模拟信号和数字信号之间的相互转换原理

数字信号和模拟信号如何降低数字信号和模拟信号间的相互干扰呢？在设计之前必须了解电磁兼容(EMC)的两个基本原则：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。 有人建议将混合信号电路板上的数字地和模拟地分割开，这样能实现数字地和模拟地之间的隔离。尽管这种方法可行，但是存在很多潜在的问题，在复杂的大型系统中问题尤其突出。最关键的问题是不能跨越分割间隙布线，一旦跨越了分割间隙布线，电磁辐射和信号串扰都会急剧增加。在PCB设计中最常见的问题就是信号线跨越分割地或电源而产生EMI问题。 如图1所示，我们采用上述分割方法，而且信号线跨越了两个地之间的间隙，信号电流的返回路径是什么呢？假定被分割的两个地在某处连接在一起(通常情况下是在某个位置单点连接)，在这种情况下，地电流将会形成一个大的环路。流经大环路的高频电流会产生辐射和很高的地电感，如果流过大环路的是低电平模拟电流，该电流很容易受到外部信号干扰。最糟糕的是当把分割地在电源处连接在一起时，将形成一个非常大的电流环路。另外，模拟地和数字地通过一个长导线连接在一起会构成偶极天线。了解电流回流到地的路径和方式是优化混合信号电路板设计的关键。许多设计工程师仅仅考虑信号电流从哪儿流过，而忽略了电流的具体路径。如果必须对地线层进行分割，而且必须通过分割之间的间隙布线，可以先在被分割的地之间进行单点连接，形成两个地之间的连接桥，然后通过该连接桥布线。这样，在每一个信号线的下方都能够提供一个直接的电流回流路径，从而使形成的环路面积很小。 采用光隔离器件或变压器也能实现信号跨越分割间隙。对于前者，跨越分割间隙的是光信号；在采用变压器的情况下，跨越分割间隙的是磁场。还有一种可行的办法是采用差分信号：信号从一条线流入从另外一条信号线返回，这种情况下，不需要地作为回流路径。 要深入探讨数字信号对模拟信号的干扰必须先了解高频电流的特性。高频电流总是选择阻抗最小(电感最低)，直接位于信号下方的路径，因此返回电流会流过邻近的电路层，而无论这个临近层是电源层还是地线层。 在实际工作中一般倾向于使用统一地，而将PCB分区为模拟部分和数字部分。模拟信号在电路板所有层的模拟区内布线，而数字信号在数字电路区内布线。在这种情况下，数字信号返回电流不会流入到模拟信号的地。 只有将数字信号布线在电路板的模拟部分之上或者将模拟信号布线在电路板的数字部分之上时，才会出现数字信号对模拟信号的干扰。出现这种问题并不是因为没有分割地，真正的原因是数字信号的布线不适当。 PCB设计采用统一地，通过数字电路和模拟电路分区以及合适的信号布线，通常可以解决一些比较困难的布局布线问题，同时也不会产生因地分割带来的一些潜在的麻烦。在这种情况下，元器件的布局和分区就成为决定设计优劣的关键。如果布局布线合理，数字地电流将限制在电路板的数字部分，不会干扰模拟信号。对于这样的布线必须仔细地检查和核对，要保证百分之百遵守布线规则。否则，一条信号线走线不当就会彻底破坏一个本来非常不错的电路板。 在将A/D转换器的模拟地和数字地管脚连接在一起时，大多数的A/D转换器厂商会建议：将AGND和DGND管脚通过最短的引线连接到同一个低阻抗的地上(注：因为大多数A/D转换器芯片内部没有将模拟地和数字地连接在一起，必须通过外部管脚实现模拟和数字地的连接)，任何与DGND连接的外部阻抗都会通过寄生电容将更多的数字噪声耦合到IC内部的模拟电路上。按照这个建议，需要把A/D转换器的AGND和DGND管脚都连接到模拟地上，但这种方法会产生诸如数字信号去耦电容的接地端应该接到模拟地还是数字地的问题。 如果系统仅有一个A/D转换器，上面的问题就很容易解决。如图3中所示，将地分割开，在A/D转换器下面把模拟地和数字地部分连接在一起。采取该方法时，必须保证两个地之间的连接桥宽度与IC等宽，并且任何信号线都不能跨越分割间隙。 如果系统中A/D转换器较多，例如10个A/D转换器怎样连接呢？如果在每一个A/D转换器的下面都将模拟地和数字地连接在一起，则产生多点相连，模拟地和数字地之间的隔离就毫无意义。而如果不这样连接，就违反了厂商的要求。 最好的办法是开始时就用统一地。如图4所示，将统一的地分为模拟部分和数字部分。这样的布局布线既满足了IC器件厂商对模拟地和数字地管脚低阻抗连接的要求，同时又不会形成环路天线或偶极天线而产生EMC问题。 如果对混合信号PCB设计采用统一地的做法心存疑虑，可以采用地线层分割的方法对整个电路板布局布线，在设计时注意尽量使电路板在后边实验时易于用间距小于1/2英寸的跳线或0欧姆电阻将分割地连接在一起。