PCB布線(xiàn)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)談附原理圖(第六章)

 

對(duì)于12位傳感系統(tǒng)的布線(xiàn)，應(yīng)用的電路是一負(fù)載單元電路，該電路可精確測(cè)量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-816G。LCL-816G傳感器模型是由四個(gè)電阻元件組成的橋，需電壓激勵(lì)。將5V激勵(lì)電壓加在傳感器高端，施加900g最大激勵(lì)時(shí)，滿(mǎn)刻度輸出擺幅為±10mV差分信號(hào)。該小差分信號(hào)被雙運(yùn)放儀表放大器放大。 　　根據(jù)電路精度要求，選擇一個(gè)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(lái)自A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為重量。此時(shí)如需要的話(huà)，線(xiàn)性化和標(biāo)定工作可由控制器代碼實(shí)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(xiě)固件。電路設(shè)計(jì)好之后，即可設(shè)計(jì)印刷電路板和布線(xiàn)了。

　　查看這個(gè)完整的電路原理圖時(shí)，若使用自動(dòng)布線(xiàn)工具，經(jīng)常要返回來(lái)對(duì)布線(xiàn)做很大的修改。如果自動(dòng)布線(xiàn)工具可以實(shí)現(xiàn)布線(xiàn)限制，可能還有成功的可能性。如果自動(dòng)布線(xiàn)工具沒(méi)有限制選項(xiàng)的話(huà)，最好不要使用自動(dòng)布線(xiàn)工具。

圖1 負(fù)載單元傳感器輸出端的信號(hào)由雙運(yùn)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。每次轉(zhuǎn)換的結(jié)果顯示在LCD顯示屏上。

圖2 在精度高于12位的電路中，PCB上有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。

圖3 圖1電路的頂層布線(xiàn)和底層布線(xiàn)，此布線(xiàn)中沒(méi)有地平面和電源平面。注意：為降低電源線(xiàn)的感抗，電源線(xiàn)要比信號(hào)線(xiàn)寬很多。

圖4 在沒(méi)有地平面或電源平面的PCB(PCB布線(xiàn)如圖3所示)中，對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器輸出4096次采樣的柱狀圖。電路的噪聲碼寬度為15個(gè)碼。

　　

布線(xiàn)的一般準(zhǔn)則

　　器件布局

　　既然是采用手工布線(xiàn)，那么第一個(gè)步驟是在板上放置器件。將噪聲敏感器件和產(chǎn)生噪聲器件分開(kāi)放置。完成這個(gè)任務(wù)有兩個(gè)準(zhǔn)則：

　　1. 將電路中器件分成兩大類(lèi)：高速(>40MHz)器件和低速器件。如果可能的話(huà)，將高速器件盡量靠近板的接插件和電源放置。

　　2. 將上述大類(lèi)再分成三個(gè)子類(lèi)：純數(shù)字、純模擬和混合信號(hào)。將數(shù)字器件盡量靠近板的接插件和電源放置。

　　電路板的布線(xiàn)策略要符合圖2所示的器件布局圖。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。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(kāi)了。純模擬器件距離數(shù)字器件最遠(yuǎn)，以確保開(kāi)關(guān)噪聲不會(huì)耦合到模擬信號(hào)路徑中。A/D轉(zhuǎn)換器的布線(xiàn)策略在本刊2004年1月中有詳細(xì)論述。

　　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。實(shí)現(xiàn)這些平面是需要一些策略技巧的。

　　在PCB中不使用地平面是很危險(xiǎn)的，尤其是在模擬和混合信號(hào)設(shè)計(jì)中。其一，因?yàn)槟M信號(hào)是以地為基準(zhǔn)的，地噪聲問(wèn)題比電源噪聲問(wèn)題更難應(yīng)對(duì)。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(duì)噪聲有屏蔽作用。采用地平面可以很容易解決這些問(wèn)題，但是，如果沒(méi)有地平面，要克服這些問(wèn)題幾乎是不可能的。

　　這里，假設(shè)不需要地平面。圖1所示的電路無(wú)地平面布線(xiàn)，如圖3所示。
“不需要地平面”的理論還行得通嗎？這可以通過(guò)數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證。在圖4中，對(duì)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(shí)，沒(méi)有在傳感器上施加激勵(lì)。采用這種電路布線(xiàn)，控制器專(zhuān)用于與轉(zhuǎn)換器接口，并將轉(zhuǎn)換器的結(jié)果發(fā)送到LCD顯示器。

圖 5 圖1電路的頂層和底層布線(xiàn)。注意此布線(xiàn)中有地平面。

圖 6 在有地平面的PCB(PCB布線(xiàn)如圖5所示)中，對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器輸出4096次采樣的柱狀圖。噪聲碼寬度為11個(gè)碼。

圖 7 在PCB上將兩條走線(xiàn)靠近放置，就會(huì)產(chǎn)生寄生電容。信號(hào)會(huì)通過(guò)這種寄生電容在走線(xiàn)之間耦合。

圖8 顯示在圖1電路中添加一個(gè)四階抗信號(hào)混疊濾波器后的轉(zhuǎn)換結(jié)果。另外，電路板布線(xiàn)中添加了地平面。

　　圖5所示的布線(xiàn)與圖3中的布線(xiàn)基本相同，但在底層添加了地平面。地平面(圖5b)有幾處被信號(hào)線(xiàn)打斷，應(yīng)盡量減少地平面被斷開(kāi)的次數(shù)。電流返回路徑不應(yīng)縮短，因?yàn)檫@些走線(xiàn)會(huì)限制從器件到電源接插件的電流流動(dòng)。A/D轉(zhuǎn)換器輸出的柱狀圖如圖6所示。與圖4相比，輸出碼要密集得多。兩次測(cè)試中使用了相同的有源器件。無(wú)源器件不同，會(huì)導(dǎo)致較小的偏置差異。

