Проект печатной платы с двойным модулем АЦП

Нажмите здесь, чтобы перейти к встроенному просмотру и просмотреть этот проект

Если на вашей плате установлен АЦП, то ваша плата является системой смешанных сигналов и потребует особых методик размещения для предотвращения избыточного шума на аналоговых линиях. АЦП обычно являются неизолированными компонентами, но существуют и изолированные варианты, когда компонент обеспечивает гальваническую изоляцию между аналоговой и цифровой сторонами.

В этом проекте я собираюсь показать пример дизайна, который использует оба типа АЦП в одной и той же компоновке платы. Эти компоненты требуют различных методик размещения, но мы реализуем их на одной и той же плате для наглядного сравнения.

Как и во всех наших проектах, в конце статьи есть ссылка для скачивания исходных файлов этого проекта. Чтобы узнать больше об использовании этих типов компонентов и следить за всем процессом размещения, вы можете посмотреть плейлист ниже.

Начало работы с модулем АЦП

Модуль АЦП, который я представлю в этом проекте, предназначен для сбора двух сигналов и передачи данных на штыревой разъем, который затем может быть подключен к внешней плате, например, к модулю микроконтроллера. Модуль будет включать в себя следующий набор основных компонентов:

• ISL75051ASEHVFE - Радиационно-стойкий модуль регулятора напряжения 5В на 3,3В
• ADC128S102CIMTX - 8-канальный 12-битный АЦП с частотой дискретизации от 0,5 до 1 Мвыб/с
• AMC1203BPSA - Одноканальный изолированный АЦП для измерения тока с разрешением 8 бит и частотой дискретизации 40 квыб/с

Собираемые сигналы предназначены для работы на низких частотах, что подтверждается их низкими скоростями дискретизации. Оба АЦП предполагают источники с низким импедансом, поэтому нам не нужен активный фильтр с буфером импеданса, и при желании мы можем напрямую подключиться к входам АЦП. Наконец, те, кто знаком с компонентами Intersil, отметят, что ISL75051ASEHVFE является радиационно-стойким регулятором; этот модуль может быть использован в космической системе, при условии, что два других компонента могут быть квалифицированы для аэрокосмической промышленности.

Схемы изолированных и неизолированных АЦП

На изображениях ниже показаны две основные части схем для этого модуля: изолированные и неизолированные АЦП. Оставшиеся компоненты и схемы можно увидеть в файлах проекта.

Схемы просты; нам нужна всего одна страница для всех цепей. У нас есть два отдельных входа питания, один для изолированной стороны, подключаемой через SMA, и другой для неизолированной стороны, подключаемой через штыревой разъем.

Сначала посмотрите на схемы для изолированного АЦП (AMC1203BPSA), показанные ниже.

Аналоговый опорный сигнал для этого компонента устанавливается внутренне, поэтому нам не нужен чип точного опорного напряжения для установки диапазона измерений. Обратите внимание, что изолированный АЦП требует двух разных сетей питания (+5В и +5В_AN), обе на +5В согласно техническому описанию; они должны поступать от разных источников, чтобы обеспечить поддержание гальванической изоляции через изоляционный зазор в этом компоненте. J1 и J3 - это разъемы для входящего аналогового сигнала и входного питания аналоговой стороны АЦП.

Для надлежащей защиты входящих сигналов сигналы, поступающие на изолированные и неизолированные АЦП, подаются с использованием коаксиального кабеля с вертикальными SMA-разъемами (73251-1350 от Molex). Эти разъемы и прикрепленные коаксиальные кабели будут иметь импеданс 50 Ом, но входные сигналы будут настолько низкими, что единственное значимое взаимодействие существует между источником и нагрузкой в системе.

Далее посмотрите на схему для стандартного АЦП.

В этой схеме питание обеспечивается регулятором (сеть 3V3), который, в свою очередь, получает питание от соединения +5V с штыревого разъема. Выход SPI использует резистор для незначительного замедления скорости фронта сигнала перед его выводом за пределы платы. Также установлены конденсаторы для специфического развязывания/шунтирования контактов VA и VD.

В вышеупомянутых схемах сделаны некоторые предположения:

• Сеть +5V_AN никогда не потребует высокого тока на этой плате, поэтому использование кабеля SMA + коаксиального для питания является подходящим. Более высокие напряжения/токи потребуют других компонентов.
• Полоса пропускания входного сигнала ограничена только частотой дискретизации каждого АЦП. Если требуется меньшая полоса пропускания, добавьте низкочастотный RC-фильтр и работайте на максимальной частоте дискретизации для снижения эффекта алиасинга.
• Предполагается, что соединение +5V на штыревом разъеме регулируется и относительно свободно от помех. Если оно нерегулируемое, на входе потребуется регулятор +5V.
• Контакты VA и VD на U2 не изолированы, поскольку U2 - единственный компонент, генерирующий быстрые цифровые фронты для своего интерфейса SPI. Если бы на шине 3V3 было больше компонентов, то мы определенно захотели бы рассмотреть возможность ограничения полосы питания для контакта VA около 1 МГц.

Учитывая эти моменты, мы можем перейти к структуре слоев. Наша структура должна поддерживать 2 достаточно быстрых цифровых интерфейса (по одному для каждого АЦП) и две отдельные линии подачи в АЦП.

Планировка и структура слоев печатной платы

Поскольку эта плата содержит изолированный компонент, она должна иметь особый план расположения, который обеспечивает изолированную область. Мы можем выполнить все работы на этой плате на одном слое, но нам нужен земляной слой, чтобы предотвратить индуктивную связь между аналоговыми и цифровыми секциями, что требует внутреннего земляного слоя. Поэтому мы можем использовать простую 4-слойную структуру печатной платы с внутренним GND.

