【正文】 。 7. 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。 5. 正確旁路所有器件，將電容盡量靠近器件的電源引腳放置。 4. 檢查電流回路，尋找地線中的可能噪聲源。 2. 電路中至少要有一個地平面。 A/D 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。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(yīng)的性能 大為提高，如圖 8 所示。 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。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。 30 電路 板上的每個有源器件都需要一個旁路電容。如果器件的帶寬大于 10MHz， 的電容可能比較合適。加在器件上旁路電容的值取決于使用的器件。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的精度達不到 12 位。通過這個模型，高阻抗走線中產(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 走線之間的電容值， 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。 這兩條走線之間的關(guān)系如圖 7 所示。 高阻抗輸入端對于輸入電流比較敏感。運放的輸入端也有可能在信號路徑中引入噪聲。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。這個基本準則將降低無關(guān)信號耦合到信號路徑的可能性。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。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。 “最少 ”可由電路板設(shè)計人員定義。 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。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 倍 或 15/11 倍。無源器件不同，會導(dǎo)致較小的偏置差異。與圖 4 相比，輸出碼要密集得多。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。 29 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面。 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。 圖 7 在 PCB 上將兩條走線靠近放置，就會產(chǎn)生寄生電容。 28 圖 6 在有地平面的 PCB(PCB 布線如圖 5 所示 )中，對 A/D 轉(zhuǎn)換器輸出 4096 次采樣的柱狀圖。 圖 5 圖 1 電路的頂層和底層布線。在采集數(shù)據(jù)時，沒有在傳感器上施加激勵。 “不需要地平面 ”的理論還行得通嗎？這可以通過數(shù)據(jù)來驗證。 這里，假設(shè)不需要地平面。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，地平面還對噪聲有屏蔽作用。 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(shè)計中。 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。純模擬器件距離數(shù)字器件最遠，以確 保開關(guān)噪聲不會耦合到模擬信號路徑中。注意圖 2a 中高速器件、低速器件與電路板的接插件和電源之間的關(guān)系。將數(shù)字器件盡量靠近板的接插件和電源放置。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。將噪聲敏感器件和產(chǎn)生噪聲器件分開放置。電路的噪聲碼寬度為 15 個碼。注意：為降低電源線的感抗，電源線要比信號線寬很多。要將高頻元件 和數(shù)字器件盡量靠近接插件放置。每次轉(zhuǎn)換的結(jié)果顯示在 LCD 顯示屏上。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。 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。最后一步是為控制器寫固件。此時如需要的話，線性化和標定工作可由控制器代碼實現(xiàn)。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 端口發(fā)送到單片機。該小差分信號被雙運放儀表放大器放大。將 5V 激勵電壓加在傳感器高端，施加 900g 最大激勵時，滿刻度輸出擺幅為177。采用的負載單元是Omega 公司的 LCL816G。 PCB 布線設(shè)計（六） 對于 12 位傳感系統(tǒng)的布線，應(yīng)用的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 顯示屏上。在 “竅門箱 ”中有三種最佳的分析工具：頻域分析工具 (FFT)、時域分析工具 (示波器照片 )和直流分析工具 (柱狀圖 )。解決此問題的方法是降低放大器增益。注意基波看起來有失真，許多諧波也有同樣的失真。此信號不是壓力傳感的特性 ，但是可以采用這個示例來說明模擬信號路徑中器件的影響。