仪器为什么要接地?竟隐藏这么多学问？

 【技术】畅谈接地术，竟隐藏这么多学问？
Q1：为什么要接地?
Answer：接地技术的引入*初是为了防止电力或电子等设备遭雷击而采取的保护性措施，目的是把雷电产生的雷击电流通过避雷针引入到大地，从而起到保护建筑物的作用。同时，接地也是保护人身**的一种有效手段，当某种原因引起的相线（如电线绝缘**，线路老化等）和设备外壳碰触时，设备的外壳就会有危险电压产生，由此生成的故障电流就会流经PE线到大地，从而起到保护作用。随着电子通信和其它数字领域的发展，在接地系统中只考虑防雷和**已远远不能满足要求了。比如在通信系统中，大量设备之间信号的互连要求各设备都要有一个基准‘地’作为信号的参考地。而且随着电子设备的复杂化，信号频率越来越高，因此，在接地设计中，信号之间的互扰等电磁兼容问题必须给予特别关注，否则，接地不当就会严重影响系统运行的可靠性和稳定性。*近，高速信号的信号回流技术中也引入了“地”的概念。
Q2：接地的定义
Answer: 在现代接地概念中、对于线路工程师来说，该术语的含义通常是‘线路电压的参考点’；对于系统设计师来说，它常常是机柜或机架；对电气工程师来说，它是绿色**地线或接到大地的意思。一个比较通用的定义是“接地是电流返回其源的低阻抗通道”。注意要**”低阻抗”和“通路”。
Q3：常见的接地符号
Answer: PE,PGND,FG－保护地或机壳；BGND或DC-RETURN－直流－48V(+24V)电源（电池）回流；GND－工作地；DGND－数字地；AGND－模拟地；LGND－防雷保护地 。
Q4：合适的接地方式
Answer: 接地有多种方式，有单点接地，多点接地以及混合类型的接地。而单点接地又分为串联单点接地和并联单点接地。一般来说，单点接地用于简单电路，不同功能模块之间接地区分，以及低频（f<1MHz）电子线路。当设计高频（f>10MHz）电路时就要采用多点接地了或者多层板（完整的地平面层）。
Q5：信号回流和跨分割的介绍
Answer：对于一个电子信号来说，它需要寻找一条*低阻抗的电流回流到地的途径，所以如何处理这个信号回流就变得非常的关键。
**，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。
第三，为什么说布线的时候尽量不要跨电源分割，这也是因为信号跨越了不同电源层后，它的回流途径就会很长了，容易受到干扰。当然，不是严格要求不能跨越电源分割，对于低速的信号是可以的，因为产生的干扰相比信号可以不予关心。对于高速信号就要认真检查，尽量不要跨越，可以通过调整电源部分的走线。（这是针对多层板多个电源供应情况说的）。
Q6：为什么要将模拟地和数字地分开，如何分开?
Answer：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。当然这也不是非常严格的要求模拟地和数字地必须分开，如果模拟部分附近的数字地还是很干净的话可以合在一起。
Q7：单板上的信号如何接地?
Answer：对于一般器件来说，就近接地是*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，等等。
Q8：单板的接口器件如何接地?
Answer：有些单板会有对外的输入输出接口，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。同样的，对接口地和接口电源的滤波也要认真考虑。
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。当然这也不是非常严格的要求模拟地和数字地必须分开，如果模拟部分附近的数字地还是很干净的话可以合在一起。
Q9：带屏蔽层的电缆线的屏蔽层如何接地?
