LPC176x/175x 12位ADC設(shè)計(jì)指導(dǎo)--LPC176x/175x 12-bit ADC design guidelines
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LPC1700,LPC175X,LPC176X,12位ADC
摘要
PCB設(shè)計(jì)參考，軟件測試LPC1768 12位 ADC
1．簡介
基于ARM Cortex M3內(nèi)核，LPC175X/6X包含一個(gè)12位模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（ADC）：8引腳多路輸入，轉(zhuǎn)換速率達(dá)200KHZ，多個(gè)結(jié)果寄存器。此12位ADC可以和GPDMA控制器同時(shí)工作。
使用12位ADC設(shè)計(jì)系統(tǒng)，需要比傳統(tǒng)的使用NXP LPC系列產(chǎn)品解決方案更細(xì)心。
作為對照，在10位ADC系統(tǒng)中使用3.3V參考電壓，每一個(gè)轉(zhuǎn)換值均不同于3.2mV(3.3V/1024)。在12位ADC中，LSB（最低有效位）的值低至0.8mV。對比3.2mV和0.8mV， 可以明顯看出降噪技術(shù)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中有重要的作用，無論是原理圖，還是PCB的設(shè)計(jì)。該應(yīng)用手冊，可以作為PCB板設(shè)計(jì)的指導(dǎo)，包含了一個(gè)參考設(shè)計(jì)和軟件工程，用戶可以用來測試LPC1700 12位ADC。一些測試情況也包含在里面，可以說明一些影響轉(zhuǎn)換結(jié)果的因素。
2．PCB板設(shè)計(jì)參考
本文檔提供了一個(gè)完整的板子設(shè)計(jì)案例。用戶可以使用這個(gè)設(shè)計(jì)作為他們自己設(shè)計(jì)的起點(diǎn)。這個(gè)案例使用的軟件叫作：Eagle布局編輯器5.4.0(Eagle Layout Editor Version 5.4.0 )，整個(gè)工程，包括原理圖、布局和BOM，都在本文檔中。
該板的主要目的在于ADC的測試；所有的ADC通道都能測試。兩個(gè)BNC連接器，用于輸入外部信號（或外部電源提供的固定電壓）；兩個(gè)電位計(jì)，提供一個(gè)可調(diào)節(jié)的電壓，可連接到模擬輸入線（通過跳線選擇模擬通道輸入）。
這個(gè)板可以選擇不同的電源。從一個(gè)通用源，就可以獲得模擬或數(shù)字電源：使用USB連接器（PC供電）或者外部電源（提供3.3V外部電壓）。另一種可行方案是為每一個(gè)源（模擬或數(shù)字）提供獨(dú)立電源，甚至可以從一個(gè)獨(dú)立的電源提供VREF（Voltage reference for the ADC，ADC基準(zhǔn)電壓）。通過跳線，用戶可以選擇想要的配置。
調(diào)試以及FLASH編程都有一個(gè)JTAG/SWD調(diào)試端口。通過COM0連接器（通過跳線選擇相應(yīng)的UART0），F(xiàn)LASH編程也可以使用ISP。UART1也是通過跳線選擇。板上有RESET和ISP按鍵，一個(gè)通用LED。板上所有的GPIO引腳均可用。
板子布局與符錄中的設(shè)計(jì)指導(dǎo)相對應(yīng)。為了降低成本，采用了雙層設(shè)計(jì)。底層作為接地層（ground planes）。模擬和數(shù)字接地層可用，一對跳線可以選擇不同的配置。兩個(gè)地端連接到一個(gè)點(diǎn)上，或通過一個(gè)choke相連，也有可能是自獨(dú)立。這些選項(xiàng)可以讓用戶體驗(yàn)不同的情況，并比較結(jié)果的差異。
頂層主要用于電源和信號的走線（traces）。數(shù)字信號（特別是高頻或者大電流部件上的）位于數(shù)字地端，遠(yuǎn)離模擬區(qū)域。模擬相關(guān)的部件（BNC連接器，模擬電位器，模擬電壓的跳線和連接器）位于板的左邊緣，形成一個(gè)“模擬島”。數(shù)字相關(guān)的部件位于板的另一端。圖1所示為板的最后布局。如圖所示，所有的跳線都在板上注了相應(yīng)的標(biāo)簽。
圖1 LPC1768 ADC 電路板布局
3． 軟件測試
