第３２卷第４期 ２０１０年８月 电气电子教学学报 Ｖｏ１．３２ ＮＯ．４ Ａｕｇ．２０１０ Ｊ０ＵＲＮＡＬ ０Ｆ ＥＥＥ 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） 摘要：印制板的接地方式非常重要，如果地线布线不合理，就可能引起不可接受的测量误差。本文通过一个典型的热电偶数字测温系统的地 线连接的分析，来说明ＰＣＢ中地线正确连接的重要性和接地原则。文章说明了在模拟和数字信号混合系统中连接ＰＣＢ地线对，应该防止有较 大的地电流，特别是应防止数字电路中大的脉冲地电流流人模拟电路的地线中，尤其不应流入小信号模拟电路的地线中。 关键词：印制板；地线布线；测量误差 中图分类号：ＴＮ９９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００８—０６８６（２０１０）０４—００７９—０２ Ｄｉｓｃｕｓｓ ａｂｏｕｔ Ｒｉｇｈｔ Ｇｒｏｕｎｄ Ｗｉｒｅ Ｄｅｓｉｇｎ ｉｎ ＰＣＢ Ｚｈａｏ Ｙａｎ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｅ．Ｅ ｏｆ Ｆｕｄａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００４３３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｔ ｉｓ ｖｅｒｙ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｏｆ ｇｒｏｕｎｄｉｎｇ ｍａｎｎｅｒ ｏｆ ＰＣＢ．Ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｅｒｒｏｒ ｗｉｌｌ Ｏｃｃｕｒ ｉｆ ｇｒｏｕｎｄ ｗｉｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ｉｓ ｉｍｐｅｒｔｉｎｅｎｃｙ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｓ ｔｈｅ ｒｉｇｈｔ ｇｒｏｕｎｄｉｎｇ ｄｅｓｉｇｎ ｕｓｉｎｇ ａ ｔｙｐｉｃａｌ ｔｈｅｒｍｏｍｅｔｒｉｃ ｓｙｓｔｅｍ， ａｎｄ ｅｘｐｌａｉｎｓ ｔｈａｔ ｓｔｒｏｎｇｅｒ ｇｒｏｕｎｄ ｃｕｒｒｅｎｔ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｐｕｌｓｅ ｇｒｏｕｎｄ ｃｕｒｒｅｎｔ ｏｆ ｄｉｇｉｔａｌ ｃｉｒｃｕｉｔ ｍｕｓｔ ｂｅ ａｖｏｉ— ｄｅｄ ｔｏ ｆｌｏｗ ｉｎｔｏ ｇｒｏｕｎｄ ｗｉｒｅ ｏｆ ａｎａｌｏｇ ｃｉｒｃｕｉｔ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｏｆ ａｎａｌｏｇ ｃｉｒｃｕｉｔ ｗｉｔｈ ｗｅａｋ ｃｕｒｒｅｎｔ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＰＣＢ，ｇｒｏｕｎｄ ｗｉｒｅ ｄｅｓｉｇｎ，ｍｅａｓｕｒｅ ｅｒｒｏｒ 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 到噪声的干扰＿３】。 图ｌ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５Ｏ和输入阻抗为１Ｍｆｌ的放大器， 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＿】 ］。学生由于缺少经验，对电路和系统特性不 还有１２ｂｉｔ的模数转换器，一个单片机ＭＣＵ及 ＬＥＤ显示器。 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；②十１２Ｖ／～１２Ｖ电源接地端； ③热电偶接地端；④放大器运算电阻Ｒ 接地端； 根地线只要存在阻抗，就会产生信号压降，容易受 收稿日期：２００９—１１－２３；修回日期：２０１０－３—１５ 作者简介：赵燕（１９６５一），女，硕士，工程师，主要从事电子信息技术的研究．Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈａｏｙａｎ＠ｆｕｄａｎ．ｅｄｕ．ＣＩＩ ８０ 电气电子教学学报 第３２卷 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４×１Ｏ Ａ，放大器 为２×１Ｏ Ａ，模数转换器的模拟地为１０＿ Ａ，模数 转换器的数字地为２×１Ｏ Ａ，单片机的地为 １０～Ａ，显示器的地为１Ｏ Ａ。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Ｒ ～Ｒ岛，那么ＭＣＵ 和显示器的地电流将会流人到模拟电路的地线回 路中。这个地电流（１０ 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。 ２Ｖ ‘… ＋—— 图２错误接地方法不意图 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Ｒｓ ～Ｒｓ 都是由 ｌｍｍ宽、１０ｃｍ长的ＰＣＢ连接线产生，考虑到ＰＣＢ 铜箔厚度为３４／￣ｍ，不难算出其电阻值约为５０ｍｆ￣。 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Ｒ 。、Ｒ 、Ｒｓ 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Ｒ 及Ｒｓ 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Ｒｓ 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 Ｒ 。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 ９／６＝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人小信号的模 拟电路地线中。图３为正确接法的示意图。 一５Ｖ ＋５Ｖ ｔ５Ｖ Ｔ 一 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Ｒ 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Ｇ 。将ＡＤＣ的数字地Ｇ 、ＭＣＵ地 Ｇ。和ＬＥＤ地Ｇ 汇聚。＋５Ｖ单电源的接地端再与 此汇聚点Ｇ 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Ｒ 和Ｒ 了。结果在 Ｒ 和Ｒ 阻值不变的情况下，两个电阻的压降分别 只有２×１０ Ｖ与１Ｏ一 Ｖ，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）流人模拟电路的地线（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。 参考文献ｉ Ｅ１］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Ｉ－Ｊ］．深圳：电源 世界，２００８，０７期