微控制器/模拟应用中电源、接地和噪声的管理

除了微控制器，微控制器应用经常包括低电平传感器信号和适当的电源驱动电路，需要小心设计电源和接地。本文将讨论噪声源和噪声的传播路径。我们将涉及良好布局习惯背后的理论及其对噪声的影响。我们也将讨论隔离和限制噪声元件的适当的选择和布局方法。
图1是本文中讨论时使用的系统方框图。这个系统的功能是采集重量并在LED阵列和笔记本电脑上显示结果。在需要时，可利用风扇控制器对电路板降温。
这个设计实例包括了模拟和数字两部分。这种设计的难点之一是如何将这两个部分隔离开来。先看一下该设计的模拟部分，模拟输入信号进入电路实现称重。图1的模拟接口电路包括称重、增益电路、膺频滤波器和12位模数转换器（ADC）。称重利用的是一个惠斯顿电桥，如图2所示。

图1  系统（包括噪声源）的电路模型。模拟接口电路采用一个称重传感器测量重量。然后，该接口将测量结果传送到微控制器。微控制器把传感器的结果发送到LED显示器和笔记本电脑。整个电路还包括风扇电机驱动器电路。

图2　这是图1所示的方框图中模拟部分。放大器和参考电压连接到ADC，ADC再连接到微控制器。为了建立一个二阶低通滤波器（A3）需要两个电阻器、两个电容器和MCP6022运算放大器。另一个放大器组成了一个仪器放大器，其中使用了旁路电容器。

在数字部分，微控制器产生称重值的数字表示。微控制器的作用之一是在LED阵列上显示测量结果。微控制器还利用RS-232连接端口把数据传送到台式电脑。台式电脑从微控制器得到模拟测量数据，并以柱状图形式显示这个数据。最后，数字部分还包括风扇的PWM驱动器输出。
这个设计包括敏感的模拟电路、大功率LED显示器以及与笔记本电脑相连的一个潜在的噪声数字接口。其中的难点在于设计一个可以使这些冲突单元共存的电路和布局。我们将从设计这个电路的模拟部分开始，然后继续讨论与布局有关的问题。

模拟电路设计
这个电路的模拟部分有一个称重传感器、构成一个仪器放大器的双运放（MCP6022）、一个12位100 kHz SAR ADC（MCP3201）和一个参考电压。ADC的SPI端口直接连接到一个微控制器（见图2）。
称重传感器的满幅输出范围为±10mV。仪器放大器的增益（A1和A2）为153V/V。这个增益可使仪器放大器电路的满幅输出摆动与ADC的满幅输入范围相匹配。SAR ADC有一个内部输入采样机制。有了这种功能，每次的转换就可以采用单次取样。微控制器从转换器采集数据，并把数据转换成可用于LED显示器或PC接口等任务的格式。
如果这个系统所实现的电路和布局设计有缺陷（没有接地层、没有旁路电容器和膺频滤波器），肯定会出现噪声问题。有缺陷的实现方案会导致ADC数字输出的不确定性令人难以容忍。假定发生了这种状况，很明显是信号链中最后的器件出现了噪声问题。但是，事实上，带有噪声的转换结果的根源是PCB布局的问题。
在最坏的情况下，在没有采取抑制噪声的预防措施时，图2所示的12位系统对DC输入信号的输出代码分布很散。图3显示了从转换器输出的数据。

图3  转换器输出的数据。

模拟布局的原测
接地和电源：接地层布局的实现是设计低噪声解决方案的关键。利用模拟和/或混合信号器件而忽略接地层是一种危险的做法。接地层可以解决偏移误差、增益误差和电路噪声等问题。由于模拟信号通常是以地为基准的，当缺少了接地层时，误差将更为严重。
在制定电路板的接地策略时，首先应该确定电路是需要一个接地层还是多个接地层。如果电路包含的板上数字电路非常少，单个接地层和三倍宽的电源走线就可以了。把数字和模拟接地层连接在一起的危险是，模拟电路会受到数字电路返回电流的噪声影响。不论哪一种情况，都应该在电路板上的一点或多点把模拟地、数字地和电源连接在一起。在一个12位系统中必须有一个接地层。
ADC布局：ADC布局技术随转换器技术而变化。当使用SAR ADC时，整个器件应该驻留在模拟电源和接地层上。ADC厂商通常会提供模拟和数字接地引脚。如果使用高分辨率SAR转换器，应该使用一个数字缓冲器，将转换器与电路数字部分的总线活动隔离开来。这也是使用Δ-ΣADC应采取的正确方法。
图4显示了考虑了这些事项而设计的电路板性能。这个数据显示，该电路模拟部分的工作非常好。

