什么是板间接口信号？

　　1.1.8 板间接口信号
　　有一类信号我们还没有讨论到，那就是在某个装置中从一块电路板传送到另一块电路板的那些信号。一般这些信号是已经处理过的数字控制信号或模拟信号，因此电平不会很低，不容易受地噪声的影响，电流也不会太高而产生显著的噪声。为了全面地考察地回路，这些信号不应该被遗漏：问题是，对它们要做些什么？
　　答案通常是什么也不做。如果板间信号明确不包含地回路，那么信号返回电流必须沿电源连线流动，因此接口将承受这些线上存在的所有地注入噪声Vn（图1.12）。
　　
　　图1.12 板间的地噪声。
　　不过如果你的接地方案是经过深思熟虑的，那么这些噪声可能还不足以影响接口的工作。例如，100mV的噪声串行注入到噪声余量为1V的CMOS逻辑接口是没有直接影响的。或者，交流噪声注入到接口输入端采用了很好滤波的直流模拟信号也是可以忍受的。
　　分割信号回路
　　偶然会有长距离地回路的情况，这对接口是不太好的。典型情况有：
　　● 当传送的是高速数字信号，而地回路又具有太大电感时，将导致信号过渡处发生振铃；
　　● 当连接的是不能忍受注入噪声的精密模拟信号或低电压直流差分信号时。
　　如果你试图为感兴趣的信号提供局部板间地线来解决这些问题的话，你可以需要冒为电源返回电流提供另一条路径的风险，从而达不到局部地线的目的。只有一部分电源返回电流将在本地链路中流动（图1.13），具体比例取决于相关阻抗，你可能会退回到起点。
　　
　　图1.13 经过板间链路的电源返回电流。
　　如果你真的需要局部信号回路，但地返回电流用起来又有麻烦，那么你可以采用下面两种方法：
　　● 将接口输入侧的地回路（图1.14）和PCB上的其它地分割开来。这样做可以具有将板内的地噪声注入点移到输入缓冲器之后的效果，从而达到你的目的。这种方案在实施时需要在空隙X-X中放置一个几欧姆的“阻塞”电阻。这样可以阻止直流地的电流流动，因为它的阻抗相对高于正确地路径的阻抗，但它在高频时能有效地将输入缓冲器连接到其父地，如果板间链路断开时能够防止它悬浮。
　　● 在接口处使用差分连接。这时的信号电流是平衡的，不需要地回路。任何地噪声都以共模方式注入，并被输入缓冲器所抵消。当高速或低电平信号必须相隔一定距离通信时，这种技术很常见，对于板间电平信号来说这种技术也是适用的。当然，这种技术比典型的单端接口要昂贵，因为它需要专门的缓冲驱动器和接收器。
　　
　　图1.14 分割地回路。
　　【系列文章】
　　第一部分：［ 电路设计师指导手册（1）：接地与布线］
　　第二部分：［电路设计师指导手册（2）：电源返回路径与I/O信号接地］
　　第四部分：［电路设计师指导手册（4）：安全地以及电线/电缆］
　　第五部分：［电路设计师指导手册（5）：射频电缆、双绞线与串扰］
　　1.1.9 星-点接地
　　选择电路中的一个点、然后将所有地回路接到这个点是可以当作电路规则的一种技术。这个点被称为“星点”。图1.2显示了这种技术在将机箱、市电地、电源地和0V回路连接到一个点时的有限应用。这个点还能被用作印刷电路版图上的局部子地点。
　　当需要实现的连接数量相对较少时，这是一种有用而且很简洁的技巧，特别是它还能为电路测量提供公共的参考点。这个点能够和用于输出电压的类似星点一起用作检测电源电压的参考（见图1.2）。当到达这个点的连线较多时，会变得越来越乱，因此不应取代对预期地电流回路的全面分析。
　　
　　图1.2 典型的单元内部走线机制。
　　【系列文章】
　　第一部分：［ 电路设计师指导手册（1）：接地与布线］
