測量電路中的共地干擾問(wèn)題

引言

在電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的實(shí)踐過(guò)程中，往往會(huì )碰到很多干擾方面的問(wèn)題，這些問(wèn)題對產(chǎn)品的可靠性和性能指標都會(huì )產(chǎn)生嚴重影響，同時(shí)需要大量時(shí)間和資源去進(jìn)行排查修正，成為產(chǎn)品量產(chǎn)的瓶頸。在測試測量產(chǎn)品設計中，就是較為常見(jiàn)的一類(lèi)干擾。

共地干擾來(lái)源

共地干擾，又稱(chēng)公共地阻抗耦合干擾，是由于電路中的各類(lèi)信號共用地線(xiàn)或者地平面引起的。地線(xiàn)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(méi)有阻抗的，但是實(shí)際情況并非如此，不同信號的回流在地線(xiàn)上產(chǎn)生的壓降就會(huì )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(huì )產(chǎn)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(chǎn)生了一個(gè)誤差電壓。

圖1、真實(shí)的接地系統

對于而言，共地干擾不僅影響測量的精度，甚至因為無(wú)法穩定讀數而造成測量失敗。下面是一個(gè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的實(shí)際案例。

用RMS芯片進(jìn)行交流電壓的真有效值測量

在一個(gè)通過(guò)RMS專(zhuān)用芯片AD636測量交流電壓輸入信號時(shí)，發(fā)生一個(gè)故障現象：從電路一上電開(kāi)始，芯片輸出的有效值讀數就在緩慢地發(fā)生漂移，且變化速度時(shí)快時(shí)慢，沒(méi)有規律。由于這是一個(gè)精密測量電路，對測量精度要求較高，這樣的測量讀值無(wú)法到產(chǎn)品的規格和精度要求。因此必須加以改進(jìn)。

分析該電路的設計，圖2為該芯片的接線(xiàn)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(gè)正比于輸入有效值的信號以電流源的形式輸出，通過(guò)內接的一個(gè)RL負載電阻，將電流轉換為電壓。參照芯片的框圖說(shuō)明，Iout引腳正是這個(gè)輸出電壓，該信號接到后級電路進(jìn)一步處理。概括來(lái)說(shuō)，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(shí)線(xiàn)所示。

這種接線(xiàn)方法，從理論分析看不出有什么不妥之處。但是，在實(shí)際使用中，卻產(chǎn)生嚴重的問(wèn)題。原因何在?仔細查檢其PCB設計，發(fā)現由于板上器件物理布局的限制，其輸入信號Vac in是通過(guò)一條很長(cháng)的走線(xiàn)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(shuō)，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(huì )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(kāi)COM與RL的就近連接，單獨走一條地線(xiàn)到該引腳。如圖中虛線(xiàn)所示。雖然該走線(xiàn)最終也是連到GND地平面，但此時(shí)輸入信號的回流路徑已經(jīng)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(shí)踐表明，經(jīng)過(guò)這樣簡(jiǎn)單整改，故障完全消失，讀數非常精確和穩定。

圖2

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(kāi)，避免其他電路的干擾，能夠更準確地對信號進(jìn)行測量。表現在PCB設計上，就是不僅信號線(xiàn)要遠離干擾源，而且還要避免其回流路徑，就是信號的地線(xiàn)，受到共地干擾的影響。隨著(zhù)電子技術(shù)的發(fā)展，測試測量設備越來(lái)越趨向復雜和精密，干擾問(wèn)題也日益突出只有全面分析各種干擾的來(lái)源，采取有效的防范措施，才能開(kāi)發(fā)出穩定可靠的高質(zhì)量產(chǎn)品。

關(guān)于鼎陽(yáng)

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從2005推出第一款數字示波器產(chǎn)品至今，10年來(lái)鼎陽(yáng)科技一直是全球發(fā)展速度最快的數字示波器制造商。歷經(jīng)多年發(fā)展，鼎陽(yáng)產(chǎn)品已擴展到數字示波器、手持示波表、函數/任意波形發(fā)生器、頻譜分析儀、臺式萬(wàn)用表、直流電源等通用測試測量?jì)x器產(chǎn)品。2007年，鼎陽(yáng)與高端示波器領(lǐng)導者美國力科建立了全球戰略合作伙伴關(guān)系。2011年，鼎陽(yáng)發(fā)展成為中國銷(xiāo)量領(lǐng)先的數字示波器制造商。2014年，鼎陽(yáng)發(fā)布了中國首款智能示波器SDS3000系列，引領(lǐng)“人手一臺”型實(shí)驗室研發(fā)用示波器由功能示波器向智能示波器過(guò)渡的趨勢。目前，鼎陽(yáng)已經(jīng)在美國克利夫蘭和德國漢堡成立分公司，產(chǎn)品遠銷(xiāo)全球70多個(gè)國家，SIGLENT正逐步成為全球知名的測試測量?jì)x器品牌。

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