关于精密电路设计的一些经验

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关于精密电路设计的一些经验

本人本科大二也就是2004年开始接触电路设计，当时是学校电子设计协会的一员，所设计的小项目在一次院校科技创新比赛中获得了二等奖，由此对电路设计及嵌入式有了热爱。从接触到现在从事电路设计已经近十年了，在微弱信号接收等精密电路和PCB电路也有了一些自己的经验，拿出来和大家一起分享，提供一些个人在设计中总结的经验给大家。如果有什么需要，大家可以到我们工作室对外服务的服务项目里http://shop108968537.taobao.com/index.htm看看，希望能帮上你的忙，解决你所遇到的难题。

随着技术的发展，集成电路已经取代了以前使用晶体管设计的时代，当然不是说晶体管已经不重要，我们在设计过程中也还会使用到晶体管的，只是说现在我们的侧重点和以前不一样了，电路设计更侧重于元器件的选择，而非使用三极管、二极管进行自己搭建运算放大器，因为你没有那么多精力，你有那么多精力，搭建出来的远远没有IC生产产家使用现代化精密仪器生产出来的芯片性能高。这里要说的就是电路设计的第一步，也是最重要的一步，元器件的选择，按电路系统的复杂程度进行选择。

先说说微处理器的选择，ARM和C51是现阶段较为流行的嵌入式系统处理器，如果系统没涉及到复杂的算法，可以优先选择这种型号的处理器，一个是因为它们性价比高，另一个是因为它们比其他的处理器较为流行，网上有海量的参考资料，设计起来会显得得心应手，当然还有MSP430、AVR、PIC等微处理器可选择，TI的MSP430在高校应用也颇为广泛，这得益于TI公司可免费申请样片的策略。需要高速数据采集的电路系统，一般采用CPLD或FPGA与DSP结合设计，市面上高性能的单反照相机都是采用FPGA芯片作为处理器，FPGA是一种门阵列，是采用硬件方式实现的处理器，因此速度会更快，现在有名而且使用比较广泛的主要是Altera和Xilinx两大产家，前者多应用于民品项目，而后者多见于军品领域。DSP也就是数字信号处理器，主要用于算法计算，主要的厂家是TI与AD两家公司，TI的DSP在国内的市场占有率胜于AD公司，当然这和TI的策略是分不开的，TI与国内的院校合作比较密切，有名的大学都设有TI实验室，院校的项目设计多用TI的DSP进行，学生毕业到各单位后也自然更侧重于选择TI的DSP处理器。其实TI的DSP稳定性能劣于AD生产的DSP，这点从国外军工领域则可窥一斑，国外军工产品多用于AD公司的DSP，而非TI，因此，我们在选择数字处理器的时，考虑价格是一方面，同时也应考虑系统的稳定性。

第二步，这是关于数据预处理端芯片的选取问题。数据预处理端芯片的选取需要和采集系统的信号形式考虑，数据是差分输入还是单端信号输入，若是差分输入应首选差分输入的运算放大器，差分运放对共模输入信号有很强的抑制能力，对差模信号却没有多大的影响，因此差分运放一般做信号采集系统的输入级和中间级，可以抑制由外界条件的变化带给电路的影响，如外界电噪声、温漂噪声等。为了提高系统的抗干扰能力，采集系统宜选择差分输入作为第一级运算放大。选择运放时，主要优先考虑下面几个参数:（1）运算放大倍数足够大，放大倍数对微弱信号尤为重要；（2）失调电压Voffset要尽量小，失调电压体现的是信号采集的精度；（3）输入偏置电流尽量选择fA级的放大器，电流偏置对微弱电流信号采集系统更为重要，这好比汽车行驶中方向盘跑偏的问题；（4）输入阻抗Rin足够大，至少在1013Ω，输入阻抗是采集系统尤为重要的一个参数，直接影响到信号的信噪比，系统输入阻抗高，信噪比则高；（5）温度漂移及噪声系数要尽量小，温度漂移指的是元器件随着工作时间的增加和温度的升高，参数性能的变化程度，体现的是一种抗温度特性。

第三步，电路设计流程。元器件选择好了，那么接下来就是要开始进行电路系统的设计了，在接收端，电路系统设计宜选择多级运放，这有利于信号的提取和复原，因为运放进行信号放大时，同时也将噪声进行了放大，采用多级运放的意义更多的是为了提高信噪比。

反馈电路可分为负反馈和正反馈。前者使输出起到与输入相反的作用，使系统输出与系统目标的误差减小，系统趋于稳定；后者使输出起到与输入相似的作用，使系统偏差不断增大，使系统振荡，可以放大控制作用，可见，宜选择负反馈电路作为运算放大电路。

