數(shù)字地和模擬地處理的基本原則

模擬地和數(shù)字地都是“地”，那為什么還要分開呢?且聽一個故事。

公司所在的商務(wù)樓共有3樓，2樓是搞模擬的，3樓是做數(shù)字的，整幢樓只有一部電梯，平時人少的時候還好辦，上2樓，上3樓互不影像，但每天早上上下班的時候就不得了了，人多得很，搞數(shù)字的要上3樓，總是被2樓的模擬影響，2樓模擬的人要下樓，總是要等電梯上了3樓，再下來，互相影響很是麻煩，商務(wù)樓的物業(yè)為解決這個問題，提出了2個方案。

第1個：電梯擴大，可以裝更多的人。電梯大了是好，但公司會招人，人又多了，再換電梯，再招人...永遠死循環(huán)，有一個辦法到挺好，大家索性不要電梯，直接往下跳，不管2樓的、3樓的，肯定解決問題，但肯定會出問題(第1個被斃掉了)。

第2個裝2部電梯，一部專門上2樓，另一部專門上3樓。WondeRFul!太機智了，這樣2層樓面的工作人員就互不影響了。

明白了否?

數(shù)字地、模擬地互相會影響不是因為一個叫數(shù)字，一個叫模擬，而是他們用了同一部電梯--地，而這部電梯所用的井道就是我們在PCB上布的地線。

模擬回路的電流走這條線，數(shù)字回路的電流也走這條線，本來無可厚非，線布著就是用來導(dǎo)通電流的，可問題處在這根線上有電阻!而且最根本的問題是走這條線的電流要去2個不同的回路。

假設(shè)一下，有2股電流，數(shù)流，模流同時從地出發(fā)。有2個器件，數(shù)件，模件。若2個回路不分開，數(shù)流，模流回走到數(shù)件的接地端前的時候，損耗的電壓為V。

V=(數(shù)流+模流)X走線電阻相當于數(shù)字器件的接地端相對于地端升高了V。數(shù)字器件不滿意了，我承認會升高少許電壓，數(shù)流的那部分我認了，但模流的為什么要加在我頭上?同理，模擬器件也會同樣抱怨。

提供兩個解決方案

第1個：你布的PCB線沒有阻抗，自然不會引起干擾，就像2、3樓直接往下跳，那是井道最寬的時候，也就是可以裝一個無限大的電梯，自然誰都不影響誰，但誰都知道，this is mission impossible。

第2個：2條回路分開走，數(shù)流，模流分開，既數(shù)地、模地分開。

同理，有時雖在模擬回路中，但也要分大、小電流回路，就是避免相互干擾。所謂的干擾就是：2個不同回路中的電流在PCB走線上引起的電壓，這2部分電壓互相疊加而產(chǎn)生的。

分為數(shù)字地和模擬地的原因由于數(shù)字信號一般為矩形波，帶有大量的諧波。如果電路板中的數(shù)字地與模擬地沒有從接入點分開，數(shù)字信號中的諧波很容易會干擾到模擬信號的波形。當模擬信號為高頻或強電信號時，也會影響到數(shù)字電路的正常工作。模擬電路涉及弱小信號，但是數(shù)字電路門限電平較高，對電源的要求就比模擬電路低些。既有數(shù)字電路又有模擬電路的系統(tǒng)中，數(shù)字電路產(chǎn)生的噪聲會影響模擬電路，使模擬電路的小信號指標變差，克服的辦法是分開模擬地和數(shù)字地。存在問題的根本原因是，無法保證電路板上銅箔的電阻為零，在接入點將數(shù)字地和模擬地分開，就是為了將數(shù)字地和模擬地的共地電阻降到最小。

數(shù)字地和模擬地處理的基本原則如下

如果把模擬地和數(shù)字地大面積直接相連，會導(dǎo)致互相干擾。不短接又不妥。對于低頻模擬電路，除了加粗和縮短地線之外，電路各部分采用一點接地是抑制地線干擾的最佳選擇，主要可以防止由于地線公共阻抗而導(dǎo)致的部件之間的互相干擾。而對于高頻電路和數(shù)字電路，由于這時地線的電感效應(yīng)影響會更大，一點接地會導(dǎo)致實際地線加長而帶來不利影響，這時應(yīng)采取分開接地和一點接地相結(jié)合的方式。另外對于高頻電路還要考慮如何抑制高頻輻射噪聲，方法是：盡量加粗地線，以降低噪聲對地阻抗;滿接地，即除傳輸信號的印制線以外，其他部分全作為地線。不要有無用的大面積銅箔。地線應(yīng)構(gòu)成環(huán)路，以防止產(chǎn)生高頻輻射噪聲，但環(huán)路所包圍面積不可過大，以免儀器處于強磁場中時，產(chǎn)生感應(yīng)電流。但如果只是低頻電路，則應(yīng)避免地線環(huán)路。數(shù)字電源和模擬電源最好隔離，地線分開布置，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(shù)字一點接地。高頻時，可通過磁珠把模擬和數(shù)字地一點共地。

四種解決方法

模擬地和數(shù)字地間的串接可以采用四種方式：

1、用磁珠連接;

2、用電容連接(利用電容隔直通交的原理);

