如何降低数字信号与模拟信号之间的相互干扰呢？

pwm · 发表于 2014-5-20 13:08:46

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<div>如何降低数字信号与模拟信号之间的相互干扰呢？ 坦白地说，这个问题国内有很多的设计规则和经验，再坦白地说，这个问题长久
困扰着很多EMC工程师和硬件工程师，因此，大家才对这个话题老生常谈，这其实从侧面可以反映，至少在目前，那些关于数模设计的经验规则对大家没有任何帮
助作用。诚然，任何一位初学者都是从经验规则开始，但是，经验规则所体现出来的僵化、片面及狭隘的特性对一个成功的设计不会有任何作用，照搬规则如同豪
赌，赢了是因为你的运气。EMC设计只有有的放矢，才能设计出成功的产品。岛主曾经以雨伞来比喻活学活用，"当初可能是用来防雨的，但大家不也用来遮阳
吗？”这
句话受到很多人的追捧和认可，其实也从侧面说明了大家对此也有切身体会，因此我们才共鸣了。同样，数模设计也要避免照搬经验和规则，但要彻底讲清这个问
题，首先要明白数模干扰的机理，数字对模拟的影响可以分为以下两种情况：
（1）串扰。通过数字与模拟信号线间的分布参数相互影响，不过这个问题至少目前已经不是很突出了，因为大家都知道数字信号要布置在数字区域，模拟信号要布
置在模拟区域，空间上都已经做了隔离，因此，风险也减少了；（2）共阻抗耦合。数字信号与模拟信号共地时，由于地线在高频时存在一定的阻抗，因此数字信号
回流流过时将产生一个压降，这就是共模电压源，此时，如果共模电流流经模拟区域，在模拟区域地上产生压降，这个电压如果叠加在模拟信号上，便会影响模拟信
号，这就是数模共阻抗干扰的机理。根据对共阻抗耦合的原因分析，解决方法如下： </div>
<div>（1）降低GND阻抗，降低共模电压源；
（2）避免数字GND产生的共模电流流经模拟区域。
对于降低GND阻抗，极端点地阻抗为零，此时即使数字信号回流流过，也不会产生共模电压源，因此，也不会影响模拟信号，但是，实际情况是做不到GND零阻
抗，唯一的手段就是使其无限制的降低，如使用GND平面、GND平面减少分割、GND平面长宽比小于3等等； </div>
<div>对于使数字地产生的共模电流不流经模拟区域，数模分割其实就是这个初衷。但
实际情况是，有很多的案例都对数字与模拟进行了分割，但仍然不能解决数字对模拟的干扰。在此，需要郑重强调一点，如果只想通过数模分割就解决数字对模拟的
影响，是只见树木不见森林的错误做法。数模分割需要从系统架构上做深度分析，比如塑料或金属机箱、系统接地点、模拟区域有无I/O线缆等等。例如对于塑料机箱，如果模拟区域有I/O电缆，此时数字模拟分割不一定能解决问题。因为数字信号在GND上产生的共模噪声会因为I/O线缆与参考接地平板的分布参数形成环路，此时共模电流也将流经模拟区域，所以，这种分割存在很大的风险。</div>
<a href="http://www.eefocus.com/blog/link2url.php?link=http%3A%2F%2Frf.eefocus.com%2Fdata%2F13-04%2F1365724706_81c5588a.jpg" target="_blank" class="attdis" id="287999dimg"><img border="0" src="http://rf.eefocus.com/include/picture/500/400/data/13-04/1365724706_81c5588a.jpg" id="imgddiv287999" /></a>
 
<div>对于金属外壳的产品，因为单板需要接地，因此重点需要关注接地点，即接地点的设置要避免数字区域共模电流流经模拟区域。对于模拟区域无I/O线缆的情况，在进行数字与模拟分割后，可以在A/D芯片数字与模拟GND上设置接地点，避免数字区域的共模电流流经模拟区域。但对于模拟区域有I/O线缆的情况，因为线缆对地的分布参数，因此，存在共模电流流经模拟区域的风险，此时还需要充分考虑I/O线缆的长度，如音频耳机线因为比较短，可能分割后风险不大，但是，如果线缆很长的情况下，即使分割也有很大的风险。</div>
<a href="http://www.eefocus.com/blog/link2url.php?link=http%3A%2F%2Frf.eefocus.com%2Fdata%2F13-04%2F1365724762_f38d07e.jpg" target="_blank" class="attdis" id="288000dimg"><img border="0" src="http://rf.eefocus.com/include/picture/500/400/data/13-04/1365724762_f38d07e.jpg" id="imgddiv288000" /></a>
 
