将原理图转换为PCB布局步骤概述

在上一篇文章中，我详细介绍了如何为测斜仪子系统创建myschematic设计。在本文中，我们将讨论流程中的下一步：电路板布局。

将原理图转换为PCB布局步骤概述

我们在本文中列出的最终版

没有两个设计师会创建相同的布局，很少有设计师会以相同的方式布置相同的原理图两次。

每个都有多个竞争考虑因素PCB设计，有时候小错误只能保留，因为修复移动部件，通孔或走线后发生的级联变化需要很长时间。引用诗人保罗·瓦列里的话说，“除非出现疲劳，满足感，需要交付或死亡等事故，否则工作永远不会完成。”

考虑到这一点，让我们来看看看看我们如何从这些原理图中走出来：

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对于PCB设计来说这个：

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隔离电压基准IC

让我们开始吧带电压基准IC，LT1027LS8。正如我们在前一篇文章中所讨论的那样，该IC要求使用三个或最好四个槽来将PCB的部分与电路板的其余部分热隔离和机械隔离。

电压参考的热隔离是重要的是减轻塞贝克效应或热电偶效应。任何时候两种不同的金属（或半导体）的接触点都被加热，在结点之间就会产生电位差。电压可能很小，但对于敏感设备（例如电压参考），它可能足以干扰电路。

那么我们如何在设计中解决这个问题？

解决方案是在电路板的敏感区域周围产生较少的热量，在这种情况下，切入PCB的插槽限制了数量可以从电路板的其他部分迁移的热能。此外，直接在器件下方移除电源和接地层将有助于防止热量从连接到PCB其余部分的电路板的狭窄区域流入器件。

LT1027LS8数据表（上面链接）也可选择推荐聚酯电容器以降低噪音。我选择将电容器延伸到切入电路板的其中一个插槽中，以保护受保护的切口区域尽可能小。电学上这种方法很好;机械地，这可能会产生一个应力点，但我没有进行有限元分析（FEA）来确定多少。

数据表推荐的另一个解决方案是保护环，用于保持输出精度。

什么是护环？

焊接掩模，也称为阻焊剂，在电路板制造过程结束时放在印刷电路板上。它有助于防止铜的氧化，并阻止在电路板组装期间紧密间隔的焊盘之间的焊桥。阻焊剂是非常好的绝缘体;但是，如果铜的相邻位之间存在电位差，则仍然允许一些少量电流流动（在皮安范围内）。在某些情况下，如果需要极高的精度，则需要将这些泄漏电流最小化。

普遍接受的解决方案是包括一个保护环。保护环保持与您要保护的铜部件大致相同的电位。

您可以在下图中看到我用于此设计的保护环。

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PCB的保护环部分

在我们的案例中，参考电压的NR（降噪）引脚保持在4.4V，因此电阻分压器（R11，R12）用于产生相同的电压。电阻分压器连接到NR节点周围的走线。

由于保护环与NR节点处于相同的电位，因此没有电流流入或流出NR引脚。去除保护环周围的阻焊剂进一步防止电流从保护环泄漏到周围的铜中。为防止铜氧化，应用少量焊料覆盖走线。

R10（上图中未显示）是一个小型10kΩ微调电位器，用于对输出进行微小改动电压。 C18和C19是去耦电容。

保护信号路径

我布置了测斜仪的两个模拟输出信号，使它们具有相同的迹线长度，使用圆角，并用通孔缝合包围痕迹。这些功能不是必需的，但它们很容易合并，如果它们在信号质量方面提供了很小的改进，那将是值得的。

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查看信号痕迹

信号走线遇到R8和R9，5.11kΩ0.1％电阻，构成第一个低通滤波器的一部分。这些电阻器的封装尺寸刚好足以允许保护走线在焊盘之间通过。保护走线连接到缓冲器的输出，减少了（已经很低）通过阻焊膜的漏电流。这对于这块电路板来说是完全矫枉过正的，但保护环是免费的，我试图尽我所能来最大化测斜仪测量的精度。

