PCB布线设计2

电源轨，并且要尽可能靠近每个电源引脚连接适当的旁路电容。象MCP3201这样的器件，只有一个接地引脚和一个正电源引脚，其唯一的原因是由于封装引脚数的限制。然而，隔离开地可增大转换器具有良好和可重复精度的可能性。

对于所有这些转换器，电源策略应该是将所有的地、正电源和负电源引脚连接到模拟平面。而且，与输入信号有关的‘COM’引脚或‘IN’引脚应该

尽量靠近信号地连接。

对于更高分辨率的逐次逼近型A/D转换器（16位和18位转换器），在将数字噪声与“安静”的模拟转换器和电源平面隔离开时，需要另外稍加注意。当这些器件与单片机接口时，应该使用外部的数字缓冲器，以获得无噪声运行。尽管这些类型的逐次逼近型A/D转换器通常在数字输出侧有内部双缓冲器，还是要使用外部缓冲器，以进一步将转换器中的模拟电路与数字总线噪声隔离开。这种系统的正确电源策略如图3所示。

图3.对于高分辨率的逐次逼近型A/D转换器，转换器的电源和地应该连接到模拟平面。然后，A/D转换器的数字输出应使用外部的三态输出缓冲器缓冲。这些缓冲器除了具有高驱动能力外，还具有隔离模拟和数字侧的作用。 高精度∑-△型A/D转换器的布线策略

高精度∑-△型A/D转换器硅面积的主要部分是数字。早期生产这种转换器的时候，范例中的这种转变促使用户使用PCB平面将数字噪声和模拟噪声隔离开。与逐次逼近型A/D转换器一样，这些类型A/D转换器可能有多个模拟地、数字地和电源引脚。数字或模拟设计工程师一般都倾向于将这些引脚分开，分别连接到不同的平面。但是，这种倾向是错误的，尤其是当您试图解决16位到24位精度器件的严重噪声问题时。

对于有10Hz数据速率的高分辨率∑-△型A/D转换器，加在转换器上的时钟（内部或外部时钟）可能为10MHz或20MHz。此高频率时钟用于开关调制器和运行过采样引擎。对于这些电路，与逐次逼近型A/D转换器一样，AGND和DGND引脚也是在同一地平面上连接在一起。而且，模拟和数字电源引脚也最好在同一平面上连接在一起。对模拟和数字电源平面的要求与高分辨率逐次逼近型A/D转换器相同。

必须要有地平面，这意味着至少需要双面板。在此双面板上，地平面至少要覆盖整个板面积的75%。地平面层的用途是为了降低接地阻抗和感抗，并提供对电磁干扰（EMI）和射频干扰（RFI）的屏蔽作用。如果在电路板的地平面侧需要有内部连接走线，那么走线要尽可能短并与地电流回路垂直。 结论

对于低精度的A/D转换器，如六位、八位或甚至可能十位的A/D转换器，模拟和数字引脚不分开是可以的。但当您选择的转换器精度和分辨率增加时，布线要求也更严格了。高分辨率逐次逼近型A/D转换器和∑-△型A/D转换器，都需要直接连接到低噪声模拟地和电源平面。

原作者：Bonnie

PCB布线设计(之五) 2004-3-26

要解决信号完整性问题，最好有多个工具分析系统性能。如果在信号路径中有一个A/D转换器，那么当评估电路性能时，很容易发现三个基本问题：所有这三种方法都评估转换过程，以及转换过程与布线及电路其它部分的交互作用。三个关注的方面涉及到频域分析、时域分析和直流分析技术的使用。本文将探讨如何使用这些工具来确定与电路布线有关问题的根源。我们将研究如何决定找什么；到哪里找；如何通过测试检验问题；以及如何解决发现的问题等。

图1 SCX015压力传感器输出端的电压由仪表放大器(A1和A2)放大。在仪表放大器之后，添加了一个低通滤波器 (A3)，以消除来自12位A/D转换器转换的混叠噪声