至于滤波电路的设计，若是采集的是直流信号，采用二阶低通滤波器已足够，而需要采集窄带信号，则需要设计带通滤波器，设计时需要注意-3DB的频率点确定，以免漏采有效信号。通带滤波常用的有巴特沃思型滤波器、切比雪夫型滤波器、贝塞尔型滤波器。

巴特沃思型是在通带以内幅频曲线的幅度最平坦，由通带到阻带衰减陡度较缓，截止频率以后的衰减速率为6MDB/倍频程，相频特性是非线性的，对阶跃信号有过冲和振铃现象。巴特沃斯滤波器是一种通用型滤波器，又称为最平幅度滤波器。

切比雪夫滤波器的特点是在通带内，具有相等的波纹，截频衰减陡度比同阶数巴特沃斯特性更陡度比同阶数程时的衰减就超过6NDB，在阶数N一定时，波纹越大，截频衰减陡度越陡，相位响应也是非线性，但较之比巴特沃斯为差。

贝塞尔滤波器的特点是延时特性最平坦，幅频特性最平坦区较小，从通带到阻带衰减缓慢，贝塞尔滤波器的幅频特性比巴特沃斯或切比雪夫滤波器差，但贝塞尔滤波器的相位特性要好得多，贝塞尔滤波器又称为线性相移或恒定延时滤波器。

以上是关于信号预处理端的电路设计，接着就是ADC芯片的选择了，ADC芯片选择要根据电路系统的采样率和系统的精度要求作为选择依据，用AD7793和AD7324作为比较，系统精度要求高，而采集信号为直流信号的，可以选用AD7793作为ADC数据转换芯片，AD7793适合高精度测量应用的低功耗、低噪声、完整模拟前端，内置一个低噪声/24位Σ-Δ型ADC，其中含有3个差分模拟输入，还集成了片内低噪声仪表放大器，因而可直接输入小信号。当增益设置为64、更新速率为4.17 Hz时，均方根（RMS）噪声为40 nV，器件内置一个精密低噪声、低漂移内部带隙基准电压源，而且也可采用一个外部差分基准电压，其它片内特性包括可编程激励电流源、熔断电流控制和偏置电压产生器，利用偏置电压产生器可将某一通道的共模电压设置为AVDD/2，AD7793可以采用内部时钟或外部时钟工作，输出数据速率可通过软件编程设置，可在4.17 Hz至470 Hz的范围内变化，AD7793器件芯片的特征是最适合高精度数据采集的，可用于温度、电磁、压力等精密仪器系统设计上应用。相较于AD7793，AD7324是一款4通道、12位带符号位的1 MSPS逐次逼近型ADC，该ADC配有一个高速串行接口，最高呑吐量可达1 MSPS，AD7324可处理真双极性模拟输入信号，AD7324可处理真双极性模拟输入信号，通过对片上范围寄存器编程，可借助软件来选择双极性范围。双极输入范围包括：± 10V、± 5V和± 2.5V三种。AD7324还可处理0至10V的单极性输入范围，同样可通过软件选择。每个模拟输入通道均支持独立编程，通过设定范围寄存器中的相应位即可设为四个输入范围之一，模拟输入通道可配置为单端、全差分或伪差分三种模式之一，模拟输入则通过专门的控制寄存器位进行配置，AD7324含有一个通道序列器，可在各模拟输入通道间实现自动转换，这款ADC内置一个2.5V的基准电压，也可采用外部基准，，如果在REFIN/OUT引脚上施加3V外部基准电压，该ADC则可处理± 12V真双极性模拟输入范围，对于该± 12V输入范围，需采用最低± 12V的VDD和VSS电源，可见AD7324适宜的信号频率较高、而精度稍差的电路系统。当然还有很多的ADC器件可供电路设计时作为选择，这里只是用这两款作为简单的应用比较。

下面谈谈关于PCB电路板的设计，也就是PCB布板的相关问题。PCB板布线时就需要考虑布线之间的互相干扰问题，特别要注意的是来自地线上的噪音干扰。数字电路与模拟电路的信号差别很大，数字电路的工作频率高，而且会在高低电平之间频繁跳变，模拟电路的敏感度强，容易受到高频信号跳变的影响，故在设计中，高频的信号线尽可能远离敏感的模拟电路器件。为了增加电路系统的抗电磁干扰能力，设计原则主要有三点：

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抑制系统的干扰源。为了抑制电源引入的干扰，必须使用去耦电容，去耦电容主要起到两个作用：一方面可以作为集成电路的蓄能电容，起到提供和吸收集成电路开门关门瞬间的充放电能作用；另一方面可以滤除该器件的高频噪声信号，抑制电源对器件的干扰，所有的器件电源供电输入端都要并接去耦电容，而在布线时电容尽量靠近电源端，使布线尽量短。

