干貨-關(guān)于接地的若干“問題”

接地的相關(guān)問題

1. 控制系統(tǒng)宜采用一點(diǎn)接地
一般情況下，高頻電路應(yīng)就近多點(diǎn)接地，低頻電路應(yīng)一點(diǎn)接地。在低頻電路中，布線和元件間的電感并不是什么大問題，然而接地形成的環(huán)路的干擾影響很大，因此，常以一點(diǎn)作為接地點(diǎn)。但一點(diǎn)接地不適用于高頻，因?yàn)楦哳l時(shí)，地線上具有電感因而增加了地線阻抗，同時(shí)各地線之間又產(chǎn)生電感耦合。一般來(lái)說，頻率在 1MHz 以下，可用一點(diǎn)接地；高于 10MHz 時(shí)，采用多點(diǎn)接地；在 1～10MHz 之間可用一點(diǎn)接地，也可用多點(diǎn)接地。

2. 交流地與信號(hào)地不能共用
由于在一段電源地線的兩點(diǎn)間會(huì)有數(shù) mV 甚至幾 V 電壓，對(duì)低電平信號(hào)電路來(lái)說，這是一個(gè)非常重要的干擾，因此必須加以隔離和防止。

3. 浮地與接地的比較
全機(jī)浮空即系統(tǒng)各個(gè)部分與大地浮置起來(lái)，這種方法簡(jiǎn)單，但整個(gè)系統(tǒng)與大地絕緣電阻不能小于 50MΩ。這種方法具有一定的抗干擾能力，但一旦絕緣下降就會(huì)帶來(lái)干擾。還有一種方法，就是將機(jī)殼接地，其余部分浮空。這種方法抗干擾能力強(qiáng)，安全可靠，但實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較復(fù)雜。

4. 模擬地
模擬地的接法十分重要。為了提高抗共模干擾能力，對(duì)于模擬信號(hào)可采用屏蔽浮技術(shù)。對(duì)于具體模擬量信號(hào)的接地處理要嚴(yán)格按照操作手冊(cè)上的要求設(shè)計(jì)。

5. 屏蔽地
在控制系統(tǒng)中為了減少信號(hào)中電容耦合噪聲、準(zhǔn)確檢測(cè)和控制，對(duì)信號(hào)采用屏蔽措施是十分必要的。根據(jù)屏蔽目的不同，屏蔽地的接法也不一樣。電場(chǎng)屏蔽解決分布電容問題，一般接大地；電磁場(chǎng)屏蔽主要避免雷達(dá)、電臺(tái)等高頻電磁場(chǎng)輻射干擾。利用低阻金屬材料高導(dǎo)流而制成，可接大地。磁場(chǎng)屏蔽用以防磁鐵、電機(jī)、變壓器、線圈等磁感應(yīng)，其屏蔽方法是用高導(dǎo)磁材料使磁路閉合，一般接大地為好。當(dāng)信號(hào)電路是一點(diǎn)接地時(shí)，低頻電纜的屏蔽層也應(yīng)一點(diǎn)接地。如果電纜的屏蔽層地點(diǎn)有一個(gè)以上時(shí)，將產(chǎn)生噪聲電流，形成噪聲干擾源。

當(dāng)一個(gè)電路有一個(gè)不接地的信號(hào)源與系統(tǒng)中接地的放大器相連時(shí)，輸入端的屏蔽應(yīng)接至放大器的公共端；相反，當(dāng)接地的信號(hào)源與系統(tǒng)中不接地的放大器相連時(shí)，放大器的輸入端也應(yīng)接到信號(hào)源的公共端。

對(duì)于電氣系統(tǒng)的接地，要按接地的要求和目的分類，不能將不同類接地簡(jiǎn)單地、任意地連接在一起，而是要分成若干獨(dú)立的接地子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)都有其共同的接地點(diǎn)或接地干線，最后才連接在一起，實(shí)行總接地。