只使用两个缓冲通道，所以另外两个根据数据表推荐的输出通道浮动，输入通道连接到2.5V。将输出连接到2.5V是路由便利性的问题，尽管输入电压接近0到5 V电源范围的中间电压肯定不会伤害任何东西。

从那里，传感器信号遇到由R3，R4，C6，C7和C8组成的第二低通滤波器; AD8244的数据表推荐使用此滤波器。

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第二个低通滤波器（R3，R4，C6，C7和C8）显示在图像的顶部。

通过后在滤波器中，信号最终到达逐次逼近寄存器ADC，后者将信号数字化并将结果数据通过SPI传递给MSP430。在较大的PCB中，MSP430可能放置在ADC旁边，然后是CP2102N。但是，MSP430和CP2102N可以产生热量，在这种设计中，它们被放置在电路板的相对边缘。

电路板层注意事项

正如我在完整的项目文章中所提到的，该电路板有四层：两个用于组件和信号的外层，一层用于接地，一层用于混合功率。

顶层

该板的顶层还有许多模拟和数字信号线，以及作为一个大的铜浇注连接到多层接地网与各种过孔。

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第二层

PCB的第二层有9-12VDC输入网（红色），地网（深绿色），2.5VDC网（光）绿色）和3.3V净（橙色）。该层演示了几个影响设计质量的决策。

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从9-12VDC输入网（红色）开始，您将看到排除使网络无法填充四个机械切口之间的区域。这样做是为了满足电压参考的数据表建议。去除铜会降低耦合到电压参考电路的噪声量，并且还会阻止其他组件产生的热量传递。

地网多边形（深绿色）添加到电路板的这一层，以防止3.3V网络的噪声耦合到信号线。这可以确保顶层的信号具有尽可能低的噪声。

最后，3.3V网络（橙色）。您会注意到左侧有一个大的阴影填充物。这样可以降低3.3V铜浇注和MSP430电容式触摸线之间的电容耦合。对于USB走线，电路板右侧还有一个小的阴影填充。

第三层

PCB的第三层是一个大的地面浇筑。 MSP430电容式触摸线和USB数据线再次出现阴影填充，但除此之外该层也相当不起眼。

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第四层

该层包含MSP430，CP2102N和LDO。这些是最有可能产生热量的电路部分。将它们放置在电路板的底部，以便在需要时，它们可以通过导热膏连接到铝载体上的突起以便散热。我将载体设计为牢固安装测斜板的方法。

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最后，我不认为这种PCB设计是最佳的。但是，它是一个功能设计，并结合了有趣的布局技术，您可能会发现这些技术对于未来的项目非常有用。

如何为自定义PCB创建原理图？本文将讨论使用测斜仪子系统示例设计电路板原理图的步骤。

我最近为测斜仪子系统设计了一个定制PCB。在本文中，我们将讨论如何设计功能原理图，这是任何成功项目的第一步。

在大多数设计中，部件是根据可用性，成本，可靠性等要求选择的。然而，重要的是要注意，AAC项目的设计本质上是教育性和公正性的，因此您的部件选择和设计可能因您的而异。需求和偏好。

让我们逐节介绍这个大型的原理图，从电源开始。

功率

该项目由连接到壁式电源的直流电源插座提供9-12V直流电源。如果墙壁电源太嘈杂，我可以用实验室级电源或电池组替换它。设计选用了一个低调的3.5mm DC桶形插孔，因为它是电路板上其他高元件的大致高度。

有三个Texas Instrument TPS709xx LDO可提供2.5V，3.3V和5.0V数字 电压轨，而LT1027LS8则是用于提供5V模拟电源轨的电压参考芯片。

在没有支持电路的情况下，电压参考通常不直接为IC供电。然而，对该IC的要求完全在其当前的采购能力范围内，安全系数为2-3。它将支持SCA103T-DO4（最大功耗5 mA）和LTC2380-24的IRef（最大2.1 mA），并且能够提供15 mA电流。最大值在数据表中提供，典型值略小于上面列出的数字。

