音频、星形和网状接地中的 Pin 1 问题,以及音频和数字系统中相互矛盾的接地实践

电器工程 数字逻辑 声音的 模拟 接地 电磁兼容
2022-02-01 11:20:16

我最近遇到了专业音频电子产品中已知的“Pin 1 Problem”的概念。起初看起来很简单,但在接地时变得令人困惑。让我从一开始就描述这个问题。

引脚 1 问题

许多音频工程师认为 Pin 1 问题是音频中各种 EMI/EMC 问题的罪魁祸首。

引脚 1 问题

也就是说,XLR 连接器的 Pin 1,屏蔽层,通常连接到 PCB 上的电路接地。有人认为,大量的射频能量将传输到 PCB 并耦合到电路接地,使屏蔽/机箱失效,使音频设备更容易出现干扰问题。

相反,设计者应该尝试遵循音频工程学会指定的 AES48 标准:在任何情况下都不允许引脚 1 连接电路接地(如果有金属机箱)。相反,引脚 1 应直接系在机箱上。电路接地和机箱仍然是有界的,但在一个共同的星形接地点上,而不是在 XLR 连接器上。

例如,Jim Brown(AES 技术委员会主席,我相信他是该主题的专家)在Pin 1 Revisited中描述了这个问题。

引脚 1:错误示例

图 1 – 这是麦克风中经典的 RF 引脚 1 问题。电缆屏蔽层连接到外壳,但通过一根足够长的电线在 VHF 下具有显着的感抗。电感上的压降耦合到信号零参考,在此它被添加到信号中。

引脚 2:正确示例

图 2 – 避免引脚 1 问题的电路配置。屏蔽层直接连接到屏蔽外壳。信号参考公共端也进入屏蔽罩,但没有公共阻抗。

AES48-2005

然后我开始阅读AES48-2005 标准的完整规范标准明确,

AES48-2005

  1. 引脚 1 应直接连接到机箱,而不是电路接地。

  2. 所有负责阻止输入/输出连接器(如果有)噪声的 EMI 滤波器电路的接地应直接连接到机箱,而不是电路接地。

  3. 安全接地、机箱接地和电路接地连接在一个公共星形接地点。

到目前为止,一切都很好。

矛盾

直到我在数字系统中发现了矛盾的做法。当 Henry Ott(业内著名的 EMC 大师,我相信他是该主题的专家)被问及接地和边界时,他的回答是,

问:

I. 我对正确地将电路接地连接到机箱的主题非常感兴趣。我们通常在板上有连接到机箱的安装螺丝孔。我应该将安装螺丝孔连接到电路接地平面还是仅将它们作为机箱接地并仅在一个点将其连接到电路接地,例如在电源处?如果我将它们连接到地平面,我应该只将一个连接到地平面(如果有的话,是哪一个),还是全部连接到地平面?

二、第二个问题涉及混合信号 PCB,机箱接地应该连接到模拟接地、数字接地,还是保留为机箱接地并仅连接在一个点,例如电源接地?

A:

我:首先我告诉你不应该做的事情,那就是在电源处将电路地和机箱地单点连接。

在大多数情况下,电路接地应连接到在板的 I/O 区域中以低电感连接的机箱。在某些情况下,可能需要制作额外的电路到机箱连接,但这些是在 I/O 区域中的一个之外,而不是代替它。

理解这一点的最佳方法是将电路接地视为噪声电压发生器(由于有限的接地阻抗和流过接地的逻辑电流)。这种接地噪声将驱动电缆中的高频共模噪声电流并导致它们辐射。但是,如果电路接地在 I/O 区域连接到机箱,则该噪声电流将被转移到机箱,并且不会在电缆上流出。这个电路接地到机箱的连接必须是一个非常低的电感连接,以转移高频噪声电流——这通常需要在 I/O 区域中进行多个短连接。

二、当涉及混合信号 PCB 时,电路到机箱接地连接通常应在电路板的数字部分进行,仍然遵循 1 中解释的程序。

(重点是我的)

