PCB jaukta signāla shēmas dizains ir ļoti sarežģīts. Komponentu izkārtojums un elektroinstalācija, kā arī barošanas avota un zemējuma vada apstrāde tieši ietekmēs ķēdes veiktspēju un elektromagnētiskās saderības veiktspēju. Šajā rakstā izklāstītais zemējuma un barošanas avota nodalījuma dizains var optimizēt jauktu signālu ķēžu veiktspēju.

Kā samazināt traucējumus starp digitālajiem un analogajiem signāliem? Pirms projektēšanas ir jāsaprot divi elektromagnētiskās saderības (EMS) pamatprincipi: pirmais princips ir samazināt strāvas cilpas laukumu; Otrais princips ir tāds, ka sistēma izmanto tikai vienu atskaites plakni. Gluži pretēji, ja sistēmai ir divas atskaites plaknes, ir iespējams izveidot dipola antenu (piezīme: mazas dipola antenas starojums ir proporcionāls līnijas garumam, plūstošās strāvas daudzumam un frekvencei). Ja signāls neatgriežas caur mazāko iespējamo cilpu, var izveidoties liela apļveida antena. Izvairieties no abiem savā dizainā, cik vien iespējams.

Ir ierosināts atdalīt digitālo zemējumu un analogo zemējumu uz jaukta signāla shēmas plates, lai panāktu izolāciju starp digitālo zemējumu un analogo zemējumu. Lai gan šī pieeja ir iespējama, tai ir daudz potenciālu problēmu, īpaši lielās un sarežģītās sistēmās. Viskritiskākā problēma ir nešķērsot nodalījuma spraugas vadu, kad šķērsojot nodalījuma spraugu vadu, elektromagnētiskais starojums un signāla šķērsruna ievērojami palielināsies. Visbiežāk sastopamā PCB dizaina problēma ir EMI problēma, ko izraisa signāla līnija, kas šķērso zemi vai barošanas avotu.

Kā parādīts 1. attēlā, mēs izmantojam iepriekš minēto segmentācijas metodi, un signāla līnija aptver atstarpi starp diviem zemējumiem. Kāds ir signāla strāvas atgriešanās ceļš? Pieņemsim, ka abas sadalītās zemes ir savienotas kādā punktā (parasti viens punkts vienā punktā), un tādā gadījumā zemes strāva veidos lielu cilpu. Augstas frekvences strāva, kas plūst caur lielo cilpu, radīs starojumu un augstu zemes induktivitāti. Ja zemā līmeņa analogo strāvu, kas plūst caur lielo cilpu, ir viegli traucēt ārējie signāli. Sliktākais ir tas, ka, savienojot sekcijas kopā pie strāvas avota, veidojas ļoti liela strāvas cilpa. Turklāt analogais un digitālais zemējums, kas savienots ar garu vadu, veido dipola antenu.

Izpratne par strāvas atpakaļplūsmas uz zemi ceļu un veidu ir atslēga, lai optimizētu jaukto signālu shēmas plates dizainu. Daudzi projektēšanas inženieri apsver tikai to, kur plūst signāla strāva, ignorējot konkrēto strāvas ceļu. Ja zemes slānis ir jānodala un jāvirza caur spraugu starp starpsienām, starp sadalīto zemi var izveidot viena punkta savienojumu, lai izveidotu savienojuma tiltu starp diviem zemes slāņiem, un pēc tam to novadīt caur savienojuma tiltu. Tādā veidā zem katras signāla līnijas var nodrošināt līdzstrāvas pretplūsmas ceļu, kā rezultātā veidojas neliels cilpas laukums.

Optiskās izolācijas ierīces vai transformatorus var izmantot arī, lai realizētu signālu, kas šķērso segmentācijas spraugu. Pirmajam segmentācijas spraugu aptver optiskais signāls. Transformatora gadījumā tas ir magnētiskais lauks, kas aptver nodalījuma spraugu. Iespējami arī diferenciālie signāli: signāli ieplūst no vienas līnijas un atgriežas no otras, tādā gadījumā tos nevajadzīgi izmanto kā atpakaļplūsmas ceļus.