相關(guān)問題解答

1. 為什么要接地?
接地技術(shù)的引入最初是為了防止電力或電子等設(shè)備遭雷擊而采取的保護(hù)性措施，目的是把雷電產(chǎn)生的雷擊電流通過避雷針引入到大地，從而起到保護(hù)建筑物的作用。同時(shí)，接地也是保護(hù)人身安全的一種有效手段，當(dāng)某種原因引起的相線（如電線絕緣不良，線路老化等）和設(shè)備外殼碰觸時(shí)，設(shè)備的外殼就會(huì)有危險(xiǎn)電壓產(chǎn)生，由此生成的故障電流就會(huì)流經(jīng) PE 線到大地，從而起到保護(hù)作用。隨著電子通信和其它數(shù)字領(lǐng)域的發(fā)展，在接地系統(tǒng)中只考慮防雷和安全已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求了。

比如在通信系統(tǒng)中，大量設(shè)備之間信號(hào)的互連要求各設(shè)備都要有一個(gè)基準(zhǔn)‘地’作為信號(hào)的參考地。而且隨著電子設(shè)備的復(fù)雜化，信號(hào)頻率越來(lái)越高，因此，在接地設(shè)計(jì)中，信號(hào)之間的互擾等電磁兼容問題必須給予特別關(guān)注，否則，接地不當(dāng)就會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。最近，高速信號(hào)的信號(hào)回流技術(shù)中也引入了“地”的概念。

2. 接地的定義
在現(xiàn)代接地概念中、對(duì)于線路工程師來(lái)說，該術(shù)語(yǔ)的含義通常是‘線路電壓的參考點(diǎn)’；對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)師來(lái)說，它常常是機(jī)柜或機(jī)架；對(duì)電氣工程師來(lái)說，它是綠色安全地線或接到大地的意思。一個(gè)比較通用的定義是“接地是電流返回其源的低阻抗通道”。注意要求是”低阻抗”和“通路”。

3. 常見的接地符號(hào)
PE、PGND、FG－保護(hù)地或機(jī)殼；BGND 或 DC-RETURN－直流－48V(+24V)電源（電池）回流；GND－工作地；DGND－數(shù)字地；AGND－模擬地；LGND－防雷保護(hù)地；GND 在電路里常被定為電壓參考基點(diǎn)。

從電氣意義上說，GND 分為電源地和信號(hào)地。PG 是 Power Ground（電源地）的縮寫。另一個(gè)是 Signal Ground（信號(hào)地）。實(shí)際上它們可能是連在一起的（不一定是混在一起哦！）。

兩個(gè)名稱，主要是便于對(duì)電路進(jìn)行分析。進(jìn)一步說，還有因電路形式不同而必須區(qū)分的兩種“地”：數(shù)字地，模擬地。數(shù)字地和模擬地都有信號(hào)地、電源地兩種情況。數(shù)字地和模擬地之間，某些電路可以直接連接，有些電路要用電抗器連接，有些電路不可連接。

4. 合適的接地方式
接地有多種方式，有單點(diǎn)接地，多點(diǎn)接地以及混合類型的接地。而單點(diǎn)接地又分為串聯(lián)單點(diǎn)接地和并聯(lián)單點(diǎn)接地。一般來(lái)說，單點(diǎn)接地用于簡(jiǎn)單電路，不同功能模塊之間接地區(qū)分，以及低頻（f<1MHz）電子線路。當(dāng)設(shè)計(jì)高頻（f>10MHz）電路時(shí)就要采用多點(diǎn)接地了或者多層板（完整的地平面層）。

5. 信號(hào)回流和跨分割的介紹
對(duì)于一個(gè)電子信號(hào)來(lái)說，它需要尋找一條最低阻抗的電流回流到地的途徑，所以如何處理這個(gè)信號(hào)回流就變得非常的關(guān)鍵。

第一，根據(jù)公式可以知道，輻射強(qiáng)度是和回路面積成正比的，就是說回流需要走的路徑越長(zhǎng)，形成的環(huán)越大，它對(duì)外輻射的干擾也越大，所以，PCB 布板的時(shí)候要盡可能減小電源回路和信號(hào)回路面積。

