中心議題：

• 微控製器線路器件布局的原測
• 模擬布局的好處與原則
• 模擬設計結論

解決方案：

• ADC布局技術隨轉換器技術而變化
• 模擬地一點接地
• 數字地多點接地

微(wei)控(kong)製(zhi)器(qi)的(de)應(ying)用(yong)包(bao)括(kuo)低(di)電(dian)平(ping)傳(chuan)感(gan)器(qi)信(xin)號(hao)和(he)適(shi)當(dang)的(de)電(dian)源(yuan)驅(qu)動(dong)電(dian)路(lu)，需(xu)要(yao)精(jing)細(xi)設(she)計(ji)電(dian)源(yuan)和(he)接(jie)地(di)。我(wo)們(men)將(jiang)根(gen)據(ju)噪(zao)聲(sheng)源(yuan)和(he)噪(zao)聲(sheng)的(de)傳(chuan)播(bo)路(lu)徑(jing)進(jin)行(xing)探(tan)討(tao)，以(yi)及(ji)良(liang)好(hao)布(bu)局(ju)習(xi)慣(guan)背(bei)後(hou)的(de)理(li)論(lun)及(ji)其(qi)對(dui)噪(zao)聲(sheng)的(de)影(ying)響(xiang)。我(wo)們(men)也(ye)將(jiang)討(tao)論(lun)隔(ge)離(li)和(he)限(xian)製(zhi)噪(zao)聲(sheng)元(yuan)件(jian)的(de)適(shi)當(dang)的(de)選(xuan)擇(ze)和(he)布(bu)局(ju)方(fang)法(fa)。

圖1是本文中討論時使用的係統方框圖

這個係統的功能是采集重量並在LED陣列和筆記本電腦上顯示結果。在需要時，可利用風扇控製器對電路板降溫。

這(zhe)個(ge)設(she)計(ji)實(shi)例(li)包(bao)括(kuo)了(le)模(mo)擬(ni)和(he)數(shu)字(zi)兩(liang)部(bu)分(fen)。這(zhe)種(zhong)設(she)計(ji)的(de)難(nan)點(dian)之(zhi)一(yi)是(shi)如(ru)何(he)將(jiang)這(zhe)兩(liang)個(ge)部(bu)分(fen)隔(ge)離(li)開(kai)來(lai)。先(xian)看(kan)一(yi)下(xia)該(gai)設(she)計(ji)的(de)模(mo)擬(ni)部(bu)分(fen)
，模(mo)擬(ni)輸(shu)入(ru)信(xin)號(hao)進(jin)入(ru)電(dian)路(lu)實(shi)現(xian)稱(cheng)重(zhong)。圖(tu)1的模擬接口電路包括稱重、增益電路、膺頻濾波器和12位模數轉換器（ADC）。稱重利用的是一個惠斯頓電橋，如圖2所示。


係統（包括噪聲源）的電路模型。模擬接口電路采用一個稱重傳感器測量重量。然後
，該接口將測量結果傳送到微控製器。微控製器把傳感器的結果發送到LED顯示器和筆記本電腦。整個電路還包括風扇電機驅動器電路。

這是圖1所示的方框圖中模擬部分。放大器和參考電壓連接到ADC
，ADC再連接到微控製器。為了建立一個二階低通濾波器（A3）需要兩個電阻器
、兩個電容器和MCP6022運算放大器。另一個放大器組成了一個儀器放大器，其中使用了旁路電容器。

在數字部分，微控製器產生稱重值的數字表示。微控製器的作用之一是在LED陣列上顯示測量結果。微控製器還利用RS-232lianjieduankoubashujuchuansongdaotaishidiannao。taishidiannaocongweikongzhiqidedaomoniceliangshuju
，bingyizhuzhuangtuxingshixianshizhegeshuju。zuihou
，shuzibufenhaibaokuofengshandePWM驅動器輸出。

這個設計包括敏感的模擬電路、大功率LED顯(xian)示(shi)器(qi)以(yi)及(ji)與(yu)筆(bi)記(ji)本(ben)電(dian)腦(nao)相(xiang)連(lian)的(de)一(yi)個(ge)潛(qian)在(zai)的(de)噪(zao)聲(sheng)數(shu)字(zi)接(jie)口(kou)。其(qi)中(zhong)的(de)難(nan)點(dian)在(zai)於(yu)設(she)計(ji)一(yi)個(ge)可(ke)以(yi)使(shi)這(zhe)些(xie)衝(chong)突(tu)單(dan)元(yuan)共(gong)存(cun)的(de)電(dian)路(lu)和(he)布(bu)局(ju)。我(wo)們(men)將(jiang)從(cong)設(she)計(ji)這(zhe)個(ge)電(dian)路(lu)的(de)模(mo)擬(ni)部(bu)分(fen)開(kai)始(shi)，然(ran)後(hou)繼(ji)續(xu)討(tao)論(lun)與(yu)布(bu)局(ju)有(you)關(guan)的(de)問(wen)題(ti)。