Lai izpētītu digitālā signāla un analogā signāla traucējumus, vispirms ir jāsaprot augstfrekvences strāvas raksturlielumi. Augstfrekvences strāva vienmēr izvēlas ceļu ar viszemāko pretestību (induktivitāti) tieši zem signāla, tāpēc atgriešanās strāva plūdīs caur blakus esošās ķēdes slāni neatkarīgi no tā, vai blakus esošais slānis ir barošanas vai zemes slānis.

Praksē parasti ir vēlams izmantot vienotu PCB nodalījumu analogajās un digitālajās daļās. Analogie signāli tiek maršrutēti visu plates slāņu analogajā reģionā, savukārt digitālie signāli tiek maršrutēti digitālās shēmas reģionā. Šajā gadījumā digitālā signāla atgriešanas strāva neplūst analogā signāla zemē.

Traucējumi no digitālajiem signāliem uz analogajiem signāliem rodas tikai tad, ja digitālie signāli tiek maršrutēti pa shēmas plates digitālajām daļām vai analogie signāli. Šī problēma nav saistīta ar segmentācijas trūkumu, patiesais iemesls ir nepareiza digitālo signālu elektroinstalācija.

PCB dizains izmanto vienotu, izmantojot digitālās ķēdes un analogās ķēdes nodalījumu un atbilstošu signāla vadu, parasti var atrisināt dažas sarežģītākās izkārtojuma un vadu problēmas, taču tai nav arī potenciālu problēmu, ko izraisa zemes segmentācija. Šajā gadījumā komponentu izkārtojums un sadalījums kļūst kritisks, nosakot dizaina kvalitāti. Ja tas ir pareizi izvietots, digitālā zemējuma strāva tiks ierobežota līdz plates digitālajai daļai un netraucēs analogajam signālam. Šāda elektroinstalācija ir rūpīgi jāpārbauda un jāpārbauda, ​​lai nodrošinātu 100% atbilstību elektroinstalācijas noteikumiem. Pretējā gadījumā nepareiza signāla līnija pilnībā iznīcinās ļoti labu shēmas plati.

Savienojot kopā A/D pārveidotāju analogās un digitālās zemējuma tapas, lielākā daļa A/D pārveidotāju ražotāju iesaka savienot AGND un DGND tapas ar vienu un to pašu zemas pretestības zemi, izmantojot īsākos vadus (Piezīme: Tā kā lielākā daļa A/D pārveidotāja mikroshēmu iekšēji nesavieno analogo un digitālo zemējumu, analogais un digitālais zemējums ir jāpievieno, izmantojot ārējās tapas), jebkura ārējā pretestība, kas savienota ar DGND, savienos vairāk digitālā trokšņa ar analogo ķēdi IC iekšienē, izmantojot parazītu. kapacitāte. Ievērojot šo ieteikumu, gan A/D pārveidotāja AGND, gan DGND tapas ir jāpievieno analogajam zemējumam, taču šī pieeja rada jautājumus, piemēram, vai digitālā signāla atsaistes kondensatora zemējuma gals ir jāpievieno analogajam vai digitālajam zemējumam.

Ja sistēmai ir tikai viens A/D pārveidotājs, iepriekš minēto problēmu var viegli atrisināt. Kā parādīts 3. attēlā, zemējums ir sadalīts, un analogās un digitālās zemējuma sadaļas ir savienotas kopā zem A/D pārveidotāja. Kad šī metode tiek pieņemta, ir jānodrošina, lai tilta platums starp abām vietām būtu vienāds ar IC platumu un ka neviena signāla līnija nevar šķērsot nodalījuma spraugu.

Ja sistēmā ir daudz A/D pārveidotāju, piemēram, 10 A/D pārveidotāji kā pieslēgt? Ja analogais un digitālais zemējums ir savienots zem katra A/D pārveidotāja, tiks izveidots daudzpunktu savienojums, un izolācija starp analogo un digitālo zemējumu būs bezjēdzīga. Ja jūs to nedarāt, jūs pārkāpjat ražotāja prasības.

