一個采用自動布線設(shè)計的雙面板的頂層。在本文中，我們將討論自動布線功能的正確使用和錯誤使用，有無地平面時電流回路的設(shè)計策略，以及對雙面板元件布局的建議。 在 PCB 上是否加有工藝線？ 阻焊是否符合生產(chǎn)工藝的要求，阻焊尺寸是否合適，字符標志是否壓在器件焊盤上，以免影響電裝質(zhì)量。 對于關(guān)鍵的信號線是否采取了最佳措施，如長度最短，加保護線，輸入線及輸出線被明顯地分開。所以要有一個疏密合理的網(wǎng)格系統(tǒng)來支持布線的進行。 5 布線中網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的作