在PCB设计中，特别是在高频电路，经常会遇到一些因地面干扰而引起的不规则和异常。本文分析了接地干扰产生的原因，介绍了接地干扰的三种类型，并根据实际应用中的经验提出了解决方法。这些抗干扰方法在实际应用中取得了良好的效果，使部分系统能够在现场顺利运行。
在单片机系统中，PCB(印刷电路板)是非常重要的电子元件用于支持电路元件，并在电路元件和器件之间提供电气连接。PCB线大部分是铜线，铜本身的物理特性也使它们导电。在这个过程中一定有某种阻力。导线中的电感分量会影响电压信号的传输。电阻分量会影响电流信号的传输。高频电路中电感的影响尤为严重。因此，在PCB设计中必须注意。消除接地阻抗的影响。
1干扰原因
电阻和阻抗是两个不同的概念。电阻是指导线对处于直流状态电流的阻抗，阻抗是指导线对处于交流状态电流的阻抗。这种阻抗主要是由导线的电感引起的。由于地线总是有阻抗的，用万用表测量地线时，地线的电阻一般为mmΩ。
通过长度为10厘米的电线，宽度为1.5mm，厚度为50μm，作为示例，可以通过计算获得阻抗。r =ρl/ s（ω），其中l是线长度（m），s是线横截面积（mm2），ρ是电阻率ρ= 0.02，因此导线电阻约为0.026Ω。
当一根导线远离其他导线且其长度远大于宽度时，导线的自感系数为0.8 μH/m, 10 cm导线的自感系数为0.08 μH。由下式得到导线的电感XL=2πfL。式中f为导线通过信号的频率(Hz)， L为导线单位长度的自感系数(H)。因此，分别计算导线在低频和高频时的感应电抗值:
在实际电路中，引起电磁干扰的信号通常是脉冲信号，并且脉冲信号包含丰富的高频分量，因此在地面产生大电压。从上述公式计算可以看出，导线电阻高于低频信号传输中的电线电感。对于数字电路，电路的工作频率非常高，电线电感远大于高频信号中的导线电阻。因此，接地阻抗对数字电路的影响是相当大的。这就是当电流流过小电阻时发生的大电压降的原因，导致电路的异常操作。
2接地干涉机制
2.1地面环干扰
地环干扰是一种相对常见的干扰类型，这些干扰通常发生在长电缆连接的装置之间，并且相距远。地线引起的电磁干扰的主要原因是地线的阻抗。当电流流过接地线时，在地线上产生电压。这是地线噪音。由该电压驱动，产生接地环电流，导致地环干扰。如图1所示，有两个接地电路。
图1
由于两个设备的地电位不同，就形成了一个地电压，在这个电压的驱动下，电流在“设备1连接电缆和设备2”形成的回路之间流动。由于电路的不平衡，每根导线上的电流是不同的，因此产生差模电压，电路受到干扰。
由于接地回路干扰是由接地回路电流引起的，有时发现当一个设备的接地断开时，由于接地线断开时接地回路断开，干扰现象消失。这种现象经常发生在低频干扰的情况下。当干扰频率较高时，断开接地线与不断开接地线的关系较小。
2.2常见阻抗干扰
在数字电路中，由于信号的频率较高，地线往往表现出较大的阻抗。此时，当多个电路共用一条接地线时，由于接地线的阻抗，一个电路的地电位被另一个电路的工作电流调制，使一个电路中的信号耦合到另一个电路中。它被称为共阻抗耦合。
共同阻抗耦合的解决方案是降低公共接地线部分的阻抗，或者使用单点接地以完全消除共同阻抗。图2的示例说明了干扰现象。图2是具有四个门的简单电路。假设门1的输出电平从高电平变为低电平。此时，电路中的寄生电容（有时栅极2的输入处的滤波电容器）将通过栅极1排出到地面，并且放电电流将是由于地面的阻抗。在地面上产生尖峰电压。如果此时栅极3的输出低，则尖峰电压被传输到栅极3的输出，门4的输入，如果尖峰的幅度超过门4的噪声。阈值将会导致门4发生故障。
图2
2.3地球环路电磁耦合干扰
图1所示的“接地回路”将包围一个特定区域。根据电磁感应定律，如果这个回路周围的区域有变化的磁场，就会在回路中产生感应电流，形成干扰。空间磁场的变化是普遍存在的，因此封闭面积越大，干扰越严重。
三种解决地面干扰的方法
3.1解决地环干扰
有三种基本思路来解决地环干扰：一个是减少接地线的阻抗，从而降低干扰电压，但这对第二种原因引起的地面回路干扰没有影响。第二种方法是改变接地结构，将一个底盘的接地线连接到另一个底盘，并将另一个机箱接地。这是单点接地的概念。第三是增加地环的阻抗，从而减小了地环电流。当阻抗是无限时，实际切断地面环，即消除了地环。因此，提出了用于解决地环干扰的以下解决方案。
1)将设备漂浮在一侧
如果电路的一侧是浮动的，接地回路被切断，这样接地回路的电流就可以被消除。但有两个问题需要注意，一个是出于安全原因，不允许电路浮动。此时，考虑通过电感器使设备接地。因此，50hz交流电流设备的接地阻抗较小，对于频率干扰信号越高，设备的接地阻抗越大，从而降低了接地回路电流。但是，这只能减少高频干扰的接地回路干扰。另一个问题是，虽然器件是浮动的，但器件和地面之间仍然有一个寄生电容。这种电容在较高的频率提供一个较低的阻抗，因此不能有效地减少高频地环电流。
