印制板中地线正确连接原则的讨论

赵 燕

(复旦大学信息科学与工程学院电子工程系,上海200433)

在电子信息类专业的高年级项目设计或毕业论文阶段,学生都会遇到印制板的制作。印制板是电子电路的承载体,板上的排版设计可以说是电路设计的最后一个环节,也是对原理电路的实现设计。要使电子电路获得最佳性能,板上元器件的布局及导线的排布是很重要的。其中,接地设计尤需讲究[1,2]。学生由于缺少经验,对电路和系统特性不够了解,往往会走弯路,导致调试工作受到影响,包括不能有效地避免测量误差。

本文通过一个典型的热电偶数字测温系统的实例,分析其地线连接方式,从而说明PCB中地线的正确连接原则。

1 问题的提出

地线是信号电流或电源电流回路的返回路径。一根地线只要存在阻抗,就会产生信号压降,容易受到噪声的干扰[3]。

图1所示是一个数字测温系统的原理图。图中包括了二个供电电源(5V的单电源提供给数字系统,正负12V的双电源提供给模拟电路)一个热电偶,一个增益为50和输入阻抗为1MΨ的放大器,还有 12bit的模数转换器,一个单片机MCU及LED显示器。

图1 一个数字测温系统的八个接地处

在这一系统中总共有 8个接地处,它们是:①+5V电源接地端;②+12V/-12V电源接地端;③热电偶接地端;④放大器运算电阻RA接地端;⑤模数转换器ADC的模拟接地端;⑥模数转换器ADC的数字接地端;⑦单片机MCU的接地端;⑧显示器LED的接地端。各接地线中的电流(数量级)的典型值分别为:热电偶为4×10-8A,放大器为2×10-5A,模数转换器的模拟地为10-3A,模数转换器的数字地为2×10-4A,单片机的地为10-2A,显示器的地为10-1A。这8个接地线最终必将接在一起,但是如何连接却很有讲究。

如果我们(如图2)随意地将这些地连接在一起,由于存在连线的接地电阻RS1～RS5,那么MCU和显示器的地电流将会流入到模拟电路的地线回路中。这个地电流(10-1数量级)在模拟电路的地线回路的电阻上将造成电压降。而这些电压降将叠加在热电偶的输出上(0～40mV)或运算放大器的输出(0～2000mV)中,导致一些不可接受的测量误差。

图2 错误接地方法示意图

现在,我们来计算这些接地电阻上的压降的大小。如果图2中 5个接地电阻 RS1～RS5都是由1mm宽、10cm长的PCB连接线产生,考虑到PCB铜箔厚度为34μ m,不难算出其电阻值约为50m Ψ。因此,显示器的地电流(100mA数量级)在其上的压降都是5mV左右。虽然,在 RS3、RS4、RS5上的压降对这些数字电路不会造成任何影响,因为数字电路的电压阈值远大于5mV。但是,在 RS1及RS2上的压降则会对系统造成严重问题。

这是因为热电偶输出仅为0～40mV,而RS1上的电压降将会使放大器的真正输入电压为(0～40mV)±5mV,其影响至少可达±12.5%。而在RS2上的压降将会出现在ADC的输入电压中,虽然影响较小:(0～2000mV)±5mV,最低约为 ±0.25%,但对ADC的输出也将超过10个digit位(4096×0.25%=10.2),同样很难令人接受。

2 问题的解决

正确的连接必须避免将大电流流入小信号的模拟电路地线中。图3为正确接法的示意图。

图3 正确接地方法示意图

在图3电路中,电源±12V的地端不与热电偶接地端及放大器运算电阻RA的地端直接相连,也不与 5V的地端直接相连,而是将其单点接地于ADC的模拟地G1。将ADC的数字地G2、MCU地G3和LED地G4汇聚。+5V单电源的接地端再与此汇聚点G4相连。于是,数字电路部分的电流如图3的箭头所示,就不会流经RS1和RS2了。结果在RS1和RS2阻值不变的情况下,两个电阻的压降分别只有2×10-9V与10-6V,与热电偶信号电压0～40mV与放大器0～2000mV相比完全可以忽略,从而大大减少了测量误差,给后续的微机处理提供了有效保障。

3 结语

为了设计制作出性能完美的印制板,必须合理设计元器件的布局和排线。现有的电路很多都是模拟和数字信号混合系统,在这样的环境中应该防止有较大的地电流(特别要避免数字电路中大的脉冲地电流)流入模拟电路的地线(特别是小信号模拟电路)中。可见我们必须遵循PCB设计中的这种重要原则,以便获取好的实用电路。

[1] 李敬伟,段维莲.电子工艺训练教程[M].北京:电子出版社,2006

[2] 杨刚,周群.电子系统设计与实践.[M].北京:电子出版社,2006

[3] 翟伟锋,王瑞鑫,关于PCB板接地设计的研究[J].深圳:电源世界,2008,07期