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技術論壇

測量電路中的共地干擾問題

來源: 時間:2022-03-24 14:15:34 瀏覽次數:

一、引言

在電子產品開發的實踐過程中,往往會碰到很多干擾方面的問題,這些問題對產品的可靠性和性能指標都會產生嚴重影響,同時需要大量時間和資源去進行排查修正,成為產品量產的瓶頸。在測試測量產品設計中,共地干擾就是較為常見的一類干擾。

二、共地干擾來源

共地干擾,又稱公共地阻抗耦合干擾,是由于電路中的各類信號共用地線或者地平面引起的。地線作為公共的信號回流路徑或者參考平面,理論上是應該是沒有阻抗的,但是實際情況并非如此,不同信號的回流在地線上產生的壓降就會成為彼此的干擾,如果信號的采樣,調理電路,或者PCB設計不合理,對于敏感微弱的小信號,就會產生明顯影響。如圖1所示,其它電路的回流電流i在信號回路上產生了一個誤差電壓。


圖1 真實的接地系統


對于測量電路而言,共地干擾不僅影響測量的精度,甚至因為無法穩定讀數而造成測量失敗。下面是一個產品開發中的實際案例。

三、用RMS芯片進行交流電壓的真有效值測量

在一個通過RMS芯片AD636測量交流電壓輸入信號時,發生一個故障現象:從電路一上電開始,芯片輸出的有效值讀數就在緩慢地發生漂移,且變化速度時快時慢,沒有規律。由于這是一個精密測量電路,對測量精度要求較高,這樣的測量讀值無法到產品的規格和精度要求。因此必須加以改進。

分析該電路的設計,圖2為該芯片的接線示意圖。標記為Iout,RL,COM的分別是管腳10,1,2.其中Iout是RMS輸出電流管腳,RL為負載電阻管腳,COM管腳為公共管腳。該芯片的工作原理是將一個正比于輸入有效值的信號以電流源的形式輸出,通過內接的一個RL負載電阻,將電流轉換為電壓。參照芯片的框圖說明,Iout引腳正是這個輸出電壓,該信號接到后級電路進一步處理。概括來說,Vac in與COM構成輸入測量信號,COM為輸入參考地,Iout與RL構成輸出信號,RL為輸出參考地。按照芯片的推薦使用方法,將RL和COM管腳接在一起,并就近接入電路的參考地GND,如圖中實線所示。

這種接線方法,從理論分析看不出有什么不妥之處。但是,在實際使用中,卻產生嚴重的問題。原因何在?仔細查檢其PCB設計,發現由于板上器件物理布局的限制,其輸入信號Vac in是通過一條很長的走線連接到AD636芯片的,而其參考地則就近接入地平面GND上,離取樣信號的參考地距離相當遠。也就是說,輸入信號的回流路徑是與板上其他電路共用的,共地干擾就會疊加到輸入信號上,從而出現故障。

解決該故障的措施是斷開COM與RL的就近連接,單獨走一條地線到該引腳。如圖中虛線所示。雖然該走線終也是連到GND地平面,但此時輸入信號的回流路徑已經改變,不再與其他電路共用地平面回流,因此也就不存在共地干擾的影響。實踐表明,經過這樣簡單整改,故障完全消失,讀數非常和穩定。



圖2


四、結論

在精密測量電路中,將被測信號回路與其他功能回路分開,避免其他電路的干擾,能夠更準確地對信號進行測量。表現在PCB設計上,就是不僅信號線要遠離干擾源,而且還要避免其回流路徑,就是信號的地線,受到共地干擾的影響。隨著電子技術的發展,測試測量設備越來越趨向復雜和精密,干擾問題也日益突出只有分析各種干擾的來源,采取有效的防范措施,才能開發出穩定可靠的高質量產品。



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