数据信号失真的原因及解决方法

2023-06-24 理论教育版权反馈

【摘要】：简单来说，数字地是数字信号的对地，模拟地是模拟信号的对地。分为数字地和模拟地的原因：由于数字信号一般为矩形波，带有大量的谐波。当模拟信号为高频或强电信号时，也会影响到数字电路的正常工作。两者都可用于处理EMC、EMI问题；电感一般用于电路的匹配和信号质量的控制上，在模拟地和数字地结合的地方用磁珠。如果把模拟地和数字地大面积直接相连，会导致互相干扰。

简单来说，数字地是数字信号的对地，模拟地是模拟信号的对地。

分为数字地和模拟地的原因：由于数字信号一般为矩形波，带有大量的谐波。如果电路板中的数字地与模拟地没有从接入点分开，数字信号中的谐波很容易会干扰到模拟信号的波形。当模拟信号为高频或强电信号时，也会影响到数字电路的正常工作。

存在问题的根本原因是谁也无法保证电路板上铜箔的电阻为零，在接入点将数字地和模拟地分开，就是为了将数字地和模拟地的共地电阻降到最小。

数字地和模拟地处理的基本原则如下：

1.模拟地和数字地之间链接

（1）模拟地和数字地间串接电感一般取值多大：一般用几μH到数十μH；

（2）用0欧电阻是最佳选择。

①可保证直流电位相等；

②单点接地（限制噪声）；

③对所有频率的噪声都有衰减作用（0Ω也有阻抗，而且电流路径狭窄，可以限制噪声电流通过）。

条磁珠相当于带阻陷波器，只对某个频点的噪声有抑制作用，如果不能预知噪点，如何选择型号，况且，噪点频率也不一定固定，故磁珠不是一个好的选择。

电容不通直流，会导致压差和静电积累，摸机壳会麻手。如果把电容和磁珠并联，就是画蛇添足，因为磁珠通直，电容将失效。串联的话就显得不伦不类。

电感特性不稳定，离散分布参数不好控制，体积大。电感也是陷波，LC谐振（分布电容），对噪点有特效。

总之，关键是模拟地和数字地要一点接地。

建议：不同种类地之间用0欧电阻相连；电源引入高频器件时用磁珠；高频信号线耦合用小电容；电感用在大功率低频上。

2.磁珠

采用在高频段具有良好阻抗特性的铁氧体材料烧结面成，专用于抑制信号线、电源线上的高频噪声和尖峰干扰，还具有吸收静电脉冲的能力。

主要参数：

标称值：因为磁珠的单位是按照它在某一频率产生的阻抗来标称的，阻抗的单位也是Ω。一般以100MHz为标准，比如2012B601，就是指在100MHz的时候磁珠的阻抗为600Ω。

额定电流：额定电流是指能保证电路正常工作允许通过的电流。

3.电感与磁珠的区别

有一匝以上的线圈习惯称为电感线圈，少于一匝（导线直通磁环）的线圈习惯称之为磁珠；电感是储能元件，而磁珠是能量转换（消耗）器件；电感多用于电源滤波回路，磁珠多用于信号回路，用于EMC对策；磁珠主要用于抑制电磁辐射干扰，而电感用于这方面则侧重于抑制传导性干扰。两者都可用于处理EMC、EMI问题；电感一般用于电路的匹配和信号质量的控制上，在模拟地和数字地结合的地方用磁珠。

磁珠有很高的电阻率和磁导率，它等效于电阻和电感串联，但电阻值和电感值都随频率变化。它比普通的电感有更好的高频滤波特性，在高频时呈现阻性，所以能在相当宽的频率范围内保持较高的阻抗，从而提高调频滤波效果。

作为电源滤波，可以使用电感。磁珠的电路符号就是电感，但是型号上可以看出使用的是磁珠。在电路功能上，磁珠和电感是原理相同的，只是频率特性不同；磁珠由氧磁体组成，电感由磁心和线圈组成，磁珠把交流信号转化为热能，电感把交流存储起来，缓慢地释放出去。