走線之間的隨機耦合在某種程度上更難以發(fā)現(xiàn)，在這種情況下，時域分析可能比較有效。在此例中，布線時幾乎沒有考慮走線之間的耦合作用，在 FFT 圖中可以看到忽略此細節(jié)的結(jié)果。此圖使用了圖 1 所示的電路，并添加了旁路電容。通過這種轉(zhuǎn)換的 FFT 圖，可以很快發(fā)現(xiàn)信號的失真。 FFT 圖可以很容易識別這種所謂 “噪聲 ”的頻率，因此可識別出噪聲源。但是，如果這種噪聲與轉(zhuǎn)換過程無關(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。 造成干擾的外部時鐘 其它系統(tǒng)噪聲源可能來自時鐘源或電路中的數(shù)字開關(guān)。在產(chǎn)生的新時序圖上可以看到，產(chǎn)生了穩(wěn)定的直流輸出，圖 3 所示的柱狀圖可驗證這一點。電路中添加了旁路電容和扼流環(huán)。另外，電路的輸入都是以一個低噪聲、 的直流電壓源作為基準。在此圖中， A/D 轉(zhuǎn)換器的采樣速度是 40ksps，進行 了 4096 次采樣。 電源噪聲 電路應(yīng)用中的常見干擾源來自電源，這種干擾信號通常通過有源器件的電源引腳引入。 23 圖 3 電源噪聲充分降低后， MCP3201 的輸出碼一直是一個碼， 2108。 圖 2 來自于 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換器 MCP3201 的數(shù)據(jù)的時域表示，產(chǎn)生了有趣的周期信號。 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。本文將探討如何使用這些工具來確定與電路布線有關(guān)問題的根源。如果在信號路徑中有一個 A/D 轉(zhuǎn)換器，那么當評估電路性能時，很容易發(fā)現(xiàn)三個基本問題：所有這三種方法都評估轉(zhuǎn)換過程，以及轉(zhuǎn)換過程與布線及電路其它部分的交互作用。如果在電路板的地平面?zhèn)刃枰袃?nèi)部連接走線，那么走線要盡可能短并與地電流回路垂直。在此雙面板上，地平面至少要覆蓋整個板面積的 75%。對模擬和數(shù)字電源平面的要求與高分辨率逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器相同。對于 這些電路，與逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器一樣， AGND 和DGND 引腳也是在同一地平面上連接在一起。對于有 10Hz 數(shù)據(jù)速率的高分辨率 ∑△ 型 A/D轉(zhuǎn)換器，加在轉(zhuǎn)換器上的時鐘（內(nèi)部或外部時鐘）可能為 10MHz 或 20MHz。數(shù)字或模擬設(shè)計工程師一般都傾向于將這些引腳分開，分別連接到不同的平面。早期生產(chǎn)這種轉(zhuǎn)換器的時候，范例中的這種轉(zhuǎn)變促使用戶使用 PCB 平面將數(shù)字噪聲和模擬噪聲隔離開。這些緩沖器除了具有高驅(qū)動能力外，還具有隔離模擬和數(shù)字側(cè)的作用。 21 圖 A/D 轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器的電源和地應(yīng)該連接到模擬平面。盡管這些類型的逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器通常在數(shù)字輸出側(cè)有內(nèi)部雙緩沖器，還是要使用外部緩沖器，以進一步將轉(zhuǎn)換器中的模擬電路與數(shù)字總線噪聲隔離開。對于更高分辨率的逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器（ 16 位和 18 位轉(zhuǎn)換器），在將數(shù)字噪聲與 “安靜 ”的模擬轉(zhuǎn)換器和電源平面隔離開時，需要另外稍加注意。 kt q M f/_1kW0 中國電子頂級開發(fā)網(wǎng) 最專業(yè)的電子論壇、最專業(yè)的電子工程師博客 B G i G8M j r6s 對于所有這些轉(zhuǎn)換器，電源策略應(yīng)該是將所有的地、正電源和負電源引腳連接到模擬平面。象 MCP3201 這樣的器件，只有一個接地引腳和一個正電源引腳，其唯一的原因是由于封裝引腳數(shù)的限制。當使用這些芯片實現(xiàn) PCB 布線時， AGND 和 DGND 應(yīng)該連接 到模擬地平面。 對于這些器件，通常從芯片引出兩個地引腳： AGND 和 DGND。 圖 2. 逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器，無論其分辨率是多少位，通常至少有兩個地連接端： AGND 和DGND。知道了此信息，并了解了片內(nèi)消耗的主要資源是模擬的，就會明白在相同平面（如模擬平面）上連接電源和地引腳的意義。引腳名經(jīng)常會引起誤解，因為可用引腳標號區(qū)分模擬和數(shù)字連接。此器件需要很小的數(shù)字電流，只有 D/A 轉(zhuǎn)換器和數(shù)字接口會發(fā)生少量開關(guān)。電路的其余部分是數(shù)字的。 此轉(zhuǎn)換器使用了由電容 陣列形成的電荷分布。 從電路和片內(nèi)專用于不同領(lǐng)域的資源來看，模擬在逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器中占主導(dǎo)地位。除較高分 20 辨率的 器件外，基本的布線方法是一致的。但是最近，采用電容電荷分布拓撲將這些器件移植到了 CMOS 工藝。 逐次逼近型