产品设计中的接地技术（二）

一、地的分类及处理方式

        有时一个产品中既有高频电路、也有低频电路，既有模拟电路、也有数字电路，既有电源变换电路，也有信号处理电路，所以说与之对应的一个产品中会存在模拟地、数字地、信号地、电源地、屏蔽地、外壳地、交流地、大地等。

        从参考电平的角度看，都是同一个地，最终都要接到一起获得相同的参考电位。对于地的分类，主要是从布线的角度看的，目的是为了减少不同电路之间地的干扰。

1、外壳地（机壳地）

1）含义

        为防止静电感应和磁场感应而设，一般情况下为了安全起见即将机壳接大地，外壳接地既是对人体安全的保护，也是防干扰的一种手段，因为一般情况下机壳是金属的，是非常好的屏蔽体，绝大部分辐射干扰都可以阻挡在机壳之外。 电子产品外壳接大地的目的就是快速将电荷释放到大地上。

2）目的

        （1）防止产品的机壳上积累电荷，产生静电放电而危及设备和人身安全；

        （2）当设备的绝缘层损坏而使机壳带电时，促使电源的保护动作而切断电源，以便保护工作人员的安全。

3）处理方式

        通过地线引入的干扰(也叫共阻抗干扰)，处理方法一般采用地线隔离技术，在外壳接地时接入阻抗，加入滤波等。

2、功率地

        功率地是负载电路或功率驱动电路的零电位的公共基准地线。由于负载电路或功率驱动电路的电流较强、电压较高，所以功率地线上的干扰较大。因此功率地必须与其它弱电地分别设置，以保证整个系统稳定可靠的工作。

3、信号地

1）含义

        信号地是电子设备中信号电路的统一参考地，目的是使电子设备正常工作时有一个统一的参考零电位，避免有害电磁场的干扰，进而保证设备稳定可靠的工作。特别是针对模拟小信号，易受干扰，因此对信号地的处理要求就比较高。

2）处理方式

（1）单屏蔽层线缆

        如果线缆是单屏蔽层，信号地理想接法是使用专门的信号线将所有节点信号地连接，起到参考地的作用。但如果缺少信号地线，亦可将所有节点信号地都连接到屏蔽层，但这样屏蔽效果亦差强人意。

（2）双屏蔽层线缆

        当使用双层屏蔽电缆时，需要将所有节点信号地连接到内屏蔽层，若使用非屏蔽线进行数据传输时，请保持信号地管脚悬空处理。

        所有节点信号地接到屏蔽层或双屏蔽层的内层后，屏蔽层处理方式注意为单点接地，不可多点接地，否则会在信号地线上形成地环流。

        另外，单点接地是为了加大供电地和信号地之间的隔离电阻，阻止共地阻抗电路耦合产生的电磁干扰，注意采用隔离浮地设计，通过阻容方式将屏蔽层与外壳隔离。

4、模拟地

        模拟地是模拟电路零电位的公共基准地线。由于模拟电路既承担小信号的放大，又承担大信号的功率放大；既有低频的放大，又有高频放大；因此模拟电路既易接受干扰，又可能产生干扰。所以对模拟地的接地点选择和接地线的敷设更要充分考虑。

4、数字地

        数字地是数字电路零电位的公共基准地线。由于数字电路工作在脉冲状态，特别是脉冲的前后沿较陡或频率较高时，易对模拟电路产生干扰。所以对数字地的接地点选择和接地线的敷设也要充分考虑。

5、电源地

1）含义

        是为了保证供电电源形成完整的电流回路而设置的供电地，是电源零电位的公共基准线。

2）处理方式

        与单电源供电的负极相连。

3）其他说明

        由于电源往往需要同时给系统中的各个单元供电，而各个单元要求的供电性质和参数可能有很大差别，因此既要保证电源稳定可靠的工作，又要保证其它单元稳定可靠的工作。

6、屏蔽地

1）含义

        导体外部有导体包裹的导线叫屏蔽线，包裹的导体叫屏蔽层，一般为编织铜网或铜泊(铝)，屏蔽层需要接地处理，保证外来的干扰信号可被该层导入大地。

2）处理方式

        当使用双层屏蔽电缆时，CAN-Shield连接到外屏蔽层和DB9连接器的屏蔽壳。并且使用DB9针式连接器时外屏蔽层会被连接到pin5，以保证当使用没有屏蔽壳连接的连接器时，可靠的接地。

        多节点总线同样要求屏蔽地采用单点接地，防止形成回路，并且为浮地设计。如图5所示处理方式，CTM1051模块3脚为屏蔽地，5脚为信号地。

3）其他说明

        静电屏蔽。当用完整的金属屏蔽体将带正电导体包围起来，在屏蔽体的内侧将感应出与带电导体等量的负电荷，外侧出现与带电导体等量的正电荷，因此外侧仍有电场存在。如果将金属屏蔽体接地，外侧的正电荷将流入大地，外侧将不会有电场存在，即带正电导体的电场被屏蔽在金属屏蔽体内。

