المسارات الأرضية والمستويات الأرضية لها مقاومة. عندما يتدفق التيار عبر مسار أرضي، سيظهر جهد على هذا المسار. هذا الجهد هو الضوضاء. جهد الضوضاء هو أحد مصادر التشويش التي يمكن أن تضر باستقرار النظام. لذلك، لخفض الضوضاء الأرضية يجب أولاً خفض المعاوقة الأرضية.
كما يعلم الجميع، فإن الأرض هي مسار عودة التيار. بالنسبة لأي إشارة، يجب أن تجد الإشارة مسارًا للعودة إلى الأرض بأقل مقاومة. لذا فإن كيفية التعامل مع مسار العودة هذا مهم للغاية.
1 - لماذا يهم حجم مسار العودة وشكله
أولاً، من معادلة الإشعاع نعرف أن قوة الإشعاع تتناسب مع مساحة الحلقة. هذا يعني أنه كلما كان مسار العودة أطول وكلما كانت الحلقة أكبر، كلما زاد إشعاعها وأزعجت الدوائر الأخرى. لذلك عند تخطيط ثنائي الفينيل متعدد الكلور، يجب أن تحاول جعل حلقات إرجاع الطاقة والإشارة صغيرة قدر الإمكان.
ثانياً، بالنسبة للإشارة عالية السرعة، يساعد منحها مسار عودة جيد في الحفاظ على جودة الإشارة. وذلك لأن المعاوقة المميزة لخط نقل على ثنائي الفينيل متعدد الكلور عادةً ما يتم حسابها بالنسبة لمستوى أرضي (أو مستوى طاقة). إذا كان هناك مستوى أرضي مستمر بالقرب من التتبع عالي السرعة، فستظل مقاومة التتبع ثابتة. إذا لم يكن هناك جزء من المسار لا يحتوي على مرجع أرضي قريب، ستتغير المعاوقة. سيضر انقطاع المعاوقة هذا بسلامة الإشارة. لذلك، عند التوجيه، ضع آثارًا عالية السرعة على طبقات قريبة من مستوى أرضي. أو قم بتشغيل مسار أو مسارين أرضيين بالتوازي بجانب المسار عالي السرعة. تعمل هذه الآثار الأرضية مثل الدرع وتوفر مسار عودة قريب.
ثالثاً، تجنب توجيه الإشارات عبر مستويات الطاقة المنقسمة عندما يكون ذلك ممكناً. وذلك لأنه عندما تعبر إشارة ما انقسامات طاقة أو انقسامات أرضية مختلفة، يصبح مسار عودتها طويلاً ويمكن أن تلتقط تداخلًا. ومع ذلك، بالنسبة للإشارات منخفضة السرعة، فإن عبور الإشارات المنقسمة ليس ممنوعًا تمامًا لأن التداخل الذي تسببه يمكن أن يكون صغيرًا. بالنسبة لـ عالية السرعة إشارات يجب عليك توخي الحذر وتجنب عبور الانشقاقات عندما تستطيع. يمكنك أيضاً محاولة تغيير مسار طائرات الطاقة للمساعدة.
تأتي العديد من مشاكل التداخل الكهرومغناطيسي من التصميم الأرضي. فالإمكانات الأرضية هي المرجع للدائرة بأكملها. إذا لم تكن الأرضية مستقرة، فقد تتعطل الدائرة. والهدف من التصميم الأرضي هو الحفاظ على استقرار الجهد الأرضي قدر الإمكان وبالتالي إزالة التداخل.
تنقسم طرق تأريض الإشارات عادةً إلى أربعة أنواع: التأريض العائم، والتأريض أحادي النقطة، والتأريض متعدد النقاط، والتأريض المختلط.
2 - أنواع التأريض
A. الأرض العائمة
الغرض: حافظ على عزل الدائرة أو الجهاز عن الموصلات المشتركة التي يمكن أن تسبب حلقات أرضية. كما أن التأريض العائم يجعل من السهل أيضاً إقران الدوائر التي لها إمكانات مختلفة.
العيب: يمكن أن تتراكم الشحنة الساكنة بسهولة وتتسبب في تفريغ كهروستاتيكي قوي (ESD).
التسوية: أضف مقاومات التفريغ لنزيف الشحنة.
