微控制器/模拟应用中电源、接地和噪声的管理

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。
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。

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。