模擬電路設計

這個電路的模擬部分有一個稱重傳感器
、構成一個儀器放大器的雙運放（MCP6022）、一個12位100kHzSARADC（MCP3201）和一個參考電壓。ADC的SPI端口直接連接到一個微控製器（見圖2）。

稱重傳感器的滿幅輸出範圍為±10mV。儀器放大器的增益（A1和A2）為153V/V。這個增益可使儀器放大器電路的滿幅輸出擺動與ADC的滿幅輸入範圍相匹配。SARADC有一個內部輸入采樣機製。有了這種功能，每次的轉換就可以采用單次取樣。微控製器從轉換器采集數據，並把數據轉換成可用於LED顯示器或PC接口等任務的格式。

如果這個係統所實現的電路和布局設計有缺陷（沒有接地層
、沒有旁路電容器和膺頻濾波器），肯定會出現噪聲問題。有缺陷的實現方案會導致ADC數shu字zi輸shu出chu的de不bu確que定ding性xing令ling人ren難nan以yi容rong忍ren。假jia定ding發fa生sheng了le這zhe種zhong狀zhuang況kuang，很hen明ming顯xian是shi信xin號hao鏈lian中zhong最zui後hou的de器qi件jian出chu現xian了le噪zao聲sheng問wen題ti。但dan是shi，事shi實shi上shang
，帶dai有you噪zao聲sheng的de轉zhuan換huan結jie果guo的de根gen源yuan是shiPCB布局的問題。

在最壞的情況下，在沒有采取抑製噪聲的預防措施時，圖2所示的12位係統對DC輸入信號的輸出代碼分布很散。圖3顯示了從轉換器輸出的數據。


圖3轉換器輸出的數據。
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模擬布局的原測

接地和電源：接地層布局的實現是設計低噪聲解決方案的關鍵。利用模擬和/或混合信號器件而忽略接地層是一種危險的做法。接地層可以解決偏移誤差、增益誤差和電路噪聲等問題。由於模擬信號通常是以地為基準的
，當缺少了接地層時
，誤差將更為嚴重。

zaizhidingdianlubandejiedicelveshi，shouxianyinggaiquedingdianlushixuyaoyigejiedicenghaishiduogejiediceng。ruguodianlubaohandebanshangshuzidianlufeichangshao，dangejiedicenghesanbeikuandedianyuanzouxianjiukeyile。bashuzihemonijiedicenglianjiezaiyiqideweixianshi
，monidianluhuishoudaoshuzidianlufanhuidianliudezaoshengyingxiang。bulunnayizhongqingkuang，douyinggaizaidianlubanshangdeyidianhuoduodianbamonidi、數字地和電源連接在一起。在一個12位係統中必須有一個接地層。

ADC布局：ADC布局技術隨轉換器技術而變化。當使用SARADC時，整個器件應該駐留在模擬電源和接地層上。ADC廠商通常會提供模擬和數字接地引腳。如果使用高分辨率SAR轉換器，應該使用一個數字緩衝器，將轉換器與電路數字部分的總線活動隔離開來。這也是使用Δ-ΣADC應采取的正確方法。

圖4顯示了考慮了這些事項而設計的電路板性能。這個數據顯示，該電路模擬部分的工作非常好。


圖4由圖2的電路設計得到的結果數據。改進的結果表明
，我們的低噪聲布局策略是有效的。

模擬設計結論

綜zong上shang所suo述shu，重zhong要yao的de是shi從cong設she計ji一yi開kai始shi就jiu驗yan證zheng電dian路lu器qi件jian是shi否fou具ju備bei低di噪zao聲sheng性xing能neng。在zai這zhe個ge例li子zi中zhong，關guan鍵jian因yin素su是shi電dian阻zu器qi和he放fang大da器qi。選xuan擇ze合he適shi的de器qi件jian後hou，應ying確que保bao對dui信xin號hao路lu徑jing進jin行xing適shi當dang的de濾lv波bo。其qi中zhong包bao括kuo信xin號hao路lu徑jing和he電dian源yuan線xian路lu。一yi個ge不bu間jian斷duan的de接jie地di層ceng是shi所suo有you模mo擬ni設she計ji的de關guan鍵jian。這zhe樣yang就jiu可ke以yi消xiao除chu噪zao聲sheng，否fou則ze就jiu要yao找zhao出chu可ke能neng存cun在zai的de問wen題ti。最zui後hou，旁pang路lu電dian容rong器qi引yin線xian短duan些xie，離li電dian源yuan引yin腳jiao越yue近jin越yue好hao。

數字設計

我們現在開始數字/模擬設計的第一步整合。在第一步中，我們將根據常規的經驗法則在布局策略中加進數字部分的內容。這個部分的設計增加了LED
、電機驅動器、RS-232發送器/接收器和微控製器。

該設計在電機驅動方麵使用了旁路電容器和回掃二極管。使旁路電容器靠近IC電源，而且接地走線很短。這樣做並沒有改變模擬電路的布局。圖5顯示了數字/模擬布局第一步的柱狀圖結果。


