硬件基础（4）：（6）高精度ADC设计中模拟地与数字地的划分与连接
文章目录
- 1. 模拟地与数字地的划分与连接
- 2. 分区布线和电源分配
- 3. 参考电压源及其周边布局
- 4. 特殊防护及噪声抑制技巧
- 5. 样机验证与调试
- 6. 总结
在实际 PCB 设计中， 接地与布线对于获得干净的参考电压和高精度 ADC 测量至关重要。下面详细阐述 如何在硬件层面减少数字噪声耦合到模拟电路、保障参考电压的稳定性。
1. 模拟地与数字地的划分与连接
- 分别布设模拟地 (AGND) 和数字地 (DGND)
- 在 PCB 上可以划分出一个专门的模拟区域，用于放置模拟电路（包括传感器、运放、参考电压源、ADC 输入滤波等），此区域使用一块完整的铜皮做模拟地。
- 数字区域（MCU 的数字部分、时钟源、电源管理等）则使用数字地。
- 注意两块地之间要有明确的分界线，避免数字信号回流穿过模拟区域。
- 单点汇合或低阻连接
- 通常在电源入口附近或指定一点，让模拟地与数字地通过低阻抗（或小电感）连接在一起（“星形”接地或单点接地），而非多点直接相连。
- 这样做是为了将数字地的快速电流回路限制在数字区域中，避免“跨区”流动干扰模拟区域。
- 参考电压源及 ADC 就近接模拟地
- 参考电压源芯片的 GND 脚、ADC 输入电路的地以及运放、传感器等，都落在模拟地这块铜皮上，并且在靠近这些关键器件的地方放去耦电容，保证低噪声回路。
2. 分区布线和电源分配
- 功能分区
- 在布局时，先根据功能将电路划分为数字区、模拟区、电源区等。
- 模拟区：包括参考电压源、运放、精密传感器、ADC 输入滤波器、ADC 模块等。
- 数字区：MCU 的数字部分 (如 CPU 内核、FLASH、定时器、通信接口)、高频时钟和大电流驱动器等。
- 电源处理
- 给模拟区供电时，可在模拟区入口加入滤波电路（如 LC 或 RC 滤波），或使用独立 LDO 线性稳压器，将数字 3.3V 转成模拟 3.3V，减少数字电源噪声。
- 若需要外部参考电压，可先用 LDO 给参考芯片供电，或为其留出单独电源线，以降低电源波动对参考电压的影响。
- 高频与大电流线路远离模拟电路
- 例如电机驱动、开关电源、高速数字总线等，这些走线应尽量远离参考电压源与 ADC 的模拟走线，或者在多层板中布在不同的信号层/电源层。
- 如果不可避免交叉，也要在布线层上做地铜填充，并使用过孔屏蔽。
3. 参考电压源及其周边布局
- 最短且直接的走线
- 将参考电压源 IC 靠近 MCU 的 Vref/VDDA 引脚放置，中间走线应尽可能短，减少电阻、电感和耦合干扰。
- 输出端到 Vref/VDDA 之间只保留必要的元件（滤波电容、保护元件等）。
- 滤波电容就近放置
- 在参考电压源 Vout 与 GND 之间，放置厂商推荐的去耦与滤波电容（如 0.1μF + 1~10μF），并贴近参考源 IC 的引脚，用最短的铜皮连接。
- 同理，在 MCU Vref 或 VDDA 引脚也放一个小电容到地（0.1μF 一般），靠近 MCU 引脚布局。
- 使用局部铜皮
- 若是多层板，可在参考电压源周围铺设一块模拟地铜皮，并用地过孔将其与主模拟地层连接，以便进一步降低接地阻抗、屏蔽干扰。
- 避免数字信号跨过参考电压回路
- 布线时要确保数字信号线不会在参考电压源周围绕来绕去，尤其避免数字地回流路径穿过参考源或 ADC 前端，以防止公共阻抗耦合。
4. 特殊防护及噪声抑制技巧
- 屏蔽与隔离
- 对于高精度要求场合，有时会在 PCB 上或外壳中对参考电压源进行金属屏蔽，以减少外部电磁干扰 (EMI) 的影响。
- 若模拟电压信号较微弱，可考虑增加光耦/隔离放大器在数字域与模拟域之间做隔离。
- 减小回路面积
- 关键模拟回路（如参考源的输出回路、ADC 输入滤波回路）应成“微小环”，不要形成大面积环路去收集电磁噪声。
- 注意时钟线、开关节点
- MCU 时钟输出、晶振脚、开关稳压器 PWM 节点都是典型高噪声源；要避免它们的走线经过模拟区。
5. 样机验证与调试
- 测试地电位差
- 用示波器探头检查模拟地与数字地之间是否存在较大电流耦合或噪声尖峰。若噪声过大，需要进一步优化地线布局或增加隔离措施。
- 测量参考电压稳定度
- 用高精度万用表或示波器测量参考输出，看其在各种数字负载变化、MCU 工作模式切换时，是否有明显波动或尖峰。
- 评估 ADC 读数与噪声
- 多次采样参考电压（理想情况下应保持恒定），观测采样值的抖动大小即可间接反映系统噪声水平。
6. 总结
- 合理的地线分割：模拟地与数字地分区并采用单点或低阻连接，可将大部分数字干扰留在数字区域。
- 确保模拟关键路径干净：把参考电压、传感器、运放、ADC 输入等器件集中放置在模拟区，短线连接，多层板中可使用专用的模拟电源与模拟地层。
- 远离干扰源：高频时钟、开关电源、大电流走线与模拟区物理隔离或在不同层走线，并配合地填充和过孔屏蔽。
- 就近去耦和滤波：所有关键器件（特别是参考源与 ADC）旁放置小电容滤波，减少瞬态噪声耦合。
隔离或在不同层走线，并配合地填充和过孔屏蔽。
- 就近去耦和滤波：所有关键器件（特别是参考源与 ADC）旁放置小电容滤波，减少瞬态噪声耦合。
最终目标是保证参考电压源电路不受数字电路和电源波动的干扰，让ADC 测量结果更准确、稳定。通过仔细的 PCB 规划和反复验证，可显著降低共模和寄生干扰对测量精度的影响。