微控制器/模擬應用中電源、接地和噪聲的解決方案

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陣列上顯示測量結果。微控制器還利用RS-232連接端口把數(shù)據(jù)傳送到臺式電腦。臺式電腦從微控制器得到模擬測量數(shù)據(jù)，并以柱狀圖形式顯示這個數(shù)據(jù)。最后，數(shù)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(shù)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(xù)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(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)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(tǒng)所實現(xiàn)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(xiàn)噪聲問題。有缺陷的實現(xiàn)方案會導致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，很明顯是信號鏈中最后的器件出現(xiàn)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(tǒng)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(shù)據(jù)。

圖3 轉換器輸出的數(shù)據(jù)。

模擬布局的原測

接地和電源：接地層布局的實現(xiàn)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。