注意分区和布线，确保在所有的层上没有数字信号线位于模拟部分之上，也没有任何模拟信号线位于数字部分之上。而且，任何信号线都不能跨越地间隙或是分割电源之间的间隙。要测试该电路板的功能和EMC性能，然后将两个地通过0欧姆电阻或跳线连接在一起，重新测试该电路板的功能和EMC性能。比较测试结果，会发现几乎在所有的情况下，统一地的方案在功能和EMC性能方面比分割地更优越。 分割地的方法还有用吗？ 在以下三种情况可以用到这种方法：一些医疗设备要求在与病人连接的电路和系统之间的漏电流很低；一些工业过程控制设备的输出可能连接到噪声很大而且功率高的机电设备上；另外一种情况就是在PCB的布局受到特定限制时。 在混合信号PCB板上通常有独立的数字和模拟电源，能够而且应该采用分割电源面。但是紧邻电源层的信号线不能跨越电源之间的间隙，而所有跨越该间隙的信号线都必须位于紧邻大面积地的电路层上。在有些情况下，将模拟电源以PCB连接线而不是一个面来设计可以避免电源面的分割问题。 混合信号PCB设计是一个复杂的过程，设计过程要注意以下几点： 1将PCB分区为独立的模拟部分和数字部分。 2合适的元器件布局。 3A/D转换器跨分区放置。 4不要对地进行分割。在电路板的模拟部分和数字部分下面敷设统一地。 5在电路板的所有层中，数字信号只能在电路板的数字部分布线。 6在电路板的所有层中，模拟信号只能在电路板的模拟部分布线。 7实现模拟和数字电源分割。 8布线不能跨越分割电源面之间的间隙。 9必须跨越分割电源之间间隙的信号线要位于紧邻大面积地的布线层上。 10分析返回地电流实际流过的路径和方式。 11采用正确的布线规则 模拟地和数字地是不是要隔开，最后用一点连接起来？1我觉的是这样的，最后要用个电阻连起来（0欧），也可以用磁珠，从资料上看还是用电阻好。有不对的地方请指教2我以前所做PCB的数字地与模拟地都是用一个0欧电阻相连，这是我个人经验呀3数字电路接地和模拟电路接地最好的用磁珠串在一起!4我所见大部分是用一点连接5用0 ohm电阻连接和直接用一点连接有什么差别吗我看到的扳子一般是用FB连接的6个人认为，地平面单点连接就可以了，电源用派型滤波电路连进来因为模拟区还是有一些信号线要出去的，所以地平面就不能完全割断，否则就跨分割了还望高手指教！7应该外接个0欧姆的电阻的，我见过的板子几乎都是这样接的8一般情况下模拟地和数字地分开用什么连接只要别全部混在一起就好，又是时候又需要混在一起，这个没准的，通常小系统的密度大的板子，我看直接共地会更好，我这都是从高手那听说的！9我个人觉得不需要0欧姆电阻的如果用0欧姆电阻，它的通流能力还是蛮强的，因为0欧姆电阻上压降很小，所以流过较大电流时功耗也不大10偶的设计曾经用模数分开、单点FB连通的方式，效果还可以。现在做的设计是统一地平面，尚未测试，不知道行不行。不过，最好的设计是模数器件分区放置，而不一定要分割地平面。个人认为：如果害怕数字信号干扰模拟信号，可以采用保护线的做法11数字和模拟两部分之间，如果互连信号太多，而且分布不集中、没规则，不要分割地。数字、模拟电路布局分配在各自区域，地则是统一起来。（个人意见，不对之处还望大家指正！）12字和模拟两部分之间，如果互连信号太多，而且分布不集中、没规则，不要分割地。数字、模拟电路布局分配在各自区域，地则是统一起来。同意这个观点,但是不明白为什么不分割也可以请假高手13在单面板和双面板中没有地平面层，所以为减少数字和模拟之间干扰要采取单一节点连接，避免多节点。在4层以上的板，都有地平面，保持地信号的完整和信号回路最短是关键。在高速数字电路中，信号是选择最近的下面平面作为回路的。分割地是在一定程度上延续过去的概念，从理论上讲，信号跨越分割线会导致信号地回路增大，影响地信号。由于分割地也不连续。但是电路的复杂程度增加，数字模拟芯片越来越多混合在一起，要想让所有的信号都避免跨越分割线是非长困难的。这就出现了统一地的方法，将数字电路放在一个区，模拟电路放在一个区，中间放数模电路，采取统一地，地信号会更完整。根本的目的是保持地的连续和信号完整，分割地只是我们曾经使用过的一个手段，现在采取统一地也是一个新的手段。从新的研究来看，统一地是比较好的选择，但是需要仔细布局。14本人认为那不是0欧电阻，而是磁株。15我经常做的是LCDTV的主板,大多板子我都是不分地的,只是placement时注意分模块放置就好了,往往不分比分了好,而且设计后面也省事15我也这么认为，最好不分，数字，模拟部分布局和走线分数字，模拟部分，地则统一16其实在一个电路系统里，只有一个参考平面，一个地。如果有两个地的话，那么整个系统怎么联系呢？17觉得还是完整的地平面好，数字器件模拟期间尽量分开放，效果是不错的，我们在电脑主板上不分割地了

