電路設計為什么要分數字地和模擬地?如何對模擬地與數字地隔離?


  做過電路設計的同學都會知道,電路設計中對於數字地,模擬地和電源地的區分在某些應用中要求是十分嚴格的。有的同學就會不明白:那么這些地有什么區別呢,為什么要區分這些地呢?

  首先要明確數字(DIGTAL)和模擬(ANALOG)的概念。

  所謂數字,即0和1、真(TRUE)和假(FALSE)、低(LOW)和高(HIGH)。也就是說在數字電路里,1代表着高電平,0代表着低電平在不同的數字電路中,這些高電平代表的范圍也不同。現在我們參考常用的TTL電平,在TTL電平中+5V代表高電平即1,0V代表低電平即0。但是實際中高低電平是有一個范圍的,例如0~0.8V都是低電平,當這個范圍內的電壓輸入到數字器件里,比如我輸入0.2V就會被識別為低電平,高電平也是同理。通過這個例子可以看出來數字電路對於噪聲是有一定的容忍能力的。

  所謂模擬,就是線性的量,只要是線性變化的就可以看做是模擬量。例如電壓、電流就是典型的模擬量。很多模擬器件輸出都是電壓。模擬量不同於數字,它對於噪聲是零容忍,對於模擬量來說,噪聲越低越好,對於數字量而言0.2V的噪聲可能不會帶來什么影響,但是對於模擬量來說,0.2V的噪聲就會對結果造成十分巨大的誤差。例如我使用STM32的ADC來讀取光強傳感器的數值 ,STM32ADC的讀取范圍是0~3.3V,假設本來我讀出來的光強轉換為電壓為0.4V,這個時候來一個0.2V的噪聲,就變成了0.2V或者0.6V,相比0.4V來說就產生了50% 的誤差,最終我轉換出來的光強值就相差了50%。從這個例字就可以看出來,模擬量對噪聲是不可容忍的。

  既然明白了模擬和數字,那么為什么他們要隔離呢?既然都知道數字是無數的0和1組成的,那么也以將數字量看成無數脈沖。根據信號與系統中學習的傅里葉變換,這些脈沖是可以分解成無數頻率不同的正弦/余弦曲線的,也就是噪聲。如果將數字地與模擬地直接相連,這些噪聲將會進入模擬端,對模擬量產生影響。所以,模擬地和數字地要進行隔離。

  常見的模擬地與數字地的隔離方式有:串聯一個小磁珠或者電感在模擬地與數字地中間,設置一小塊銅皮連接模擬地與數字地。串聯一個0R電阻在數字地與模擬地中間。

  先來看串聯磁珠和電感。這兩個相當於帶阻限波器,只對某個頻點的噪聲有顯著的抑制作用,選用這種隔離方式的時候,要計算噪聲的主要頻率為多少,選擇合適型號的磁珠或電感,如果對於噪聲頻率來源、計算都不確定,那么不建議使用這種方法;

  0R電阻相當於很窄的電流通路,使用0R電阻對任意頻帶上的噪聲都有衰減作用,設置一小塊銅皮的作用類似串聯0R電阻。

  至於電源地,這個可以直接和數字地相連,但是要注意電源地中的電流回路,要設計好電源地中通過大電流的路徑。一般有兩種方式,第一種是大電流環繞板子一圈,第二種是大電流從輸入端引向板子中心,然后呈樹干狀發散,最后匯聚在一起。


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