為了測試這塊板，本文檔提供了相應(yīng)的軟件。此工程使用Keil MDK version 4.03（可以使用免費(fèi)的評估版本）。用這個(gè)軟件，用戶可以選擇測試的ADC通道，以及示例的號碼。其他參數(shù)，像ADC時(shí)鐘，也可以設(shè)置。
理想情況下，所選擇的通道輸入一個(gè)固定電壓時(shí)，所有的示例都會返回相同的值。實(shí)際中，可能會出現(xiàn)干擾或電壓不穩(wěn)，而導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)偏差。最后的結(jié)果是出現(xiàn)幾個(gè)接近的值，而且不會是同一個(gè)值。只要減少干擾、改進(jìn)電源質(zhì)量，就能把誤差限定在一個(gè)較小的范圍。
因?yàn)檐浖褂靡粋€(gè)數(shù)列來確保不同的轉(zhuǎn)換結(jié)果，所以應(yīng)該先定義這個(gè)數(shù)列。代碼中命名為“Maximum variation expected”的參數(shù)，作為這個(gè)數(shù)列的初始值，默認(rèn)值為20，能夠滿足大多數(shù)情況。另兩個(gè)變量限制了值的范圍（最大和最小值），所以用戶可以對這個(gè)參數(shù)作一些調(diào)整。
另一個(gè)參數(shù)定義了打印的選項(xiàng)。所有的參數(shù)都可以在config.h文件中找到，可以在Keil Configuration Wizard（Keil配置向?qū)В┲芯庉嫞鐖D2所示。
圖2 軟件配置參數(shù)
只要板編程通過，就可以通過終端程序（HyperTerminal program）查看程序的信息。使用終端，需要用串口線連接ADC板（COM0）和PC串口，啟動終端程序的參數(shù)為：9600，8，N，1，N。初始化完成之后，程序啟動ADC取樣，結(jié)果顯示在終端程序的屏幕上。如果在配置向?qū)е羞x擇了“Export Excel”，則取樣值以及相應(yīng)的序號將出現(xiàn)在屏幕上。見圖3。
圖3 終端顯示的結(jié)果
獲取這些信息，并保存為文件，文件后綴為“csv”。這個(gè)文件就可以用微軟的Excel打開，文件上的值就會分兩列顯示。這樣，就可以很容易的生成相應(yīng)的柱形圖，見圖4。
配置中的另一個(gè)打印選項(xiàng)“Plot Values”，結(jié)果值可以在終端屏幕上直接顯示為圖表，用戶就可以快速評估測試結(jié)果而不需要額外的輸出這些值。見圖5。
注意：使用JTAG調(diào)試時(shí)會影響結(jié)果，詳見4.2。
圖5 終端顯示柱形圖
4.運(yùn)行測試
在這一部分，提供了不同的測試情況，以及相應(yīng)的結(jié)果。
4．1 Keil MCB1700 和 LPC1768 ADC 評估板的比較
基準(zhǔn)測試在MCB1700 Keil 板和LPC1768 ADC 評估板上進(jìn)行，圖六為測試結(jié)果。
如上圖所示，LPC1768 ADC 評估板能夠把99.75%的取樣轉(zhuǎn)為同一個(gè)值，干擾達(dá)到最小，由此可見，ADC的性能好于Keil板。這個(gè)結(jié)果證實(shí)了LPC1768 ADC 評估板的設(shè)計(jì)的優(yōu)異性。
4．2 JTAG 調(diào)試的影響
提醒用戶，在某些情況下，使用JTAG調(diào)試可能會對結(jié)果產(chǎn)生不良影響，有時(shí)會引入額外的干擾導(dǎo)致一些故障（值會超出范圍，包括兩個(gè)峰值0x000和0xfff）。圖7為JTAG的影響。
圖7 JTAG的影響
如圖7所示，JTAG會引入額外的干擾，擴(kuò)大了樣值的范圍。
4．3 地端的影響
該板提供了兩個(gè)不同的地端，一個(gè)是模擬區(qū)域，另一個(gè)是數(shù)字區(qū)域。在多數(shù)情況下，只要一個(gè)系統(tǒng)級的地端作為參考點(diǎn)，所以有時(shí)就需要把兩個(gè)地端連接起來。
直接連接兩個(gè)地端可能會導(dǎo)致數(shù)字端引入干擾到模擬區(qū)域。使用感應(yīng)器（inductor）或者choke連接兩個(gè)地端，由于感應(yīng)器的濾波作用，數(shù)字端的干擾達(dá)到最小化，見圖8。
圖8 地端的影響
4．3 電源質(zhì)量的影響
另一個(gè)干擾源就是電源。電源電壓的波動，會極大的影響ADC性能。為每一塊區(qū)域（數(shù)字和模擬）提供獨(dú)立的電源往往能得到更好的結(jié)果，見圖9。
圖9 電源質(zhì)量對結(jié)果的影響
4．4 ADC通道輸入濾波的影響