的LT1027具有降噪销可连接到一个聚酯薄膜电容器。该电容将显着降低LT1027LS8在10Hz至1kHz带宽内的宽带噪声。电容器有一个保护环，其电压由电阻分压电路决定。根据相关数据表中的建议，将电容器添加到输入和输出中。

原理图的功率部分。

作为一个说明，既然我已经完成了这个委员会，我就有后见之明的好处。如果我要再次使用这个电路，我可能会选择一种不同的VREF设计，包括VREF和测斜仪/ ADC之间的缓冲器。

USB转UART转换器

此原理图中使用的CP2102N USB-to-UART转换器与我在过去的设计中使用的电路相同。（您可以找到这些文章的详细信息：  建立一个电容性触摸接口与德州仪器IC MSP430，项目故障排除的故事。）

请记住，首次从基于Windows的计算机对CP2102N进行编程时，请使用USB2.0端口。Windows无法从USB3.0端口正确枚举设备。

D2为USB板输入提供ESD保护，D3提供UART数据确实在CP2102N和MSP430之间移动的指示。必须将CP2101N GPIO0和GPIO1输出调整为Simplicity Studio中的“备用功能”，以启用D3指示灯LED。根据数据表建议，提供去耦电容和电阻分压器。

这是启动整个项目的IC。muRata的Ville Nurmiainen为这个项目慷慨地提供了SCA103T。

该村田SCA103T-D04有一个内置的11位ADC，我没有用。尽管如此，试验可能会很有趣，所以我提供了四个测试垫以备将来使用。

该IC具有两个自测引脚，可控制两个不同内部传感器的自检功能。这些自测引脚连接到SCA103T-D04中的两个独立传感通道。当激活时，IC产生静电力，使每个传感元件内的检测质量偏转。力将质量移位到其上限，并且该通道的输出接近其最大值。数据表显示两个自测引脚不应同时激活，因此我采用了TI TS5A3357  SP3T IC来主动防止它。该开关的逻辑图如下所示。

TS5A3357交换机的逻辑图。

该芯片提供三个常开输出，连接到公共线，因此计划使用MSP430的两个GPIO引脚来控制TS5A3357。反过来，TSA5A3357控制SCA103T的自检功能，以及可以编程方式用于指示通过或失败条件的状态指示灯LED，可能带有稳定或闪烁的LED。

倾斜仪具有两个加速度传感器，这两个加速度传感器排成一行，但指向相反的方向，提供差分输出。根据数据表建议，单极RC滤波器（fc = 3.1kHz）用于“最小化每个输出上的时钟噪声”。

信号缓冲器和模数转换器

信号缓冲器和低通滤波器

在来自倾角仪的信号通过低通滤波器后，它们进入AD8244信号缓冲器。该单位增益四运放将SCA103T输出与LTC2380输入隔离。

逐次逼近寄存器可以干扰它们试图量化的信号。添加此设备允许倾斜仪向缓冲器的高阻抗侧提供模拟信号。无论电流需求如何，低阻抗输出缓冲器都能够为SAR ADC提供相同的信号电压。

根据数据表建议，缓冲器和ADC之间包含一个额外的滤波器。

MSP430FR2633

MSP430部分设计原理图

我在过去的几个项目中使用了MSP430FR2633 IC，并计划在未来项目中继续包含产品系列中的内容，同时我在Code Composer Studio中了解更多有关编程的知识。

有几种具有电容功能的触针可用以及多种GPIO。由于ADC没有SPI MOSI引脚，ADC的SPI输出馈入MSP430，MCU的SPI输出馈送板外连接器。未来的功能可能包括某种显示。

在编程期间使用S1来选择MCU（编程器或电路板）的电压参考。德州仪器（TI）在MSP430数据表中建议使用S2开关去耦电阻值。

固件编程

该设备的固件将在以后的文章中介绍，但原理图设计确定哪些引脚连接到哪个网络，现在是将设计选项合并到固件中的任何时间。MSP430使用存储器寄存器来控制引脚。因此，每个引脚对应于寄存器中的一个位，稍后我将与之交互。

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