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數字地與模擬地

 

1.區別

 

2.隔離

1.數位電路的頻率高,類比電路的敏感度強,對訊號線來說,高頻的訊號線儘可能遠離敏
感的類比電路器件,對地線來說,整個PCB對外界只有一個結點,所以必須在PCB內部進行處
理數、模共地的問題,而在板內部數字地和模擬地實際上是分開的它們之間互不相連,只是
在PCB與外界連線的介面處(如插頭等)。數字地與模擬地有一點短接,請注意,只有一個
連線點。也有在PCB上不共地的,這由系統設計來決定。但是,製做PCB板時一般都做鋪銅走
線,而走線都與GND相聯,請問,鋪銅之後,模擬地和數字地還能區分出來嗎,還能像上面
說的那樣,只有一個聯接點嗎?
兩個地起不同的名字,分別輔銅,最後可以用一個10uH電感或0歐姆電阻連起來。
模擬部分的器件儘量集中,放置在與其它板子介面的附近,減小訊號衰減。
數字部分線路長一些沒關係。先對模擬地敷銅,然後對整個板敷數字地。模擬
地和數字地之間會自動分隔,用一個1uH的電感或0歐的電阻作為共地點。
2 在電子系統設計中,為了少走彎路和節省時間,應充分考慮並滿足抗干擾性的要求,避免在設計完成後再去進行抗干擾的補救措施。形成干擾的基本要素有三個: (1)干擾源,指產生干擾的元件、裝置或訊號,用數學語言描述如下:du/dt, di/dt大的地方就是干擾源。如:雷電、繼電器、可控矽、電機、高頻時鐘等都可 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導線的傳導和空間的輻射。 (3)敏感器件,指容易被幹擾的物件。如:A/D、D/A變換器,微控制器,數字IC,弱訊號放大器等。 抗干擾設計的基本原則是: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。(類似於傳染病的預防)
1 抑制干擾源 抑制干擾源就是儘可能的減小干擾源的du/dt,di/dt。這是抗干擾設計中最優先考慮和最重要的原則,常常會起到事半功倍的效果。減小干擾源的du/dt主要是通過在干擾源兩端並聯電容來實現。減小干擾源的 di/dt則是在干擾源迴路串聯電感或電阻以及增加續流二極體來實現。 抑制干擾源的常用措施如下: (1)繼電器線圈增加續流二極體,消除斷開線圈時產生的反電動勢干擾。僅加續流二極體會使繼電器的斷開時間滯後,增加穩壓二極體後繼電器在單位時間內可動作更多的次數。 (2)在繼電器接點兩端並接火花抑制電路(一般是RC串聯電路,電阻一般選幾K 到幾十K,電容選0.01uF),減小電火花影響。 (3)給電機加濾波電路,注意電容、電感引線要儘量短。 (
4)電路板上每個IC要並接一個0.01μF~0.1μF高頻電容,以減小IC對電源的影響。注意高頻電容的佈線,連線應靠近電源端並儘量粗短,否則,等於增大了電容的等效串聯電阻,會影響濾波效果。 (5)佈線時避免90度折線,減少高頻噪聲發射。 (6)可控矽兩端並接RC抑制電路,減小可控矽產生的噪聲(這個噪聲嚴重時可能會把可控矽擊穿的)。 按干擾的傳播路徑可分為傳導干擾和輻射干擾兩類。 所謂傳導干擾是指通過導線傳播到敏感器件的干擾。高頻干擾噪聲和有用訊號的頻帶不同,可以通過在導線上增加濾波器的方法切斷高頻干擾噪聲的傳播,有時也可加隔離光耦來解決。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)充分考慮電源對微控制器的影響。電源做得好,整個電路的抗干擾就解決了一大半。許多微控制器對電源噪聲很敏感, 要給微控制器電源加濾波電路或穩壓器,以減小電源噪聲對微控制器的干擾。比如,可以利用磁珠和電容組成π形濾波電路,當然條件要求不高時也可用100Ω電阻代替磁珠。 (2)如果微控制器的I/O口用來控制電機等噪聲器件,在I/O口與噪聲源之間應加隔離(增加π形濾波電路)。控制電機等噪聲器件,在I/O口與噪聲源之間應加隔離(增加π形濾波電路)。 (3)注意晶振佈線。晶振與微控制器引腳儘量靠近,用地線把時鐘區隔離起來,晶振外殼接地並固定。此措施可解決許多疑難問題。 (4)電路板合理分割槽,如強、弱訊號,數字、模擬訊號。儘可能把干擾源(如電機,繼電器)與敏感元件(如微控制器)遠離。 (5)用地線把數字區與模擬區隔離,數字地與模擬地要分離,最後在一點接於電源地。A/D、D/A晶片佈線也以此為原則,廠家分配A/D、D/A晶片引腳排列時已考慮此要求。 (6)微控制器和大功率器件的地線要單獨接地,以減小相互干擾。大功率器件儘可能放在電路板邊緣。 (7)在微控制器I/O口,電源線,電路板連線線等關鍵地方使用抗干擾元件如磁珠、磁環、電源濾波器,遮蔽罩,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儘量減少對干擾噪聲的拾取,以及從不正常狀態儘快恢復的方法。 提高敏感器件抗干擾性能的常用措施如下: (1)佈線時儘量減少迴路環的面積,以降低感應噪聲。 (2)佈線時,電源線和地線要儘量粗。除減小壓降外,更重要的是降低耦 合噪聲。 (3)對於微控制器閒置的I/O口,不要懸空,要接地或接電源。其它IC的閒置端在不改變系統邏輯的情況下接地或接電源。 (4)對微控制器使用電源監控及看門狗電路,如:IMP809,IMP706,IMP813,X25043,X25045等,可大幅度提高整個電路的抗干擾性能。 (5)在速度能滿足要求的前提下,儘量降低微控制器的晶振和選用低速數字 電路。 (6)IC器件儘量直接焊在電路板上,少用IC座。 為了達到很好的抗干擾,於是我們常看到PCB板上有地分割的佈線方式。但是也不是所有的數位電路和類比電路混合都一定要進行地平面分割。因為這樣分割是為了降低噪聲的干擾。 理論:在數位電路中一般的頻率會比類比電路中的頻率要高,而且它們本身的訊號會跟地平面形成一個迴流(因為在訊號傳輸中,銅線與銅線之間存在著各種各樣的電感和分佈電容),如果我們把地線混合在一起,那麼這個迴流就會在數字和類比電路中相互串擾。而我們分開就是讓它們只在自己本身內部形成一個迴流。它們之間只用一個零歐電阻或是磁珠連線起來就是因為原來它們就是同一個物理意義的地,現在佈線把它們分開了,最後還應該把它們連線起來。 如何分析它們是屬於數字部分呢還是模擬部分?這個問題常常是我們在具體畫PCB時得考濾的。我個人的看法是要判斷一個元件是屬於模擬的,還是數字的關鍵是看與它相關的主要晶片是數字的還是模擬的。比如:電源它可能給類比電路供電,那它就是模擬部分的,如果它是給微控制器或是資料類晶片供電,那它就是數字的。當它們是同一個電源時就需要用一個橋的方法把一個電源從另一個部分引過來。最典形的就是D/A了,它應該是一個一半是數字,一半是模擬的晶片。我認為如果能把數字輸入處理好後,剩下的就可以畫到模擬部分去了。
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3. 區別及處理