2)使用变压器
解决地面循环干扰的最基本方法是切断地面环。这是用隔离变压器完成的，并且通过磁场耦合完成两个设备之间的信号传输，避免电直接连接。此时，接地线上的干扰电压出现在变压器的初级和次级之间，而不是在电路的输入之间。改善变压器的高频隔离的一种方法是在变压器的初级和次级之间放置屏蔽。然而，必须注意，隔离变压器屏蔽的接地端必须处于接收电路端。否则，不仅可以提高高频隔离效果，还可以更严重地改善高频隔离效果。因此，变压器将安装在信号接收装置的一侧。
变压器隔离方法存在不能传输直流、体积大、成本高等缺点。由于变压器的一次和二次之间存在寄生电容，高频时的隔离效果不是很好。
3)使用光学隔离组件
用光传输信号是解决地环问题的一种理想方法。如图3所示，光耦合器器件的寄生电容约为2 pF，因此可以在非常高的频率下隔离。如果使用光纤，就没有寄生电容的问题，可以获得完美的隔离效果。但是光纤的使用也带来了其他问题，如需要更多的功率，需要更多的外围设备，光连接的线形和动态范围不符合模拟信号的要求，光缆的安装和维护比较复杂。使用时要小心。
图3，
4）使用共模窒息
接地电压实际上是一种共模电压。在这个电压下，流过电缆的电流是共模电流。在连接电缆上使用共模扼流圈相当于增加接地回路的阻抗，从而使接地回路的电流降低一定的接地电压。但要注意控制共模扼流圈的寄生电容，否则对高频干扰的隔离效果很差。共模扼流圈匝数越大，寄生电容越大，高频隔离效果越差。
5）抑制平衡电路的接地电路干扰
平衡电路是指两个导体及其连接的电路相对于地或其他参考物体具有相同的阻抗。
在高频率下很难平衡。实际电路中存在许多寄生因素，如寄生电容、寄生电感等。这些参数在较高频率下的电路阻抗中起着很大的作用。由于这些寄生参数的不确定性，电路的阻抗也不确定，因此很难保证两个导体的阻抗完全相同。因此，在高频时，电路平衡效果较差，这意味着平衡电路对高频地回路电流干扰的抑制效果较差。
3.2消除共阻抗耦合
有两种方法可以消除共同的阻抗耦合。一个是降低公共接地线的阻抗，使得公共接地线上的电压也减小，从而控制公共阻抗耦合。另一种方法是避免通过适当的接地方法易于互相干扰的电路的共同接地。通常，避免了强电路和弱电路的接地电路，并且数字电路和模拟电路共享地线。平行接地的缺点是有太多的导线接地。因此，在实践中，所有电路都不需要在单点并联地接地。对于具有较少相互干扰的电路，可以使用串联的单点接地。例如，电路可以根据强信号，弱信号，模拟信号，数字信号等进行分类，然后在相同类型的电路中与单点串联接地，如图4所示，不同类型电路与单点并联连接，如图5所示。当信号频率低于1MHz时，可以使用单点接地方法，使其不形成循环。 When the signal frequency is higher than 10 MHz, it is better to use multi-point grounding to minimize the ground impedance. The power and ground lines should be as close as possible to the traces to reduce the loop area enclosed, thereby reducing the external field magnetic field interference caused by the loop cutting, and also reducing the external electromagnetic radiation of the loop.
如前所述，降低地面阻抗的核心问题是降低地面的电感。您可以使用扁平导体作为接地线，或者使用远距离的多个平行导体进行接地线。对于PCB，双层板上的接地网格可以有效地降低地面阻抗。在里面多层pcb板，一层可作为接地线以降低阻抗。
4。结论
抗干扰设计是单片机系统设计的重要组成部分，它的设计往往决定着整个系统的成败。关于接地，很多关于电磁兼容的专著都进行了详细的讨论，但要通过实验选择最佳的接地方法，并通过实验发现并消除接地干扰。介绍了接地干扰产生的原因及解决方法，阐述了接地设计中的一般方法和原则。只有在理论的指导下，经过大量的实验过程和经验积累，才能更好的掌握接地系统的设计方法。并排除干扰手段，从而更好地提高电路工作的可靠性。
|
|
|
