2010年（130）
分类： 嵌入式
2010-01-16 00:11:25
图1. 12位CMOS逐次逼近型A/D转换器的方框图。此转换器使用了由电容阵列形成的电荷分布。
图2. 逐次逼近型A/D转换器，无论其分辨率是多少位，通常至少有两个地连接端：AGND和DGND。此处以Microchip的A/D转换器 MCP4008和MCP3001为例。
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。
逐次逼近型A/D转换器的布线
逐次逼近型A/D转换器有8位、10位、12位、16位以及18位分辨率。最初，这些转换器的工艺和结构是带R-2R梯形电阻网络的双极型。但是最近，采用电容电荷分布拓扑将这些器件移植到了CMOS工艺。显然，这种移植并没有改变这些转换器的系统布线策略。除较高分辨率的器件外，基本的布线方法是一致的。对于这些器件，需要特别注意防止来自转换器串行或并行输出接口的数字反馈。
从电路和片内专用于不同领域的资源来看，模拟在逐次逼近型A/D转换器中占主导地位。图1是一个12位CMOS逐次逼近型A/D转换器的方框图。
此转换器使用了由电容阵列形成的电荷分布。
在此方框图中，采样/保持、比较器、数模转换器（DAC）的大部分以及12位逐次逼近型A/D转换器都是模拟的。电路的其余部分是数字的。因此，此转换器所需的大部分能量和电流都用于内部模拟电路。此器件需要很小的数字电流，只有D/A转换器和数字接口会发生少量开关。
这些类型的转换器可以有多个地和电源连接引脚。引脚名经常会引起误解，因为可用引脚标号区分模拟和数字连接。这些标号并非意在描述到PCB的系统连接，而是确定数字和模拟电流如何流出芯片。知道了此信息，并了解了片内消耗的主要资源是模拟的，就会明白在相同平面（如模拟平面）上连接电源和地引脚的意义。
例如，10位和12位转换器典型样片的引脚配置如图2所示。
图2. 逐次逼近型A/D转换器，无论其分辨率是多少位，通常至少有两个地连接端：AGND和DGND。此处以Microchip的A/D转换器 MCP4008和MCP3001为例。
对于这些器件，通常从芯片引出两个地引脚：AGND和DGND。电源有一个引出引脚。当使用这些芯片实现PCB布线时，AGND和DGND应该连接到模拟地平面。模拟和数字电源引脚也应该连接到模拟电源平面或至少连接到模拟电源轨，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。
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。■
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
