微控制器/模擬應用中電源、接地和噪聲的管理

　　除了微控制器，微控制器應用經常包括低電平傳感器信號和適當的電源驅動電路，需要小心設計電源和接地。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慣背后的理論及其對噪聲的影響。我們也將討論隔離和限制噪聲元件的適當的選擇和布局方法。

　　圖1是本文中討論時使用的系統方框圖。這個系統的功能是采集重量并在LED陣列和筆記本電腦上顯示結果。在需要時，可利用風扇控制器對電路板降溫。

　　這個設計實例包括了模擬和數字兩部分。這種設計的難點之一是如何將這兩個部分隔離開來。先看一下該設計的模擬部分，模擬輸入信號進入電路實現稱重。圖1的模擬接口電路包括稱重、增益電路、膺頻濾波器和12位模數轉換器（ADC）。稱重利用的是一個惠斯頓電橋，如圖2所示。

　　系統（包括噪聲源）的電路模型。模擬接口電路采用一個稱重傳感器測量重量。然后，該接口將測量結果傳送到微控制器。微控制器把傳感器的結果發送到LED顯示器和筆記本電腦。整個電路還包括風扇電機驅動器電路。

　　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。為了建立一個二階低通濾波器（A3）需要兩個電阻器、兩個電容器和MCP6022運算放大器。另一個放大器組成了一個儀器放大器，其中使用了旁路電容器。

　　在數字部分，微控制器產生稱重值的數字表示。微控制器的作用之一是在LED陣列上顯示測量結果。微控制器還利用RS-232連接端口把數據傳送到臺式電腦。臺式電腦從微控制器得到模擬測量數據，并以柱狀圖形式顯示這個數據。最后，數字部分還包括風扇的PWM驅動器輸出。

　　這個設計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潛在的噪聲數字接口。其中的難點在于設計一個可以使這些沖突單元共存的電路和布局。我們將從設計這個電路的模擬部分開始，然后繼續討論與布局有關的問題。

　　模擬電路設計

　　這個電路的模擬部分有一個稱重傳感器、構成一個儀器放大器的雙運放（MCP6022）、一個12位100 kHz SAR ADC（MCP3201）和一個參考電壓。ADC的SPI端口直接連接到一個微控制器（見圖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。這個增益可使儀器放大器電路的滿幅輸出擺動與ADC的滿幅輸入范圍相匹配。SAR ADC有一個內部輸入采樣機制。有了這種功能，每次的轉換就可以采用單次取樣。微控制器從轉換器采集數據，并把數據轉換成可用于LED顯示器或PC接口等任務的格式。

　　如果這個系統所實現的電路和布局設計有缺陷（沒有接地層、沒有旁路電容器和膺頻濾波器），肯定會出現噪聲問題。有缺陷的實現方案會導致ADC數字輸出的不確定性令人難以容忍。假定發生了這種狀況，很明顯是信號鏈中最后的器件出現了噪聲問題。但是，事實上，帶有噪聲的轉換結果的根源是PCB布局的問題。

　　在最壞的情況下，在沒有采取抑制噪聲的預防措施時，圖2所示的12位系統對DC輸入信號的輸出代碼分布很散。圖3顯示了從轉換器輸出的數據。

圖3? 轉換器輸出的數據。

　　模擬布局的原測

　　接地和電源：接地層布局的實現是設計低噪聲解決方案的關鍵。利用模擬和/或混合信號器件而忽略接地層是一種危險的做法。接地層可以解決偏移誤差、增益誤差和電路噪聲等問題。由于模擬信號通常是以地為基準的，當缺少了接地層時，誤差將更為嚴重。

　　在制定電路板的接地策略時，首先應該確定電路是需要一個接地層還是多個接地層。如果電路包含的板上數字電路非常少，單個接地層和三倍寬的電源走線就可以了。把數字和模擬接地層連接在一起的危險是，模擬電路會受到數字電路返回電流的噪聲影響。不論哪一種情況，都應該在電路板上的一點或多點把模擬地、數字地和電源連接在一起。在一個12位系統中必須有一個接地層。

　　ADC布局：ADC布局技術隨轉換器技術而變化。當使用SAR ADC時，整個器件應該駐留在模擬電源和接地層上。ADC廠商通常會提供模擬和數字接地引腳。如果使用高分辨率SAR轉換器，應該使用一個數字緩沖器，將轉換器與電路數字部分的總線活動隔離開來。這也是使用Δ-ΣADC應采取的正確方法。

　　圖4顯示了考慮了這些事項而設計的電路板性能。這個數據顯示，該電路模擬部分的工作非常好。

圖4? 由圖2的電路設計得到的結果數據。改進的結果表明，我們的低噪聲布局策略是有效的。

　　模擬設計結論

　　綜上所述，重要的是從設計一開始就驗證電路器件是否具備低噪聲性能。在這個例子中，關鍵因素是電阻器和放大器。選擇合適的器件后，應確保對信號路徑進行適當的濾波。其中包括信號路徑和電源線路。一個不間斷的接地層是所有模擬設計的關鍵。這樣就可以消除噪聲，否則就要找出可能存在的問題。最后，旁路電容器引線短些，離電源引腳越近越好。

　數字設計

　　我們現在開始數字/模擬設計的第一步整合。在第一步中，我們將根據常規的經驗法則在布局策略中加進數字部分的內容。這個部分的設計增加了LED、電機驅動器、RS-232發送器/接收器和微控制器。

　　該設計在電機驅動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。這樣做并沒有改變模擬電路的布局。圖5顯示了數字/模擬布局第一步的柱狀圖結果。

圖5 噪聲的碼寬=35（總采樣數=1024）

　　這塊新的電路板的ADC輸出結果比第一次在模擬部分嘗試的還要糟。我們將通過重新制定電源和接地策略恢復原來模擬電路的表現。第一個矯正措施是把電源線路的數字部分與模擬部分分開。圖6a顯示了將模擬和數字結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。

　　第一種模擬/數字布局是通過模擬部分連接數字部分的5V和接地端。在這種配置下，LED的大電流、電機的切換和數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。迅速解決這個問題的方案是把電源和接地走線重新布局，以便模擬和數字走線各自獨立，再一起連到一個中心位置。在這個中心位置上，把它們連接起來（見圖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。這樣進一步把設計中的敏感部分與噪聲隔開。

　　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），以及來自微控制器的I/O（具有快速上升時間）。LED和RS-232的驅動器走線會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即為電壓噪聲。來自微控制器的快速上升時間信號電容耦合到高阻抗且敏感的走線上。如果走線過于緊密，這種耦合作用就會表現為電流噪聲。

　　如果在電路布局中考慮了這些因素，從噪聲數字部分到敏感的模擬部分的噪聲耦合就會減少。這個新布局的模擬電路保持不變，大多數數字電路的布局也同樣如此。區別在于現在LED走線是繞過模擬電路而非穿過。RS-232接口的電源和接地也與電路板上敏感的模擬和數字功能分隔開。圖6b的電源和接地策略可用于指導布局。

　　結語

　　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和電源中的噪聲。還應該適當使用膺頻濾波器。在電源母線中，必要時可使用旁路電容器和電感線圈。同時，要利用接地層。

　　當添加數字電路時，要為整個電路制定一個接地和電源策略。需要結合穿過各個路徑的電流密度來考慮走線的阻抗和電感。合成布局的目標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。