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数字地和模拟地处理的基本原则

电磁兼容EMC 来源:电源Fan 2024-04-27 06:18 次阅读

interwetten与威廉的赔率体系 地和数字地都是“地”,那为什么还要分开呢?且听一个故事。

公司所在的商务楼共有3楼,2楼是搞模拟的,3楼是做数字的,整幢楼只有一部电梯,平时人少的时候还好办,上2楼,上3楼互不影像,但每天早上上下班的时候就不得了了,人多得很,搞数字的要上3楼,总是被2楼的模拟影响,2楼模拟的人要下楼,总是要等电梯上了3楼,再下来,互相影响很是麻烦,商务楼的物业为解决这个问题,提出了2个方案。

第1个:电梯扩大,可以装更多的人。电梯大了是好,但公司会招人,人又多了,再换电梯,再招人...永远死循环,有一个办法到挺好,大家索性不要电梯,直接往下跳,不管2楼的、3楼的,肯定解决问题,但肯定会出问题(第1个被毙掉了)。

第2个装2部电梯,一部专门上2楼,另一部专门上3楼。WondeRFul!太机智了,这样2层楼面的工作人员就互不影响了。

明白了否?

数字地、模拟地互相会影响不是因为一个叫数字,一个叫模拟,而是他们用了同一部电梯--地,而这部电梯所用的井道就是我们在PCB上布的地线。

模拟回路的电流走这条线,数字回路的电流也走这条线,本来无可厚非,线布着就是用来导通电流的,可问题处在这根线上有电阻!而且最根本的问题是走这条线的电流要去2个不同的回路。

假设一下,有2股电流,数流,模流同时从地出发。有2个器件,数件,模件。若2个回路不分开,数流,模流回走到数件的接地端前的时候,损耗的电压为V。

V=(数流+模流)X走线电阻相当于数字器件的接地端相对于地端升高了V。数字器件不满意了,我承认会升高少许电压,数流的那部分我认了,但模流的为什么要加在我头上?同理,模拟器件也会同样抱怨。

提供两个解决方案

第1个:你布的PCB线没有阻抗,自然不会引起干扰,就像2、3楼直接往下跳,那是井道最宽的时候,也就是可以装一个无限大的电梯,自然谁都不影响谁,但谁都知道,this is mission impossible。

第2个:2条回路分开走,数流,模流分开,既数地、模地分开。

同理,有时虽在模拟回路中,但也要分大、小电流回路,就是避免相互干扰。所谓的干扰就是:2个不同回路中的电流在PCB走线上引起的电压,这2部分电压互相叠加而产生的。

分为数字地和模拟地的原因由于数字信号一般为矩形波,带有大量的谐波。如果电路板中的数字地与模拟地没有从接入点分开,数字信号中的谐波很容易会干扰到模拟信号的波形。当模拟信号为高频或强电信号时,也会影响到数字电路的正常工作。模拟电路涉及弱小信号,但是数字电路门限电平较高,对电源的要求就比模拟电路低些。既有数字电路又有模拟电路的系统中,数字电路产生的噪声会影响模拟电路,使模拟电路的小信号指标变差,克服的办法是分开模拟地和数字地。存在问题的根本原因是,无法保证电路板上铜箔的电阻为零,在接入点将数字地和模拟地分开,就是为了将数字地和模拟地的共地电阻降到最小。

数字地和模拟地处理的基本原则如下

如果把模拟地和数字地大面积直接相连,会导致互相干扰。不短接又不妥。对于低频模拟电路,除了加粗和缩短地线之外,电路各部分采用一点接地是抑制地线干扰的最佳选择,主要可以防止由于地线公共阻抗而导致的部件之间的互相干扰。而对于高频电路和数字电路,由于这时地线的电感效应影响会更大,一点接地会导致实际地线加长而带来不利影响,这时应采取分开接地和一点接地相结合的方式。另外对于高频电路还要考虑如何抑制高频辐射噪声,方法是:尽量加粗地线,以降低噪声对地阻抗;满接地,即除传输信号的印制线以外,其他部分全作为地线。不要有无用的大面积铜箔。地线应构成环路,以防止产生高频辐射噪声,但环路所包围面积不可过大,以免仪器处于强磁场中时,产生感应电流。但如果只是低频电路,则应避免地线环路。数字电源和模拟电源最好隔离,地线分开布置,如果有A/D,则只在此处单点共地。低频中没有多大影响,但建议模拟和数字一点接地。高频时,可通过磁珠把模拟和数字地一点共地。

四种解决方法

模拟地和数字地间的串接可以采用四种方式:

1、用磁珠连接;

2、用电容连接(利用电容隔直通交的原理);

3、用电感连接(一般用几uH到数十uH);

4、用0欧姆电阻连接。

下面重点介绍一下磁珠和0欧姆电阻:

一般情况下,用0欧电阻是最佳选择,

1、可保证直流电位相等;

