生物电阻抗测量系统中弱信号检测技术研究--PCB制作

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4.4电路PCB设计
        由于电路的输入为微弱信号，在电路设计与印制电路板设计时，稍有疏忽就会增加与微弱信号相当甚至大得多的额外噪声。因此，在电路设计与PCB板设计时候需要特别注意。
       
        4.4.1元件选择
        本系统设计的是弱信号检测预处理电路，由于要对弱信号进行调理放大，因此在再三比较了芯片之后，才选择了对应的芯片。主要进行了以下考虑：
         
        1、在满足基本功能要求的基础上，信号处理电路的运放、可编程运算放大器都选择低噪声的芯片，本文选用的是ADA4817和PGA870；若选用噪声较高的元件，则经过后续放大电路后，会引入额外的强噪声，增加了噪声的有效值，在信号采集时需要采集更多的样点才能获得相同的检测效果。
       
        2、在电阻的选择上，选用尺寸为0603的金属膜电阻。这种电阻功率为0.125W，体积较小，噪声低，稳定性较好。此外，电阻所产生的热噪声虽然无法避免，但在设计时选取了数值小的电阻，尽量减少了电路中因电阻所引起的热噪声。
       
        3、考虑了整个系统的频率要求。由于激励信号频率范围大，故在芯片选型上着重考虑此芯片能否满足信号频率的要求，要求芯片有足够的频率带宽和转换速率。
       
        4.4.2电容退耦
        电容在电路版中应用非常广泛，例如退耦、补偿电路等。本文设计主要考虑以下电容退耦作用。
       
        实际中电源往往会产生低频的扰动，常常还拌杂着高频噪声，特别是当负载变化时，更容易引入瞬变的噪声电压。因此，每个芯片电源引脚配置退耦电容，对增强电路的稳定性有非常重要的作用。
       
        从整体上来讲，退耦电容的使用有以下好处：
        （1）作为集成电路处的蓄能电容，例如使用一个容量较大的电容，可减小电压波动对电路造成的低频干扰；
        （2）滤除该器件产生的高频噪声，切断其通过供电回路进行传播的通路，如图中的C2；
        （3）防止电源携带的噪声对电路构成干扰。
       
        4.4.3 PCB接地
        接地是将一个电路、设备、分系统与参考地连接，目的在于提供一个等电位点或面。接地必须有接地导体和参考地才能完成。参考地可以是大地，也可以是起大地作用的，有足够面积的导体。理想的参考地是一个零电位、零阻抗的物理体。接地导体则是电路、设备、分系统的接地点与参考地的连接体。
       
        这里所讲的PCB接地主要是指板上的参考接地。由于该板由数字电路和模拟电路组成，其中既有AD转换器也有DA转换器，因此，在板上既有模拟地，又有数字地。为防止数字电路对模拟电路的干扰，这里设计为分开接地，如图4.13所示，左边为模拟地，右边为数字地。
       
       
        一、数字地的处理
        作为功能板上最主要的地线，数字互连信号将之作为主要回流通路，也是控制信号线特征阻抗的关键参考平面，同时是各种单板内滤波屏蔽的参考点，地位十分的重要，在处理时也要保证它的合理、可靠。
       
        从背板来的直流电源经过AD/DA转换成单板上供电电源以及其回流地线（DGND），在本板上作为参考电平，连接到背板后成为系统成为系统内的通信参考。
       
        单板内部其他工作地线都在单板上以多点接地方式与DGND相连。
       
        接地理论中的单点、多点接地的区别在单板上最能体现，因为IC的工作电流的变化速率是系统中最高的，而且工作电压又是系统中最低的，地线上的共阻抗最可能引起干扰问题[16]。
       
        单点接地的好处是接地线比较明确清楚，成本较低。但最大的问题是地线较长，在高频是阻抗较大，可能影响芯片自身的稳定性，更多的时候是产品共阻抗干扰，耦合到相邻的芯片或者在共地线的芯片上产生互扰。
       
        多点接地的好处是芯片工作各自有各自的电流回路，不会产生共地线阻抗的互扰问题，同时，接地线可以很短，减少地线阻抗。多点接地的不足之处在于这种方式需要增加PCB的成本，同时板上的高频回路剧增，这些高频的电流回路对磁场是很敏感的，所以在设计PCB时兼顾了单点接地和多点接地的方法。
       