此外,在 EE.SE 问题中,底盘接地是否应连接到数字接地?, 最佳答案是,

我已经做了好几种方法,但似乎最适合我的方法与 PC 主板的方法相同。PCB 上的每个安装孔都通过螺钉和金属支架将信号地(又称数字地)直接连接到金属底盘。

对于带有屏蔽的连接器,该屏蔽通过尽可能短的连接连接到金属底盘。理想情况下,连接器护罩会接触机箱,否则 PCB 上的安装螺钉会尽可能靠近连接器。这里的想法是,任何噪音或静电放电都会留在屏蔽/机箱上,永远不会进入盒子内部或 PCB 上。有时这是不可能的,所以如果它确实进入了 PCB,您希望尽快将其从 PCB 上取下。

让我明确一点:对于带有连接器的 PCB,信号 GND 使用安装孔连接到金属外壳。机箱 GND 使用安装孔连接到金属外壳。Chassis GND 和 Signal GND 没有在 PCB 上连接在一起,而是使用金属外壳进行连接。

我的推理

似乎音频和数字系统中的接地/连接做法非常不同。两个系统的专家都承认,电路接地和机箱接地之间的低阻抗键合(无感抗)是必不可少的,但不同意其实施方式。

数字世界认为电路接地和机箱应该以板的 I/O 区域中的连接为界,因为该连接将是低阻抗连接它可以阻止噪音辐射,因为噪音会被转移到机箱上。数字设计人员还认为,使用网状接地可以获得最佳效果,使用多个安装螺钉将电路接地与机箱绑定可以获得最佳效果,并形成非常低的阻抗连接。

音频界认为电路接地和机箱永远不应该在音频连接器处粘合,因为这种连接将是一个高阻抗连接,或者创建一个公共阻抗路径,这个公共阻抗路径的存在使设备从屏蔽自身免受高频噪声的影响。音频设计师还认为,使用星形接地可以消除接地电位的任何差异,从而获得最佳效果。

似乎系统运行的频率是矛盾的原因。音频系统侧重于屏蔽自身免受外部干扰,避免嗡嗡声和嗡嗡声,而数字系统则侧重于屏蔽外部世界免受自身干扰。那么,低频模拟系统应该遵循音频EMC实践,而高速数字系统应该遵循数字EMC实践吗?

  1. 我自己的分析正确吗?

  2. AES48 标准只提到星形接地:电源保护地、电路接地和机箱应连接在一个公共星形接地点。当我使用网状接地(如计算机主板)来连接机箱和电路接地时会发生什么,它在音频方面被认为是好还是坏?

  3. 事情不是一蹴而就的。如今,专业音响系统内部通常还包含一个高速数字系统。在这种情况下,人们不得不选择打破音频系统或数字系统的推荐做法。我该怎么办?也许数字地和模拟地,以及它们各自的连接器,可以分开处理,每个都遵循自己世界的最佳实践?

在模拟/音频和数字系统方面具有专业经验的任何人都可以帮助阐明这个问题吗?

3个回答

我讨厌“地面”这个词,它涵盖了很多略有不同的东西!

至少在电路板的主要功能中,音频专家所说的“接地”实际上是“信号参考”,它可能与机箱接地相同,也可能不同,但几乎可以肯定它不应该从电缆屏幕或与底盘形成回路。问题是,假设 2V 音频电平,如果您希望本底噪声降低 100dB,您正在考虑在该网络上尝试低于 20uV 的噪声,这意味着您不能有太多电流流动。聪明的音频人通过对参考连接的确切位置非常有选择性来进行各种伪差分游戏。

在电路板的边缘,您通常有 RFI 滤波器,并且确实需要直接连接到机箱(理想情况下连接到连接器外壳),但是如果您与信号参考共享此连接,那么您天生就有一小块铜承载电缆屏蔽电流并定义相对于机箱的参考网络电位,该位铜具有电感,因此屏蔽电流会在其上产生电压,参考网络对外壳具有电容,因此您最终会在参考网络中流动射频(其中在音频频率上通常很短,2.4GHz 不是那么多!)。

数字人大多不关心进入他们网络的 uV 级噪声(芯片上的接地反弹远不止于此!)。所以对他们来说,把所有东西都和其他东西联系起来,制作很多面积很小的小环路是一个巨大的胜利,减少辐射也减少了耦合。

顺便说一句,在电路板参考网络之外,网状网络也是音频的净胜者,您只需让屏幕电流远离在内部音频参考网络中产生电压降。例如,请参阅 Tony Walderons 关于设计无干扰音频系统、大量低阻抗环路的论文。

至于在混合信号板上做什么?决定,决定......一般来说,如果播放敏感音频,我倾向于使用单个接地平面并进行分层接地的事情,有时是带有狭缝的平面,但不允许任何痕迹穿过狭缝,从事实的角度思考电流以电导率的比例在回路中流动,你不会犯太可怕的错误。

我自己的分析正确吗?