2、单点接地,限制噪声;

3、对所有频率的噪声都有衰减作用(0欧也有阻抗,而且电流路径狭窄,可以限制噪声电流通过);

4、电容(利用电容隔直通交的原理)。磁珠采用在高频段具有良好阻抗特性的铁氧体材料烧结面成,专用于抑制信号线、电源线上的高频噪声和尖峰干扰,还具有吸收静电脉冲的能力。磁珠有很高的电阻率和磁导率,等效于电阻和电感串联,但电阻值和电感值都随频率变化。它比普通的电感有更好的高频滤波特性,在高频时呈现阻性,所以能在相当宽的频率范围内保持较高的阻抗,从而提高调频滤波效果。磁珠对高频信号才有较大阻碍作用,一般规格有100欧/100mMHZ,它在低频时电阻比电感小得多。铁氧体磁珠(Ferrite Bead)是目前应用发展很快的一种抗干扰组件,廉价、易用,滤除高频噪声效果显着。

铁氧体磁珠不仅可用于电源电路中滤除高频噪声(可用于直流和交流输出),还可广泛应用于其它电路,其体积可以做得很小。特别是在数字电路中,由于脉冲信号含有频率很高的高次谐波,也是电路高频辐射的主要根源,所以可在这种场合发挥磁珠的作用。在电路中只要导线穿过它即可。当导线中电流穿过时,铁氧体对低频电流几乎没有什么阻抗,而对较高频率的电流会产生较大衰减作用。

除了数字地和模拟地,在控制系统中,还有好几种地线:

①数字地:也叫逻辑地,是各种开关量(数字量)信号的零电位。

②模拟地:是各种模拟量信号的零电位。

③信号地:通常为传感器的地。

④交流地:交流供电电源的地线,这种地通常是产生噪声的地。

⑤直流地:直流供电电源的地。

⑥屏蔽地:也叫机壳地,为防止静电感应和磁场感应而设。

作为一个地主,你该怎么处理这么多的“地”?这里,有几条经验可用:

(1)控制系统宜采用一点接地。一般情况下,高频电路应就近多点接地,低频电路应一点接地。在低频电路中,布线和元件间的电感并不是什么大问题,然而接地形成的环路的干扰影响很大,因此,常以一点作为接地点;但一点接地不适用于高频,因为高频时,地线上具有电感因而增加了地线阻抗,同时各地线之间又产生电感耦合。一般来说,频率在1MHz以下,可用一点接地;高于10MHz时,采用多点接地;在1~10MHz之间可用一点接地,也可用多点接地。

(2)交流地与信号地不能共用。由于在一段电源地线的两点间会有数mV甚至几V电压,对低电平信号电路来说,这是一个非常重要的干扰,因此必须加以隔离和防止。

(3)浮地与接地的比较。全机浮空即系统各个部分与大地浮置起来,这种方法简单,但整个系统与大地绝缘电阻不能小于50MΩ。这种方法具有一定的抗干扰能力,但一旦绝缘下降就会带来干扰。还有一种方法,就是将机壳接地,其余部分浮空。这种方法抗干扰能力强,安全可靠,但实现起来比较复杂。

(4)模拟地。模拟地的接法十分重要。为了提高抗共模干扰能力,对于模拟信号可采用屏蔽浮威廉希尔官方网站 。对于具体模拟量信号的接地处理要严格按照操作手册上的要求设计。

(5)屏蔽地。在控制系统中为了减少信号中电容耦合噪声、准确检测和控制,对信号采用屏蔽措施是十分必要的。根据屏蔽目的不同,屏蔽地的接法也不一样。电场屏蔽解决分布电容问题,一般接大地;电磁场屏蔽主要避免雷达、电台等高频电磁场辐射干扰。利用低阻金属材料高导流而制成,可接大地。磁场屏蔽用以防磁铁、电机、变压器、线圈等磁感应,其屏蔽方法是用高导磁材料使磁路闭合,一般接大地为好。当信号电路是一点接地时,低频电缆的屏蔽层也应一点接地。如果电缆的屏蔽层地点有一个以上时,将产生噪声电流,形成噪声干扰源。当一个电路有一个不接地的信号源与系统中接地的放大器相连时,输入端的屏蔽应接至放大器的公共端;相反,当接地的信号源与系统中不接地的放大器相连时,放大器的输入端也应接到信号源的公共端。

对于电气系统的接地,要按接地的要求和目的分类,不能将不同类接地简单地、任意地连接在一起,而是要分成若干独立的接地子系统,每个子系统都有其共同的接地点或接地干线,最后才连接在一起,实行总接地。

审核编辑:黄飞

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原文标题:数字地和模拟地怎么分清楚?信号地、交流地怎么破?[20240420]

文章出处:【微信号:EMC_EMI,微信公众号:电磁兼容EMC】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

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