生物電阻抗測量系統中弱信號檢測技術研究--PCB制作

4.4電路PCB設計

由于電路的輸入為微弱信號，在電路設計與印制電路板設計時，稍有疏忽就會增加與微弱信號相當甚至大得多的額外噪聲。因此，在電路設計與PCB板設計時候需要特別注意。

4.4.1元件選擇

本系統設計的是弱信號檢測預處理電路，由于要對弱信號進行調理放大，因此在再三比較了芯片之后，才選擇了對應的芯片。主要進行了以下考慮：

1、在滿足基本功能要求的基礎上，信號處理電路的運放、可編程運算放大器都選擇低噪聲的芯片，本文選用的是ADA4817和PGA870；若選用噪聲較高的元件，則經過后續放大電路后，會引入額外的強噪聲，增加了噪聲的有效值，在信號采集時需要采集更多的樣點才能獲得相同的檢測效果。

2、在電阻的選擇上，選用尺寸為0603的金屬膜電阻。這種電阻功率為0.125W，體積較小，噪聲低，穩定性較好。此外，電阻所產生的熱噪聲雖然無法避免，但在設計時選取了數值小的電阻，盡量減少了電路中因電阻所引起的熱噪聲。

3、考慮了整個系統的頻率要求。由于激勵信號頻率范圍大，故在芯片選型上著重考慮此芯片能否滿足信號頻率的要求，要求芯片有足夠的頻率帶寬和轉換速率。

4.4.2電容退耦

電容在電路版中應用非常廣泛，例如退耦、補償電路等。本文設計主要考慮以下電容退耦作用。

實際中電源往往會產生低頻的擾動，常常還拌雜著高頻噪聲，特別是當負載變化時，更容易引入瞬變的噪聲電壓。因此，每個芯片電源引腳配置退耦電容，對增強電路的穩定性有非常重要的作用。

從整體上來講，退耦電容的使用有以下好處：

（1）作為集成電路處的蓄能電容，例如使用一個容量較大的電容，可減小電壓波動對電路造成的低頻干擾；

（2）濾除該器件產生的高頻噪聲，切斷其通過供電回路進行傳播的通路，如圖中的C2；

（3）防止電源攜帶的噪聲對電路構成干擾。

4.4.3 PCB接地

接地是將一個電路、設備、分系統與參考地連接，目的在于提供一個等電位點或面。接地必須有接地導體和參考地才能完成。參考地可以是大地，也可以是起大地作用的，有足夠面積的導體。理想的參考地是一個零電位、零阻抗的物理體。接地導體則是電路、設備、分系統的接地點與參考地的連接體。

這里所講的PCB接地主要是指板上的參考接地。由于該板由數字電路和模擬電路組成，其中既有AD轉換器也有DA轉換器，因此，在板上既有模擬地，又有數字地。為防止數字電路對模擬電路的干擾，這里設計為分開接地，如圖4.13所示，左邊為模擬地，右邊為數字地。

一、數字地的處理

作為功能板上最主要的地線，數字互連信號將之作為主要回流通路，也是控制信號線特征阻抗的關鍵參考平面，同時是各種單板內濾波屏蔽的參考點，地位十分的重要，在處理時也要保證它的合理、可靠。

從背板來的直流電源經過AD/DA轉換成單板上供電電源以及其回流地線（DGND），在本板上作為參考電平，連接到背板后成為系統成為系統內的通信參考。

單板內部其他工作地線都在單板上以多點接地方式與DGND相連。

接地理論中的單點、多點接地的區別在單板上最能體現，因為IC的工作電流的變化速率是系統中最高的，而且工作電壓又是系統中最低的，地線上的共阻抗最可能引起干擾問題[16]。

單點接地的好處是接地線比較明確清楚，成本較低。但最大的問題是地線較長，在高頻是阻抗較大，可能影響芯片自身的穩定性，更多的時候是產品共阻抗干擾，耦合到相鄰的芯片或者在共地線的芯片上產生互擾。

多點接地的好處是芯片工作各自有各自的電流回路，不會產生共地線阻抗的互擾問題，同時，接地線可以很短，減少地線阻抗。多點接地的不足之處在于這種方式需要增加PCB的成本，同時板上的高頻回路劇增，這些高頻的電流回路對磁場是很敏感的，所以在設計PCB時兼顧了單點接地和多點接地的方法。

