除了微控制器，微控制器應(yīng)用經(jīng)常包括低電平傳感器信號(hào)和適當(dāng)?shù)?strong>電源驅(qū)動(dòng)電路，需要小心設(shè)計(jì)電源和接地。本文將討論噪聲源和噪聲的傳播路徑。我們將涉及良好布局習(xí)慣背后的理論及其對(duì)噪聲的影響。我們也將討論隔離和限制噪聲元件的適當(dāng)?shù)倪x擇和布局方法。
圖1是本文中討論時(shí)使用的系統(tǒng)方框圖。這個(gè)系統(tǒng)的功能是采集重量并在LED陣列和筆記本電腦上顯示結(jié)果。在需要時(shí)，可利用風(fēng)扇控制器對(duì)電路板降溫。
這個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例包括了模擬和數(shù)字兩部分。這種設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一是如何將這兩個(gè)部分隔離開(kāi)來(lái)。先看一下該設(shè)計(jì)的模擬部分，模擬輸入信號(hào)進(jìn)入電路實(shí)現(xiàn)稱(chēng)重。圖1的模擬接口電路包括稱(chēng)重、增益電路、膺頻濾波器和12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。稱(chēng)重利用的是一個(gè)惠斯頓電橋，如圖2所示。

圖1  系統(tǒng)（包括噪聲源）的電路模型。模擬接口電路采用一個(gè)稱(chēng)重傳感器測(cè)量重量。然后，該接口將測(cè)量結(jié)果傳送到微控制器。微控制器把傳感器的結(jié)果發(fā)送到LED顯示器和筆記本電腦。整個(gè)電路還包括風(fēng)扇電機(jī)驅(qū)動(dòng)器電路。

圖2　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再連接到微控制器。為了建立一個(gè)二階低通濾波器（A3）需要兩個(gè)電阻器、兩個(gè)電容器和MCP6022運(yùn)算放大器。另一個(gè)放大器組成了一個(gè)儀器放大器，其中使用了旁路電容器。

在數(shù)字部分，微控制器產(chǎn)生稱(chēng)重值的數(shù)字表示。微控制器的作用之一是在LED陣列上顯示測(cè)量結(jié)果。微控制器還利用RS-232連接端口把數(shù)據(jù)傳送到臺(tái)式電腦。臺(tái)式電腦從微控制器得到模擬測(cè)量數(shù)據(jù)，并以柱狀圖形式顯示這個(gè)數(shù)據(jù)。最后，數(shù)字部分還包括風(fēng)扇的PWM驅(qū)動(dòng)器輸出。
這個(gè)設(shè)計(jì)包括敏感的模擬電路、大功率LED顯示器以及與筆記本電腦相連的一個(gè)潛在的噪聲數(shù)字接口。其中的難點(diǎn)在于設(shè)計(jì)一個(gè)可以使這些沖突單元共存的電路和布局。我們將從設(shè)計(jì)這個(gè)電路的模擬部分開(kāi)始，然后繼續(xù)討論與布局有關(guān)的問(wèn)題。

模擬電路設(shè)計(jì)
這個(gè)電路的模擬部分有一個(gè)稱(chēng)重傳感器、構(gòu)成一個(gè)儀器放大器的雙運(yùn)放（MCP6022）、一個(gè)12位100 kHz SAR ADC（MCP3201）和一個(gè)參考電壓。ADC的SPI端口直接連接到一個(gè)微控制器（見(jiàn)圖2）。
稱(chēng)重傳感器的滿(mǎn)幅輸出范圍為±10mV。儀器放大器的增益（A1和A2）為153V/V。這個(gè)增益可使儀器放大器電路的滿(mǎn)幅輸出擺動(dòng)與ADC的滿(mǎn)幅輸入范圍相匹配。SAR ADC有一個(gè)內(nèi)部輸入采樣機(jī)制。有了這種功能，每次的轉(zhuǎn)換就可以采用單次取樣。微控制器從轉(zhuǎn)換器采集數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成可用于LED顯示器或PC接口等任務(wù)的格式。
如果這個(gè)系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的電路和布局設(shè)計(jì)有缺陷（沒(méi)有接地層、沒(méi)有旁路電容器和膺頻濾波器），肯定會(huì)出現(xiàn)噪聲問(wèn)題。有缺陷的實(shí)現(xiàn)方案會(huì)導(dǎo)致ADC數(shù)字輸出的不確定性令人難以容忍。假定發(fā)生了這種狀況，很明顯是信號(hào)鏈中最后的器件出現(xiàn)了噪聲問(wèn)題。但是，事實(shí)上，帶有噪聲的轉(zhuǎn)換結(jié)果的根源是PCB布局的問(wèn)題。
在最壞的情況下，在沒(méi)有采取抑制噪聲的預(yù)防措施時(shí)，圖2所示的12位系統(tǒng)對(duì)DC輸入信號(hào)的輸出代碼分布很散。圖3顯示了從轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)據(jù)。

