电路设计为什么要分数字地和模拟地?如何对模拟地与数字地隔离?

  做过电路设计的同学都会知道,电路设计中对于数字地,模拟地和电源地的区分在某些应用中要求是十分严格的。有的同学就会不明白:那么这些地有什么区别呢,为什么要区分这些地呢?

  首先要明确数字(DIGTAL)和模拟(ANALOG)的概念。

  所谓数字,即0和1、真(TRUE)和假(FALSE)、低(LOW)和高(HIGH)。也就是说在数字电路里,1代表着高电平,0代表着低电平在不同的数字电路中,这些高电平代表的范围也不同。现在我们参考常用的TTL电平,在TTL电平中+5V代表高电平即1,0V代表低电平即0。但是实际中高低电平是有一个范围的,例如0~0.8V都是低电平,当这个范围内的电压输入到数字器件里,比如我输入0.2V就会被识别为低电平,高电平也是同理。通过这个例子可以看出来数字电路对于噪声是有一定的容忍能力的。

  所谓模拟,就是线性的量,只要是线性变化的就可以看做是模拟量。例如电压、电流就是典型的模拟量。很多模拟器件输出都是电压。模拟量不同于数字,它对于噪声是零容忍,对于模拟量来说,噪声越低越好,对于数字量而言0.2V的噪声可能不会带来什么影响,但是对于模拟量来说,0.2V的噪声就会对结果造成十分巨大的误差。例如我使用STM32的ADC来读取光强传感器的数值 ,STM32ADC的读取范围是0~3.3V,假设本来我读出来的光强转换为电压为0.4V,这个时候来一个0.2V的噪声,就变成了0.2V或者0.6V,相比0.4V来说就产生了50% 的误差,最终我转换出来的光强值就相差了50%。从这个例字就可以看出来,模拟量对噪声是不可容忍的。

  既然明白了模拟和数字,那么为什么他们要隔离呢?既然都知道数字是无数的0和1组成的,那么也以将数字量看成无数脉冲。根据信号与系统中学习的傅里叶变换,这些脉冲是可以分解成无数频率不同的正弦/余弦曲线的,也就是噪声。如果将数字地与模拟地直接相连,这些噪声将会进入模拟端,对模拟量产生影响。所以,模拟地和数字地要进行隔离。

  常见的模拟地与数字地的隔离方式有:串联一个小磁珠或者电感在模拟地与数字地中间,设置一小块铜皮连接模拟地与数字地。串联一个0R电阻在数字地与模拟地中间。

  先来看串联磁珠和电感。这两个相当于带阻限波器,只对某个频点的噪声有显著的抑制作用,选用这种隔离方式的时候,要计算噪声的主要频率为多少,选择合适型号的磁珠或电感,如果对于噪声频率来源、计算都不确定,那么不建议使用这种方法;

  0R电阻相当于很窄的电流通路,使用0R电阻对任意频带上的噪声都有衰减作用,设置一小块铜皮的作用类似串联0R电阻。

  至于电源地,这个可以直接和数字地相连,但是要注意电源地中的电流回路,要设计好电源地中通过大电流的路径。一般有两种方式,第一种是大电流环绕板子一圈,第二种是大电流从输入端引向板子中心,然后呈树干状发散,最后汇聚在一起。

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