B. نقطة واحدة أرضية
تعني النقطة الأحادية الأرضية الأحادية النقطة أن كل دائرة تتصل بالأرضية المشتركة في نفس النقطة. يمكن تقسيم ذلك إلى سلسلة أحادية النقطة ومتوازية أحادية النقطة. لا تستخدم التأريض أحادي النقطة في الأنظمة التي تختلط فيها دارات الطاقة العالية ودارات الطاقة المنخفضة. ستؤثر التيارات الأرضية من الجزء عالي الطاقة على الأجزاء منخفضة الطاقة. أيضًا، يجب وضع الدائرة الأكثر حساسية عند النقطة المشتركة، لأن هذه النقطة لديها الإمكانات الأكثر استقرارًا.
أكبر ميزة للأرضية أحادية النقطة هي عدم وجود حلقات أرضية، لذا فإن التصميم بسيط نسبيًا. ولكن يمكن أن تكون الأسلاك الأرضية طويلة ويمكن أن تكون المعاوقة الأرضية كبيرة.
يمكن إجراء التأريض أحادي النقطة بطريقتين:
- أرضية أحادية النقطة المتسلسلة - هذا أمر بسيط. ولكن نظرًا لوجود موصل أرضي مشترك، ستوجد مقاومة أرضية مشتركة. إذا كان للدوائر الموصلة على التوالي مستويات طاقة مختلفة جداً، فسوف تتداخل بقوة مع بعضها البعض.
- أرضية متوازية أحادية النقطة المتوازية - تمرر كل دائرة سلك أرضي إلى النقطة المشتركة بشكل منفصل. هذا يتجنب الاقتران على الأرض المشتركة. ولكنه يحتاج إلى العديد من الأسلاك الأرضية وهو غير عملي في العديد من الحالات.
في التصاميم الحقيقية، يمكنك استخدام طريقة مختلطة أحادية النقطة تستخدم كلاً من السلسلة والتوازي. ضع الدوائر التي لا تتداخل مع بعضها البعض على نفس الطبقة. ضع الدوائر التي تتداخل بسهولة على طبقات مختلفة. ثم وصِّل الطبقات الأرضية على التوازي عند النقطة المشتركة. (أشار النص الأصلي إلى شكل هنا).
الاستخدام: التأريض أحادي النقطة مناسب لترددات التشغيل المنخفضة (<1 ميجاهرتز).
العيب: ليست جيدة للمواقف عالية التردد.
التأريض أحادي النقطة غير مناسب للدوائر عالية التردد لأن الأسلاك الأرضية طويلة وتصبح المعاوقة من تلك الأسلاك غير قابلة للتجنب. بالنسبة للتردد العالي، فكر في التأريض متعدد النقاط.
C. أرضي متعدد النقاط
استخدم التأريض متعدد النقاط لترددات التشغيل العالية (> 30 ميجاهرتز). في مخطط متعدد النقاط، يمكنك استبدال حلقات العودة الأرضية الفردية بمستوى أرضي واحد يمكن لكل جزء من الدائرة استخدامه. تنمو المفاعلة الاستقرائية للسلك الأرضي مع التردد وطول السلك. عند التردد العالي، تزداد المعاوقة الأرضية المشتركة. لذلك يجب عليك إبقاء طول السلك الأرضي قصيرًا قدر الإمكان.
عند استخدام التأريض متعدد النقاط، حاول العثور على أقرب سطح أرضي منخفض المعاوقة للربط به. تحتاج الدوائر الرقمية عالية التردد إلى تأريض متوازي. هناك طريقة بسيطة للقيام بذلك وهي استخدام قنوات أرضية. عندما تعمل الدارات بتردد عالٍ، تخيل إشارة عالية التردد تتحرك على طول مسار أرضي وتؤثر على الدوائر القريبة. قد يكون هذا سيئاً للغاية. لذا يجب أن تعود جميع الدوائر إلى الأرض في مكان قريب. يجب أن تكون الآثار الأرضية قصيرة. هذا هو السبب في وجود تأريض متعدد النقاط.
الهدف من التأريض متعدد النقاط هو خفض المعاوقة الأرضية. لخفض المعاوقة في دائرة عالية التردد، ضع في اعتبارك أمرين: خفض المقاومة الأرضية وخفض الحث الأرضي.