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切断干扰的传播路径。电路系统在PCB布局时，将模拟电路部分，高速数字电路部分，噪声源部分(如继电器，大电流开关等)这三部分合理地分开，抑制不同的信号线之间的信号耦合。在布线时，不相容的信号线(数字与模拟、高速与低速、大电流与小电流、高电压与低电压等)相互远离，不平行走线，而且分布在不同层上的信号线走向相互垂直，以此来可以减少线间的电场和磁场耦合干扰。

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提高信号敏感器件的抗干扰性能。信号敏感器件是指容易受电磁干扰的器件，包括:A/D转换器件、D/A转换器件、单片机、数字集成芯片等。提高敏感器件的抗干扰能力是指从敏感器件这边考虑尽量减少对干扰噪声的拾取，以及从不正常状态尽快恢复的方法，对于那些对电源噪声很敏感的器件，可以利用电感和电容来组成π形滤波电路；在噪声敏感的器件背面不要走线，弱信号电路，低频电路周围不要形成电流环路；时钟线与I/O线垂直，时钟元件引脚远离I/O线，时钟、总线、片选信号要远离I/O线和接插件。

PCB布线有很多讲究的地方，这里说明的只是比较重要的三点，把这三点处理得当了，系统的精度也自然会有一个数量级的提升。

最后，谈谈本人在工程项目实践中遇到到一些问题，以及解决这些问题的方法，首先，简单的自我介绍一下，本人2007年毕业于西安电子科技大学，2007年就职于华为研发部，主要从事硬件电路设计，在PCB布线和电磁兼容方面积累了丰富的经验；2011年至今在某大型合资上市企业上班，主要从事电路硬件的研发工作，每天晚上六点后和周末均有空闲时间，于是今年年初和同事们一起组建了“凯达电子工作室”，开始对外服务，服务的电路项目会随着大家的需求而不断的扩宽。从本科开始，接触电路硬件设计已经有八年多了，从刚开始的面包板飞线到现在的十多层板布线，由单路系统转向了高速电路系统，这过程中积累了很多工程经验，也随着工程实践不断地提升了自己，虽然在学生时代就开始接触了微弱信号采集处理，但是那时并没有应用到工程项目，出来工作后，发现微弱信号预处理并不是很好实现，而是需要时间去熬，去不断的调试、不断的改版，有一次接触的是72通道的微弱信号预处理设计，项目开始先是调试单路信号，这太好实现了，不到一周就完毕，信号效果很好，很是满意，于是把72通道电路直接布板，调试到第五路还好，慢慢的往下调，信号越是不堪入目，信号幅值和相位一致性到没有问题，问题是放大倍数到6万倍时电路底噪声就直接爆表了，于是开始查问题，改板子，重新布线，将72路信号平均分成两块板子，每个板子各36路信号，调试了几乎一个月，总共调好了50多路信号，可是总有几路信号噪声大，于是采用了割线飞线的办法，将输出信号直接用屏蔽线连接到接插件端，利用这种方法改好了12路信号，可是剩下的无论怎么改均毫无意义，于是使用交流毫伏表一级一级的测试，发现噪声大的通道均似乎都有输出线与电源线同在一层且挨得有点近，于是将电源横着布线，信号线尽量竖着布线，而且均不在同一层。线布好了继续调试，效果的确好了很多，但还是出现几路信号噪声过大，而且与传感器连接后，放大到10万倍时几乎都出现了自激现象，对电源重新进行去耦、滤波，并进行了相位补偿，但是没有丝毫的改变，加班加点的调试，几乎崩溃了也找不到原因，眼看联调就要开始了，可是一点改观都没有，当时真是痛苦至极，最后想到了一个好点子，将电路的地线均采用了单点连接，每通道信号输入均采用双地线包夹，电路地线与传感器地线相连，并通过电容与机壳相连，最终解决了噪声大的难题。每通道放大12万倍，折合输入噪声只有3.6μV，实现了72通道信号的预处理放大滤波功能，为后级ADC采集提供了高精度的有效信号。还有一次，电路已经在实验室调试好了，但是到户外试验时，采集到的信号总会有周期性的噪声，当时以为是户外有某个信号源不断的周期性发射，但我们更换地点，毫无改变，去掉传感器，发现依然有周期性噪声，百思不得解，后来配合底层程序一起调试，将控制码完全拉低，发现周期性噪声没了，欣喜万分，最后发现是因为控制码离信号输入端太近，串扰引入了噪声，改板将控制线远离信号输入端，问题随之解决。

以上是我本人在精密电路设计的一些经验，欢迎有兴趣的电路硬件设计者可以和我一起探讨，同时也欢迎需要帮助的电路系统设计者或电路爱好者光临我们对外服务的淘宝店铺：http://shop108968537.taobao.com/index.htm凯达电子工作室。