《電子技術(shù)應(yīng)用》
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數(shù)字地與模擬地的隔離探討

2012-03-30
關(guān)鍵詞: 數(shù)字地 模擬地 隔離

  1.數(shù)字電路的頻率高,,模擬電路的敏感度強(qiáng),,對(duì)信號(hào)線來(lái)說(shuō),高頻的信號(hào)線盡可能遠(yuǎn)離敏感的模擬電路器件,,對(duì)地線來(lái)說(shuō),,整個(gè)PCB對(duì)外界只有一個(gè)結(jié)點(diǎn),所以必須在PCB內(nèi)部進(jìn)行處理數(shù),、模共地的問(wèn)題,,而在板內(nèi)部數(shù)字地模擬地實(shí)際上是分開(kāi)的它們之間互不相連,只是在PCB與外界連接的接口處(如插頭等),。數(shù)字地與模擬地有一點(diǎn)短接,,請(qǐng)注意,只有一個(gè)連接點(diǎn),。也有在PCB上不共地的,,這由系統(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)決定。但是,,制做PCB板時(shí)一般都做鋪銅走線,,而走線都與GND相聯(lián),請(qǐng)問(wèn),,鋪銅之后,,模擬地和數(shù)字地還能區(qū)分出來(lái)嗎,還能像上面說(shuō)的那樣,,只有一個(gè)聯(lián)接點(diǎn)嗎?

  兩個(gè)地起不同的名字,,分別輔銅,最后可以用一個(gè)10uH電感或0歐姆電阻連起來(lái),。模擬部分的器件盡量集中,,放置在與其它板子接口的附近,減小信號(hào)衰減,。數(shù)字部分線路長(zhǎng)一些沒(méi)關(guān)系,。先對(duì)模擬地敷銅,,然后對(duì)整個(gè)板敷數(shù)字地。模擬地和數(shù)字地之間會(huì)自動(dòng)分隔,,用一個(gè)1uH的電感或0歐的電阻作為共地點(diǎn),。

  2在電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,為了少走彎路和節(jié)省時(shí)間,,應(yīng)充分考慮并滿足抗干擾性的要求,避免在設(shè)計(jì)完成后再去進(jìn)行抗干擾的補(bǔ)救措施,。形成干擾的基本要素有三個(gè):

  (1)干擾源,,指產(chǎn)生干擾的元件、設(shè)備或信號(hào),,用數(shù)學(xué)語(yǔ)言描述如下:du/dt,, di/dt大的地方就是干擾源。如:雷電,、繼電器,、可控硅、電機(jī),、高頻時(shí)鐘等都可 能成為干擾源,。

  (2)傳播路徑,指干擾從干擾源傳播到敏感器件的通路或媒介,。典型的干擾傳播路徑是通過(guò)導(dǎo)線的傳導(dǎo)和空間的輻射,。

  (3)敏感器件,指容易被干擾的對(duì)象,。如:A/D,、D/A變換器,單片機(jī),,數(shù)字IC,,弱信號(hào)放大器等。

  抗干擾設(shè)計(jì)的基本原則是:抑制干擾源,,切斷干擾傳播路徑,,提高敏感器件的 抗干擾性能。(類(lèi)似于傳染病的預(yù)防)

  1 抑制干擾源

  抑制干擾源就是盡可能的減小干擾源的du/dt,,di/dt,。這是抗干擾設(shè)計(jì)中最優(yōu)先考慮和最重要的原則,常常會(huì)起到事半功倍的效果,。減小干擾源的du/dt主要是通過(guò)在干擾源兩端并聯(lián)電容來(lái)實(shí)現(xiàn),。減小干擾源的 di/dt則是在干擾源回路串聯(lián)電感或電阻以及增加續(xù)流二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)。

  抑制干擾源的常用措施如下:

  (1)繼電器線圈增加續(xù)流二極管,,消除斷開(kāi)線圈時(shí)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)干擾,。僅加續(xù)流二極管會(huì)使繼電器的斷開(kāi)時(shí)間滯后,,增加穩(wěn)壓二極管后繼電器在單位時(shí)間內(nèi)可動(dòng)作更多的次數(shù)。

  (2)在繼電器接點(diǎn)兩端并接火花抑制電路(一般是RC串聯(lián)電路,,電阻一般選幾K 到幾十K,,電容選0.01uF),減小電火花影響,。

  (3)給電機(jī)加濾波電路,,注意電容、電感引線要盡量短,。

  (4)電路板上每個(gè)IC要并接一個(gè)0.01μF~0.1μF高頻電容,,以減小IC對(duì)電源的影響。注意高頻電容的布線,,連線應(yīng)靠近電源端并盡量粗短,,否則,等于增大了電容的等效串聯(lián)電阻,,會(huì)影響濾波效果,。

  (5)布線時(shí)避免90度折線,減少高頻噪聲發(fā)射,。

  (6)可控硅兩端并接RC抑制電路,,減小可控硅產(chǎn)生的噪聲(這個(gè)噪聲嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)把可控硅擊穿的)。

  按干擾的傳播路徑可分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩類(lèi),。

  所謂傳導(dǎo)干擾是指通過(guò)導(dǎo)線傳播到敏感器件的干擾,。高頻干擾噪聲和有用信號(hào)的頻帶不同,可以通過(guò)在導(dǎo)線上增加濾波器的方法切斷高頻干擾噪聲的傳播,,有時(shí)也可加隔離光耦來(lái)解決,。電源噪聲的危害最大,要特別注意處理,。 所謂輻射干擾是指通過(guò)空間輻射傳播到敏感器件的干擾,。一般的解決方法是增加干擾源與敏感器件的距離,用地線把它們隔離和在敏感器件上加蔽罩,。

