12位元檢測系統的佈線手法

當筆者開始撰寫這份文件時，突然想到以「大全」的方式，來說明12位元佈線是很適當的。假設這個方式，可提供一個讓佈線作業變得容易之參考設計，但在這個主題上掙扎很久之後，發現這個想法簡直不切實際。

由於這是個複雜的問題，原本打算提供基本的設計指南，並以佈線設計該注意的事項做為結尾。貫穿整個討論，筆者將提供好的與壞的佈線範例。這是一個設計概念的討論，但並不是建議讀者那一種佈線是唯一可使用的方式。

下文所使用的應用電路圖是一個負荷感測器電路，它能精確地測量施加在感測器上的重量，然後將結果顯示在液晶顯器上。(圖一)是這個系統的電路圖。LCL－816G感測器是一個需要電壓驅動的四個電阻組成的電橋。將一個五伏驅動電壓施加在感應器的上端，當測量最重32盎斯的重量時，其滿刻度輸出為＋/－10mV之差動信號。這個小差動信號，經由一個二組運算放大器組成的儀器放大器加以放大，並選擇一個12位元轉換器以符合這個電路所需之精確度。一旦轉換器將出現在輸入之電壓數位化後，數位資料經由轉換器之SPI介面送至微控制器。微控制器使用查表運算將從ADC讀出之數位資料轉為重量。如有需要，線性化與校正之動作可由微處理器之程式碼來進行，完成後將結果送到液晶顯示器。最後編寫微處理器的韌體，到此設計皆己就緒，可進行電路板佈線。

《圖一　負荷感測器的輸出信號》

〈註：由兩個運算放大器組成之儀器放大器放大及濾波，以MCP3201 12位元類比數位轉換器轉成數位資料。每次轉換的結果會顯示在液晶顯示器上。〉

走向災難的一步

看完這個電路圖後，若使用佈線軟體中的自動佈線工具，將會是第一個錯誤。在使用這種工具時，筆者發現自己會回過頭去對佈線作重大的變更。如果工具可以自行設定佈線條件與限制，便可能有成功的機會；如果自動走線工具沒有限制的選項，最好的方式是完全不要使用。

一般佈線指南

元件佈置

現在以人工進行佈線，第一個步驟是將元件放在電路板上。持續注意雜訊敏感元件以及雜訊產生元件，才能確保這個重要的步驟有效的進行。用於完成這項工作的指南有兩項：

電路板佈線方式應符合(圖二)所示。注意圖二a高速對低速與電路板連接器／電源供應的關係。在圖二b中顯示類比電路與數位元件分開，數位元件最靠近電路板連結器／電源供應。純類比元件離數位元件最遠，以確保切換雜訊不會耦合入類比訊號路徑。類比數位轉換器的佈線處理詳述於第四章（高精確度與解析度類比數位轉換器的佈線技術）。

《圖二　電路板上，精確的12位元＋主動元件在電路中的佈置是重要的。作法是將較高頻率的零件a靠近連接器及數位元件b靠近連接器。》

接地與電源處理方式

一旦決定了元件的位置，接地面與電源面亦被確定了。對這些面的處理方式是需要些技巧的。

首先，不在電路板內使用接地面是危險的。這在類比或混合訊號設計中真的是很特殊的。一個論點是，接地雜訊問題比電源雜訊問題難處理，因為類比訊號都是參考到接地。例如，圖一中所示的電路，類比數位轉換器的反向輸入腳（MCP3201）是接到地。再者，接地面也可隔離輻射雜訊。只要有接地面，這兩個問題都容易解決，且如果沒有接地面，則幾乎不可能克服。

但是，對筆者的設計而言，假設不需要接地面。圖一電路之無接地面的佈線方式見(圖三)。

《圖三　圖一中電路的上層a與下層b佈線》

＜註：注意這個佈線沒有接地或電源接地面。注意電源走線相較於信號走線相當的寬，以降低電源走線電感。＞

「不需接地面」的理論是否結束了？證據在下圖之資料中。如(圖四)所示，類比數位轉換器共取樣並記錄4096筆資料。在處理資料時，感測器沒有驅動。在這個電路佈線中，微處理器被用於介面至轉換器並將轉換器之結果送至液晶顯示器。

《圖四　無接地或電源面ADC輸出碼發生率統計圖》

＜註：這是一個長條形的統計分布圖，有4096次出自類比數位轉換器的輸出取樣，從一個沒有接地或電源面的電路板而來，如圖二中電路板佈線所示。出自電路的雜訊碼的寬度是15個代碼。＞

(圖五)顯示與圖三中所示相同的元件佈線，但加上一個位於下層的接地面。接地面圖五b因信號走線的關係而有一些中斷，盡量讓中斷維持在最少。電流返回路徑不應「侷促」在這些走線而導致從元件至電源接頭的電流無法順暢流動。類比數位轉換器輸出的長條形統計分佈圖如(圖六)所示。與圖四相較，輸出碼較緊密。兩個測試用的是相同的主動元件。因少許的偏移差異，使得被動元件有所不同。