磁珠对高频信号才有较大阻碍作用，一般规格有100Ω/100MHz，它在低频时电阻比电感小得多。铁氧体磁珠（Ferrite Bead）是目前应用发展很快的一种抗干扰组件，廉价、易用，滤除高频噪声效果显著，在电路中只要导线穿过它即可。当导线中电流穿过时，铁氧体对低频电流几乎没有什么阻抗，而对较高频率的电流会产生较大衰减作用。高频电流在其中以热量形式散发，其等效电路为一个电感和一个电阻串联，两个组件的值都与磁珠的长度成比例。磁珠种类很多，制造商应提供技术指标说明，特别是磁珠的阻抗与频率关系的曲线。

有的磁珠上有多个孔洞，用导线穿过可增加组件阻抗（穿过磁珠次数的平方），不过在高频时所增加的抑制噪声能力不可能如预期的多，而用多串联几个磁珠的办法会更好。

铁氧体是磁性材料，会因通过电流过大而产生磁饱和，导磁率急剧下降。大电流滤波应采用结构上专门设计的磁珠，还要注意其散热措施。

铁氧体磁珠不仅可用于电源电路中滤除高频噪声（可用于直流和交流输出），还可广泛应用于其他电路，其体积可以做得很小。特别是在数字电路中，由于脉冲信号含有频率很高的高次谐波，也是电路高频辐射的主要根源，所以可在这种场合发挥磁珠的作用。

电感是储能元件，而磁珠是能量转换（消耗）器件；电感多用于电源滤波回路，磁珠多用于信号回路，用于EMC对策；磁珠主要用于抑制电磁辐射干扰，而电感用于这方面则侧重于抑制传导性干扰。两者都可用于处理EMC、EMI问题。

磁珠用来吸收超高频信号，像一些RF电路、PLL、振荡电路、含超高频存储器电路（DDR SDRAM、Rambus等）都需要在电源输入部分加磁珠，而电感是一种蓄能元件，用在LC振荡电路、中低频的滤波电路等，其应用频率范围很少超过错50MHz。

模拟电路涉及弱小信号，但是数字电路门限电平较高，对电源的要求就比模拟电路低些。既有数字电路又有模拟电路的系统中，数字电路产生的噪声会影响模拟电路，使模拟电路的小信号指标变差，克服的办法是分开模拟地和数字地。

对于低频模拟电路，除了加粗和缩短地线之外，电路各部分采用一点接地是抑制地线干扰的最佳选择，主要可以防止由于地线公共阻抗而导致的部件之间的互相干扰。而对于高频电路和数字电路，由于这时地线的电感效应影响会更大，一点接地会导致实际地线加长而带来不利影响，这时应采取分开接地和一点接地相结合的方式。

另外对于高频电路还要考虑如何抑制高频辐射噪声，方法是尽量加粗地线，以降低噪声对地阻抗；满接地，即除传输信号的印制线以外，其他部分全作为地线。不要有无用的大面积铜箔。

地线应构成环路，以防止产生高频辐射噪声，但环路所包围面积不可过大，以免仪器处于强磁场中时，产生感应电流。但如果只是低频电路，则应避免地线环路。数字电源和模拟电源最好隔离，地线分开布置，如果有A/D，则只在此处单点共地。

低频中没有多大影响，但建议模拟和数字一点接地。高频时，可通过磁珠把模拟和数字地一点共地。

如果把模拟地和数字地大面积直接相连，会导致互相干扰。不短接又不妥，理由如上有四种方法解决此问题∶

（1）用磁珠连接；

（2）用电容连接；

（3）用电感连接；

（4）用0欧电阻连接。

磁珠的等效电路相当于带阻限波器，只对某个频点的噪声有显著抑制作用，使用时需要预先估计噪点频率，以便选用适当型号。对于频率不确定或无法预知的情况，磁珠不合。

电容隔直通交，造成浮地。

电感体积大，杂散参数多，不稳定。

0欧电阻相当于很窄的电流通路，能够有效地限制环路电流，使噪声得到抑制。电阻在所有频带上都有衰减作用（0欧电阻也有阻抗），这点比磁珠强。

数据信号失真的原因及解决方法

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