Окончательная структура слоев показана ниже. В этой структуре мы использовали SIG+PWR/GND/GND/SIG структуру; компоненты будут расположены на верхней стороне, а нижняя сторона может быть использована для дополнительной трассировки по мере необходимости.

В этой структуре значение Dk не так важно, поскольку у нас нет требований к контролируемому импедансу. Важным моментом здесь является тонкий внешний слой, а также GND на L2 и L3. Тонкий внешний слой с соседним земляным слоем ключевой для подавления шумов, как я указывал в другой статье о выделении паразитных элементов.

Далее, изолированная секция должна быть размещена в своей собственной области с её SMA-коннекторами, обеспечивающими питание и сигнал. Я изолировал это на левой стороне платы, в то время как оставшиеся компоненты будут находиться на правой стороне. Начальное размещение показано ниже.

Начальное размещение выстраивает все аналоговые секции на левой стороне платы, в то время как регулятор и линии ввода-вывода направлены прямо вправо (в основном на заднем слое). Это типичная стратегия для минимизации помех между цифровыми линиями и аналоговыми линиями питания. Барьер изоляции проходит вертикально под U3, так что именно здесь мы разделим земляные сети на GND и AGND, чтобы поддерживать необходимую изоляцию.

Для выполнения этого разделения я реализовал небольшую область заливки медью, которая простирается через все 4 слоя на печатной плате. Область обеспечивает соединения AGND на J1 и J3, и слои будут соединены с помощью сквозных переходов (stitching vias).

Тепловые соединения на площадках SMA будут удалены путем изменения правил проектирования. Я использую такую же стратегию в незащищенной секции, но с тем отличием, что заливка на L2 проходит под всем соединением ADC. Я также добавлю сквозные переходы в эту секцию для подавления шумов. С этим пунктом завершенным, мы теперь можем проложить остальные соединения.

Одну вещь я хотел бы здесь отметить, это размещение конденсаторов. Как и в случае с цифровым компонентом, важно разместить любые конденсаторы, которые питают аналоговый пин питания, близко к этим пинам. Таким образом, аналоговая подсистема сможет получать достаточное питание в своем интервале выборки, и будет минимальное падение напряжения для любой внутренней ссылки. Пример показан ниже. В частности, мы разместили C18 и C19 для цифрового питания, и C16 и C17 для аналоговой стороны.

Завершение трассировки и разметки

После некоторых изменений в расположении компонентов мне удалось переместить большие конденсаторы (C9 и C13) так, чтобы они располагались более центрально на плате. Это позволило мне немного уменьшить размер платы, чтобы не оставалось больших пустых областей без компонентов или трассировки. Затем на L2 и L3 я провел заземление повсюду, чтобы распределение меди в стеке оставалось в основном симметричным. Окончательная трассировка, включая сквозные переходы, показана ниже.

В этом виде вы можете видеть вход +5V и выход +3V3, выполненные в виде больших полигонов, в то время как другие полигоны на верхнем слое являются GND или AGND. Все цифровые сигналы проложены на нижнем слое, за исключением точек, где они должны соединяться с АЦП на L1.

3D-вид окончательной компоновки печатной платы показан на изображении ниже. Как обычно, у нас есть некоторые логотипы, а также легенда шелкографии для распиновки на штыревом разъеме. SMA, размещенные на левой стороне, имеют сквозные переходы для объединения этой зоны заземления на всех слоях и для предотвращения распространения случайных радиочастотных помех в эту часть подложки. Эти линии также не рассчитаны на конкретное сопротивление, и здесь предполагается, что входные сигналы будут таких низких частот, что линии питания будут электрически короткими.

Что еще мы можем добавить к этому модулю?

Дизайн, показанный выше, предназначен для взаимодействия с внешним модулем микроконтроллера для сбора и обработки данных через разъем для штырьков. Для дальнейшей разработки этой платы можно разместить цифровую секцию с микроконтроллером на заднем слое, где микроконтроллер принимает данные, предоставляемые выходами с АЦП. Маленький микроконтроллер, такой как PIC (от Microchip) или более маленький STM32 (ST Microelectronics), подойдет для этого модуля.

Дизайн, в его текущем виде, предполагает низкое сопротивление источника и отсутствие фильтрации для ограничения полосы пропускания сигнала, собираемого устройством. Это уже ограничено частотой дискретизации на основе теоремы Найквиста о выборке, но сигналы низкой частоты могут быть переоценены и пропущены через RC фильтр против алиасинга для дальнейшего снижения шума.

Если вы используете микроконтроллер на заднем слое, скорее всего, он будет иметь выходной интерфейс для отправки данных на другое устройство, например, на компьютер. Это может быть выполнено через интерфейс UART или напрямую через USB. Вариант с UART полезен, так как его можно затем подключить к двухпиновому разъему, который, в свою очередь, будет подключен к целевому устройству. Поскольку многие микроконтроллеры имеют вариант UART, следующий проект, который я представлю, будет модулем преобразователя UART в USB, который мог бы принимать данные от микроконтроллера, как я описал здесь.

Перейдите по этой ссылке, чтобы скачать ZIP-архив с исходными файлами проекта. Вы также можете использовать ссылку для скачивания во встроенном выше элементе, чтобы получить доступ к исходным файлам.

Компоненты высокой плотности с RF-секциями легко разместить и проложить с помощью полного набора утилит CAD в Altium Designer®. Когда вы закончили свой дизайн и хотите отправить файлы вашему производителю, платформа Altium 365™ упрощает сотрудничество и обмен проектами.

Мы только начали раскрывать возможности Altium Designer на Altium 365. Начните ваш бесплатный пробный период Altium Designer + Altium 365 уже сегодня.