数字地与模拟地

 

1.区别

2.隔4离

1.数字电路的频率高，模拟电路的敏感度强，对信号线来说，高频的信号线尽可能远离敏
感的模拟电路器件，对地线来说，整个PCB对外界只有一个结点，所以必须在PCB内部进行处
理数、模共地的问题，而在板内部数字地和模拟地实际上是分开的它们之间互不相连，只是
在PCB与外界连接的接口处（如插头等）。数字地与模拟地有一点短接，请注意，只有一个
连接点。也有在PCB上不共地的，这由系统设计来决定。但是，制做PCB板时一般都做铺铜走
线，而走线都与GND相联，请问，铺铜之后，模拟地和数字地还能区分出来吗，还能像上面
说的那样，只有一个联接点吗？
两个地起不同的名字，分别辅铜，最后可以用一个10uH电感或0欧姆电阻连起来。
模拟部分的器件尽量集中，放置在与其它板子接口的附近，减小信号衰减。
数字部分线路长一些没关系。先对模拟地敷铜，然后对整个板敷数字地。模拟
地和数字地之间会自动分隔，用一个1uH的电感或0欧的电阻作为共地点。
2
在电子系统设计中，为了少走弯路和节省时间，应充分考虑并满足抗干扰性的要求，避免在设计完成后再去进行抗干扰的补救措施。形成干扰的基本要素有三个：
（1）干扰源，指产生干扰的元件、设备或信号，用数学语言描述如下：du/dt， di/dt大的地方就是干扰源。如：雷电、继电器、可控硅、电机、高频时钟等都可 能成为干扰源。
（2）传播路径，指干扰从干扰源传播到敏感器件的通路或媒介。典型的干扰传播路径是通过导线的传导和空间的辐射。
（3）敏感器件，指容易被干扰的对象。如：A/D、D/A变换器，单片机，数字IC，弱信号放大器等。

抗干扰设计的基本原则是：抑制干扰源，切断干扰传播路径，提高敏感器件的 抗干扰性能。（类似于传染病的预防）
1 抑制干扰源
抑制干扰源就是尽可能的减小干扰源的du/dt，di/dt。这是抗干扰设计中最优先考虑和最重要的原则，常常会起到事半功倍的效果。减小干扰源的du/dt主要是通过在干扰源两端并联电容来实现。减小干扰源的 di/dt则是在干扰源回路串联电感或电阻以及增加续流二极管来实现。
抑制干扰源的常用措施如下：
（1）继电器线圈增加续流二极管，消除断开线圈时产生的反电动势干扰。仅加续流二极管会使继电器的断开时间滞后，增加稳压二极管后继电器在单位时间内可动作更多的次数。
（2）在继电器接点两端并接火花抑制电路（一般是RC串联电路，电阻一般选几K 到几十K，电容选0.01uF），减小电火花影响。
（3）给电机加滤波电路，注意电容、电感引线要尽量短。
（4）电路板上每个IC要并接一个0.01μF～0.1μF高频电容，以减小IC对电源的影响。注意高频电容的布线，连线应靠近电源端并尽量粗短，否则，等于增大了电容的等效串联电阻，会影响滤波效果。
（5）布线时避免90度折线，减少高频噪声发射。
（6）可控硅两端并接RC抑制电路，减小可控硅产生的噪声（这个噪声严重时可能会把可控硅击穿的）。
按干扰的传播路径可分为传导干扰和辐射干扰两类。
所谓传导干扰是指通过导线传播到敏感器件的干扰。高频干扰噪声和有用信号的频带不同，可以通过在导线上增加滤波器的方法切断高频干扰噪声的传播，有时也可加隔离光耦来解决。电源噪声的危害最大，要特别注意处理。 所谓辐射干扰是指通过空间辐射传播到敏感器件的干扰。一般的解决方法是增加干扰源与敏感器件的距离，用地线把它们隔离和在敏感器件上加蔽罩。