圖3  轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)據(jù)。

模擬布局的原測(cè)
接地和電源：接地層布局的實(shí)現(xiàn)是設(shè)計(jì)低噪聲解決方案的關(guān)鍵。利用模擬和/或混合信號(hào)器件而忽略接地層是一種危險(xiǎn)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(wèn)題。由于模擬信號(hào)通常是以地為基準(zhǔn)的，當(dāng)缺少了接地層時(shí)，誤差將更為嚴(yán)重。
在制定電路板的接地策略時(shí)，首先應(yīng)該確定電路是需要一個(gè)接地層還是多個(gè)接地層。如果電路包含的板上數(shù)字電路非常少，單個(gè)接地層和三倍寬的電源走線(xiàn)就可以了。把數(shù)字和模擬接地層連接在一起的危險(xiǎn)是，模擬電路會(huì)受到數(shù)字電路返回電流的噪聲影響。不論哪一種情況，都應(yīng)該在電路板上的一點(diǎn)或多點(diǎn)把模擬地、數(shù)字地和電源連接在一起。在一個(gè)12位系統(tǒng)中必須有一個(gè)接地層。
ADC布局：ADC布局技術(shù)隨轉(zhuǎn)換器技術(shù)而變化。當(dāng)使用SAR ADC時(shí)，整個(gè)器件應(yīng)該駐留在模擬電源和接地層上。ADC廠(chǎng)商通常會(huì)提供模擬和數(shù)字接地引腳。如果使用高分辨率SAR轉(zhuǎn)換器，應(yīng)該使用一個(gè)數(shù)字緩沖器，將轉(zhuǎn)換器與電路數(shù)字部分的總線(xiàn)活動(dòng)隔離開(kāi)來(lái)。這也是使用Δ-ΣADC應(yīng)采取的正確方法。
圖4顯示了考慮了這些事項(xiàng)而設(shè)計(jì)的電路板性能。這個(gè)數(shù)據(jù)顯示，該電路模擬部分的工作非常好。

圖4  由圖2的電路設(shè)計(jì)得到的結(jié)果數(shù)據(jù)。改進(jìn)的結(jié)果表明，我們的低噪聲布局策略是有效的。

模擬設(shè)計(jì)結(jié)論
綜上所述，重要的是從設(shè)計(jì)一開(kāi)始就驗(yàn)證電路器件是否具備低噪聲性能。在這個(gè)例子中，關(guān)鍵因素是電阻器和放大器。選擇合適的器件后，應(yīng)確保對(duì)信號(hào)路徑進(jìn)行適當(dāng)?shù)臑V波。其中包括信號(hào)路徑和電源線(xiàn)路。一個(gè)不間斷的接地層是所有模擬設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。這樣就可以消除噪聲，否則就要找出可能存在的問(wèn)題。最后，旁路電容器引線(xiàn)短些，離電源引腳越近越好。

