PCB设计准则:12位传感系统的布线
eeskill 2021-09-02

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 负载单元传感器输出端的信号由双运放仪表放大器放大,然后由12位A/D转换器MCP3201滤波和数字化。每次转换的结果显示在LCD显示屏上。

图2 在精度高于12位的电路中,PCB上有源元件的放置很重要。要将高频元件 和数字器件尽量靠近接插件放置。

图3 图1电路的顶层布线和底层布线,此布线中没有地平面和电源平面。注意:为降低电源线的感抗,电源线要比信号线宽很多。

图4 在没有地平面或电源平面的PCB(PCB布线如图3所示)中,对A/D转换器输出4096次采样的柱状图。电路的噪声码宽度为15个码。

布线的一般准则

器件布局

既然是采用手工布线,那么第一个步骤是在板上放置器件。将噪声敏感器件和产生噪声器件分开放置。完成这个任务有两个准则:

1. 将电路中器件分成两大类:高速(>40MHz)器件和低速器件。如果可能的话,将高速器件尽量靠近板的接插件和电源放置。

2. 将上述大类再分成三个子类:纯数字、纯模拟和混合信号。将数字器件尽量靠近板的接插件和电源放置。

电路板的布线策略要符合图2所示的器件布局图。注意图2a中高速器件、低速器件与电路板的接插件和电源之间的关系。在图2b中,数字器件最靠近电路板的接插件和电源,与其它数字和模拟电路分离开了。纯模拟器件距离数字器件最远,以确保开关噪声不会耦合到模拟信号路径中。A/D转换器的布线策略在本刊2004年1月中有详细论述。

地和电源策略

确定了器件的大体位置后,就可以定义地平面和电源平面了。实现这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险的,尤其是在模拟和混合信号设计中。其一,因为模拟信号是以地为基准的,地噪声问题比电源噪声问题更难应对。例如,在图1所示电路中,A/D转换器(MCP3201)的反相输入引脚是接地的;二,地平面还对噪声有屏蔽作用。采用地平面可以很容易解决这些问题,但是,如果没有地平面,要克服这些问题几乎是不可能的。

这里,假设不需要地平面。图1所示的电路无地平面布线,如图3所示。

“不需要地平面”的理论还行得通吗?这可以通过数据来验证。在图4中,对A/D转换器进行了4096次采样并记录了数据。在采集数据时,没有在传感器上施加激励。采用这种电路布线,控制器专用于与转换器接口,并将转换器的结果发送到LCD显示器。

图 5 图1电路的顶层和底层布线。注意此布线中有地平面。

图 6 在有地平面的PCB(PCB布线如图5所示)中,对A/D转换器输出4096次采样的柱状图。噪声码宽度为11个码。

图 7 在PCB上将两条走线靠近放置,就会产生寄生电容。信号会通过这种寄生电容在走线之间耦合。

图8 显示在图1电路中添加一个四阶抗信号混叠滤波器后的转换结果。另外,电路板布线中添加了地平面。

图5所示的布线与图3中的布线基本相同,但在底层添加了地平面。地平面(图5b)有几处被信号线打断,应尽量减少地平面被断开的次数。电流返回路径不应缩短,因为这些走线会限制从器件到电源接插件的电流流动。A/D转换器输出的柱状图如图6所示。与图4相比,输出码要密集得多。两次测试中使用了相同的有源器件。无源器件不同,会导致较小的偏置差异。

从上述数据很容易看出,地平面确实对电路噪声有抑制作用。当电路中没有地平面时,噪声的宽度大约为15个码;添加了地平面后,性能提高了约1.5倍或15/11倍。请注意,测试是在电磁干扰较低的实验室中进行的。

A/D转换器输出数字码的噪声可归因于运放的噪声和缺少抗信号混叠滤波器。如果电路中有“最少”量的数字电路,可能只需要一个地平面和一个电源平面就可以了。“最少”可由电路板设计人员定义。将数字和模拟地平面连接在一起的危险在于,模拟电路会从电源引脚引入噪声,并将噪声耦合到信号路径中。在电路的一点或多点上,要将模拟电路和数字电路的地和电源连接在一起,以确保所有器件的电源、输入和输出共地,其标称值不会被破坏。