图4  由图2的电路设计得到的结果数据。改进的结果表明，我们的低噪声布局策略是有效的。

模拟设计结论
综上所述，重要的是从设计一开始就验证电路器件是否具备低噪声性能。在这个例子中，关键因素是电阻器和放大器。选择合适的器件后，应确保对信号路径进行适当的滤波。其中包括信号路径和电源线路。一个不间断的接地层是所有模拟设计的关键。这样就可以消除噪声，否则就要找出可能存在的问题。最后，旁路电容器引线短些，离电源引脚越近越好。

数字设计
我们现在开始数字/模拟设计的第一步整合。在第一步中，我们将根据常规的经验法则在布局策略中加进数字部分的内容。这个部分的设计增加了LED、电机驱动器、RS-232发送器/接收器和微控制器。
该设计在电机驱动方面使用了旁路电容器和回扫二极管。使旁路电容器靠近IC电源，而且接地走线很短。这样做并没有改变模拟电路的布局。图5显示了数字/模拟布局第一步的柱状图结果。

图5 噪声的码宽=35（总采样数=1024）

这块新的电路板的ADC输出结果比第一次在模拟部分尝试的还要糟。我们将通过重新制定电源和接地策略恢复原来模拟电路的表现。第一个矫正措施是把电源线路的数字部分与模拟部分分开。图6a显示了将模拟和数字结合在一起的第一种尝试。图6b反映的是第二种更为成功的方法。

图6  电源和接地的第一种和第二种策略。注意，第二种要尽可能地将噪声与敏感电路分开。

第一种模拟/数字布局是通过模拟部分连接数字部分的5V和接地端。在这种配置下，LED的大电流、电机的切换和数字控制器的噪声覆盖在敏感的模拟电源和接地路径之上（见图6a）。PCB走线上的噪声路径就是与走线阻抗和电感相互作用的电源和接地电流。这引起电路模拟部分的电源和接地的AC偏移。迅速解决这个问题的方案是把电源和接地走线重新布局，以便模拟和数字走线各自独立，再一起连到一个中心位置。在这个中心位置上，把它们连接起来（见图6b）。这种策略利用了走线阻抗、电感和旁路电容器，在电源和接地走线上建立了RC和LC低通滤波器。这样进一步把设计中的敏感部分与噪声隔开。
需要考虑的主要辐射噪声是LED走线（它携带大电流）、RS-232接口中的电荷泵（它能够吸收一定的电流），以及来自微控制器的I/O（具有快速上升时间）。LED和RS-232的驱动器走线会把噪声电感耦合到紧贴电路板的邻近走线上。这种耦合作用的表现即为电压噪声。来自微控制器的快速上升时间信号电容耦合到高阻抗且敏感的走线上。如果走线过于紧密，这种耦合作用就会表现为电流噪声。
如果在电路布局中考虑了这些因素，从噪声数字部分到敏感的模拟部分的噪声耦合就会减少。这个新布局的模拟电路保持不变，大多数数字电路的布局也同样如此。区别在于现在LED走线是绕过模拟电路而非穿过。RS-232接口的电源和接地也与电路板上敏感的模拟和数字功能分隔开。图6b的电源和接地策略可用于指导布局。

结语
抑制模拟噪声的第一步是选择低噪声模拟元件。可以用滤波器消除信号和电源中的噪声。还应该适当使用膺频滤波器。在电源母线中，必要时可使用旁路电容器和电感线圈。同时，要利用接地层。
当添加数字电路时，要为整个电路制定一个接地和电源策略。需要结合穿过各个路径的电流密度来考虑走线的阻抗和电感。合成布局的目标是最大限度地减少路径噪声，例如走线之间耦合的电容和电感，同时利用走线的电感和阻抗与旁路电容器一道，减少并隔离噪声。