數(shù)字設(shè)計(jì)
我們現(xiàn)在開(kāi)始數(shù)字/模擬設(shè)計(jì)的第一步整合。在第一步中，我們將根據(jù)常規(guī)的經(jīng)驗(yàn)法則在布局策略中加進(jìn)數(shù)字部分的內(nèi)容。這個(gè)部分的設(shè)計(jì)增加了LED、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、RS-232發(fā)送器/接收器和微控制器。
該設(shè)計(jì)在電機(jī)驅(qū)動(dòng)方面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(xiàn)很短。這樣做并沒(méi)有改變模擬電路的布局。圖5顯示了數(shù)字/模擬布局第一步的柱狀圖結(jié)果。

圖5 噪聲的碼寬=35（總采樣數(shù)=1024）

這塊新的電路板的ADC輸出結(jié)果比第一次在模擬部分嘗試的還要糟。我們將通過(guò)重新制定電源和接地策略恢復(fù)原來(lái)模擬電路的表現(xiàn)。第一個(gè)矯正措施是把電源線(xiàn)路的數(shù)字部分與模擬部分分開(kāi)。圖6a顯示了將模擬和數(shù)字結(jié)合在一起的第一種嘗試。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(kāi)。

第一種模擬/數(shù)字布局是通過(guò)模擬部分連接數(shù)字部分的5V和接地端。在這種配置下，LED的大電流、電機(jī)的切換和數(shù)字控制器的噪聲覆蓋在敏感的模擬電源和接地路徑之上（見(jiàn)圖6a）。PCB走線(xiàn)上的噪聲路徑就是與走線(xiàn)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偏移。迅速解決這個(gè)問(wèn)題的方案是把電源和接地走線(xiàn)重新布局，以便模擬和數(shù)字走線(xiàn)各自獨(dú)立，再一起連到一個(gè)中心位置。在這個(gè)中心位置上，把它們連接起來(lái)（見(jiàn)圖6b）。這種策略利用了走線(xiàn)阻抗、電感和旁路電容器，在電源和接地走線(xiàn)上建立了RC和LC低通濾波器。這樣進(jìn)一步把設(shè)計(jì)中的敏感部分與噪聲隔開(kāi)。
需要考慮的主要輻射噪聲是LED走線(xiàn)（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(lái)自微控制器的I/O（具有快速上升時(shí)間）。LED和RS-232的驅(qū)動(dòng)器走線(xiàn)會(huì)把噪聲電感耦合到緊貼電路板的鄰近走線(xiàn)上。這種耦合作用的表現(xiàn)即為電壓噪聲。來(lái)自微控制器的快速上升時(shí)間信號(hào)電容耦合到高阻抗且敏感的走線(xiàn)上。如果走線(xiàn)過(guò)于緊密，這種耦合作用就會(huì)表現(xiàn)為電流噪聲。
如果在電路布局中考慮了這些因素，從噪聲數(shù)字部分到敏感的模擬部分的噪聲耦合就會(huì)減少。這個(gè)新布局的模擬電路保持不變，大多數(shù)數(shù)字電路的布局也同樣如此。區(qū)別在于現(xiàn)在LED走線(xiàn)是繞過(guò)模擬電路而非穿過(guò)。RS-232接口的電源和接地也與電路板上敏感的模擬和數(shù)字功能分隔開(kāi)。圖6b的電源和接地策略可用于指導(dǎo)布局。

結(jié)語(yǔ)
抑制模擬噪聲的第一步是選擇低噪聲模擬元件。可以用濾波器消除信號(hào)和電源中的噪聲。還應(yīng)該適當(dāng)使用膺頻濾波器。在電源母線(xiàn)中，必要時(shí)可使用旁路電容器和電感線(xiàn)圈。同時(shí)，要利用接地層。
當(dāng)添加數(shù)字電路時(shí)，要為整個(gè)電路制定一個(gè)接地和電源策略。需要結(jié)合穿過(guò)各個(gè)路徑的電流密度來(lái)考慮走線(xiàn)的阻抗和電感。合成布局的目標(biāo)是最大限度地減少路徑噪聲，例如走線(xiàn)之間耦合的電容和電感，同時(shí)利用走線(xiàn)的電感和阻抗與旁路電容器一道，減少并隔離噪聲。