الأساليب:
- مقاومة الموصلات المنخفضة. من العلاقة بين المقاومة ومساحة المقطع العرضي، نعلم أن زيادة مساحة الموصل تقلل من مقاومة التيار المستمر. لكن عند الترددات العالية يتسبب تأثير الجلد في تدفق التيار بالقرب من سطح الموصلات، لذا فإن مجرد زيادة المقطع العرضي له تأثير محدود. يمكنك التفكير في طلاء الموصل بالفضة لأن الفضة لديها موصلية أفضل من العديد من المعادن الأخرى ويمكن أن تقلل من مقاومة الموصل.
- محاثة أقل. أفضل طريقة هي زيادة المساحة الأرضية. من الناحية العملية، تعطي الأسلاك الأرضية القصيرة والمساحة الأرضية الكبيرة أداءً أفضل ضد التداخل.
عند هذه النقطة، قد يتساءل البعض عما يعتبر دائرة عالية التردد. وفقًا لكتاب البروفيسور يانغ جيشن تقنية التوافق الكهرومغناطيسي (EMC), عادةً ما تكون الدوائر التي تقل عن 1 ميجا هرتز منخفضة التردد ويمكنها استخدام نقطة واحدة أرضية. أما الدوائر التي تزيد عن 10 ميجا هرتز فهي عالية التردد ويجب أن تستخدم التأريض متعدد النقاط. إذا كان أطول سلك تأريض أقل من 1/20 من الطول الموجي عند 1 ميجا هرتز أو 10 ميجا هرتز، يمكن أن يظل التأريض أحادي النقطة يعمل. وإلا استخدم التأريض متعدد النقاط.
D. الأرض المختلطة
إذا كانت الدائرة تحتوي على إشارات عالية التردد ومنخفضة التردد، فإن التأريض المختلط خيار جيد. (يشير النص الأصلي إلى شكل آخر هنا).
انظر إلى الشكل والهيكلين الموضحين. بالنسبة للهيكل الأول افترض أنه يعمل في الغالب في بيئة ذات تردد منخفض. من معادلة المفاعلة السعوية Zc=12πfCZ_c = \frac{1}{2\pi f C}Zc=2πfC1 نعلم أنه عند التردد المنخفض تكون المفاعلة السعوية كبيرة، بينما تكون صغيرة عند التردد العالي. لذا في هذه الأسلاك تكون الوصلة الأرضية مفتوحة عند التردد المنخفض ومغلقة تقريبًا عند التردد العالي. يمكن لهذا السلك تجنب تداخل الحلقة الأرضية.
بالنسبة للهيكل الثاني نفترض أنه يعمل في الغالب في بيئة عالية التردد. من معادلة المفاعلة الحثية ZL=2πfLZL_L = 2\pi f LZL=2πfL نعلم أن المفاعلة الحثية تكون صغيرة عند التردد المنخفض وكبيرة عند التردد العالي. لذا في هذه الأسلاك تتصرف الوصلة الأرضية مثل الموصل عند التردد المنخفض وتكون مفتوحة عند التردد العالي. يمكن لهذه الأسلاك تجنب تيارات الحلقة الأرضية.
3 - طرق الربط بين الأسس المختلفة
إذا لم تختر استخدام مستوى كامل كأرضية مشتركة، وكانت الوحدة تحتوي على شبكتين أرضيتين، فيجب عليك تقسيم المستوى الأرضي. وغالباً ما يتفاعل ذلك مع مستوى الطاقة. طرق توصيل الأرضيات هي:
- أثر عادي بين الأرضيات. وهذا يعطي اتصالاً موثوقاً منخفض المعاوقة للإشارات متوسطة ومنخفضة التردد.
- المقاوم العالي بين الأرضيات. سيسمح المقاوم الكبير بتيار تسرب ضئيل للغاية إذا ظهر جهد عبره. سيؤدي ذلك إلى نزيف الشحنة ببطء حتى يصبح فرق الجهد صفراً. استخدم هذا لربط الأسس العائمة برفق.
- مكثف بين الأرضيات. يحجب المكثف التيار المستمر ولكنه يمرر التيار المتردد. يستخدم هذا في الأنظمة الأرضية العائمة لتمرير الضوضاء عالية التردد مع حجب التيار المستمر.
- خرزة فريت (خرزة مغناطيسية) بين الأرضيات. تعمل حبة الفريت مثل المقاوم المعتمد على التردد. تبدو مقاومة للترددات العالية. استخدمها لأرضيات الإشارة الضعيفة مع طفرات التيار الصغيرة السريعة.