图2 来自于12位A/D转换器MCP3201的数据的时域表示， 产生了有趣的周期信号。此信号源可追溯到电源

图3 电源噪声充分降低后，MCP3201的输出码 一直是一个码，2108

本文要论述的电路如图1所示。

电源噪声

电路应用中的常见干扰源来自电源，这种干扰信号通常通过有源器件的电源引脚引入。例如，图1中A/D转换器输出的时序图如图2所示。在此图中，A/D转换器的采样速度是40ksps，进行了4096次采样。

在此例中，仪表放大器、参考电压源和A/D转换器上没有加旁路电容。另外，电路的输入都是以一个低噪声、2.5V的直流电压源作为基准。

对电路的深入研究表明，时序图上看到的噪声源来自于开关电源。电路中添加了旁路电容和扼流环。电源上加了一个10mF的电容，并且在尽可能靠近有源元件的电源引脚旁放置了三个0.1mF的电容。在产生的新时序图上可以看到，产生了稳定的直流输出，图3所示的柱状图可验证这一点。数

据显示，电路的这些更改消除了来自电路信号路径的噪声源。

造成干扰的外部时钟

其它系统噪声源可能来自时钟源或电路中的数字开关。如果这种噪声与转换过程有关，它不会作为转换过程中的干扰出现。但是，如果这种噪声与转换过程无关，采用FFT(快速傅立叶变换)分析，可以很容易发现这种噪声。

图4 耦合到模拟走线的数字噪声有时被误解为宽带噪声。FFT图可以很容易识别这种所谓 “噪声”的频率，因此可识别出噪声源

图5 放大器轻微过激励，会使信号产生失真。通过这种转换的FFT图，可以很快发现信号的失真

时钟信号干扰的示例可参见图4所示的FFT图。此图使用了图1所示的电路，并添加了旁路电容。在图4所示的FFT图中看到的激励，由电路板上的19.84MHz时钟信号产生。在此例中，布线时几乎没有考虑走线之间的耦合作用，在FFT图中可以看到忽略此细节的结果。

这个问题可以通过修改布线来解决，将高阻抗模拟走线远离数字开关走线；或者在模拟信号路径中，在A/D转换器之前加抗混叠滤波器。走线之间的随机耦合在某种程度上更难以发现，在这种情况下，时域分析可能比较有效。

放大器使用不恰当

回到图1所示的电路，在仪表放大器的正相输入端施加一个1kHz的交流信号。此信号不是压力传感的特性，但是可以采用这个示例来说明模拟信号路径中器件的影响。

图5所示的FFT图显示了施加上述条件后的电路性能。注意基波看起来有失真，许多谐波也有同样的失真。失真是由于使放大器轻微过激励引起的。解决此问题的方法是降低放大器增益。

结语

解决信号完整性问题可能会花费很多时间，尤其是当工程师没有工具来解决棘手的问题时。在“窍门箱”中有三种最佳的分析工具：频域分析工具(FFT)、时域分析工具(示波器照片)和直流分析工具(柱状图)。工程师可以用这些工具来识别电源噪声、外部时钟源和过激励放大器失真。■

原作者：Microchip公司Bonnie

PCB布线设计(之六) 2004-3-26

对于12位传感系统的布线，应用的电路是一负载单元电路，该电路可精确测量传感器上施加的重量，然后将结果显示在LCD显示屏上。系统电路原理图如图1所示。采用的负载单元是Omega公司的LCL-816G。LCL-816G传感器模型是由四个电阻元件组成的桥，需电压激励。将5V激励电压加在传感器高端，施加900g最大激励时，满刻度输出摆幅为±10mV差分信号。该小差分信号被双运放仪表放大器放大。根据电路精度要求，选择一个12位A/D转换器。当转换器将输入端的电压进行数字化后，数字码经转换器SPI端口发送到单片机。然后，单片机用查找表将来自A/D转换器的数字信号转换为重量。此时如需要的话，线性化和标定工作可由控制器代码实现。完成这一步后，结果送到LCD显示器。最后一步是为控制器写固件。电路设计好之后，即可设计印刷电路板和布线了。

查看这个完整的电路原理图时，若使用自动布线工具，经常要返回来对布线做很大的修改。如果自动布线工具可以实现布线限制，可能还有成功的可能性。如果自动布线工具没有限制选项的话，最好不要使用自动布线工具。

图1