<div>任何事物没有绝对正确性，数模分割同样如此，如果设计不好，会产生负面效果，比如跨分割布线等等，另外，高频时即使分割了，分割之间存在分布参数，因此，也不能形成完全意义上的分割。初学者或对EMC一知半解的工程师，如果对数模分割把握不准，建议尽量少分割或干脆不分割，保证GND平面完整，降低GND平面的阻抗，同样可以减少数字对模拟干扰的风险。</div>

pwm · 发表于 2014-5-20 13:11:56

<div class="article_con">
如何降低数字信号和模拟信号间的相互干扰呢？ 
   有两个基本原则： 
   第一个原则是尽可能减小电流环路的面积； 
   第二个原则是系统只采用一个参考面。相反，如果系统存在两个参考面，就可能形成一个偶极天线(注：小型偶极天线的辐射大小与线的长度、流过的电流大小以及频率成正比)；而如果信号不能通过尽可能小的环路返回，就可能形成一个大的环状天线(注：小型环状天线的辐射大小与环路面积、流过环路的电流大小以及频率的平方成正比)。在设计中要尽可能避免这两种情况。 
      坦白地说，这个问题国内有很多的设计规则和经验，再坦白地说，这个问题长久困扰着很多EMC工程师和硬件工程师，因此，大家才对这个话题老生常谈，这其实从侧面可以反映，至少在目前，那些关于数模设计的经验规则对大家没有任何帮助作用。 
 
     诚然，任何一位初学者都是从经验规则开始，但是，经验规则所体现出来的僵化、片面及狭隘的特性对一个成功的设计不会有任何作用，照搬规则如同豪赌，赢了是因为你的运气。EMC设计只有有的放矢，才能设计出成功的产品。岛主曾经以雨伞来比喻活学活用，"当初可能是用来防雨的，但大家不也用来遮阳吗？”这句话受到很多人的追捧和认可，其实也从侧面说明了大家对此也有切身体会，因此我们才共鸣了。 
 
       同样，数模设计也要避免照搬经验和规则，但要彻底讲清这个问题，首先要明白数模干扰的机理，数字对模拟的影响可以分为以下两种情况： 
 
（1）串扰。通过数字与模拟信号线间的分布参数相互影响，不过这个问题至少目前已经不是很突出了，因为大家都知道数字信号要布置在数字区域，模拟信号要布置在模拟区域，空间上都已经做了隔离，因此，风险也减少了； 
（2）共阻抗耦合。数字信号与模拟信号共地时，由于地线在高频时存在一定的阻抗，因此数字信号回流流过时将产生一个压降，这就是共模电压源，此时，如果共
模电流流经模拟区域，在模拟区域地上产生压降，此时这个电压如果叠加在模拟信号上，便会影响模拟信号，这就是数模共阻抗干扰的机理。 
 
根据对共阻抗耦合的原因分析，解决方法如下： 

 
   
对于使数字地产生的共模电流不流经模拟区域，数模分割其实就是这个初衷。但实际情况是，有很多的案例都对数字与模拟进行了分割，但仍然不能解决数字对模拟
的干扰。在此，需要郑重强调一点，如果只想通过数模分割就解决数字对模拟的影响，是只见树木不见森林的错误做法。数模分割需要从系统架构上做深度分析，比
如塑料或金属机箱、系统接地点、模拟区域有无I/O线缆等等。
例如对于塑料机箱，如果模拟区域有I/O电缆，此时数字模拟分割不一定能解决问题。因为数字信号在GND上产生的共模噪声会因为I/O线缆与参考接地平板的分布参数形成环路，此时共模电流也将流经模拟区域，所以，这种分割存在很大的风险。
 
 
 

 
 
    对于金属外壳的产品，因为单板需要接地，因此重点需要关注接地点，即接地点的设置要避免数字区域共模电流流经模拟区域。对于模拟区域无I/O线缆的情况，在进行数字与模拟分割后，可以在A/D芯片数字与模拟GND上设置接地点，避免数字区域的共模电流流经模拟区域。但对于模拟区域有I/O线缆的情况，因为线缆对地的分布参数，因此，存在共模电流流经模拟区域的风险，此时还需要充分考虑I/O线缆的长度，如音频耳机线因为比较短，可能分割后风险不大，但是，如果线缆很长的情况下，即使分割也有很大的风险。 
 
       
    任何事物没有绝对正确性，数模分割同样如此，如果设计不好，会产生负面效果，比如跨分割布线等等，另外，高频时即使分割了，分割之间存在分布参数，因此，也不能形成完全意义上的分割。初学者或对EMC一知半解的工程师，如果对数模分割把握不准，建议尽量少分割或干脆不分割，保证GND平面完整，降低GND平面的阻抗，同样可以减少数字对模拟干扰的风险。 

1. 降低GND阻抗，降低共模电压源； 
    2. 避免数字GND产生的共模电流流经模拟区域。 
     对于降低GND阻抗，极端点地阻抗为零，此时即使数字信号回流流过，也不会产生共模电压源，因此，也不会影响模拟信号，但是，实际情况是做不到GND零阻抗，唯一的手段就是使其无限制的降低，如使用GND平面、GND平面减少分割、GND平面长宽比小于3等等；
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