2 切断干扰传播路径的常用措施如下：
（1）充分考虑电源对单片机的影响。电源做得好，整个电路的抗干扰就解决了一大半。许多单片机对电源噪声很敏感, 要给单片机电源加滤波电路或稳压器，以减小电源噪声对单片机的干扰。比如，可以利用磁珠和电容组成π形滤波电路，当然条件要求不高时也可用100Ω电阻代替磁珠。
（2）如果单片机的I/O口用来控制电机等噪声器件，在I/O口与噪声源之间应加隔离（增加π形滤波电路）。控制电机等噪声器件，在I/O口与噪声源之间应加隔离（增加π形滤波电路）。
（3）注意晶振布线。晶振与单片机引脚尽量靠近，用地线把时钟区隔离起来，晶振外壳接地并固定。此措施可解决许多疑难问题。
（4）电路板合理分区，如强、弱信号，数字、模拟信号。尽可能把干扰源（如电机，继电器）与敏感元件（如单片机）远离。
（5）用地线把数字区与模拟区隔离，数字地与模拟地要分离，最后在一点接于电源地。A/D、D/A芯片布线也以此为原则，厂家分配A/D、D/A芯片引脚排列时已考虑此要求。
（6）单片机和大功率器件的地线要单独接地，以减小相互干扰。大功率器件尽可能放在电路板边缘。
（7）在单片机I/O口，电源线，电路板连接线等关键地方使用抗干扰元件如磁珠、磁环、电源滤波器，屏蔽罩，可显著提高电路的抗干扰性能。

3 提高敏感器件的抗干扰性能
提高敏感器件的抗干扰性能是指从敏感器件这边考虑尽量减少对干扰噪声的拾取，以及从不正常状态尽快恢复的方法。
提高敏感器件抗干扰性能的常用措施如下：
（1）布线时尽量减少回路环的面积，以降低感应噪声。
（2）布线时，电源线和地线要尽量粗。除减小压降外，更重要的是降低耦 合噪声。
（3）对于单片机闲置的I/O口，不要悬空，要接地或接电源。其它IC的闲置端在不改变系统逻辑的情况下接地或接电源。
（4）对单片机使用电源监控及看门狗电路，如：IMP809，IMP706，IMP813，X25043，X25045等，可大幅度提高整个电路的抗干扰性能。
（5）在速度能满足要求的前提下，尽量降低单片机的晶振和选用低速数字 电路。
（6）IC器件尽量直接焊在电路板上，少用IC座。

为了达到很好的抗干扰，于是我们常看到PCB板上有地分割的布线方式。但是也不是所有的数字电路和模拟电路混合都一定要进行地平面分割。因为这样分割是为了降低噪声的干扰。
理论：在数字电路中一般的频率会比模拟电路中的频率要高，而且它们本身的信号会跟地平面形成一个回流（因为在信号传输中，铜线与铜线之间存在着各种各样的电感和分布电容），如果我们把地线混合在一起，那么这个回流就会在数字和模拟电路中相互串扰。而我们分开就是让它们只在自己本身内部形成一个回流。它们之间只用一个零欧电阻或是磁珠连接起来就是因为原来它们就是同一个物理意义的地，现在布线把它们分开了，最后还应该把它们连接起来。
如何分析它们是属于数字部分呢还是模拟部分？这个问题常常是我们在具体画PCB时得考滤的。我个人的看法是要判断一个元件是属于模拟的，还是数字的关键是看与它相关的主要芯片是数字的还是模拟的。比如：电源它可能给模拟电路供电，那它就是模拟部分的，如果它是给单片机或是数据类芯片供电，那它就是数字的。当它们是同一个电源时就需要用一个桥的方法把一个电源从另一个部分引过来。最典形的就是D/A了，它应该是一个一半是数字，一半是模拟的芯片。我认为如果能把数字输入处理好后，剩下的就可以画到模拟部分去了。

3. 区别及处理

      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。
      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。

      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，理由如上有四种方法解决此问题∶1、用磁珠连接；2、用电容连接；3、用电感连接；4、用0欧姆电阻连接。

      磁珠的等效电路相当于带阻限波器，只对某个频点的噪声有显着抑制作用，使用时需要预先估计噪点频率，以便选用适当型号。对于频率不确定或无法预知的情况，磁珠不合。
　　电容隔直通交，造成浮地。
　　电感体积大，杂散参数多，不稳定。
　　0欧电阻相当于很窄的电流通路，能够有效地限制环路电流，使噪声得到抑制。电阻在所有频带上都有衰减作用(0欧电阻也有阻抗)，这点比磁珠强