在我看来很好。我同意你的分析。通常,来自一个系统的设计规则不适用于具有不同目标的不同系统。

电磁兼容性是一门艺术,而不是一门科学。这是一门艺术,因为在具有不同要求的完全不同的系统上,很多参数是无法测量的(主要是由于时间限制)。设计人员在非常复杂的系统上使用最佳实践,任何一条规则都很难确定设计。

AES48 标准只提到星形接地:电源保护地、电路接地和机箱应连接在一个公共星形接地点。当我使用网状接地(如计算机主板)来绑定机箱和电路接地时会发生什么,它在音频方面被认为是好还是坏?

网状接地(我发现)的问题是它很难控制电流,或者知道它们来自哪里。使用单点接地,您可以断开电缆并轻松找到源。

事情不是一蹴而就的。如今,专业音响系统内部通常还包含一个高速数字系统。在这种情况下,人们不得不选择打破音频系统或数字系统的推荐做法。我该怎么办?也许数字地和模拟地,以及它们各自的连接器,可以分开处理,每个都遵循自己世界的最佳实践?

取决于系统的成本,在高端系统(成本不是什么大问题)中,可以使用隔离来阻止电流产生问题。如果不能使用隔离,则可以使用最佳实践 EMC。

很多时候,PCB上的电流可以通过良好的元件放置来引导(如果你有一个单一的接地)

我在专业音频领域花了几年时间(当时系统开始包含越来越多的数字模块,无论是用于 DSP 还是用于控制),但我从未真正遇到过明确或明确的答案。

在构建大型系统(我的意思是一个中央设备机架,有 10 到几百个外部单元,通常由中央机架供电),对于有此类经验的主要广播和剧院,我学到的基本实践是:

  1. 保持底盘和技术地面在任何地方分开。防护罩通常连接到底盘。
  2. 提供两个可以连接的多个位置,至少在中央 PSU 和每个外部模块处。当系统经过测试并签署后,您可能会从加入的所有内容开始,如果有特定问题,请尝试寻找本地解决方案。
  3. 在专业系统中,您不会在设备之间发送不平衡的音频!此外,可能还有高质量的音频变压器,它们不仅提供出色的 CMR,而且还提供大量保护,防止因瞬态、人为错误等造成的损坏。这使得问题远没有最初看起来那么严重。

我必须说,给出的第一个分析(无论其作者的血统如何)对我来说似乎有点可疑。为什么第二张图中电路到外壳的电容突然消失了?这里真正发生的只是从技术 0V 到机箱的连接点移动了一点,但没有任何物理的、真实的细节,这似乎毫无意义。(当然在实践中可能有很多 XLR,或者可能是带有许多平衡信号的多路连接器,因此该图无论如何都没有多大用处。)

请注意,在现代世界中,模拟信号不再在设备之间进行路由,除非您是老式模拟录音室(它们仍然存在)。这些天,当你去音乐节看乐队时,从舞台到音响台的信号很可能通过以太网,很可能是光纤,使用 Dante 或类似设备。(我知道这不是问题的主题,但只是指出,在某种程度上,这个讨论变得相当学术。一旦你从模拟音频信号传输到数字音频信号传输,你对噪声抗扰度的要求会降低几个数量级震级。)

最后,值得注意的是,在混合信号系统中,微控制器与模拟音频并存,将数字噪声排除在本地模拟之外的问题非常重要。如今,这又变得更容易了,因为您的“数字”块可能只有一个或两个 IC。在并非如此(例如早期的数字混响)的日子里,使用了许多技巧,例如将采样频率同步到电源开关以及将光隔离输入/输出同步到转换器 - 以及块之间的大量物理金属和空气。