3、用電感連接(一般用幾uH到數(shù)十uH);

4、用0歐姆電阻連接。

下面重點介紹一下磁珠和0歐姆電阻：

一般情況下，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);

4、電容(利用電容隔直通交的原理)。磁珠采用在高頻段具有良好阻抗特性的鐵氧體材料燒結(jié)面成，專用于抑制信號線、電源線上的高頻噪聲和尖峰干擾，還具有吸收靜電脈沖的能力。磁珠有很高的電阻率和磁導(dǎo)率，等效于電阻和電感串聯(lián)，但電阻值和電感值都隨頻率變化。它比普通的電感有更好的高頻濾波特性，在高頻時呈現(xiàn)阻性，所以能在相當寬的頻率范圍內(nèi)保持較高的阻抗，從而提高調(diào)頻濾波效果。磁珠對高頻信號才有較大阻礙作用，一般規(guī)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(yīng)用發(fā)展很快的一種抗干擾組件，廉價、易用，濾除高頻噪聲效果顯著。

鐵氧體磁珠不僅可用于電源電路中濾除高頻噪聲(可用于直流和交流輸出)，還可廣泛應(yīng)用于其它電路，其體積可以做得很小。特別是在數(shù)字電路中，由于脈沖信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(fā)揮磁珠的作用。在電路中只要導(dǎo)線穿過它即可。當導(dǎo)線中電流穿過時，鐵氧體對低頻電流幾乎沒有什么阻抗，而對較高頻率的電流會產(chǎn)生較大衰減作用。

除了數(shù)字地和模擬地，在控制系統(tǒng)中，還有好幾種地線：

①數(shù)字地：也叫邏輯地，是各種開關(guān)量(數(shù)字量)信號的零電位。

②模擬地：是各種模擬量信號的零電位。

③信號地：通常為傳感器的地。

④交流地：交流供電電源的地線，這種地通常是產(chǎn)生噪聲的地。

⑤直流地：直流供電電源的地。

⑥屏蔽地：也叫機殼地，為防止靜電感應(yīng)和磁場感應(yīng)而設(shè)。

作為一個地主，你該怎么處理這么多的“地”?這里，有幾條經(jīng)驗可用：

(1)控制系統(tǒng)宜采用一點接地。一般情況下,高頻電路應(yīng)就近多點接地，低頻電路應(yīng)一點接地。在低頻電路中，布線和元件間的電感并不是什么大問題，然而接地形成的環(huán)路的干擾影響很大，因此，常以一點作為接地點;但一點接地不適用于高頻，因為高頻時，地線上具有電感因而增加了地線阻抗，同時各地線之間又產(chǎn)生電感耦合。一般來說，頻率在1MHz以下,可用一點接地;高于10MHz時，采用多點接地;在1～10MHz之間可用一點接地，也可用多點接地。

(2)交流地與信號地不能共用。由于在一段電源地線的兩點間會有數(shù)mV甚至幾V電壓，對低電平信號電路來說，這是一個非常重要的干擾，因此必須加以隔離和防止。

(3)浮地與接地的比較。全機浮空即系統(tǒng)各個部分與大地浮置起來，這種方法簡單，但整個系統(tǒng)與大地絕緣電阻不能小于50MΩ。這種方法具有一定的抗干擾能力，但一旦絕緣下降就會帶來干擾。還有一種方法，就是將機殼接地，其余部分浮空。這種方法抗干擾能力強，安全可靠，但實現(xiàn)起來比較復(fù)雜。

(4)模擬地。模擬地的接法十分重要。為了提高抗共模干擾能力，對于模擬信號可采用屏蔽浮技術(shù)。對于具體模擬量信號的接地處理要嚴格按照操作手冊上的要求設(shè)計。

(5)屏蔽地。在控制系統(tǒng)中為了減少信號中電容耦合噪聲、準確檢測和控制，對信號采用屏蔽措施是十分必要的。根據(jù)屏蔽目的不同，屏蔽地的接法也不一樣。電場屏蔽解決分布電容問題，一般接大地;電磁場屏蔽主要避免雷達、電臺等高頻電磁場輻射干擾。利用低阻金屬材料高導(dǎo)流而制成，可接大地。磁場屏蔽用以防磁鐵、電機、變壓器、線圈等磁感應(yīng)，其屏蔽方法是用高導(dǎo)磁材料使磁路閉合，一般接大地為好。當信號電路是一點接地時，低頻電纜的屏蔽層也應(yīng)一點接地。如果電纜的屏蔽層地點有一個以上時，將產(chǎn)生噪聲電流，形成噪聲干擾源。當一個電路有一個不接地的信號源與系統(tǒng)中接地的放大器相連時，輸入端的屏蔽應(yīng)接至放大器的公共端;相反，當接地的信號源與系統(tǒng)中不接地的放大器相連時，放大器的輸入端也應(yīng)接到信號源的公共端。

對于電氣系統(tǒng)的接地，要按接地的要求和目的分類，不能將不同類接地簡單地、任意地連接在一起，而是要分成若干獨立的接地子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)都有其共同的接地點或接地干線，最后才連接在一起，實行總接地。

審核編輯：黃飛