（1）模拟地和数字地间串接电感一般取值多大？

一般用几uH到数十uH。
（2）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)。
        磁珠相当于带阻陷波器，只对某个频点的噪声有抑制作用，如果不能预知噪点，如何选择型号，况且，噪点频率也不一定固定，故磁珠不是一个好的选择。电容不通直流，会导致压差和静电积累，摸机壳会麻手。如果把电容和磁珠并联，就是画蛇添足，因为磁珠通直，电容将失效。串联的话就显得不伦不类。
        电感特性不稳定，离散分布参数不好控制，体积大。电感也是陷波，LC谐振(分布电容)，对噪点有特效。
        总之，关键是模拟地和数字地要一点接地。
        建议，不同种类地之间用0欧电阻相连；电源引入高频器件时用磁珠；高频信号线耦合用小电容；电感用在大功率低频上。
（2）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。

主要参数:

标称值:因为磁珠的单位是按照它在某一频率产生的阻抗来标称的，阻抗的单位也是欧姆 .一般以100MHz为标准，比如2012B601，就是指在100MHz的时候磁珠的阻抗为600欧姆。

额定电流:额定电流是指能保证电路正常工作允许通过电流.

（3）电感与磁珠的区别:

有一匝以上的线圈习惯称为电感线圈,少于一匝（导线直通磁环）的线圈习惯称之为磁珠;

电感是储能元件,而磁珠是能量转换（消耗）器件;

电感多用于电源滤波回路,磁珠多用于信号回路,用于EMC对策;

磁珠主要用于抑制电磁辐射干扰,而电感用于这方面则侧重于抑制传导性干扰.两者都可用于处理EMC、EMI问题;

电感一般用于电路的匹配和信号质量的控制上.在模拟地和数字地结合的地方用磁珠.

磁珠有很高的电阻率和磁导率，他等效于电阻和电感串联，但电阻值和电感值都随频率变化。 他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。 
作为电源滤波，可以使用电感。磁珠的电路符号就是电感但是型号上可以看出使用的是磁珠在电路功能上，磁珠和电感是原理相同的，只是频率特性不同罢了 
磁珠由氧磁体组成，电感由磁心和线圈组成，磁珠把交流信号转化为热能，电感把交流存储起来，缓慢的释放出去。 
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。 
在电路中只要导线穿过它即可（我用的都是象普通电阻模样的，导线已穿过并胶合，也有表面贴装的形式，但很少见到卖的）。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。高频电流在其中以热量形式散发，其等效电路为一个电感和一个电阻串联，两个组件的值都与磁珠的长度成比例。磁珠种类很多，制造商应提供技术指标说明，特别是磁珠的阻抗与频率关系的曲线。 
有的磁珠上有多个孔洞，用导线穿过可增加组件阻抗（穿过磁珠次数的平方），不过在高频时所增加的抑制噪声能力不可能如预期的多，而用多串联几个磁珠的办法会好些。 
铁氧体是磁性材料，会因通过电流过大而产生磁饱和，导磁率急剧下降。大电流滤波应采用结构上专门设计的磁珠，还要注意其散热措施。 
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。 
铁氧体磁珠还广泛应用于信号电缆的噪声滤除。 
以常用于电源滤波的HH-1H3216-500为例，其型号各字段含义依次为： 
HH 是其一个系列，主要用于电源滤波，用于信号线是HB系列； 
1 表示一个组件封装了一个磁珠，若为4则是并排封装四个的； 
H 表示组成物质，H、C、M为中频应用（50－200MHz）， 
T低频应用（50MHz），S高频应用（200MHz）； 
3216 封装尺寸，长3.2mm，宽1.6mm，即1206封装； 
500 阻抗（一般为100MHz时），50 ohm。 
其产品参数主要有三项： 
阻抗[Z]@100MHz (ohm) : Typical 50, Minimum 37; 
直流电阻DC Resistance (m ohm): Maximum 20; 
额定电流Rated Current (mA): 2500.

 4.

pcb

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