- محرِّض بين الأرضيات. المحث يقاوم التغير السريع. يمكنه تلطيف القمم وملء الوديان. استخدمه بين الأرضيات التي بها تأرجحات تيار كبيرة.
- مقاوم صغير بين الأرضيات. يضيف المقاوم الصغير تخميدًا لإبطاء تغيرات التيار الأرضي السريعة. عندما يتغير التيار بسرعة تجعل هذه المقاومة الحافة الصاعدة أقل حدة.
توفر كل هذه الخيارات طرقاً للتحكم في كيفية انتقال الضوضاء بين الأرضيات.
4 - أرضي تناظري وأرضي رقمي
تحتاج كل من الإشارات التناظرية والرقمية إلى العودة إلى الأرض. تتغير الإشارات الرقمية بسرعة. فهي تصدر الكثير من التشويش على الأرضية الرقمية. تحتاج الإشارات التناظرية إلى مرجع أرضي نظيف لتعمل بشكل جيد. إذا اختلطت الأرضيات التناظرية والرقمية، ستؤثر الضوضاء من الأرضية الرقمية على الإشارات التناظرية.
بشكل عام، افصل الأسس التناظرية والرقمية. ثم قم بتوصيلهما بتتبع رفيع أو عند نقطة واحدة. الفكرة الرئيسية هي منع الضوضاء الأرضية الرقمية من الوصول إلى الأرضية التناظرية.
5 - نجمة الأرض
النظرية الكامنة وراء التأريض النجمي هي أن هناك نقطة واحدة في الدائرة تعمل كمرجع لجميع الفولتية. هذه هي النقطة النجمية. يمكنك تخيلها: تمتد العديد من الأسلاك من نقطة مشتركة واحدة في نمط شعاعي مثل أشعة النجمة. قد لا تبدو النقطة النجمية كنجمة على اللوحة. قد تكون نقطة على المستوى الأرضي. من السمات الرئيسية للنظام الأرضي النجمي أن جميع الفولتية تقاس بالنسبة لنفس النقطة على الشبكة الأرضية، وليس بالنسبة لمرجع “أرضي” غير مؤكد.
6 - كيفية تأريض الدروع
يجب ربط درع الكابل المحمي وسلك تصريف الكابل بأرضية واجهة اللوحة، وليس بأرضية الإشارة. وذلك لأن أرضية الإشارة غالبًا ما تحمل العديد من الفولتية الضوضاء. إذا كان الدرع مربوطًا بأرضية الإشارة الصاخبة، فإن جهد الضوضاء سيقود تيار الوضع الشائع على الدرع ويسبب تداخلًا خارجيًا. غالباً ما يكون التصميم السيئ للكابل والتأريض السيئ للدرع أكبر مصدر للتداخل الكهرومغناطيسي الكهرومغناطيسي.
الملخص
من الناحية العملية، اختر طريقة التأريض التي تناسب بيئة التشغيل. يمكن أن يؤدي الاختيار الجيد إلى تجنب التداخل وإعطاء أفضل أداء للدائرة.
- حافظ على حلقات الإرجاع صغيرة لتقليل الإشعاع.
- احتفظ بالمسارات عالية السرعة بجوار مستويات أرضية مستمرة لمقاومة مستقرة.
- تجنب عبور انقسامات مستوى الطاقة حيثما أمكن ذلك.
- بالنسبة للأنظمة ذات التردد المنخفض (< 1 ميجاهرتز) غالباً ما تعمل نقطة واحدة أرضية.
- بالنسبة للأنظمة عالية التردد (> 10 ميجا هرتز) استخدم مسارات أرضية متعددة النقاط ومسارات أرضية قصيرة مع الكثير من مساحة الإرجاع.
- بالنسبة للأنظمة المختلطة، استخدم نهجًا هجينًا باستخدام مكثفات أو محاثات أو مقاومات أو خرزات فريت أو آثار صغيرة للتحكم في الاقتران.
- افصل بين الأرضيات التناظرية والرقمية وضمها بعناية.
- اربط دروع الكابل بأرضية الموصل أو بأرضية الهيكل، وليس بأرضية الإشارة الصاخبة.
ستساعد هذه الخطوات على خفض المعاوقة الأرضية وتقليل الضوضاء الأرضية، وبالتالي سيكون النظام أكثر استقراراً وموثوقية.
