在上一篇文章中，我詳細介紹了如何為測斜儀子系統創建myschematic設計。在本文中，我們將討論流程中的下一步：電路板布局。

將原理圖轉換為PCB布局步驟概述

我們在本文中列出的最終版

沒有兩個設計師會創建相同的布局，很少有設計師會以相同的方式布置相同的原理圖兩次。

每個都有多個競爭考慮因素PCB設計，有時候小錯誤只能保留，因為修復移動部件，通孔或走線后發生的級聯變化需要很長時間。引用詩人保羅·瓦列里的話說，“除非出現疲勞，滿足感，需要交付或死亡等事故，否則工作永遠不會完成。”

考慮到這一點，讓我們來看看看看我們如何從這些原理圖中走出來：

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對于PCB設計來說這個：

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隔離電壓基準IC

讓我們開始吧帶電壓基準IC，LT1027LS8。正如我們在前一篇文章中所討論的那樣，該IC要求使用三個或最好四個槽來將PCB的部分與電路板的其余部分熱隔離和機械隔離。

電壓參考的熱隔離是重要的是減輕塞貝克效應或熱電偶效應。任何時候兩種不同的金屬（或半導體）的接觸點都被加熱，在結點之間就會產生電位差。電壓可能很小，但對于敏感設備（例如電壓參考），它可能足以干擾電路。

那么我們如何在設計中解決這個問題？

解決方案是在電路板的敏感區域周圍產生較少的熱量，在這種情況下，切入PCB的插槽限制了數量可以從電路板的其他部分遷移的熱能。此外，直接在器件下方移除電源和接地層將有助于防止熱量從連接到PCB其余部分的電路板的狹窄區域流入器件。

LT1027LS8數據表（上面鏈接）也可選擇推薦聚酯電容器以降低噪音。我選擇將電容器延伸到切入電路板的其中一個插槽中，以保護受保護的切口區域盡可能小。電學上這種方法很好;機械地，這可能會產生一個應力點，但我沒有進行有限元分析（FEA）來確定多少。

數據表推薦的另一個解決方案是保護環，用于保持輸出精度。

什么是護環？

焊接掩模，也稱為阻焊劑，在電路板制造過程結束時放在印刷電路板上。它有助于防止銅的氧化，并阻止在電路板組裝期間緊密間隔的焊盤之間的焊橋。阻焊劑是非常好的絕緣體;但是，如果銅的相鄰位之間存在電位差，則仍然允許一些少量電流流動（在皮安范圍內）。在某些情況下，如果需要極高的精度，則需要將這些泄漏電流最小化。

普遍接受的解決方案是包括一個保護環。保護環保持與您要保護的銅部件大致相同的電位。

您可以在下圖中看到我用于此設計的保護環。

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PCB的保護環部分

在我們的案例中，參考電壓的NR（降噪）引腳保持在4.4V，因此電阻分壓器（R11，R12）用于產生相同的電壓。電阻分壓器連接到NR節點周圍的走線。

由于保護環與NR節點處于相同的電位，因此沒有電流流入或流出NR引腳。去除保護環周圍的阻焊劑進一步防止電流從保護環泄漏到周圍的銅中。為防止銅氧化，應用少量焊料覆蓋走線。

R10（上圖中未顯示）是一個小型10kΩ微調電位器，用于對輸出進行微小改動電壓。 C18和C19是去耦電容。

保護信號路徑

我布置了測斜儀的兩個模擬輸出信號，使它們具有相同的跡線長度，使用圓角，并用通孔縫合包圍痕跡。這些功能不是必需的，但它們很容易合并，如果它們在信號質量方面提供了很小的改進，那將是值得的。

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查看信號痕跡

信號走線遇到R8和R9，5.11kΩ0.1％電阻，構成第一個低通濾波器的一部分。這些電阻器的封裝尺寸剛好足以允許保護走線在焊盤之間通過。保護走線連接到緩沖器的輸出，減少了（已經很低）通過阻焊膜的漏電流。這對于這塊電路板來說是完全矯枉過正的，但保護環是免費的，我試圖盡我所能來最大化測斜儀測量的精度。