圖5噪聲的碼寬=35（總采樣數=1024）

這塊新的電路板的ADC輸shu出chu結jie果guo比bi第di一yi次ci在zai模mo擬ni部bu分fen嚐chang試shi的de還hai要yao糟zao。我wo們men將jiang通tong過guo重zhong新xin製zhi定ding電dian源yuan和he接jie地di策ce略lve恢hui複fu原yuan來lai模mo擬ni電dian路lu的de表biao現xian。第di一yi個ge矯jiao正zheng措cuo施shi是shi把ba電dian源yuan線xian路lu的de數shu字zi部bu分fen與yu模mo擬ni部bu分fen分fen開kai。圖tu6a顯示了將模擬和數字結合在一起的第一種嚐試。圖6b反映的是第二種更為成功的方法。


圖6電源和接地的第一種和第二種策略。注意，第二種要盡可能地將噪聲與敏感電路分開。

第一種模擬/數字布局是通過模擬部分連接數字部分的5V和接地端。在這種配置下，LED的大電流

、電機的切換和數字控製器的噪聲覆蓋在敏感的模擬電源和接地路徑之上（見圖6a）。PCB走線上的噪聲路徑就是與走線阻抗和電感相互作用的電源和接地電流。這引起電路模擬部分的電源和接地的AC偏pian移yi。迅xun速su解jie決jue這zhe個ge問wen題ti的de方fang案an是shi把ba電dian源yuan和he接jie地di走zou線xian重zhong新xin布bu局ju，以yi便bian模mo擬ni和he數shu字zi走zou線xian各ge自zi獨du立li，再zai一yi起qi連lian到dao一yi個ge中zhong心xin位wei置zhi。在zai這zhe個ge中zhong心xin位wei置zhi上shang

，把ba它ta們men連lian接jie起qi來lai（見圖6b）。這種策略利用了走線阻抗、電感和旁路電容器，在電源和接地走線上建立了RC和LC低通濾波器。這樣進一步把設計中的敏感部分與噪聲隔開。

需要考慮的主要輻射噪聲是LED走線（它攜帶大電流）、RS-232接口中的電荷泵（它能夠吸收一定的電流），以及來自微控製器的I/O（具有快速上升時間）。LED和RS-232的de驅qu動dong器qi走zou線xian會hui把ba噪zao聲sheng電dian感gan耦ou合he到dao緊jin貼tie電dian路lu板ban的de鄰lin近jin走zou線xian上shang。這zhe種zhong耦ou合he作zuo用yong的de表biao現xian即ji為wei電dian壓ya噪zao聲sheng。來lai自zi微wei控kong製zhi器qi的de快kuai速su上shang升sheng時shi間jian信xin號hao電dian容rong耦ou合he到dao高gao阻zu抗kang且qie敏min感gan的de走zou線xian上shang。如ru果guo走zou線xian過guo於yu緊jin密mi，這zhe種zhong耦ou合he作zuo用yong就jiu會hui表biao現xian為wei電dian流liu噪zao聲sheng。

如ru果guo在zai電dian路lu布bu局ju中zhong考kao慮lv了le這zhe些xie因yin素su，從cong噪zao聲sheng數shu字zi部bu分fen到dao敏min感gan的de模mo擬ni部bu分fen的de噪zao聲sheng耦ou合he就jiu會hui減jian少shao。這zhe個ge新xin布bu局ju的de模mo擬ni電dian路lu保bao持chi不bu變bian，大da多duo數shu數shu字zi電dian路lu的de布bu局ju也ye同tong樣yang如ru此ci。區qu別bie在zai於yu現xian在zaiLED走線是繞過模擬電路而非穿過。RS-232接口的電源和接地也與電路板上敏感的模擬和數字功能分隔開。圖6b的電源和接地策略可用於指導布局。

抑yi製zhi模mo擬ni噪zao聲sheng的de第di一yi步bu是shi選xuan擇ze低di噪zao聲sheng模mo擬ni元yuan件jian。可ke以yi用yong濾lv波bo器qi消xiao除chu信xin號hao和he電dian源yuan中zhong的de噪zao聲sheng。還hai應ying該gai適shi當dang使shi用yong膺ying頻pin濾lv波bo器qi。在zai電dian源yuan母mu線xian中zhong
，必bi要yao時shi可ke使shi用yong旁pang路lu電dian容rong器qi和he電dian感gan線xian圈quan。同tong時shi，要yao利li用yong接jie地di層ceng。

當dang添tian加jia數shu字zi電dian路lu時shi，要yao為wei整zheng個ge電dian路lu製zhi定ding一yi個ge接jie地di和he電dian源yuan策ce略lve。需xu要yao結jie合he穿chuan過guo各ge個ge路lu徑jing的de電dian流liu密mi度du來lai考kao慮lv走zou線xian的de阻zu抗kang和he電dian感gan。合he成cheng布bu局ju的de目mu標biao是shi最zui大da限xian度du地di減jian少shao路lu徑jing噪zao聲sheng
，例li如ru走zou線xian之zhi間jian耦ou合he的de電dian容rong和he電dian感gan，同tong時shi利li用yong走zou線xian的de電dian感gan和he阻zu抗kang與yu旁pang路lu電dian容rong器qi一yi道dao
，減jian少shao並bing隔ge離li噪zao聲sheng