隨著計算機技術的不斷提高，高效能的模擬輸/輸出系統越來越受到重視。無論在模擬輸入系統還是在模擬輸出系統中，都存在著數碼訊號與模擬訊號共存的問題。尤其是對於一塊混合訊號的pcb（印刷電路板），模擬電路和數位電路交錯混雜。同數碼訊號相比，模擬訊號由於其雜訊免疫能力差，容易受到數字部分的高頻訊號的影響，更容易遭受干擾。因此，在模擬訊號和數碼訊號並存的混合訊號系統中，如何對二者劃分、處理，都要進行充分的考慮，才能提高模擬訊號採集的精度。而其中對系統「地」的設計是乙個很關鍵的問題。本文主要闡述了一種在pcb設計中比較特別的地平面鋪設方式—單點接地。
1 單點接地原理
現在越來越多的多層pcb 被用到各種工程應用中，4層、8層、12層的pcb 已經很常見了，甚至根據特殊應用需求，更多層的pcb 也被應用在工程中。 相對來說，4層板應用的最為廣泛。 使用多層印製板是為了得到更好的電磁相容性。 使得印製板在正常工作時能滿足所要求的電磁相容和敏感度標準。 正確的堆疊有助於遮蔽和抑制emi（電磁干擾）。 在4層的pcb 設計中， 硬體設計人員在分層時一般會使用如下的層劃分方式：signal_top、gnd、power、signal_bottom。
signal_top為頂層的訊號層，gnd為地層，power為電源層，signal_bottom為底層的訊號層。
這是最常用的層劃分方法，其中，對地層的處理通常的做法是給整個gnd 層全部覆銅，一方面起到遮蔽作用，另一方面可以給高頻數碼訊號乙個完整的回流路徑。
模擬訊號和數碼訊號都需要回流到地，但是，隨著數位電路工作速度的提高，訊號邊緣越來越陡峭，目前大多數工程設計中的數字系統的訊號邊緣都已達到了ps級別，從頻域來看，這種訊號有著非常豐富的高頻分量， 其頻譜範圍甚至可以達到幾十ghz。 正是由於數碼訊號變化速度快， 數字地上的浮動就比較大，從而造成數字地上引起的雜訊就會很大。 而對於混合訊號來說， 無論是數模轉換還是模數轉換』 運算放大器還是adc/dac，模擬訊號都是需要乙個純淨的地作為參考平面來工作的。
如果模擬地和數字地混在一起，雜訊就會影響到模擬訊號。所以，在混合訊號的pcb 設計中，要對數字地和模擬地進行劃分。 以資料採集板卡為例，在精度和速度要求不是很高的情況下，可以只是簡單的將地分割為數字地和模擬地，中間用瓷珠或者二極體連線，也可以直接一點短接，以減小數字地的波動對模擬地的影響。 但是在精度和速度都要求比較高的情況下，這種簡單的分割所起的作用就微乎其微了。 這時就要進行更精細的分割了。 首先將整個地先分成純數字地和模擬地，由於ad 晶元本身同時存在數字和模擬兩部分電路， 所以要再把模擬地細分成模擬部分的數字地和模擬部分的模擬地。圖1 就是一塊14 位資料採集卡的地層分割示意圖。 純數字地和模擬地之間用dc-dc 配合光藕實現完全的隔離， 而模擬部分的數字地和模擬部分的模擬地在ad 晶元的下方一點連通(單ad 晶元)。
圖1 資料採集卡地平面分割方法
在不考慮空間輻射的前提下， 我們來分析一下這種地平面分割方法。 數字部分本身對雜訊的免疫能力比較強，而模擬部分則不同，由於模擬部分的放大器、adc/dac 的參考電壓輸入端都需要乙個純淨的地平面做參考點， 而這部分的地恰恰又是最容易被「汙染」的。 所以純數字地和模擬部分的數字地在這裡暫不考慮。 我們只考慮模擬部分的地平面鋪設問題。
首先來看一下如圖2 所示的乙個典型資料採集卡的部分原理圖，其中x、y、z分別為完成特定功能的電路(或者是晶元)。
幾部分電路和供電電源的低端都標有等電勢符號， 表明所有的接地符號都處於同乙個電位。 在實際的pcb 設計中，我們在對電路進行布圖佈線時， 一般都會採用如圖3所示的連線方法(用導線和通過地平面連線原理是一樣的)。
圖3 用導線連線的地線示意圖
由於有完整的地平面，所以，在進行pcb 設計時通常是將signal_top或者signal_bottom層中各器件的地都直接就近打在地層上，採用這種接地方法的目的就是要保證各接地點的對地阻抗盡量小。這樣各部分電路的等電勢端之間用導線（地層同樣可以看作是導線的，只是電阻要小些）連線。
但是，當考慮導線（地平面）及過孔上的電阻時情況就不一樣了。如圖4所示。
圖4 一般佈線方法
考慮到各段之間的電阻，則在各部分電路作為參考點的接地端就有了變化，假設各段的電阻為3.2mω這個數值是根據18#導線的電阻值計得來，那麼電路z接地端就大約有個1mv的電壓偏置，電路y接地端的電壓偏置達到了700μv。小功率（或許是小訊號）電路x的地端的偏置大約是352μv。如果x是乙個運算放大器，它的正輸入端接到本身的接地點，則相加點對以供電電源的地平面做參考點訊號源就會產生乙個325mv 的偏置，同時由於放大電路的存在，整個誤差會被再次放大。同樣，如果z是一adc，則相當於在其外部參考電壓輸入管腳的地平面上加上了乙個1mv的偏置。以14位資料採集系統為例，假設,其輸入範圍為+5v>-5v（即量程為10v），通過計算（計算公式為：量程/214）可知其lsb為0.61mv，即使是在沒有任何其他損失的情況下，adc（模數轉換晶元）已經損失了一位半，接近兩位。相當於只使用了乙個12解析度的adc，整個系統的精度不可能再達到14位。所以說，在乙個解析度為14位或者更高位的資料採集系統中，這種,情況是絕對不允許的。改善這種狀況的方法如圖5所示。
圖5單點接地電路
電壓基準電路是使用national semiconductor的lf442搭建的，可以進行微調，以保證輸出的精度。
由於板卡上有兩個da晶元，所以在進行pcb設計時將每個dac的周邊電路的模擬地通過導線直接連線到dac的模擬地上，然後在兩個dac中間通過一點與模擬部分的數字地連線。
根據以上研究的混合訊號地平面分割以減小干擾的方法，得到如下實際佈線圖如圖6所示。（圖中只畫出了乙個dac及其周圍電路的地的連線情況）。
每個器件（包括其周圍電容）的接地端分別用很粗的導線連線到ad或者是da 的模擬地上，所有的地都在ad或者da的下面與數字地一點連線。
圖6 實際佈線
最後的除錯結果表明：在使用了單點接地的地平面處理方法後，精度得到了很好的控制，達到了萬分之一，滿足了設計要求，而且非常穩定。
3 結束語
隨著工業現場對於a/d、d/a系統的需求越來越多，標準也越來越高，更高速度和精度的a/d、d/a系統的需求也在增大，而地平面的處理恰恰就是制約速度和精度不斷提公升的瓶頸。本文研究的混合訊號地平面處理方法已在多個工程中得到應用，並取得了很好的效果。
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