控制系统中几种地的处理方式
mouser 2021-11-24

一般在我们的AD系统里面,都有非常明确的模拟电源/模拟地和数字电源/数字地,这些的处理相对比较重要。通常的系统中:

1、我们常用10~20欧姆电阻来做模拟电源和数字电源的隔离。当然,使用分组的隔离电源是最好的选择,但是成本相对较高。

2、处理模拟地和数字地时,最终使用1点接连的办法,这个连接点要选在PCB上的电荷平衡点,以防止出现电压差,这需要良好的PCB和模拟设计基础及经验。

3、使用PSRR较高的LDO,尽量避免使用DCDC和纹波超过300UV的电源稳压器件。当然,我们可以通过差分输入来减少来自电源的干扰。

4、良好的屏蔽罩同样可以减少外部空间电磁辐射对AD系统的影响,诸如雷达、手机辐射、紫外线等。

电源地主要是针对电源回路电流所走的路径而言的,一般来说电源地流过的电流较大,而信号地主要是针对两块芯片或者模块之间的通信信号的回流所流过的路径,一般来说信号地流过的电流很小,其实两者都是GND,之所以分开来说,是想让大家明白在布PCB板时要清楚地了解电源及信号回流各自所流过的路径,然后在布板时考虑如何避免电源及信号共用回流路径,如果共用的话,有可能会导致电源地上的大电流在信号地产生一个电压差(可以解释为:导线是有阻抗的,只是阻值很小,但如果所流过的电流较大时,也会在此导线上产生电位差,这也叫共阻抗干扰),使信号地的真实电位高于0V。信号地的电位较大时,有可能会使本来是高电平的信号被误判为低电平。

当然电源地本来就很不干净,这样做也可以避免由于干扰使信号误判。所以将电源地和信号地在布线时稍微注意一下,就可以。一般来说即使在一起也不会产生大的问题,因为数字电路的门限较高。除了正确进行接地设计、安装,还要正确进行各种不同信号的接地处理。控制系统中,大致有以下几种地线:

(1)数字地:也叫逻辑地,是各种开关量(数字量)信号的零电位。

(2)模拟地:是各种模拟量信号的零电位。

(3)信号地:通常为传感器的地。

(4)交流地:交流供电电源的地线,这种地通常是产生噪声的地。

(5)直流地:直流供电电源的地。

(6)屏蔽地:也叫机壳地,为防止静电感应和磁场感应而设。

以上这些地线处理是系统设计、安装、调试中的一个重要问题。下面就接地问题提出一些看法:

(1)控制系统宜采用一点接地。一般情况下,高频电路应就近多点接地,低频电路应一点接地。在低频电路中,布线和元件间的电感并不是什么大问题,然而接地形成的环路的干扰影响很大,因此,常以一点作为接地点;但一点接地不适用于高频,因为高频时,地线上具有电感,因而增加了地线阻抗,同时各地线之间又产生电感耦合。一般来说,频率在1MHz以下时可用一点接地;高于10MHz时,采用多点接地;在1~10MHz之间可用一点接地,也可用多点接地。

(2)交流地与信号地不能共用。由于在一段电源地线的两点间会有数mV甚至几V电压,对低电平信号电路来说,这是一个非常重要的干扰,因此必须加以隔离和防止。

(3)浮地与接地的比较。全机浮空即系统各个部分与大地浮置起来,这种方法简单,但整个系统与大地绝缘电阻不能小于50MΩ。这种方法具有一定的抗干扰能力,但一旦绝缘下降就会带来干扰。还有一种方法,就是将机壳接地,其余部分浮空。这种方法抗干扰能力强,安全可靠,但实现起来比较复杂。

(4)模拟地。模拟地的接法十分重要。为了提高抗共模干扰能力,对于模拟信号可采用屏蔽浮技术。对于具体模拟量信号的接地处理要严格按照操作手册上的要求设计。

(5)屏蔽地。在控制系统中为了减少信号中的电容耦合噪声,有利于准确检测和控制,对信号采用屏蔽措施是十分必要的。根据屏蔽目的不同,屏蔽地的接法也不一样。电场屏蔽解决分布电容问题,一般接大地;电磁场屏蔽主要避免雷达、电台等高频电磁场辐射干扰,利用低阻金属材料高导流而制成,可接大地。磁场屏蔽用以防磁铁、电机、变压器、线圈等磁感应,其屏蔽方法是用高导磁材料使磁路闭合,一般接大地为好。当信号电路是一点接地时,低频电缆的屏蔽层也应一点接地。如果电缆的屏蔽层接地点有一个以上时,将产生噪声电流,形成噪声干扰源。当一个电路有一个不接地的信号源与系统中接地的放大器相连时,输入端的屏蔽应接至放大器的公共端;相反,当接地的信号源与系统中不接地的放大器相连时,放大器的输入端也应接到信号源的公共端。

对于电气系统的接地,要按接地的要求和目的分类,不能将不同类接地简单地、任意地连接在一起,而是要分成若干独立的接地子系统,每个子系统都有其共同的接地点或接地干线,最后才连接在一起,实行总接地。

补充几点:

1、首先我们要处理系统的晶体干扰问题,晶体在一个PCB上的布局比较重要。当然,选型也很重要。理论上一个系统中的外部晶体频率越低,系统越稳定,越不容易受到干扰,但是在内部做倍频基本上是芯片级的应用层次了,补台需要我们操心。

晶体的外壳如果是金属的,通常要接到数字地上,晶体尽量远离ADC电路,靠近MCU。

2、多个电源地之间可以考虑用电感来连接。计算一个比较适合的电感和BYPASS电容,可以消除一些附加在电源地上的干扰信号,这些可以用著名的PSPICE软件来模拟。

3、PCB设计时,电源的线宽应当根据电流大小布置,通常需要为普通信号线的数倍。在电池供电的微功耗设备里,建议最小的电源线宽不小于15MIL(这仅仅是我们的意见)。当然,有条件的可以用软件来模拟下电流的实际大小和需要的线宽、线厚度等,这个在POWER PCB上可以实际仿真得到相关参数。 

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