低通濾波器可以大大的改善結(jié)果，如圖10所示。LPC1768 ADC 評估板在每一個(gè)ADC通道輸入的低通濾波器上都有電容器。并不是所有板上的濾波器都起作用，這個(gè)測試顯示了起作用的濾波器的改進(jìn)作用。另一些情況，使用去鋸齒濾波器（和相應(yīng)激活的部件）能夠進(jìn)一步改善測試結(jié)果。
圖10 低通濾波器的影響
5． 結(jié)論
設(shè)計(jì)一個(gè)精確的、可靠的12位ADC需要在PCB布局、電源設(shè)計(jì)和去耦上下功夫。PCB板的走線應(yīng)該遵循本應(yīng)用手冊的設(shè)計(jì)原則，以減少干擾的影響。每一個(gè)區(qū)域使用一個(gè)獨(dú)立的地端是一個(gè)有效的方法。如果可能，為數(shù)字和模擬區(qū)域提供獨(dú)立的電源也可以獲得好的結(jié)果。最后，濾波器也是一個(gè)不可或缺的部件。
6． 附錄A 設(shè)計(jì)指導(dǎo)
下面的指導(dǎo)提供了一個(gè)通用的最好的PCB布局實(shí)例：包含高頻或大電流電路，模擬和數(shù)字電路相結(jié)合。
6．1 組件位置
- 模擬電路與數(shù)字電路相互獨(dú)立，以隔絕轉(zhuǎn)換的干擾。
- 干擾和高頻組件應(yīng)該布置在靠近連接器或電源的位置。
圖11 推薦的組件布局
6．2 地端方案
（1）每一個(gè)區(qū)域（模擬或數(shù)字）使用獨(dú)立的地端
（2）使用接地層（如果可能）
（3）如果沒有接地層，地的連接使用“星”布局：
- 如果可能，使用獨(dú)立的地電流回路
- 低電流/低速信號設(shè)備共用回路（參看U1&U2）
- 走線盡可能寬
- 避免地端短路
- 數(shù)字電流不要通過模擬器件
- 大電流和高速電流不要通過模擬和低速區(qū)域
- 走線盡可能的短，這樣有效電感和電阻就能最小
- 如果有接地層，盡可能多使用它作為電流回路
- 為模擬部分設(shè)計(jì)獨(dú)立的接地層，用空隙分離模擬和數(shù)字的接地層
- 避免板的頂部和底部可能出現(xiàn)的短路
- 在接地層，地電流盡可能最短；如果信號走線要插入板的接地層旁邊，走線要最短，并與地電流回路相垂直。
- 當(dāng)模擬和數(shù)字區(qū)域使用獨(dú)立地端，則只有一個(gè)點(diǎn)作為系統(tǒng)的地，兩個(gè)地端要連接在一起作為一個(gè)信號點(diǎn)；一個(gè)ferrite bead或感應(yīng)器在這個(gè)連接部位去耦。
圖12 星形布局
6．3 旁路和去耦電容
（1） 旁路電容為高頻電流提供低阻抗通路，減少了電源線的電流干擾。通常，0.1uF就足夠了，并盡可能的靠近器件。
（2） 去耦電容隔離兩個(gè)電路，可以避免干擾從一個(gè)電路傳到另一個(gè)電路。和一個(gè)感應(yīng)器一起使用，就可以形成一個(gè)低通濾波器。10uF就可以了，且靠近電源
圖13 旁路和去耦電容
6．4 電源層
（1）電源層也需要，雖然沒有像接地層那么嚴(yán)格。
（2）兩層板，電源層也可以用寬的走線代替（寬度為其他走線的2到3倍）。
6．4 多層板
（1）嚴(yán)格和/或復(fù)雜的設(shè)計(jì)就要使用多層板。
（2）這種情況下，強(qiáng)烈建議接地層和電源層使用不同層。
（3）因?yàn)楹芏嗥骷际荢MD，他們的連接就需要外露在板的外部邊緣；這樣，內(nèi)層就可以專用為電源和接地層，能夠突出電容的優(yōu)點(diǎn)。
（4）如果多于4層，接地層和電源層高速信號要隔離。低速信號要在外層上。
6．5 路由信號
不同的區(qū)域（模擬和數(shù)字）的信號/電源/地層不要重疊。否則，電容就會把高速數(shù)字干擾加到模擬電路。
圖14
（1） 分離數(shù)字信號（特別是高頻、干擾I/O、大電流）和模擬信號。即使是走線和層之間的小電容，也能引起干擾，不僅是低頻，也包括高諧頻。
（2） 高阻抗容易通過電容引入干擾，尤其是電壓變化快的走線，像數(shù)字時(shí)鐘。為了最小化電容，要加大兩條走線之間的距離，且長度要長，寬度要小。
圖15 推薦走線間的距離
（3） 信號走線（通常）要盡可能的短，以最小化寄生電感和電容。
（4） 避免信號線并排，以減少串?dāng)_。如果無法避免，信號線之間應(yīng)該要留出至少3倍信號線寬度的間隙。
（5） 最小化電源和地走線的回路（如果沒有接地端的話）。
圖16
（6） 采用圓形拐角
圖17 采用圓形拐角
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