　　從上述數(shù)據(jù)很容易看出，地平面確實(shí)對(duì)電路噪聲有抑制作用。當(dāng)電路中沒(méi)有地平面時(shí)，噪聲的寬度大約為15個(gè)碼；添加了地平面后，性能提高了約1.5倍或15/11倍。請(qǐng)注意，測(cè)試是在電磁干擾較低的實(shí)驗(yàn)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(yùn)放的噪聲和缺少抗信號(hào)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(gè)地平面和一個(gè)電源平面就可以了?！白钌佟笨捎呻娐钒逶O(shè)計(jì)人員定義。將數(shù)字和模擬地平面連接在一起的危險(xiǎn)在于，模擬電路會(huì)從電源引腳引入噪聲，并將噪聲耦合到信號(hào)路徑中。在電路的一點(diǎn)或多點(diǎn)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(chēng)值不會(huì)被破壞。

　　在12位系統(tǒng)中，電源平面并不象地平面那么重要。盡管電源平面可以解決許多問(wèn)題，使電源線(xiàn)比電路板上其它走線(xiàn)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(hào)線(xiàn)

　　電路板(包括數(shù)字和模擬電路)上的信號(hào)線(xiàn)要盡量短。這個(gè)基本準(zhǔn)則將降低無(wú)關(guān)信號(hào)耦合到信號(hào)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出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(duì)于圖1中的12位轉(zhuǎn)換器，輸入引腳(IN+和IN-)對(duì)引入的噪聲也很敏感。運(yùn)放的輸入端也有可能在信號(hào)路徑中引入噪聲。這些端通常具有109W至1013W的輸入阻抗。

　　高阻抗輸入端對(duì)于輸入電流比較敏感。如果從高阻抗輸入端引出的走線(xiàn)靠近有快速變化電壓的走線(xiàn)(如數(shù)字或時(shí)鐘信號(hào)線(xiàn))，就會(huì)發(fā)生這種情況，此時(shí)電荷通過(guò)寄生電容耦合到高阻抗走線(xiàn)中。

　　這兩條走線(xiàn)之間的關(guān)系如圖7所示。圖中，兩條走線(xiàn)之間寄生電容的值主要取決于走線(xiàn)之間的距離(d)，以及兩條走線(xiàn)保持平行的長(zhǎng)度(L)。通過(guò)這個(gè)模型，高阻抗走線(xiàn)中產(chǎn)生的電流等于：I=C dV/dt

　　其中：I是高阻抗走線(xiàn)上的電流，C是兩條PCB走線(xiàn)之間的電容值，dV 是有開(kāi)關(guān)動(dòng)作的走線(xiàn)上的電壓變化，dt 是電壓從一個(gè)電平變化到下一個(gè)電平所用的時(shí)間。

　　旁路電容和抗信號(hào)混疊濾波器的使用

　　有關(guān)旁路電容的一個(gè)原則是：在電路中始終包含旁路電容。如果設(shè)計(jì)電路時(shí)，沒(méi)有加旁路電容，電源噪聲很可能使電路的精度達(dá)不到12位。

　　旁路電容

　　可在電路板上的如下兩個(gè)位置放置旁路電容：一個(gè)電容(10mF至100mF)放置在電源側(cè)，另一個(gè)電容放置在每個(gè)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1mF的電容可以顯著降低引入的噪聲。如果器件的帶寬大于10MHz，0.1mF的電容可能比較合適。如果帶寬在這兩個(gè)頻率之間，可同時(shí)使用這兩種容值的電容，或使用其一。

　　電路板上的每個(gè)有源器件都需要一個(gè)旁路電容。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。如果一個(gè)器件使用了兩個(gè)旁路電容，容值小的電容要最靠近器件引腳。而且，旁路電容的引腳要盡量短。

　　抗信號(hào)混疊濾波器

　　請(qǐng)注意，圖1所示的電路中沒(méi)有抗信號(hào)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(wèn)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(gè)四階、10Hz抗信號(hào)混疊濾波器時(shí)，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(hào)到達(dá)A/D轉(zhuǎn)換器之前，消除疊加在模擬信號(hào)上的噪聲，尤其是無(wú)關(guān)的噪聲尖峰。A/D轉(zhuǎn)換器將對(duì)出現(xiàn)在其輸入端的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這種信號(hào)可能包括傳感器電壓信號(hào)或噪聲，抗信號(hào)混疊濾波器消除了轉(zhuǎn)換過(guò)程中的高頻噪聲。


PCB設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

　　只要遵循如下幾個(gè)準(zhǔn)則，良好的12位布線(xiàn)技巧并不難掌握：

　　1. 檢查器件相對(duì)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。

　　2. 電路中至少要有一個(gè)地平面。

　　3. 使電源線(xiàn)比板上的其它走線(xiàn)寬。

　　4. 檢查電流回路，尋找地線(xiàn)中的可能噪聲源。這可通過(guò)確定地平面上所有點(diǎn)的電流密度和可能存在的噪聲量來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　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。

　　6. 使所有走線(xiàn)都盡量短。

　　7. 查看所有的高阻抗走線(xiàn)，逐條走線(xiàn)查找可能的電容耦合問(wèn)題。

　　8. 確保對(duì)混合信號(hào)電路中的信號(hào)正確濾波。