      類比電路涉及弱小訊號,但是數位電路門限電平較高,對電源的要求就比類比電路低些。既有數位電路又有類比電路的系統中,數位電路產生的噪聲會影響類比電路,使類比電路的小訊號指標變差,克服的辦法是分開模擬地和數字地。
      對於低頻類比電路,除了加粗和縮短地線之外,電路各部分採用一點接地是抑制地線干擾的最佳選擇,主要可以防止由於地線公共阻抗而導致的部件之間的互相干擾。
     而對於高頻電路和數位電路,由於這時地線的電感效應影響會更大,一點接地會導致實際地線加長而帶來不利影響,這時應採取分開接地和一點接地相結合的方式。
      另外對於高頻電路還要考慮如何抑制高頻輻射噪聲,方法是:儘量加粗地線,以降低噪聲對地阻抗;滿接地,即除傳輸訊號的印製線以外,其他部分全作為地線。不要有無用的大面積銅箔。
      地線應構成環路,以防止產生高頻輻射噪聲,但環路所包圍面積不可過大,以免儀器處於強磁場中時,產生感應電流。但如果只是低頻電路,則應避免地線環路。數字電源和模擬電源最好隔離,地線分開佈置,如果有A/D,則只在此處單點共地。      
      低頻中沒有多大影響,但建議模擬和數字一點接地。高頻時,可通過磁珠把模擬和數字地一點共地。

      如果把模擬地和數字地大面積直接相連,會導致互相干擾。不短接又不妥,理由如上有四種方法解決此問題∶1、用磁珠連線;2、用電容連線;3、用電感連線;4、用0歐姆電阻連線。

      磁珠的等效電路相當於帶阻限波器,只對某個頻點的噪聲有顯著抑制作用,使用時需要預先估計噪點頻率,以便選用適當型號。對於頻率不確定或無法預知的情況,磁珠不合。
  電容隔直通交,造成浮地。
  電感體積大,雜散引數多,不穩定。
  0歐電阻相當於很窄的電流通路,能夠有效地限制環路電流,使噪聲得到抑制。電阻在所有頻帶上都有衰減作用(0歐電阻也有阻抗),這點比磁珠強
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1)模擬地和數字地間串接電感一般取值多大?

