PCB布線設(shè)計(jì)（五）

要解決信號完整性問題，最好有多個工具分析系統(tǒng)性能。如果在信號路徑中有一個A/D轉(zhuǎn)換器，那么當(dāng)評估電路性能時，很容易發(fā)現(xiàn)三個基本問題：所有這三種方法都評估轉(zhuǎn)換過程，以及轉(zhuǎn)換過程與布線及電路其它部分的交互作用。三個關(guān)注的方面涉及到頻域分析、時域分析和直流分析技術(shù)的使用。本文將探討如何使用這些工具來確定與電路布線有關(guān)問題的根源。我們將研究如何決定找什么；到哪里找；如何通過測試檢驗(yàn)問題；以及如何解決發(fā)現(xiàn)的問題等。

圖1 SCX015壓力傳感器輸出端的電壓由儀表放大器(A1和A2)放大。在儀表放大器之后，添加了一個低通濾波器 (A3)，以消除來自12位A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的混疊噪聲。

圖2 來自于12位A/D轉(zhuǎn)換器MCP3201的數(shù)據(jù)的時域表示，產(chǎn)生了有趣的周期信號。此信號源可追溯到電源。

圖3 電源噪聲充分降低后，MCP3201的輸出碼一直是一個碼，2108。

本文要論述的電路如圖1所示。

電源噪聲

電路應(yīng)用中的常見干擾源來自電源，這種干擾信號通常通過有源器件的電源引腳引入。例如，圖1中A/D轉(zhuǎn)換器輸出的時序圖如圖2所示。在此圖中，A/D轉(zhuǎn)換器的采樣速度是40ksps，進(jìn)行了4096次采樣。

在此例中，儀表放大器、參考電壓源和A/D轉(zhuǎn)換器上沒有加旁路電容。另外，電路的輸入都是以一個低噪聲、2.5V的直流電壓源作為基準(zhǔn)。

對電路的深入研究表明，時序圖上看到的噪聲源來自于開關(guān)電源。電路中添加了旁路電容和扼流環(huán)。電源上加了一個10mF的電容，并且在盡可能靠近有源元件的電源引腳旁放置了三個0.1mF的電容。在產(chǎn)生的新時序圖上可以看到，產(chǎn)生了穩(wěn)定的直流輸出，圖3所示的柱狀圖可驗(yàn)證這一點(diǎn)。數(shù)據(jù)顯示，電路的這些更改消除了來自電路信號路徑的噪聲源。

造成干擾的外部時鐘

其它系統(tǒng)噪聲源可能來自時鐘源或電路中的數(shù)字開關(guān)。如果這種噪聲與轉(zhuǎn)換過程有關(guān)，它不會作為轉(zhuǎn)換過程中的干擾出現(xiàn)。但是，如果這種噪聲與轉(zhuǎn)換過程無關(guān)，采用FFT(快速傅立葉變換)分析，可以很容易發(fā)現(xiàn)這種噪聲。

圖4 耦合到模擬走線的數(shù)字噪聲有時被誤解為寬帶噪聲。FFT圖可以很容易識別這種所謂 “噪聲”的頻率，因此可識別出噪聲源。

圖5 放大器輕微過激勵，會使信號產(chǎn)生失真。通過這種轉(zhuǎn)換的FFT圖，可以很快發(fā)現(xiàn)信號的失真。

時鐘信號干擾的示例可參見圖4所示的FFT圖。此圖使用了圖1所示的電路，并添加了旁路電容。在圖4所示的FFT圖中看到的激勵，由電路板上的19.84MHz時鐘信號產(chǎn)生。在此例中，布線時幾乎沒有考慮走線之間的耦合作用，在FFT圖中可以看到忽略此細(xì)節(jié)的結(jié)果。

這個問題可以通過修改布線來解決，將高阻抗模擬走線遠(yuǎn)離數(shù)字開關(guān)走線；或者在模擬信號路徑中，在A/D轉(zhuǎn)換器之前加抗混疊濾波器。走線之間的隨機(jī)耦合在某種程度上更難以發(fā)現(xiàn)，在這種情況下，時域分析可能比較有效。

放大器使用不恰當(dāng)

回到圖1所示的電路，在儀表放大器的正相輸入端施加一個1kHz的交流信號。此信號不是壓力傳感的特性，但是可以采用這個示例來說明模擬信號路徑中器件的影響。

圖5所示的FFT圖顯示了施加上述條件后的電路性能。注意基波看起來有失真，許多諧波也有同樣的失真。失真是由于使放大器輕微過激勵引起的。解決此問題的方法是降低放大器增益。

結(jié)語

解決信號完整性問題可能會花費(fèi)很多時間，尤其是當(dāng)工程師沒有工具來解決棘手的問題時。在“竅門箱”中有三種最佳的分析工具：頻域分析工具(FFT)、時域分析工具(示波器照片)和直流分析工具(柱狀圖)。工程師可以用這些工具來識別電源噪聲、外部時鐘源和過激勵放大器失真。