只使用兩個緩沖通道，所以另外兩個根據數據表推薦的輸出通道浮動，輸入通道連接到2.5V。將輸出連接到2.5V是路由便利性的問題，盡管輸入電壓接近0到5 V電源范圍的中間電壓肯定不會傷害任何東西。

從那里，傳感器信號遇到由R3，R4，C6，C7和C8組成的第二低通濾波器; AD8244的數據表推薦使用此濾波器。

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第二個低通濾波器（R3，R4，C6，C7和C8）顯示在圖像的頂部。

通過后在濾波器中，信號最終到達逐次逼近寄存器ADC，后者將信號數字化并將結果數據通過SPI傳遞給MSP430。在較大的PCB中，MSP430可能放置在ADC旁邊，然后是CP2102N。但是，MSP430和CP2102N可以產生熱量，在這種設計中，它們被放置在電路板的相對邊緣。

電路板層注意事項

正如我在完整的項目文章中所提到的，該電路板有四層：兩個用于組件和信號的外層，一層用于接地，一層用于混合功率。

頂層

該板的頂層還有許多模擬和數字信號線，以及作為一個大的銅澆注連接到多層接地網與各種過孔。

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第二層

PCB的第二層有9-12VDC輸入網（紅色），地網（深綠色），2.5VDC網（光）綠色）和3.3V凈（橙色）。該層演示了幾個影響設計質量的決策。

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從9-12VDC輸入網（紅色）開始，您將看到排除使網絡無法填充四個機械切口之間的區域。這樣做是為了滿足電壓參考的數據表建議。去除銅會降低耦合到電壓參考電路的噪聲量，并且還會阻止其他組件產生的熱量傳遞。

地網多邊形（深綠色）添加到電路板的這一層，以防止3.3V網絡的噪聲耦合到信號線。這可以確保頂層的信號具有盡可能低的噪聲。

最后，3.3V網絡（橙色）。您會注意到左側有一個大的陰影填充物。這樣可以降低3.3V銅澆注和MSP430電容式觸摸線之間的電容耦合。對于USB走線，電路板右側還有一個小的陰影填充。

第三層

PCB的第三層是一個大的地面澆筑。 MSP430電容式觸摸線和USB數據線再次出現陰影填充，但除此之外該層也相當不起眼。

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第四層

該層包含MSP430，CP2102N和LDO。這些是最有可能產生熱量的電路部分。將它們放置在電路板的底部，以便在需要時，它們可以通過導熱膏連接到鋁載體上的突起以便散熱。我將載體設計為牢固安裝測斜板的方法。

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最后，我不認為這種PCB設計是最佳的。但是，它是一個功能設計，并結合了有趣的布局技術，您可能會發現這些技術對于未來的項目非常有用。

如何為自定義PCB創建原理圖？本文將討論使用測斜儀子系統示例設計電路板原理圖的步驟。

我最近為測斜儀子系統設計了一個定制PCB。在本文中，我們將討論如何設計功能原理圖，這是任何成功項目的第一步。

在大多數設計中，部件是根據可用性，成本，可靠性等要求選擇的。然而，重要的是要注意，AAC項目的設計本質上是教育性和公正性的，因此您的部件選擇和設計可能因您的而異。需求和偏好。

讓我們逐節介紹這個大型的原理圖，從電源開始。

功率

該項目由連接到壁式電源的直流電源插座提供9-12V直流電源。如果墻壁電源太嘈雜，我可以用實驗室級電源或電池組替換它。設計選用了一個低調的3.5mm DC桶形插孔，因為它是電路板上其他高元件的大致高度。

有三個Texas Instrument TPS709xx LDO可提供2.5V，3.3V和5.0V數字 電壓軌，而LT1027LS8則是用于提供5V模擬電源軌的電壓參考芯片。

在沒有支持電路的情況下，電壓參考通常不直接為IC供電。然而，對該IC的要求完全在其當前的采購能力范圍內，安全系數為2-3。它將支持SCA103T-DO4（最大功耗5 mA）和LTC2380-24的IRef（最大2.1 mA），并且能夠提供15 mA電流。最大值在數據表中提供，典型值略小于上面列出的數字。

