測(cè)量電路中的共地干擾問題

引言

在電子產(chǎn)品開發(fā)的實(shí)踐過程中，往往會(huì)碰到很多干擾方面的問題，這些問題對(duì)產(chǎn)品的可靠性和性能指標(biāo)都會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，同時(shí)需要大量時(shí)間和資源去進(jìn)行排查修正，成為產(chǎn)品量產(chǎn)的瓶頸。在測(cè)試測(cè)量產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，就是較為常見的一類干擾。

共地干擾來源

共地干擾，又稱公共地阻抗耦合干擾，是由于電路中的各類信號(hào)共用地線或者地平面引起的。地線作為公共的信號(hào)回流路徑或者參考平面，理論上是應(yīng)該是沒有阻抗的，但是實(shí)際情況并非如此，不同信號(hào)的回流在地線上產(chǎn)生的壓降就會(huì)成為彼此的干擾，如果信號(hào)的采樣，調(diào)理電路，或者PCB設(shè)計(jì)不合理，對(duì)于敏感微弱的小信號(hào)，就會(huì)產(chǎn)生明顯影響。如圖1所示，其它電路的回流電流i在信號(hào)回路上產(chǎn)生了一個(gè)誤差電壓。

圖1、真實(shí)的接地系統(tǒng)

對(duì)于而言，共地干擾不僅影響測(cè)量的精度，甚至因?yàn)闊o法穩(wěn)定讀數(shù)而造成測(cè)量失敗。下面是一個(gè)產(chǎn)品開發(fā)中的實(shí)際案例。

用RMS芯片進(jìn)行交流電壓的真有效值測(cè)量

在一個(gè)通過RMS專用芯片AD636測(cè)量交流電壓輸入信號(hào)時(shí)，發(fā)生一個(gè)故障現(xiàn)象：從電路一上電開始，芯片輸出的有效值讀數(shù)就在緩慢地發(fā)生漂移，且變化速度時(shí)快時(shí)慢，沒有規(guī)律。由于這是一個(gè)精密測(cè)量電路，對(duì)測(cè)量精度要求較高，這樣的測(cè)量讀值無法到產(chǎn)品的規(guī)格和精度要求。因此必須加以改進(jìn)。

分析該電路的設(shè)計(jì)，圖2為該芯片的接線示意圖。標(biāo)記為Iout，RL，COM的分別是管腳10,1,2.其中Iout是RMS輸出電流管腳，RL為負(fù)載電阻管腳，COM管腳為公共管腳。該芯片的工作原理是將一個(gè)正比于輸入有效值的信號(hào)以電流源的形式輸出，通過內(nèi)接的一個(gè)RL負(fù)載電阻，將電流轉(zhuǎn)換為電壓。參照芯片的框圖說明，Iout引腳正是這個(gè)輸出電壓，該信號(hào)接到后級(jí)電路進(jìn)一步處理。概括來說，Vac in與COM構(gòu)成輸入測(cè)量信號(hào)，COM為輸入?yún)⒖嫉?，Iout與RL構(gòu)成輸出信號(hào)，RL為輸出參考地。按照芯片的推薦使用方法，將RL和COM管腳接在一起，并就近接入電路的參考地GND，如圖中實(shí)線所示。

這種接線方法，從理論分析看不出有什么不妥之處。但是，在實(shí)際使用中，卻產(chǎn)生嚴(yán)重的問題。原因何在?仔細(xì)查檢其PCB設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)由于板上器件物理布局的限制，其輸入信號(hào)Vac in是通過一條很長(zhǎng)的走線連接到AD636芯片的，而其參考地則就近接入地平面GND上，離取樣信號(hào)的參考地距離相當(dāng)遠(yuǎn)。也就是說，輸入信號(hào)的回流路徑是與板上其他電路共用的，共地干擾就會(huì)疊加到輸入信號(hào)上，從而出現(xiàn)故障。

