电路设计为什么要分数字地和模拟地？如何对模拟地与数字地隔离？

Posted 2021-03-02 wishengine

　　做过电路设计的同学都会知道，电路设计中对于数字地，模拟地和电源地的区分在某些应用中要求是十分严格的。有的同学就会不明白：那么这些地有什么区别呢，为什么要区分这些地呢？

　　首先要明确数字（DIGTAL）和模拟（ANALOG）的概念。

　　所谓数字，即0和1、真（TRUE）和假（FALSE）、低（LOW）和高（HIGH）。也就是说在数字电路里，1代表着高电平，0代表着低电平在不同的数字电路中，这些高电平代表的范围也不同。现在我们参考常用的TTL电平，在TTL电平中+5V代表高电平即1，0V代表低电平即0。但是实际中高低电平是有一个范围的，例如0~0.8V都是低电平，当这个范围内的电压输入到数字器件里，比如我输入0.2V就会被识别为低电平，高电平也是同理。通过这个例子可以看出来数字电路对于噪声是有一定的容忍能力的。

　　所谓模拟，就是线性的量，只要是线性变化的就可以看做是模拟量。例如电压、电流就是典型的模拟量。很多模拟器件输出都是电压。模拟量不同于数字，它对于噪声是零容忍，对于模拟量来说，噪声越低越好，对于数字量而言0.2V的噪声可能不会带来什么影响，但是对于模拟量来说，0.2V的噪声就会对结果造成十分巨大的误差。例如我使用STM32的ADC来读取光强传感器的数值 ，STM32ADC的读取范围是0~3.3V，假设本来我读出来的光强转换为电压为0.4V，这个时候来一个0.2V的噪声，就变成了0.2V或者0.6V，相比0.4V来说就产生了50% 的误差，最终我转换出来的光强值就相差了50%。从这个例字就可以看出来，模拟量对噪声是不可容忍的。

　　既然明白了模拟和数字，那么为什么他们要隔离呢？既然都知道数字是无数的0和1组成的，那么也以将数字量看成无数脉冲。根据信号与系统中学习的傅里叶变换，这些脉冲是可以分解成无数频率不同的正弦/余弦曲线的，也就是噪声。如果将数字地与模拟地直接相连，这些噪声将会进入模拟端，对模拟量产生影响。所以，模拟地和数字地要进行隔离。

　　常见的模拟地与数字地的隔离方式有：串联一个小磁珠或者电感在模拟地与数字地中间，设置一小块铜皮连接模拟地与数字地。串联一个0R电阻在数字地与模拟地中间。

　　先来看串联磁珠和电感。这两个相当于带阻限波器，只对某个频点的噪声有显著的抑制作用，选用这种隔离方式的时候，要计算噪声的主要频率为多少，选择合适型号的磁珠或电感，如果对于噪声频率来源、计算都不确定，那么不建议使用这种方法；

　　0R电阻相当于很窄的电流通路，使用0R电阻对任意频带上的噪声都有衰减作用，设置一小块铜皮的作用类似串联0R电阻。

　　至于电源地，这个可以直接和数字地相连，但是要注意电源地中的电流回路，要设计好电源地中通过大电流的路径。一般有两种方式，第一种是大电流环绕板子一圈，第二种是大电流从输入端引向板子中心，然后呈树干状发散，最后汇聚在一起。