12位元检测系统的布线手法

当笔者开始撰写这份文件时，突然想到以「大全」的方式，来说明12位元布线是很适当的。假设这个方式，可提供一个让布线作业变得容易之参考设计，但在这个主题上挣扎很久之后，发现这个想法简直不切实际。

由于这是个复杂的问题，原本打算提供基本的设计指南，并以布线设计该注意的事项做为结尾。贯穿整个讨论，笔者将提供好的与坏的布线范例。这是一个设计概念的讨论，但并不是建议读者那一种布线是唯一可使用的方式。

下文所使用的应用电路图是一个负荷感测器电路，它能精确地测量施加在感测器上的重量，然后将结果显示在液晶显器上。 (图一)是这个系统的电路图。 LCL－816G感测器是一个需要电压驱动的四个电阻组成的电桥。将一个五伏驱动电压施加在感应器的上端，当测量最重32盎斯的重量时，其满刻度输出为＋/－10mV之差动信号。这个小差动信号，经由一个二组运算放大器组成的仪器放大器加以放大，并选择一个12位元转换器以符合这个电路所需之精确度。一旦转换器将出现在输入之电压数位化后，数位资料经由转换器之SPI介面送至微控制器。微控制器使用查表运算将从ADC读出之数位资料转为重量。如有需要，线性化与校正之动作可由微处理器之程式码来进行，完成后将结果送到液晶显示器。最后编写微处理器的韧体，到此设计皆己就绪，可进行电路板布线。

《图一 负荷传感器的输出信号》

〈注：由两个运算放大器组成之仪器放大器放大及滤波，以MCP3201 12位元类比数位转换器转成数位资料。每次转换的结果会显示在液晶显示器上。 〉

走向灾难的一步

看完这个电路图后，若使用布线软体中的自动布线工具，将会是第一个错误。在使用这种工具时，笔者发现自己会回过头去对布线作重大的变更。如果工具可以自行设定布线条件与限制，便可能有成功的机会；如果自动走线工具没有限制的选项，最好的方式是完全不要使用。

一般布线指南

元件布置

现在以人工进行布线，第一个步骤是将元件放在电路板上。持续注意杂讯敏感元件以及杂讯产生元件，才能确保这个重要的步骤有效的进行。用于完成这项工作的指南有两项：

电路板布线方式应符合(图二)所示。注意图二a高速对低速与电路板连接器／电源供应的关系。在图二b中显示类比电路与数位元件分开，数位元件最靠近电路板连结器／电源供应。纯类比元件离数位元件最远，以确保切换杂讯不会耦合入类比讯号路径。类比数位转换器的布线处理详述于第四章（高精确度与解析度类比数位转换器的布线技术）。

《图二 电路板上，精确的12位＋主动组件在电路中的布置是重要的。作法是将较高频率的零件a靠近连接器及数字组件b靠近连接器。》

接地与电源处理方式

一旦决定了元件的位置，接地面与电源面亦被确定了。对这些面的处理方式是需要些技巧的。

首先，不在电路板内使用接地面是危险的。这在类比或混合讯号设计中真的是很特殊的。一个论点是，接地杂讯问题比电源杂讯问题难处理，因为类比讯号都是参考到接地。例如，图一中所示的电路，类比数位转换器的反向输入脚（MCP3201）是接到地。再者，接地面也可隔离辐射杂讯。只要有接地面，这两个问题都容易解决，且如果没有接地面，则几乎不可能克服。

但是，对笔者的设计而言，假设不需要接地面。图一电路之无接地面的布线方式见(图三)。

《图三 图一中电路的上层a与下层b布线》

＜注：注意这个布线没有接地或电源接地面。注意电源走线相较于信号走线相当的宽，以降低电源走线电感。 ＞

「不需接地面」的理论是否结束了？证据在下图之资料中。如(图四)所示，类比数位转换器共取样并记录4096笔资料。在处理资料时，感测器没有驱动。在这个电路布线中，微处理器被用于介面至转换器并将转换器之结果送至液晶显示器。

《图四 无接地或电源面ADC输出码发生率统计图》

＜注：这是一个长条形的统计分布图，有40​​96次出自类比数位转换器的输出取样，从一个没有接地或电源面的电路板而来，如图二中电路板布线所示。出自电路的杂讯码的宽度是15个代码。 ＞

(图五)显示与图三中所示相同的元件布线，但加上一个位于下层的接地面。接地面图五b因信号走线的关系而有一些中断，尽量让中断维持在最少。电流返回路径不应「局促」在这些走线而导致从元件至电源接头的电流无法顺畅流动。类比数位转换器输出的长条形统计分布图如(图六)所示。与图四相较，输出码较紧密。两个测试用的是相同的主动元件。因少许的偏移差异，使得被动元件有所不同。