解決該故障的措施是斷開COM與RL的就近連接，單獨(dú)走一條地線到該引腳。如圖中虛線所示。雖然該走線最終也是連到GND地平面，但此時(shí)輸入信號(hào)的回流路徑已經(jīng)改變，不再與其他電路共用地平面回流，因此也就不存在共地干擾的影響。實(shí)踐表明，經(jīng)過這樣簡(jiǎn)單整改，故障完全消失，讀數(shù)非常精確和穩(wěn)定。

圖2

結(jié)論

在精密測(cè)量電路中，將被測(cè)信號(hào)回路與其他功能回路分開，避免其他電路的干擾，能夠更準(zhǔn)確地對(duì)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。表現(xiàn)在PCB設(shè)計(jì)上，就是不僅信號(hào)線要遠(yuǎn)離干擾源，而且還要避免其回流路徑，就是信號(hào)的地線，受到共地干擾的影響。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，測(cè)試測(cè)量設(shè)備越來越趨向復(fù)雜和精密，干擾問題也日益突出只有全面分析各種干擾的來源，采取有效的防范措施，才能開發(fā)出穩(wěn)定可靠的高質(zhì)量產(chǎn)品。

關(guān)于鼎陽

鼎陽科技(SIGLENT)是一家專注于通用電子測(cè)試測(cè)量?jī)x器及相關(guān)解決方案的公司。

從2005推出第一款數(shù)字示波器產(chǎn)品至今，10年來鼎陽科技一直是全球發(fā)展速度最快的數(shù)字示波器制造商。歷經(jīng)多年發(fā)展，鼎陽產(chǎn)品已擴(kuò)展到數(shù)字示波器、手持示波表、函數(shù)/任意波形發(fā)生器、頻譜分析儀、臺(tái)式萬用表、直流電源等通用測(cè)試測(cè)量?jī)x器產(chǎn)品。2007年，鼎陽與高端示波器領(lǐng)導(dǎo)者美國(guó)力科建立了全球戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系。2011年，鼎陽發(fā)展成為中國(guó)銷量領(lǐng)先的數(shù)字示波器制造商。2014年，鼎陽發(fā)布了中國(guó)首款智能示波器SDS3000系列，引領(lǐng)“人手一臺(tái)”型實(shí)驗(yàn)室研發(fā)用示波器由功能示波器向智能示波器過渡的趨勢(shì)。目前，鼎陽已經(jīng)在美國(guó)克利夫蘭和德國(guó)漢堡成立分公司，產(chǎn)品遠(yuǎn)銷全球70多個(gè)國(guó)家，SIGLENT正逐步成為全球知名的測(cè)試測(cè)量?jī)x器品牌。

關(guān)于鼎陽硬件設(shè)計(jì)與測(cè)試智庫(kù)

鼎陽硬件設(shè)計(jì)與測(cè)試智庫(kù)(簡(jiǎn)稱鼎陽硬件智庫(kù))由深圳市鼎陽科技有限公司領(lǐng)銜創(chuàng)辦，是中國(guó)第一家“智力眾籌”模式的硬件智庫(kù)。

鼎陽硬件智庫(kù)順時(shí)順勢(shì)，倡導(dǎo)“連接-分享-協(xié)作-創(chuàng)造”的理念，高舉志愿者服務(wù)的大旗，相信互聯(lián)網(wǎng)是“愛”的大本營(yíng)，相信人們都有發(fā)自內(nèi)心分享的愿望。

鼎陽硬件智庫(kù)選擇硬件領(lǐng)域最普遍的七類問題：電源，時(shí)鐘，DDR，低速總線，高速總線，EMC，測(cè)試測(cè)量進(jìn)行聚焦。尋找“最針尖”的問題進(jìn)行研討，針對(duì)“最針尖”的問題組織專家答疑，將硬件大師積累的寶貴知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)變成公眾財(cái)富，惠及更多硬件人。

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