微控制器/模擬應(yīng)用中電源、接地和噪聲的管理

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)稱重。圖1的模擬接口電路包括稱重、增益電路、膺頻濾波器和12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。稱重利用的是一個(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）。
稱重傳感器的滿幅輸出范圍為±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幅輸出擺動(dòng)與ADC的滿幅輸入范圍相匹配。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走線上的噪聲路徑就是與走線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重新布局，以便模擬和數(shù)字走線各自獨(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阻抗、電感和旁路電容器，在電源和接地走線上建立了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（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)器走線會(huì)把噪聲電感耦合到緊貼電路板的鄰近走線上。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上。如果走線過(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?？梢杂脼V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。在電源母線中，必要時(shí)可使用旁路電容器和電感線圈。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，例如走線之間耦合的電容和電感，同時(shí)利用走線的電感和阻抗與旁路電容器一道，減少并隔離噪聲。