  2 切斷干擾傳播路徑的常用措施如下:

  (1)充分考慮電源對(duì)單片機(jī)的影響,。電源做得好,整個(gè)電路的抗干擾就解決了一大半,。許多單片機(jī)對(duì)電源噪聲很敏感, 要給單片機(jī)電源加濾波電路或穩(wěn)壓器,,以減小電源噪聲對(duì)單片機(jī)的干擾。比如,,可以利用磁珠和電容組成π形濾波電路,,當(dāng)然條件要求不高時(shí)也可用100Omega;電阻代替磁珠。

  (2)如果單片機(jī)的I/O口用來(lái)控制電機(jī)等噪聲器件,,在I/O口與噪聲源之間應(yīng)加隔離(增加π形濾波電路),??刂齐姍C(jī)等噪聲器件,在I/O口與噪聲源之間應(yīng)加隔離(增加π形濾波電路),。

  (3)注意晶振布線,。晶振與單片機(jī)引腳盡量靠近,用地線把時(shí)鐘區(qū)隔離起來(lái),,晶振外殼接地并固定,。此措施可解決許多疑難問(wèn)題。

  (4)電路板合理分區(qū),,如強(qiáng),、弱信號(hào),數(shù)字,、模擬信號(hào),。盡可能把干擾源(如電機(jī),,繼電器)與敏感元件(如單片機(jī))遠(yuǎn)離,。

  (5)用地線把數(shù)字區(qū)與模擬區(qū)隔離,數(shù)字地與模擬地要分離,,最后在一點(diǎn)接于電源地,。A/D、D/A芯片布線也以此為原則,,廠家分配A/D,、D/A芯片引腳排列時(shí)已考慮此要求。

  (6)單片機(jī)和大功率器件的地線要單獨(dú)接地,,以減小相互干擾,。大功率器件盡可能放在電路板邊緣。

  (7)在單片機(jī)I/O口,,電源線,,電路板連接線等關(guān)鍵地方使用抗干擾元件如磁珠、磁環(huán),、電源濾波器,,屏蔽罩,可顯著提高電路的抗干擾性能,。

  3 提高敏感器件的抗干擾性能

  提高敏感器件的抗干擾性能是指從敏感器件這邊考慮盡量減少對(duì)干擾噪聲的拾取,,以及從不正常狀態(tài)盡快恢復(fù)的方法。

  提高敏感器件抗干擾性能的常用措施如下:

  (1)布線時(shí)盡量減少回路環(huán)的面積,,以降低感應(yīng)噪聲,。

  (2)布線時(shí),電源線和地線要盡量粗,。除減小壓降外,,更重要的是降低耦 合噪聲,。

  (3)對(duì)于單片機(jī)閑置的I/O口,不要懸空,,要接地或接電源,。其它IC的閑置端在不改變系統(tǒng)邏輯的情況下接地或接電源。

  (4)對(duì)單片機(jī)使用電源監(jiān)控及看門(mén)狗電路,,如:IMP809,,IMP706,IMP813,,X25043,,X25045等,可大幅度提高整個(gè)電路的抗干擾性能,。

  (5)在速度能滿足要求的前提下,,盡量降低單片機(jī)的晶振和選用低速數(shù)字 電路。

  (6)IC器件盡量直接焊在電路板上,,少用IC座,。

  為了達(dá)到很好的抗干擾,于是我們??吹絇CB板上有地分割的布線方式,。但是也不是所有的數(shù)字電路和模擬電路混合都一定要進(jìn)行地平面分割。因?yàn)檫@樣分割是為了降低噪聲的干擾,。

  理論:在數(shù)字電路中一般的頻率會(huì)比模擬電路中的頻率要高,,而且它們本身的信號(hào)會(huì)跟地平面形成一個(gè)回流(因?yàn)樵谛盘?hào)傳輸中,銅線與銅線之間存在著各種各樣的電感和分布電容),,如果我們把地線混合在一起,,那么這個(gè)回流就會(huì)在數(shù)字和模擬電路中相互串?dāng)_。而我們分開(kāi)就是讓它們只在自己本身內(nèi)部形成一個(gè)回流,。它們之間只用一個(gè)零歐電阻或是磁珠連接起來(lái)就是因?yàn)樵瓉?lái)它們就是同一個(gè)物理意義的地,,現(xiàn)在布線把它們分開(kāi)了,最后還應(yīng)該把它們連接起來(lái),。

  如何分析它們是屬于數(shù)字部分呢還是模擬部分?這個(gè)問(wèn)題常常是我們?cè)诰唧w畫(huà)PCB時(shí)得考濾的,。我個(gè)人的看法是要判斷一個(gè)元件是屬于模擬的,還是數(shù)字的關(guān)鍵是看與它相關(guān)的主要芯片是數(shù)字的還是模擬的,。比如:電源它可能給模擬電路供電,,那它就是模擬部分的,如果它是給單片機(jī)或是數(shù)據(jù)類(lèi)芯片供電,,那它就是數(shù)字的,。當(dāng)它們是同一個(gè)電源時(shí)就需要用一個(gè)橋的方法把一個(gè)電源從另一個(gè)部分引過(guò)來(lái)。最典形的就是D/A了,,它應(yīng)該是一個(gè)一半是數(shù)字,,一半是模擬的芯片,。我認(rèn)為如果能把數(shù)字輸入處理好后,剩下的就可以畫(huà)到模擬部分去了,。

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