        交变电场屏蔽。为降低交变电场对敏感电路的耦合干扰电压，可以在干扰源和敏感电路之间设置导电性好的金属屏蔽体，并将金属屏蔽体接地。只要设法使金属屏蔽体良好接地，就能使交变电场对敏感电路的耦合干扰电压变得很小。

二、一台设备中各种地的处理方式总结

1）地的处理框图

2）相关说明

        一台设备要实现设计要求，往往包含多种电路，比如高频电路、数字电路、模拟电路、供电电路、继电器电路等。为了抵抗外界电磁干扰而需要设备具有一定的屏蔽效能。典型设备的接地如图6所示。设备的接地应当注意以下几点：

（1）为防止高电压、大电流和强功率电路对低电平电路的干扰，将它们的接地分开。前者为功率地，后者为信号地，而信号地又分为数字地和模拟地，信号地线应与功率地线和机壳地线相绝缘；

（2）对于信号地线可另设一信号地螺栓（和设备外壳相绝缘），该信号地螺栓与安全接地螺栓的连接有三种方法（取决于接地的效果）：一是不连接，而成为浮地式；二是直接连接，而成为单点接地式；三是通过一3μF电容器连接，而成为直流浮地式，交流接地式。其它的接地最后汇聚在安全接地螺栓上（该点应位于交流电源的进线处）。

三、一个系统中各种地的处理方式总结

1）地的处理框图

2）相关说明

（1）参照设备的接地注意事项；

（2）设备外壳用设备外壳地线和机柜外壳相连；

（3）机柜外壳用机柜外壳地线和系统外壳相连；

（4）对于系统，安全接地螺栓设在系统金属外壳上，并有良好电连接；

（5）当系统内机柜、设备过多时，将导致数字地线、模拟地线、功率地线和机柜外壳地线过多。对此，可以考虑铺设两条互相并行并和系统外壳绝缘的半环形接地母线，一条为信号地母线，一条为屏蔽地及机柜外壳地母线；系统内各信号地就近接到信号地母线上，系统内各屏蔽地及机柜外壳地就近接到屏蔽地及机柜外壳地母线上；两条半环形接地母线的中部靠近安全接地螺栓，屏蔽地及机柜外壳地母线接到安全接地螺栓上；信号地母线接到信号地螺栓上；

（6）当系统用三相电源供电时，由于各负载用电量和用电的不同时性，必然导致三相不平衡，造成三相电源中心点电位偏移，为此将电源零线接到安全接地螺栓上，迫使三相电源中心点电位保持零电位，从而防止三相电源中心点电位偏移所产生的干扰；

四、成功案例

         结合自己在电力电量检测行业、振动信号检测行业里做的高精度仪器仪表成功经验，现将自己已经验证过的成功案例分享给大家，希望对大家能有所帮助。    

1、轴承故障检测设备（便携设备）

1）硬件架构框图

2）地的处理框图

2）相关说明

（1）该轴承检测设备采用 上位机和下位机结合并融为一体的结构设计 方案，上位机选的是体积比较小的 工控机 ，下位机主控器件选用的是 DSP器件 。

（2） 自制开关电源的输出纹波和DCDC模块的输出纹波 等性能参数对该检测设备的高精度指标比较关键，需要选择输出纹波比较小的DCDC模块和下功夫做好开关电源的，使其输出纹波尽可能的小，当然其他指标也是如此。

（3）地的处理框图中隔离器件有三种类型的，分别是 磁隔离、光耦隔离和电容隔离 的。磁隔离用的比较多的器件是ADUM1200（单向的）或ADUM1250(双向的)；光耦隔离可根据传输速度进行器件选择的，常用的是HCPL0600等器件。

（4）接口器件是指常用的通讯接口或其他接口，通讯接口主要是RS232、RS485、CAN和网口等，本检测设备用的是 PCIe接口 ，即是接口地和数字地（MCU）是一个地，传输速度可达132M，又由于是塑料外壳的便携式设备，所以该检测设备采用的是 整机浮地的方式。

五、注意事项

1、控制系统宜采用一点接地

        一般情况下，高频电路应就近多点接地，低频电路应一点接地。在低频电路中，布线和元件间的电感并不是什么大问题，然而接地形成的环路的干扰影响很大，因此，常以一点作为接地点；但一点接地不适用于高频，因为高频时，地线上具有电感因而增加了地线阻抗，同时各地线之间又产生电感耦合。一般来说，频率在1MHz以下,可用一点接地；高于10MHz时，采用多点接地；在1～10MHz之间可用一点接地，也可用多点接地。

1）单点接地

        工作频率低（f <1MHz）的采用单点接地式（即把整个电路系统中的一个结构点看作接地参考点，所有对地连接都接到这一点上，并设置一个安全接地螺栓），以防两点接地产生共地阻抗的电路性耦合。 多个电路的单点接地方式又分为串联和并联两种 ， 由于串联接地产生共地阻抗的电路性耦合 ，所以 低频电路最好采用并联的单点接地式 。