Labākais veids ir sākt ar formas tērpu. Kā parādīts 4. attēlā, zeme ir vienmērīgi sadalīta analogajās un digitālajās daļās. Šis izkārtojums ne tikai atbilst IC ierīču ražotāju prasībām attiecībā uz analogo un digitālo zemējuma tapu zemas pretestības savienojumu, bet arī novērš EMC problēmas, ko izraisa cilpas antena vai dipola antena.

Ja jums ir šaubas par vienotu pieeju jaukta signāla PCB projektēšanai, varat izmantot zemes slāņa nodalījuma metodi, lai izkārtotu un maršrutētu visu shēmas plati. Izstrādājot, jāpievērš uzmanība tam, lai vēlākajā eksperimentā shēmas plate būtu viegli savienojama ar džemperiem vai 0 omu rezistoriem, kas atrodas mazāk nekā 1/2 collu attālumā viens no otra. Pievērsiet uzmanību zonējumam un vadiem, lai nodrošinātu, ka neviena digitālā signāla līnija neatrodas virs analogās sadaļas visos slāņos un ka neviena analogā signāla līnija neatrodas virs digitālās sadaļas. Turklāt neviena signāla līnija nedrīkst šķērsot zemējuma spraugu vai sadalīt spraugu starp strāvas avotiem. Lai pārbaudītu paneļa darbību un EMC veiktspēju, atkārtoti pārbaudiet plates funkciju un EMC veiktspēju, savienojot abus stāvus kopā, izmantojot 0 omu rezistoru vai džemperi. Salīdzinot testa rezultātus, tika konstatēts, ka gandrīz visos gadījumos vienotais risinājums bija pārāks funkcionalitātes un EMC veiktspējas ziņā, salīdzinot ar dalīto risinājumu.

Vai zemes sadalīšanas metode joprojām darbojas?

Šo pieeju var izmantot trīs situācijās: dažām medicīnas ierīcēm ir nepieciešama ļoti zema noplūdes strāva starp ķēdēm un sistēmām, kas savienotas ar pacientu; Dažu rūpniecisko procesu vadības iekārtu izeja var būt savienota ar trokšņainām un lieljaudas elektromehāniskām iekārtām; Cits gadījums ir tad, kad PCB IZkārtojums ir pakļauts īpašiem ierobežojumiem.

Jaukta signāla PCB platei parasti ir atsevišķi digitālie un analogie barošanas avoti, kuriem var būt un kam vajadzētu būt dalītam barošanas avotam. Tomēr signāla līnijas, kas atrodas blakus barošanas avota slānim, nevar šķērsot spraugu starp barošanas avotiem, un visām signāla līnijām, kas šķērso spraugu, ir jāatrodas ķēdes slānī, kas atrodas blakus lielajai zonai. Dažos gadījumos analogo barošanas avotu var konstruēt ar PCB savienojumiem, nevis ar vienu virsmu, lai izvairītos no barošanas virsmas sadalīšanas.

Jaukta signāla PCB nodalījumu projektēšana

Jaukta signāla PCB projektēšana ir sarežģīts process, projektēšanas procesā jāpievērš uzmanība šādiem punktiem:

1. Sadaliet PCB atsevišķās analogajās un digitālajās daļās.

2. Pareizs komponentu izkārtojums.

3. A/D pārveidotājs ir novietots pāri starpsienām.

4. Nesadala zemi. Shēmas plates analogā daļa un digitālā daļa ir novietotas vienādi.

5. Visos plates slāņos digitālo signālu var novirzīt tikai plates digitālajā daļā.

6. Visos plates slāņos analogos signālus var maršrutēt tikai paneļa analogajā daļā.

7. Analogā un digitālā jaudas atdalīšana.

8. Elektroinstalācija nedrīkst aptvert spraugu starp sadalītajām barošanas avota virsmām.

9. Signāla līnijām, kurām jāpārvar sprauga starp dalītajiem barošanas avotiem, jāatrodas uz vadu slāņa, kas atrodas blakus lielai platībai.

10. Analizējiet faktisko zemes strāvas plūsmas ceļu un režīmu.

11. Izmantojiet pareizos elektroinstalācijas noteikumus.