来自 hg平台 2018-08-13 15:38 的文章

PCB布线设计(六)

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。