一般用幾uH到數十uH。
(2)用0歐電阻是最佳選擇        (1)可保證直流電位相等、(2)單點接地(限制噪聲)、(3)對所有頻率的噪聲都有衰減作用(0歐也有阻抗,而且電流路徑狹窄,可以限制噪聲電流通過)。
        磁珠相當於帶阻陷波器,只對某個頻點的噪聲有抑制作用,如果不能預知噪點,如何選擇型號,況且,噪點頻率也不一定固定,故磁珠不是一個好的選擇。電容不通直流,會導致壓差和靜電積累,摸機殼會麻手。如果把電容和磁珠並聯,就是畫蛇添足,因為磁珠通直,電容將失效。串聯的話就顯得不倫不類。
        電感特性不穩定,離散分佈引數不好控制,體積大。電感也是陷波,LC諧振(分佈電容),對噪點有特效。
        總之,關鍵是模擬地和數字地要一點接地。
        建議,不同種類地之間用0歐電阻相連;電源引入高頻器件時用磁珠;高頻訊號線耦合用小電容;電感用在大功率低頻上。
(2)磁珠
採用在高頻段具有良好阻抗特性的鐵氧體材料燒結面成,專用於抑制訊號線、電源線上的高頻噪聲和尖峰干擾,還具有吸收靜電脈衝的能力。

主要引數:

標稱值:因為磁珠的單位是按照它在某一頻率產生的阻抗來標稱的,阻抗的單位也是歐姆 .一般以100MHz為標準,比如2012B601,就是指在100MHz的時候磁珠的阻抗為600歐姆。

額定電流:額定電流是指能保證電路正常工作允許通過電流.

(3)電感與磁珠的區別:

有一匝以上的線圈習慣稱為電感線圈,少於一匝(導線直通磁環)的線圈習慣稱之為磁珠;

電感是儲能元件,而磁珠是能量轉換(消耗)器件;

電感多用於電源濾波迴路,磁珠多用於訊號迴路,用於EMC對策;

磁珠主要用於抑制電磁輻射干擾,而電感用於這方面則側重於抑制傳導性干擾.兩者都可用於處理EMC、EMI問題;

電感一般用於電路的匹配和訊號質量的控制上.在模擬地和數字地結合的地方用磁珠.

磁珠有很高的電阻率和磁導率,他等效於電阻和電感串聯,但電阻值和電感值都隨頻率變化。 他比普通的電感有更好的高頻濾波特性,在高頻時呈現阻性,所以能在相當寬的頻率範圍內保持較高的阻抗,從而提高調頻濾波效果。 
作為電源濾波,可以使用電感。磁珠的電路符號就是電感但是型號上可以看出使用的是磁珠在電路功能上,磁珠和電感是原理相同的,只是頻率特性不同罷了 
磁珠由氧磁體組成,電感由磁心和線圈組成,磁珠把交流訊號轉化為熱能,電感把交流儲存起來,緩慢的釋放出去。 
磁珠對高頻訊號才有較大阻礙作用,一般規格有100歐/100mMHZ ,它在低頻時電阻比電感小得多。 
鐵氧體磁珠 (Ferrite Bead) 是目前應用發展很快的一種抗干擾元件,廉價、易用,濾除高頻噪聲效果顯著。 
在電路中只要導線穿過它即可(我用的都是象普通電阻模樣的,導線已穿過並膠合,也有表面貼裝的形式,但很少見到賣的)。當導線中電流穿過時,鐵氧體對低頻電流幾乎沒有什麼阻抗,而對較高頻率的電流會產生較大衰減作用。高頻電流在其中以熱量形式散發,其等效電路為一個電感和一個電阻串聯,兩個元件的值都與磁珠的長度成比例。磁珠種類很多,製造商應提供技術指標說明,特別是磁珠的阻抗與頻率關係的曲線。 
有的磁珠上有多個孔洞,用導線穿過可增加元件阻抗(穿過磁珠次數的平方),不過在高頻時所增加的抑制噪聲能力不可能如預期的多,而用多串聯幾個磁珠的辦法會好些。 
鐵氧體是磁性材料,會因通過電流過大而產生磁飽和,導磁率急劇下降。大電流濾波應採用結構上專門設計的磁珠,還要注意其散熱措施。 
鐵氧體磁珠不僅可用於電源電路中濾除高頻噪聲(可用於直流和交流輸出),還可廣泛應用於其它電路,其體積可以做得很小。特別是在數位電路中,由於脈衝訊號含有頻率很高的高次諧波,也是電路高頻輻射的主要根源,所以可在這種場合發揮磁珠的作用。 
鐵氧體磁珠還廣泛應用於訊號電纜的噪聲濾除。 
以常用於電源濾波的HH-1H3216-500為例,其型號各欄位含義依次為: 
HH 是其一個系列,主要用於電源濾波,用於訊號線是HB系列; 
1 表示一個元件封裝了一個磁珠,若為4則是並排封裝四個的; 
H 表示組成物質,H、C、M為中頻應用(50-200MHz), 
T低頻應用(50MHz),S高頻應用(200MHz); 
3216 封裝尺寸,長3.2mm,寬1.6mm,即1206封裝; 
500 阻抗(一般為100MHz時),50 ohm。 
其產品引數主要有三項: 
阻抗[Z]@100MHz (ohm) : Typical 50, Minimum 37; 
直流電阻DC Resistance (m ohm): Maximum 20; 
額定電流Rated Current (mA): 2500.
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