《图五 图一中电路上层与下层的布线》

＜注：注意这些布线确实有一个接地面。 ＞

从资料可以很清楚地看出，接地面对电路杂讯确实有影响。在电路没有接地面时，杂讯的宽度是15个代码。增加一个接地面后，效能增加接近1.5X或15/11。需注意的是，测试是在实验室里进行，该处电磁干扰相当低。

《图六 具接地面ADC输出码发生率统计图》

＜注：这是一个长条形的统计分布图，有40​​96个出自电路板上类比数位转换器的输出取样，该电路板有一个如图五中电路板布线所示的接地面。杂讯码的宽度现在是11个代码。 ＞

类比数位转换器数位码发生杂讯的原因可归咎到运算放大器杂讯与缺乏平滑滤波器。如果电路在电路板上有一个「最小」量的数位电路，可能适合用单一接地面和一个单一电源面。合适的「最小值」是由电路板设计者定义的。将数位与类比接地面连接在一起的危险是，类比电路会拾取电源接脚上的杂讯并将它耦合到信号路径内。任一情形下，类比与数位接地与电源供应，应在电路内连接在一个或更多个点上，以确保电源供应、所有元件的输入与输出额定值都会在规定范围内。

12位元系统中电源面并不像接地面那么重要，虽然电源面可以解决许多问题。电源杂讯可以被降低，作法是让电源走线达到电路板上其他走线的二或三倍宽，并且有效地使用旁路电容 。

信号走线

在电路板上的信号走线（数位与类比）应尽可能的短。这个基本指南将使外来信号耦合入信号路径的机会最少。需特别小心的是类比元件的输入端。与输出或电源接脚相较，这些输入端通常阻抗较高。举例说明，当发生转换时，类比数位转换器之参考电压输入脚最敏感。就图一中的12位元转换器的而言，输入端（IN＋与IN－）对注入的杂讯也很敏感。杂讯注入信号路径的另一个可能性是运算放大器的输入端。这些输入端基本上有109至1013Ω输入阻抗。

《图七 高阻抗走线的电流量公式》

高阻抗输入端对注入的电流很敏感。高阻抗输入的走线若在具高电压变动量的走线旁（如数位或时脉信号），就有可能发生。当一个高阻抗走线与具这些高电压变动量类型的走线相当靠近时，充电可被耦合入高阻抗迹线内。

两条走线间的关系如(图七)所示。在这个图表中，两条走线间的电容值基本上取决于走线间的距离d以及两条走线平行L的长度。从这个模型，产生至高阻抗走线的电流量相当于：

《图八 两条走线接近放置，将在电路板上形成一个电容》

＜注：根据电路板电容，信号可在走线间被耦合。 ＞

旁路电容与平滑滤波器

本文除布线工作外，也将谈及电路设计。设计重点在于旁路电容需包含在电路内，如果没有，电源杂讯可能会完全破坏12位元的精确度。

旁路电容

旁路电容应被置于电路板上的两个位置：一个在电源（10uF到100uF或两者皆是），另一个是在每个主动元件（数位与类比）。元件的旁路电容值视讨论中的元件而定。如果元件的频宽小于或等于1MHz，一个1uF会戏剧化地降低注入的杂讯。如果元件的频宽在10MHz之上，可能适合使用0.1uF电容。在这两个频率之间，可使用两者或其中之一。

电路板上每个主动元件都需要一个旁路电容。它必须尽可能放靠近元件的电源接脚，如图五所示。如果一个元件使用两个旁路电容，较小的一个应最靠近元件电源接脚。此外，旁路电容的导线长度应尽可能缩短。

平滑滤波器

请注意图一中的电路并没有平滑滤波器，这个疏忽将造成电路中的杂讯问题。当这个电路板有10Hz四阶平滑滤波器插入仪器放大器的输出与类比数位转换器的输入之间，转换响应戏剧化改善，如(图八)。

《图九 加入平滑滤波器的ADC输出码》

＜注：这个图显示图一中电路的转换结果，加上一个四阶平滑滤波器。另外，电路板布线包含一个接地面。 ＞

类比滤波可在信号到达类比数位转换器之前，除去重叠在类比讯号上的杂讯，包括外来的杂讯峰值。类比数位转换器将转换出现在其输入上的信号。这个信号可能包括感测器电压信号或杂讯。平滑滤波器在转换过程中可除去较高频率的杂讯。

电路板设计检查清单

只要遵循一些原则，要熟练 12 位元布线技术并不难：