        混合接地结合了单点接地和多点接地两者的特点，低频电流从串联单点接地线经过，高频电流将沿着各自IC的接地电流回流，相互独立。
       
        本文设计的功能板的数字地是从DA变换经滤波后接入PCB的地线层，延伸至整个功能板，为每个器件的信号线提供参考的回流平面，在需要接地的地方就近打孔连接，加上旁路和去耦电容的使用，解决了多点接地的隐患。
       
        数字地和背板连接就成为系统通信的参考地（GND），一般情况下是使用高密度的连接器同时实现地和信号的连接，此时注意地线针数，将针数控制在总针数的三分之一；同时注意地线针的安排，将地针散布在信号针之间，减少了信号间的互扰，也减弱了信号线的特征阻抗经过连接器产生的跳变，在关键的信号和敏感的信号周围安排了较多的地线针。
       
        功能板上各种电路的连线都从各自的参考平面走线，数模电路之间一般通过数模/模数转换芯片进行连接，各种地分割之间通过一定宽度的金属相通连接，同时避免各模块内部连线从相连出经过，以减少互扰的机会。
       
        二、模拟地的处理
        模拟电路抗干扰能力非常弱，尤其是和对外干扰大的数字电路放在一起时要特别注意采取必要的保护措施，避免和数字电路接触是首要原则。模拟信号的参考地（AGND）安排在地线层中分割产生，以其作为模拟信号专用的回流途径。为了保证数字信号的电流不对其产生干扰，AGND上不设计经过高速数字信号线，同时，容易受干扰的模拟信号也不从数字地上走线。
       
        数模电路之间的相互控制和通信只使用A/D进行，ADC放在DGND和AGND的交界处，并将数字和模拟部分分开。
       
        模拟地最终还是和数字地连接在一起，保证系统内有统一的参考点，采用单点连接方式，保证数模电路各自的电流通路在同一个参考平面上，同时保留了一定的宽度。
       
        4.4.4电路板布局
        在PCB设计中，布局是一个重要的环节。布局结果好坏将直接影响到不线的效果，因此，合理的布局是PCB设计成功的第一步。
       
        布局常用的有两种方式，一是交互式布局，二是自动布局。本文采取的是在自动布局的基础上用交互式布局进行调整，在布局时根据走线的情况对电路进行进一步分配，使其成为布线的最佳布局。本文布局主要考虑以下几个重点。
       
        1.合理的走向。
        特别是输入与输出，他们的走向是成线性的，互不交融的。其目的是防止互相干扰。
       
        2.选择合理接地点。
        接地点的选择是许多工程人员重点关注的对象，也有大量的文章论述这方面的问题。各自针对这个问题都有自己的一套解决方案。针对本文PCB功能板，其前向放大器的多条地线就是采用地线汇合后再与干地线相连的方式接地的。
        3.线条与过孔的考虑。
        在有条件做宽线的地方，决不做细线，同时在线过弯是都采用圆弧型过弯，避免直角拐弯。在过孔方面，尽量考虑减少布线的过孔。因为在过孔多的情况下，沉铜工艺稍有不慎就会埋下许多隐患。
       
        功能板的PCB布局图如图4.14所示。在整个PCB设计中，以布线的设计过程限定最高，技巧最细，工作量最大。因此在PCB布线时也采取了相应的措施。
       
        PCB布线有单面布线，双面布线和多层布线。布线的方式也有两种：自动布线和交互式布线，在自动布线之前，用交互式事先对要求比较严格的线进行布线，输入端与输出端的布线避免相邻平行，以避免产生反射干扰。
       
        本系统电路板布局走线主要考虑了以下原则：
        1.安全间距。PCB设计是在PADS2007上设计的。表面贴片元件和过孔最小间距设为6mil，表面贴片元件和第一导线弯曲点间的最小间距设为6mil，在相同网络中，两过孔间的最小间距为6mil，通孔焊盘和第一导线弯曲点间的最小间距为8mil，导线和另一导线弯曲点间的最小距离设为8mil.
        2.设定布线规则。利用PADS2007设定了布线规则。设置了过孔与导线敷铜共享，考虑了网络连接长度最小化，差分走线的最小延迟等。
       
        3.高速电路布线。通过HiSpeed Rules工具，设置了平行线走线规则，高速电路规则和匹配规则。同一层平面平行线长度和间距分别为1000mil和200mil，不同平面的平行线长度和间距分别设置为800mil和200mil.