        为防止工频和其它杂散电流在信号地线上产生干扰， 信号地线应与功率地线和机壳地线相绝缘。 且只在功率地、机壳地和接往大地的接地线的安全接地螺栓上相连（浮地式除外）。

2）多点接地

        工作频率高（f >30MHz）的采用多点接地式（即在该电路系统中，用一块接地平板代替电路中每部分各自的地回路）。因为接地引线的感抗与频率和长度成正比，工作频率高时将增加共地阻抗，从而将增大共地阻抗产生的电磁干扰，所以要求 地线尽量短 。采用多点接地时，尽量找最接近的低阻值接地面接地。

2、交流地与信号地不能共用

        由于在一段电源地线的两点间会有数mV甚至几V电压，对低电平信号电路来说，这是一个非常重要的干扰，因此必须加以隔离和防止。

3、浮地

        浮地即是电路的地与大地无导体连接。其优点是该电路不受大地电性能的影响；其缺点是该电路易受寄生电容的影响，而使该电路的地电位变动和增加了对模拟电路的感应干扰；由于该电路的地与大地无导体连接，易产生静电积累而导致静电放电，可能造成静电击穿或强烈的干扰。因此，浮地的效果不仅取决于浮地的绝缘电阻的大小，而且取决于浮地的寄生电容的大小和信号的频率

1）全机浮地

        针对外壳是塑料的手持式仪器仪表，可采用全机浮地的处理方式 ，即是：系统各个部分与大地浮置起来，但要求整个系统与大地绝缘电阻不能小于50MΩ，该方式具有一定的抗干扰能力，但一旦绝缘下降就会带来干扰。

2）部分浮地

        部分浮地就是将 机壳接地，其余部分浮空 。这种方法抗干扰能力强，安全可靠，但实现起来比较复杂。

4、信号回流和跨分割

        根据公式可以知道， 辐射强度是和回路面积成正比的 ，就是说 回流需要走的路径越长，形成的环越大，它对外辐射的干扰也越大 ，所以， PCB布板的时候要尽可能减小电源回路和信号回路面积 。

        对于一个高速信号来说， 提供有好的信号回流可以保证它的信号质量 ，这是因为 PCB上传输线的特性阻抗一般是以地层（或电源层）为参考来计算的 ，如果高速线附近有连续的地平面，这样这条线的阻抗就能保持连续，如果有段线附近没有了地参考，这样阻抗就会发生变化，不连续的阻抗从而会影响到信号的完整性。所以，布线的时候要把高速线分配到靠近地平面的层，或者高速线旁边并行走一两条地线，起到屏蔽和就近提供回流的功能。

5、模拟地和数字地

        模拟信号和数字信号都要回流到地，因为数字信号变化速度快，从而在数字地上引起的噪声就会很大，而模拟信号是需要一个干净的地参考工作的。如果模拟地和数字地混在一起，噪声就会影响到模拟信号。一般来说，模拟地和数字地要分开处理，然后通过细的走线连在一起，或者单点接在一起。总的思想是尽量阻隔数字地上的噪声窜到模拟地上。

6、单板上的信号接地

        对于一般器件来说，就近接地是最好的，采用了拥有完整地平面的多层板设计后，对于一般信号的接地就非常容易了，基本原则是 保证走线的连续性，减少过孔数量；靠近地平面或者电源平面。

7、接口器件接地方式

        有些单板对外有输入输出接口，比如串口连接器，网口RJ45连接器等等，如果对它们的接地设计得不好也会影响到正常工作，例如网口互连有误码，丢包等，并且会成为对外的电磁干扰源，把板内的噪声向外发送。一般来说会 单独分割出一块独立的接口地 ， 与信号地的连接采用细的走线连接，可以串上0欧姆或者小阻值的电阻 。 细的走线可以用来阻隔信号地上噪音过到接口地上来 。另外对接口地和接口电源的滤波也要认真考虑。

8、带屏蔽层电缆线的屏蔽层接地方式

         屏蔽电缆的屏蔽层都要接到单板的接口地上而不是信号地上， 这是因为信号地上有各种的噪声，如果屏蔽层接到了信号地上，噪声电压会驱动共模电流沿屏蔽层向外干扰，所以设计不好的电缆线一般都是电磁干扰的最大噪声输出源。当然前提是接口地也要非常的干净。

        以上是做高精度仪器仪表产品中应该注意的各种地的处理方式，如果您觉得有不对的地方可以留言给我交流，也希望您们多提宝贵意见。当然要想做高精度仪器仪表，地的处理只是其中的一个方面，还有其他需要注意的地方的，比如在器件选择阶段尽量使用PSRR高的LDO,尽量避免使用DCDC和纹波超过300UV的电源温压器件，我们也可以通过差分输入来减少来自电源的干扰，晶振的外壳如果是金属的,通常要接到数字地上等等方面，会在以后详细介绍做高精度仪器仪表其他应该注意的方面的，敬请关注！