《圖五　圖一中電路上層與下層的佈線》

＜註：注意這些佈線確實有一個接地面。＞

從資料可以很清楚地看出，接地面對電路雜訊確實有影響。在電路沒有接地面時，雜訊的寬度是15個代碼。增加一個接地面後，效能增加接近1.5X或15/11。需注意的是，測試是在實驗室裡進行，該處電磁干擾相當低。

《圖六　具接地面ADC輸出碼發生率統計圖》

＜註：這是一個長條形的統計分布圖，有4096個出自電路板上類比數位轉換器的輸出取樣，該電路板有一個如圖五中電路板佈線所示的接地面。雜訊碼的寬度現在是11個代碼。＞

類比數位轉換器數位碼發生雜訊的原因可歸咎到運算放大器雜訊與缺乏平滑濾波器。如果電路在電路板上有一個「最小」量的數位電路，可能適合用單一接地面和一個單一電源面。合適的「最小值」是由電路板設計者定義的。將數位與類比接地面連接在一起的危險是，類比電路會拾取電源接腳上的雜訊並將它耦合到信號路徑內。任一情形下，類比與數位接地與電源供應，應在電路內連接在一個或更多個點上，以確保電源供應、所有元件的輸入與輸出額定值都會在規定範圍內。

12位元系統中電源面並不像接地面那麼重要，雖然電源面可以解決許多問題。電源雜訊可以被降低，作法是讓電源走線達到電路板上其他走線的二或三倍寬，並且有效地使用旁路電容 。

信號走線

在電路板上的信號走線（數位與類比）應儘可能的短。這個基本指南將使外來信號耦合入信號路徑的機會最少。需特別小心的是類比元件的輸入端。與輸出或電源接腳相較，這些輸入端通常阻抗較高。舉例說明，當發生轉換時，類比數位轉換器之參考電壓輸入腳最敏感。就圖一中的12位元轉換器的而言，輸入端（IN＋與IN－）對注入的雜訊也很敏感。雜訊注入信號路徑的另一個可能性是運算放大器的輸入端。這些輸入端基本上有109至1013Ω輸入阻抗。

《圖七　高阻抗走線的電流量公式》

高阻抗輸入端對注入的電流很敏感。高阻抗輸入的走線若在具高電壓變動量的走線旁（如數位或時脈信號），就有可能發生。當一個高阻抗走線與具這些高電壓變動量類型的走線相當靠近時，充電可被耦合入高阻抗跡線內。

兩條走線間的關係如(圖七)所示。在這個圖表中，兩條走線間的電容值基本上取決於走線間的距離d以及兩條走線平行L的長度。從這個模型，產生至高阻抗走線的電流量相當於：

《圖八　兩條走線接近放置，將在電路板上形成一個電容》

＜註：根據電路板電容，信號可在走線間被耦合。＞

旁路電容與平滑濾波器

本文除佈線工作外，也將談及電路設計。設計重點在於旁路電容需包含在電路內，如果沒有，電源雜訊可能會完全破壞12位元的精確度。

旁路電容

旁路電容應被置於電路板上的兩個位置：一個在電源（10uF到100uF或兩者皆是），另一個是在每個主動元件（數位與類比）。元件的旁路電容值視討論中的元件而定。如果元件的頻寬小於或等於1MHz，一個1uF會戲劇化地降低注入的雜訊。如果元件的頻寬在10MHz之上，可能適合使用0.1uF電容。在這兩個頻率之間，可使用兩者或其中之一。

電路板上每個主動元件都需要一個旁路電容。它必須儘可能放靠近元件的電源接腳，如圖五所示。如果一個元件使用兩個旁路電容，較小的一個應最靠近元件電源接腳。此外，旁路電容的導線長度應儘可能縮短。

平滑濾波器

請注意圖一中的電路並沒有平滑濾波器，這個疏忽將造成電路中的雜訊問題。當這個電路板有10Hz四階平滑濾波器插入儀器放大器的輸出與類比數位轉換器的輸入之間，轉換響應戲劇化改善，如(圖八)。

《圖九　加入平滑濾波器的ADC輸出碼》

＜註：這個圖顯示圖一中電路的轉換結果，加上一個四階平滑濾波器。另外，電路板佈線包含一個接地面。＞

類比濾波可在信號到達類比數位轉換器之前，除去重疊在類比訊號上的雜訊，包括外來的雜訊峰值。類比數位轉換器將轉換出現在其輸入上的信號。這個信號可能包括感測器電壓信號或雜訊。平滑濾波器在轉換過程中可除去較高頻率的雜訊。

電路板設計檢查清單

只要遵循一些原則，要熟練 12 位元佈線技術並不難：