在PCB上怎样设计“数字地和模拟地“：

方法一：按电路功能分割接地面

分割是指利用物理上的分割来减少不同类型线之间的耦合，尤其是通过电源线和地线的耦合。按电路功能分割地线例如图所示，利用分割技术将4个不同类型电路的接地面分割开来，在接地面用非金属的沟来隔离四个接地面。每个电路的电源输入都采用LC滤波器，以减少不同电路电源面间的耦合。对于各电路的LC滤波器的L和C来说，为了给每个电路提供不同的滤波特性，最好采用不同数值。高速数字电路由于其具有高的瞬时功率，高速数字电路放在电源入口处。接口电路考虑静电释放（ESD）和暂态抑制的器件或电路等因素，位于电源的末端。

在一块印刷电路板上，按电路功能接地布局的设计例如图所示，当模拟的、数字的、有噪声的电路等不同类型的电路在同一块印刷电路板上时，每一个电路都必须以最适合该电路类型的方式接地。然后再将不同的地电路连接在一起。

二．采用局部接地面

振荡器电路、时钟电路、数字电路、模拟电路等可以被安装在一个单独的局部接地面上。这个局部接地面设置在PCB的顶层，它通过多个通孔与PCB的内部接地层（0V参考面）直接连接，一个设计例如图5720所示。

将振荡器和时钟电路安装在一个局部接地面上，可以提供一个镜像层，捕获振荡器内部和相关电路产生的共模RF电流，这样就可以减少RF辐射。当使用局部接地面时，注意不要穿过这个层来布线，否则会破坏镜像层的功能。如果一条走线穿过局部化接地层，就会存在小的接地环路或不连续性电位。这些小的接地环路在射频时会引起一些问题。

如果某器件应用不同的数字接地或不同的模拟接地，该器件可以布置在不同的局部接地面，通过绝缘的槽实现器件分区。进入各部件的电源电压使用铁氧体、磁珠和电容器进行滤波。一个设计例如图5721和图5722所示。

三：PCB采用“无噪声”的I/O地与“有噪声”的数字地分割设计

为了使用电缆去耦或屏蔽技术来抑制共模噪声，在PCB设计时，需要考虑为电缆的去耦（将电流分流到地）和屏蔽提供没有受到数字逻辑电路噪声污染的“无噪声”或者“干净”的地。

一个电路中会有很多地，其中可以按信号类型分成模拟地，数字地两类，当然，每种地在图上可能不止一处。
下面，你仔细看清楚：
所谓单点接地的意思是：所有的模拟地都拉出线，到同一个点汇总。
而不是以下的做法：A、B都是模拟地，C是模拟地的汇总端，B是直接接到C，而A是借用了BC的通路到地。应该是A、B都有单独线路到C汇总，除了C点外，AB不再有任何连接端。
实际中，模拟地和数字地之间也要用磁珠什么隔离的。