　　第二部分：［电路设计师指导手册（2）：电源返回路径与I/O信号接地］
　　第四部分：［电路设计师指导手册（4）：安全地以及电线/电缆］
　　第五部分：［电路设计师指导手册（5）：射频电缆、双绞线与串扰］
　　1.1.10 装置之间的地连接
　　许多接地技术方面的理论在遇到多个互联装置时都要求进行拆分。这是因为设计师通常都没法控制安装哪个装置，或者迫于安全相关或其它安装操作的压力要应对有悖于良好接地操作的情况。
　　两个市电供电的装置之间有一根（或多根）信号线连接就是一种典型案例（图1.15）。这是一种最容易解释和观察的情形。实际装置可能要复杂得多，比如要处理多个装置，或者不同甚至矛盾的接地机制，或者采用了额外机械性的绑定方式。
　　
　　图1.15 通过市电实现装置间的地连接。
　　这种配置与图1.12是完全相似的。用Vn表示的地噪声通过市电地导体实现耦合，它是不可预测和不可控制的。 如果两个装置***入同一市电插座，这时噪声虽然永远不可能是零，但很小， 因为某些噪声只是因为设备市电电缆中的火线和零线靠得很近才感应到的。
　　但这种配置无法被套用：可能所用的插座相隔较远的距离，甚至在不同的配电环上，在后面这种情况下，地线路径会很长，可能包含多种噪声注入源。注入噪声的绝对值可以从非常安静地点的不到mvRMS到几伏甚至几十伏，就像1.1.6小节提及的那样。这种噪声实际上与信号连线串接在一起。
　　为了将每个装置中的信号地连接到一起，通常会将地回线与同一电缆中的信号一起走，但是这样做后：
　　● 噪声电流会在信号地中流动，因此地回路阻抗（Rs）远小于噪声源阻抗（Rn）很重要——通常是这样，但不是一成不变的——否则地注入噪声将无法减小；
　　● 形成了地环路（图1.16，可以与1.1.4小节进行比较），根据其自然特性，这个环的面积可能会很大，而且可变，会穿过各种磁场源，因此感应到的地电流会成为真正的危险源。
　　
　　图1.16： 通过信号和市电大地形成的地环路。
　　分割地链路
　　如果信号电路的易感性达到预期的环境噪声会影响它的程度，那么你将有许多可能的设计选项：
　　● 使一个或其它装置处于悬浮状态（断开它的市电地连接），这样就断开了市电引线中的地环路。如果是电池供电的设备，实际上已经做到了这一点，事实上这也是使用电池供电仪器的一个充足理由。在一类安全（接大地）的市电供电设备上是不能这样做的，因为这样做违反了安全保护规定。
　　● 正如早前提及的板间信号那样，通过差分链路传送信号信息。虽然这时对信号来说地回路是不必要的，但还是建议包含一个地回路，用于在装置之间的电压差太大时提供保护。现在噪声信号相对于有用信号以共模的形式注入，会被输入电路的共模抵制功能所衰减。这种共模信号可以高达电路的工作极限——通常达几伏。
　　● 从电气上隔离接口。这涉及到将直接电气连接全部断开，通过其它方式传送信号，比如放大器、光耦或光纤链路。这种方法允许装置在几百伏甚至更高的噪声环境中正常通信，可忍受的噪声大小取决于隔离的额定电压。从另一方面看，这种方法有助于在用其它方法无法消除的相对适量的噪声环境中实现低电平交流信号的传输。
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　　第二部分：［电路设计师指导手册（2）：电源返回路径与I/O信号接地］
　　第四部分：［电路设计师指导手册（4）：安全地以及电线/电缆］
　　第五部分：［电路设计师指导手册（5）：射频电缆、双绞线与串扰］
　　1.1.11 屏蔽