第二，對(duì)于一個(gè)高速信號(hào)來(lái)說，提供有好的信號(hào)回流可以保證它的信號(hào)質(zhì)量，這是因?yàn)?PCB 上傳輸線的特性阻抗一般是以地層（或電源層）為參考來(lái)計(jì)算的，如果高速線附近有連續(xù)的地平面，這樣這條線的阻抗就能保持連續(xù)，如果有段線附近沒有了地參考，這樣阻抗就會(huì)發(fā)生變化，不連續(xù)的阻抗從而會(huì)影響到信號(hào)的完整性。所以，布線的時(shí)候要把高速線分配到靠近地平面的層，或者高速線旁邊并行走一兩條地線，起到屏蔽和就近提供回流的功能。

第三，為什么說布線的時(shí)候盡量不要跨電源分割，這也是因?yàn)樾盘?hào)跨越了不同電源層后，它的回流途徑就會(huì)很長(zhǎng)了，容易受到干擾。當(dāng)然，不是嚴(yán)格要求不能跨越電源分割，對(duì)于低速的信號(hào)是可以的，因?yàn)楫a(chǎn)生的干擾相比信號(hào)可以不予關(guān)心。對(duì)于高速信號(hào)就要認(rèn)真檢查，盡量不要跨越，可以通過調(diào)整電源部分的走線。（這是針對(duì)多層板多個(gè)電源供應(yīng)情況說的）

6. 為什么要將模擬地和數(shù)字地分開，如何分開？
模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)都要回流到地，因?yàn)閿?shù)字信號(hào)變化速度快，從而在數(shù)字地上引起的噪聲就會(huì)很大，而模擬信號(hào)是需要一個(gè)干凈的地參考工作的。如果模擬地和數(shù)字地混在一起，噪聲就會(huì)影響到模擬信號(hào)。

一般來(lái)說，模擬地和數(shù)字地要分開處理，然后通過細(xì)的走線連在一起，或者單點(diǎn)接在一起。總的思想是盡量阻隔數(shù)字地上的噪聲竄到模擬地上。當(dāng)然這也不是非常嚴(yán)格的要求模擬地和數(shù)字地必須分開，如果模擬部分附近的數(shù)字地還是很干凈的話可以合在一起。

7. 單板上的信號(hào)如何接地？
對(duì)于一般器件來(lái)說，就近接地是最好的，采用了擁有完整地平面的多層板設(shè)計(jì)后，對(duì)于一般信號(hào)的接地就非常容易了，基本原則是保證走線的連續(xù)性，減少過孔數(shù)量；靠近地平面或者電源平面，等等。

8. 單板的接口器件如何接地？
有些單板會(huì)有對(duì)外的輸入輸出接口，比如串口連接器，網(wǎng)口 RJ45 連接器等等，如果對(duì)它們的接地設(shè)計(jì)得不好也會(huì)影響到正常工作，例如網(wǎng)口互連有誤碼，丟包等，并且會(huì)成為對(duì)外的電磁干擾源，把板內(nèi)的噪聲向外發(fā)送。一般來(lái)說會(huì)單獨(dú)分割出一塊獨(dú)立的接口地，與信號(hào)地的連接采用細(xì)的走線連接，可以串上零歐姆或者小阻值的電阻。細(xì)的走線可以用來(lái)阻隔信號(hào)地上噪音過到接口地上來(lái)。同樣的，對(duì)接口地和接口電源的濾波也要認(rèn)真考慮。

9. 帶屏蔽層的電纜線的屏蔽層如何接地?
屏蔽電纜的屏蔽層都要接到單板的接口地上而不是信號(hào)地上，這是因?yàn)樾盘?hào)地上有各種的噪聲，如果屏蔽層接到了信號(hào)地上，噪聲電壓會(huì)驅(qū)動(dòng)共模電流沿屏蔽層向外干擾，所以設(shè)計(jì)不好的電纜線一般都是電磁干擾的最大噪聲輸出源。當(dāng)然前提是接口地也要非常的干凈。

審核編輯黃宇