有时候一个电路中既有数字电路又有模拟电路，这个时候画
PCB
的时候要注意区分这两个
地，必要的时候要分离开来画
PCB
地线，但最终需要用
0
欧姆电阻连接起来，主要原因是
让电路避免不必要的信号干扰这是非常
important
！
！
！可以这么说电路中的一切干扰均由于
地线干扰。听我一一道来：

1
：理论上我们一般认为只要是个地线电位就是
0
了，这是理论

2
：真实情况是什么样的呢：从电源地开始后面都是负载，可以说电源地才是真的地，我们
经常将一处电路的地经过一个导线接到电源地上，
但是不可否认中间是有一段铜线的，
这段
铜线我们一般认为电阻为
0
，其实不然，理论是铜线越细越长电阻越大，所以到你电路上的
真实地有可能都是
03V
了
（注意：
这只是打比方）
，
在模拟电路中有时候只是电压高低而已，
如果这个电平继续扩大，
在数字电路中就危险了，
有可能进来的是低电平，
经过这个提压已
经变成了高电平，造成信号不能正确识别。

3
：所谓的数字地和模拟地只是概念，只要你能保证地的电平为真实的
0V
，其实数字模拟地
都一样，但是印制
PCB
的时候我们为了避免不必要的麻烦，或者让数字电路和模拟电路都
有一个统一的电平地，故意区分开来，避免电路信号干扰

4
：也许你想知道的只是：可以！两个都接到一起然后接到电源地就
OK
。

Do you understand
追问

那要怎么保证真实地为
0V
呢？

谢谢

回答

严格意义上没有真实
0V
，你要明白电压永远都是相对值。

但是我们可以假设电源输入的地就是
0V
，我们能发挥主动性的部分就是电路设计，比如加
大电线的宽度，
覆铜等等，
或者数字地尽量做到一起保证大家都是同一个电位，
我们能做到
的就是这个，
因为你的板子上面永远是一个压差。
如果您想仔细理解，
还需要多看模电和电
工理论知识，做一个电路也会理解更多。

这个问题的扩展：电源地是哪里来的？欢迎你继续深入学习，祝您学业有成

首先，让我们了解一下为什么数模地引起工程师的注意。其中很大部分是来源于元器件（例如ADC）电源引脚和接地引脚的名称。其实模拟地和数字地的引脚名称表示内部原件本身的作用，但是未必意味着外部应该按照内部作用去做。芯片内部有数模电路两部分，为了避免数字信号耦合到模拟电路中去，数字地和模拟地是分开的，我个人认为准确说是分区，但是内部数模地是相连的，我用万用表测量过某些芯片，例如：ADV7180、KS8995、TLK2541等等，内部是相连的。我们谈谈以上的两种数模地的连接优缺点：用电感或则磁珠连接顾名思意是将数模在PCB板的某一点用电感或则磁珠相连，这样看似解决了数字信号干扰模拟电路，但是却产生了新的问题---EMI。高频的静电放电干扰电流流过电感或则磁珠时，会在电感或则磁珠两端产生压降，如果是高压测试，那么两端电压很高，不能很快释放到底，会损坏芯片或则设备重启。我个人倾向于直接相连或则桥连，这样也解决了回路的问题，避免了产生辐射，数模地等电位，没有压降或则很小，这样在做高压测试的时候，不会影响设备，损坏芯片。只要注意合理的分区或则壕沟桥连，就可了。这种方法的前提做好数模分区。但是电源还是要分开，更为保险的办法是使用单独的电源，但是成本升高。一般常用的就是用一个铁氧体环把模拟电源和数字电源隔离。数字地与模拟地的最佳接合点一般在供电电源的入口处，这样模拟回路和数字回路间的耦合最小，数字电路对模拟电路的干扰最小。如果分割面做得好，两者的驱动电流和回路电流不互相穿插，是不会有大的电流环路存在的。基本原理就是这样，但在实际应用中却很难办，难就难在模拟和数字部分的交叉连接，没有办法将两者实际隔离开，如果在参考面上将两者强行隔离，势必造成很大的电流环路，效果反而不如不分割的好。所以，在实际中，要特别小心选择分割的形式、部位，即能让两者较好的隔离，又不阻碍驱动电流和回路电流的流动。用电感或者磁珠做连接的好处是可以隔离数字部分的高频噪声，保持模拟电路地的干净。

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