　　这里必须要提及一些屏蔽装置间电缆的技术，虽然这些技术作为第8章的主题更为合适。屏蔽电缆用于防止信号线拾取噪声，或防止电源或信号线辐射噪声。这种看起来很简单的功能在实际应用中其实并不那么简单。屏蔽电缆的特性将在后面详细讨论（见1.2.4小节），这里主要介绍如何使用屏蔽电缆。
　　在电缆的哪一头连接屏蔽层，连接到什么地方？没有一个正确的答案，因为与具体应用有关。如果电缆用于连接两个都包含在屏蔽外壳内以阻止射频能量出入的装置时，电缆屏蔽层必须被认为是外壳的延伸，因此两端都必须通过低电感方式连接到屏蔽外壳，最好是连接器屏蔽体本身。
　　
　　图1.17：射频电缆屏蔽连接。
　　这是电磁兼容规则的典型应用，在8.5和8.7小节将有更完整地讨论。需要注意的是，如果两个装置外壳自身是分开接地的，那么这样做将（再次）形成地环路。因为地环路是一种磁耦合危险因素，而在较高频率时磁耦合的重要性会降低，因此当屏蔽的目的是要减少高频噪声时，通常这样做不是问题。如果你既想屏蔽高频，又想屏蔽低频，那么就有难度了，因为在低频时你只能在一端将屏蔽层接地。在这种情况下，你可能需要使用双屏蔽电缆这种昂贵的方法了。
　　屏蔽层不应用于承载信号回路电流，除非是射频信号，而且你用的是同轴电缆。否则感应进来的噪声电流将叠加到信号上，降低屏蔽效果。一般情况下，你要使用屏蔽对来承载高阻抗低电平的输入信号，因为这种信号很容易发生电容性耦合。（电缆屏蔽对磁耦合无效，对抗磁耦合的最佳方法是用双绞线）
　　哪一端接地才能实现低频屏蔽
　　如果输入源是悬浮的，那么屏蔽层可以在放大器输入端接地。周围带悬浮屏蔽壳的源可以将这个屏蔽壳连接到电缆的屏蔽层。但是，如果源的屏蔽壳本身是接地的，那么连接电缆屏蔽层将形成地环路，这是不合适的：屏蔽层中感应到的地环路电流将耦合进信号导体。一个或其它电缆屏蔽端应处于悬浮状态，具体取决于在另外一端存在的不可避免通过容性耦合到地的噪声相对数值（Cc）。如果你有得选择，通常是源端（可能是换能器或传感器）具有较低的耦合电容，因此这端应该悬浮。
　　如果源是单端或接地的，那么电缆屏蔽层应该在源端接地，（差分）输入端要么悬浮，要么通过扼流圈或低值电阻连接到放大器的地。这样可以保持直流和低频信号的连续性，同时阻止沿屏蔽层感应到的较大高频电流的流动。屏蔽层不应在信号的对端接地。图1.18显示了这种应用方式。
　　
　　图1.18 电缆屏蔽连接选项。
　　静电屏蔽
　　当你使用屏蔽电缆防止来自输出或装置间线缆的静态辐射时，地环路感应通常不是问题，因为信号不容易受到影响，而电缆屏蔽层的两端最好都连接到地。重点是，每个导体都有一个分布式（而且是可测量的）电容到屏蔽层，因此只要在屏蔽层内有交流信号传输，屏蔽层上面就会有电流流动。
　　
　　图1.19 导体到屏蔽层的耦合电容。
　　必须为这些屏蔽层电流提供低阻抗的地回路才能使屏蔽层电压不会变得显著。当你考虑屏蔽层上感应的噪声耦合进导体的问题时，则要反过来采取同样的措施。
　　表面传输阻抗
　　在高频应用中，表面传输阻抗概念非常有用，可以用来衡量屏蔽效果。它是由于屏蔽层中干扰电流流动引起的屏蔽电缆内部和外部导体之间产生的电压比值，单位是每单位长度毫欧姆。不要把表面传输阻抗与特征阻抗混为一谈，特征阻抗是没有连接时的阻抗。
　　典型的单辫编织屏蔽层的表面传输阻抗在1MHz以下大约是10mΩ/m，并随着频率的增加，以20dB/10倍频的速率上升。常见的铝/聚脂薄膜屏蔽层的这个指标更糟糕，为20dB左右。遗憾的是，电缆制造商很少规定表面传输阻抗这个指标。