在12位系统中,电源平面并不象地平面那么重要。尽管电源平面可以解决许多问题,使电源线比电路板上其它走线宽两倍或三倍,以及有效使用旁路电容,都可以降低电源的噪声。

信号线

电路板(包括数字和模拟电路)上的信号线要尽量短。这个基本准则将降低无关信号耦合到信号路径的可能性。尤其要注意的是模拟器件的输入端,这些输入端通常比输出引脚或电源引脚具有更高的阻抗。例如,A/D转换器的参考电压输入引脚在进行转换期间是最为敏感的。对于图1中的12位转换器,输入引脚(IN+和IN-)对引入的噪声也很敏感。运放的输入端也有可能在信号路径中引入噪声。这些端通常具有109W至1013W的输入阻抗。

高阻抗输入端对于输入电流比较敏感。如果从高阻抗输入端引出的走线靠近有快速变化电压的走线(如数字或时钟信号线),就会发生这种情况,此时电荷通过寄生电容耦合到高阻抗走线中。

这两条走线之间的关系如图7所示。图中,两条走线之间寄生电容的值主要取决于走线之间的距离(d),以及两条走线保持平行的长度(L)。通过这个模型,高阻抗走线中产生的电流等于:I=C dV/dt

其中:I是高阻抗走线上的电流,C是两条PCB走线之间的电容值,dV 是有开关动作的走线上的电压变化,dt 是电压从一个电平变化到下一个电平所用的时间。

旁路电容和抗信号混叠滤波器的使用

有关旁路电容的一个原则是:在电路中始终包含旁路电容。如果设计电路时,没有加旁路电容,电源噪声很可能使电路的精度达不到12位。

旁路电容

可在电路板上的如下两个位置放置旁路电容:一个电容(10mF至100mF)放置在电源侧,另一个电容放置在每个有源器件(包括数字和模拟器件)旁边。加在器件上旁路电容的值取决于使用的器件。如果器件的带宽小于或等于1MHz,那么采用1mF的电容可以显著降低引入的噪声。如果器件的带宽大于10MHz,0.1mF的电容可能比较合适。如果带宽在这两个频率之间,可同时使用这两种容值的电容,或使用其一。

电路板上的每个有源器件都需要一个旁路电容。旁路电容必须尽可能靠近器件的电源引脚放置,如图5所示。如果一个器件使用了两个旁路电容,容值小的电容要最靠近器件引脚。而且,旁路电容的引脚要尽量短。

抗信号混叠滤波器

请注意,图1所示的电路中没有抗信号混叠滤波器。正如数据所显示,这一疏忽在电路中引起了噪声问题。此电路板中,当在仪表放大器的输出和A/D转换器的输入之间接入一个四阶、10Hz抗信号混叠滤波器时,转换响应的性能大为提高,如图8所示。

模拟滤波可在模拟信号到达A/D转换器之前,消除叠加在模拟信号上的噪声,尤其是无关的噪声尖峰。A/D转换器将对出现在其输入端的信号进行转换,这种信号可能包括传感器电压信号或噪声,抗信号混叠滤波器消除了转换过程中的高频噪声。

PCB设计准则

只要遵循如下几个准则,良好的12位布线技巧并不难掌握:

1. 检查器件相对于接插件的位置,确保高速器件和数字器件最靠近接插件。

2. 电路中至少要有一个地平面。

3. 使电源线比板上的其它走线宽。

4. 检查电流回路,寻找地线中的可能噪声源。这可通过确定地平面上所有点的电流密度和可能存在的噪声量来实现。

5. 正确旁路所有器件,将电容尽量靠近器件的电源引脚放置。

6. 使所有走线都尽量短。

7. 查看所有的高阻抗走线,逐条走线查找可能的电容耦合问题。

8. 确保对混合信号电路中的信号正确滤波。

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