混合接地結合了單點接地和多點接地兩者的特點，低頻電流從串聯單點接地線經過，高頻電流將沿著各自IC的接地電流回流，相互獨立。

本文設計的功能板的數字地是從DA變換經濾波后接入PCB的地線層，延伸至整個功能板，為每個器件的信號線提供參考的回流平面，在需要接地的地方就近打孔連接，加上旁路和去耦電容的使用，解決了多點接地的隱患。

數字地和背板連接就成為系統通信的參考地（GND），一般情況下是使用高密度的連接器同時實現地和信號的連接，此時注意地線針數，將針數控制在總針數的三分之一；同時注意地線針的安排，將地針散布在信號針之間，減少了信號間的互擾，也減弱了信號線的特征阻抗經過連接器產生的跳變，在關鍵的信號和敏感的信號周圍安排了較多的地線針。

功能板上各種電路的連線都從各自的參考平面走線，數模電路之間一般通過數模/模數轉換芯片進行連接，各種地分割之間通過一定寬度的金屬相通連接，同時避免各模塊內部連線從相連出經過，以減少互擾的機會。

二、模擬地的處理

模擬電路抗干擾能力非常弱，尤其是和對外干擾大的數字電路放在一起時要特別注意采取必要的保護措施，避免和數字電路接觸是首要原則。模擬信號的參考地（AGND）安排在地線層中分割產生，以其作為模擬信號專用的回流途徑。為了保證數字信號的電流不對其產生干擾，AGND上不設計經過高速數字信號線，同時，容易受干擾的模擬信號也不從數字地上走線。

數模電路之間的相互控制和通信只使用A/D進行，ADC放在DGND和AGND的交界處，并將數字和模擬部分分開。

模擬地最終還是和數字地連接在一起，保證系統內有統一的參考點，采用單點連接方式，保證數模電路各自的電流通路在同一個參考平面上，同時保留了一定的寬度。

4.4.4電路板布局

在PCB設計中，布局是一個重要的環節。布局結果好壞將直接影響到不線的效果，因此，合理的布局是PCB設計成功的第一步。

布局常用的有兩種方式，一是交互式布局，二是自動布局。本文采取的是在自動布局的基礎上用交互式布局進行調整，在布局時根據走線的情況對電路進行進一步分配，使其成為布線的最佳布局。本文布局主要考慮以下幾個重點。

1.合理的走向。

特別是輸入與輸出，他們的走向是成線性的，互不交融的。其目的是防止互相干擾。

2.選擇合理接地點。

接地點的選擇是許多工程人員重點關注的對象，也有大量的文章論述這方面的問題。各自針對這個問題都有自己的一套解決方案。針對本文PCB功能板，其前向放大器的多條地線就是采用地線匯合后再與干地線相連的方式接地的。

3.線條與過孔的考慮。

在有條件做寬線的地方，決不做細線，同時在線過彎是都采用圓弧型過彎，避免直角拐彎。在過孔方面，盡量考慮減少布線的過孔。因為在過孔多的情況下，沉銅工藝稍有不慎就會埋下許多隱患。

功能板的PCB布局圖如圖4.14所示。在整個PCB設計中，以布線的設計過程限定最高，技巧最細，工作量最大。因此在PCB布線時也采取了相應的措施。

PCB布線有單面布線，雙面布線和多層布線。布線的方式也有兩種：自動布線和交互式布線，在自動布線之前，用交互式事先對要求比較嚴格的線進行布線，輸入端與輸出端的布線避免相鄰平行，以避免產生反射干擾。

本系統電路板布局走線主要考慮了以下原則：

1.安全間距。PCB設計是在PADS2007上設計的。表面貼片元件和過孔最小間距設為6mil，表面貼片元件和第一導線彎曲點間的最小間距設為6mil，在相同網絡中，兩過孔間的最小間距為6mil，通孔焊盤和第一導線彎曲點間的最小間距為8mil，導線和另一導線彎曲點間的最小距離設為8mil.

2.設定布線規則。利用PADS2007設定了布線規則。設置了過孔與導線敷銅共享，考慮了網絡連接長度最小化，差分走線的最小延遲等。

3.高速電路布線。通過HiSpeed Rules工具，設置了平行線走線規則，高速電路規則和匹配規則。同一層平面平行線長度和間距分別為1000mil和200mil，不同平面的平行線長度和間距分別設置為800mil和200mil.