的LT1027具有降噪銷可連接到一個聚酯薄膜電容器。該電容將顯著降低LT1027LS8在10Hz至1kHz帶寬內的寬帶噪聲。電容器有一個保護環，其電壓由電阻分壓電路決定。根據相關數據表中的建議，將電容器添加到輸入和輸出中。

原理圖的功率部分。

作為一個說明，既然我已經完成了這個委員會，我就有后見之明的好處。如果我要再次使用這個電路，我可能會選擇一種不同的VREF設計，包括VREF和測斜儀/ ADC之間的緩沖器。

USB轉UART轉換器

此原理圖中使用的CP2102N USB-to-UART轉換器與我在過去的設計中使用的電路相同。（您可以找到這些文章的詳細信息：  建立一個電容性觸摸接口與德州儀器IC MSP430，項目故障排除的故事。）

請記住，首次從基于Windows的計算機對CP2102N進行編程時，請使用USB2.0端口。Windows無法從USB3.0端口正確枚舉設備。

D2為USB板輸入提供ESD保護，D3提供UART數據確實在CP2102N和MSP430之間移動的指示。必須將CP2101N GPIO0和GPIO1輸出調整為Simplicity Studio中的“備用功能”，以啟用D3指示燈LED。根據數據表建議，提供去耦電容和電阻分壓器。

這是啟動整個項目的IC。muRata的Ville Nurmiainen為這個項目慷慨地提供了SCA103T。

該村田SCA103T-D04有一個內置的11位ADC，我沒有用。盡管如此，試驗可能會很有趣，所以我提供了四個測試墊以備將來使用。

該IC具有兩個自測引腳，可控制兩個不同內部傳感器的自檢功能。這些自測引腳連接到SCA103T-D04中的兩個獨立傳感通道。當激活時，IC產生靜電力，使每個傳感元件內的檢測質量偏轉。力將質量移位到其上限，并且該通道的輸出接近其最大值。數據表顯示兩個自測引腳不應同時激活，因此我采用了TI TS5A3357  SP3T IC來主動防止它。該開關的邏輯圖如下所示。

TS5A3357交換機的邏輯圖。

該芯片提供三個常開輸出，連接到公共線，因此計劃使用MSP430的兩個GPIO引腳來控制TS5A3357。反過來，TSA5A3357控制SCA103T的自檢功能，以及可以編程方式用于指示通過或失敗條件的狀態指示燈LED，可能帶有穩定或閃爍的LED。

傾斜儀具有兩個加速度傳感器，這兩個加速度傳感器排成一行，但指向相反的方向，提供差分輸出。根據數據表建議，單極RC濾波器（fc = 3.1kHz）用于“最小化每個輸出上的時鐘噪聲”。

信號緩沖器和模數轉換器

信號緩沖器和低通濾波器

在來自傾角儀的信號通過低通濾波器后，它們進入AD8244信號緩沖器。該單位增益四運放將SCA103T輸出與LTC2380輸入隔離。

逐次逼近寄存器可以干擾它們試圖量化的信號。添加此設備允許傾斜儀向緩沖器的高阻抗側提供模擬信號。無論電流需求如何，低阻抗輸出緩沖器都能夠為SAR ADC提供相同的信號電壓。

根據數據表建議，緩沖器和ADC之間包含一個額外的濾波器。

MSP430FR2633

MSP430部分設計原理圖

我在過去的幾個項目中使用了MSP430FR2633 IC，并計劃在未來項目中繼續包含產品系列中的內容，同時我在Code Composer Studio中了解更多有關編程的知識。

有幾種具有電容功能的觸針可用以及多種GPIO。由于ADC沒有SPI MOSI引腳，ADC的SPI輸出饋入MSP430，MCU的SPI輸出饋送板外連接器。未來的功能可能包括某種顯示。

在編程期間使用S1來選擇MCU（編程器或電路板）的電壓參考。德州儀器（TI）在MSP430數據表中建議使用S2開關去耦電阻值。

固件編程

該設備的固件將在以后的文章中介紹，但原理圖設計確定哪些引腳連接到哪個網絡，現在是將設計選項合并到固件中的任何時間。MSP430使用存儲器寄存器來控制引腳。因此，每個引腳對應于寄存器中的一個位，稍后我將與之交互。

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