1.9 Особенности разводки 12-битных измерительных систем

В качестве примера рассмотрим схему измерения сигнала тензодатчика, с помощью которого точно измеряется вес, приложенный к датчику. На рис. ПБ 18 приведена принципиальная схема этого устройства.

Рисунок ПБ 18

Тензодатчик представляет собой четырехэлементный резистивный мост, на который нужно подавать напряжение питания. При напряжении питания моста 5 В, приложенном к верхней по схеме части датчика, диапазон изменения напряжения на выходе моста составляет 10 мВ. Слабый дифференциальный сигнал с выхода тензодатчика усиливается и фильтруется инструментальным усилителем на двух ОУ, затем передается на вход 12-битного АЦП. Оцифрованный сигнал с выхода АЦП поступает в микроконтроллер через SPI-интерфейс преобразователя, после чего результат отображается на экране жидкокристаллического дисплея.

1.9.1 Общее руководство по разводке платы: заземление и питание

После размещения компонентов на плате следует создать слой питания и зем­ляной слой. При разводке платы нужно обязательно использовать земляной слой — это очень важно, если схема работает с аналоговыми или смешанными сигналами. Проблемы, возникающие с шумами на земляной шине, решаются сложнее, чем проблемы шумов источника питания, поскольку напряжение аналоговых сигналов отсчитывается относительно потенциала земли. Например, в схеме, по­казанной на рис. ПБ18, инвертирующий вход АЦП присоединён к зем­ле. Кроме того, земляной слой выполняет функцию экрана электромагнитных помех. Для небольших плат можно выполнять разводку и без использования земляного слоя.

На рис. ПБ19 показана разводка платы без земляного слоя для принципиальной схемы, приведенной на рис. ПБ18.

Рисунок ПБ19

Разводка верхнего (а) и нижнего (б) слоев печатной платы.

При таком варианте разводки отсутсвует земляной слой и слой питания, а дорожки питания сделаны значительно шире, чем дорожки сигнальных цепей, чтобы уменьшить индуктивность цепей питания

На рис. ПБ 20 показана топология той же схемы, но с добавленным участком земли на нижней стороне.

Рисунок ПБ 20

Земляной слой (рис. ПБ20, б) имеет несколько разрывов из-за сигнальных дорожек – их количество должно быть минимальным. Дорожки обратных токов не должны быть слишком узкими, чтобы не оказывать сопротивление току, протекающему от устройства к разъему питания.

Наличие слоя питания в 12-битной системене так важно по сравнению с необходимостью земляного слоя. Хотя наличие слоя питания позволяет решить некоторые проблемы: увеличение ширины дорожек цепей питания на плате в два или три раза, а также установка развязывающих конденсаторов позволяют успешно бороться с шумами источника питания.

1.10 Дорожки сигнальных цепей

Дорожки сигнальных цепей на плате (как цифровые, так и аналоговые) долж­ны быть как можно короче. Соблюдение этого основного правила позволяет ми­нимизировать возможность наводки посторонних сигналов в сигнальной цепи. Особое внимание следует уделить входным выводам аналоговых устройств. Вход­ные импедансы устройств, как правило, значительно выше, чем на выходе или выводах питания.

Другой путь попадания помехи в сигнальную цепь — выводы входов операци­онного усилителя, которые имеют входное сопротивление порядка 10⁹...10¹³ Ом и чувствительны к наведённым токам. Посторонний сигнал может попасть в сиг­нальную цепь, если проводник, идущий к высокоомному входу, расположен ря­дом с проводником, напряжение на котором изменяется очень быстро, например происходят перепады уровней цифровых или аналоговых сигналов. В этом слу­чае, при достаточно близком расположении высокоомной цепи и дорожки с быс­трыми перепадами напряжения (тактовые или синхронизирующие импульсы и т.д.), в цепи с высоким импедансом через распределённую ёмкость наводится по­меха, которая и приводит к погрешностям в сигнальной цепи.