Answer：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*大噪声输出源。当然前提是接口地也要非常的干净。
浅谈接地技术
电子设备可能受到电源传输耦合、传输线干扰、地电流干扰带来的电磁干扰的影响。加接地与电磁屏蔽、加滤波器等方法都可以有效减小干扰。接地阻抗越小，设备之间的电位差越小，干扰对信号的影响也就越小。
比如A、B两个电路直接有信号相连，二者分别接地，相距1m。当又一个上升时间20ms，幅度50mA的脉冲电流流经此地线时，将产生感应电压
         其中，地线的电感约为每米0.8uH。
         若存在TTL电路，那么这个感生出的电压就有可能造成电路的误翻转。
         信号接地的方式有悬浮接地、单点接地、多点接地。
         信号电路与外壳不相连时为悬浮接地，这样可以防止外壳上的干扰信号直接接近信号电路。但一般不采用这种接法，因为很难做到真正的悬浮，且隔离后如果产生了静电荷，还可能会出现放电的现象，反而带来了问题。
         单点接地就是信号电路的所有地都结在一起，只通过一个点接至接地系统，仍与外壳相隔离。这种方法不适用于频率较高的通信电子设备，在模拟电路中经常采用。因为各接线之间存在分布电容，在高频时会产生较大的阻抗。
         多点接地适用于高频信号，各点就近直接接入接地系统。
         可见当一个设备或电路板上同时拥有模拟和数字电路时，对于接地的处理是完全不同的。而如今的电子设备、仪器等普遍为数字和模拟的综合电路。因为数字地主要是如TTL或CMOS、I/O接口芯片等数字电路的地。而模拟地则是放大器、滤波器等模拟电路的地。数字芯片供电端一般需要加去耦和滤波电容，且尽量靠近电源。在使用A/D和D/A集成芯片时，一般芯片会同时存在模拟地和数字地，两个地要分别接在一起，然后仅在一点处把两个地共起来，即模拟地都接在一起，数字地也都接在一起，然后通过一个点接起来。一半会在两个地之间加上一个0.1u的电容或零欧电阻，滤掉数字电路部分的高频干扰。因为数字信号变化速度快，引起的噪声也就很大，而模拟需要纯净的地，尽量减少噪声对模拟信号的影响。
电路的屏蔽罩接地
各种信号源和放大器等易受电磁辐射干扰的电路应设置屏蔽罩。由于信号电路与屏蔽罩之间存在寄生电容，因此要将信号电路地线末端与屏蔽罩相连，以消除寄生电容的影响，并将屏蔽罩接地，以消除共模干扰。
电缆的屏蔽层接地
在某些通信设备中的弱信号传输电缆中，为了保证信号传输过程中的**和稳定，使用外面带屏蔽网的电缆来使信号的传输稳定，防止干扰其他设备和防止自己**扰。例如闭路电视使用的是同轴电缆，外面的金属网是用来屏蔽信号的。再如网线里面有8根细金属导线绕制的，其中4根就起屏蔽的作用，保证信号的数字信号地正确。 网线的绕制上就可以看到它的屏蔽作用
低频电路电缆的屏蔽层接地
低频电路<f＜1MHz>电缆的屏蔽层接地应采用单点接地的方式，屏蔽层接地点应当与电路的接地点一致,一般是电源的负极。对于多层屏蔽电缆，每个屏蔽层应在一点接地，但各屏蔽层应相互绝缘。
高频电路电缆的屏蔽层接地
高频电路电缆的屏蔽层接地应采用多点接地的方式。高频电路的信号在传递中会产生严重的电磁辐射，数字信号的传输会严重地衰减，如果没有良好的屏蔽，会使数字信号产生错误。一般采用一下原则：当电缆长度大于工作信号波长的0.15倍时，采用工作信号波长的0.15倍的间隔多点接地式。如果不能实现，则至少将屏蔽层两端接地。
系统的屏蔽体接地
当整个系统需要抵抗外界电磁干扰，或需要防止系统对外界产生电磁干扰时，应将整个系统屏蔽起来，并将屏蔽体接到系统地上。例如电脑的机箱、敏感电子仪器、某些仪表。
设备地在现在的电子设备中，要出色地完成特定的工作，往往含有多种电路，比如低电平的信号电路（如高频电路、数字电路、小信号模拟电路等）、高电平的功率电路（如供电电路、继电器电路等）。为了安装电路板和其它元器件、为了抵抗外界电磁干扰而需要设备具有一定机械强度和屏蔽效能的外壳。
这些较复杂的设备接地是一般要遵循以下原则：
    50Hz电源零线应接到**接地螺栓处，对于独立的设备，**接地螺栓设在设备金属外壳上，并有良好电气连接；为防止机壳带电，危及人身**，**不允许用电源零线作地线代替机壳地线；
   为防止高电压、大电流和强功率电路（如供电电路、继电器电路）对低电平电路（如高频电路、数字电路、模拟电路等）的干扰，一定要将他们的将它们分开接地，并保证接地点之间的距离。前者为功率地（强电地），后者为信号地（弱电地），信号地分为数字地和模拟地，数字地与模拟地要分开接地，*好采用单独电源供电并分别接地，信号地线应与功率地线和机壳地线相绝缘；
   信号地线可另设一个和设备外壳相绝缘信号地接地螺栓，该信号地螺栓与**接地螺栓的连接有三种方法，选用那种方法取决于接地的效果：一种是不连接，而成为浮地式，由于浮地的效果不好，建议不采用；二是直接连接成为单点接地式，注意是在低频电路中采用单点接地；三是通过1一3μF电容器连接，而成为直流浮地式，交流接地式。其它的接地*后全部汇聚在**接地螺栓上，该点应位于交流电源的进线处，然后通过接地线将接地极可靠地埋在土壤中。
系统地
工业现场动力线路密布，设备启停运转繁忙，因此存在严重的电场和磁场干扰。而工业控制系统又有几十乃至几百个输入输出通道分布在其中，导线之间形成相互耦合是通道干扰的主要原因之一。它们主要表现为电容性耦合、电感性耦合、电磁场辐射三种形式。系统接地就是使系统建立与大地的连接，是电子电力设备防止这些干扰并正常地工作。
系统的接地应当注意以下几点：参照设备的接地注意事项； 设备外壳用设备外壳地线和机柜外壳相连； 机柜外壳用机柜外壳地线和系统外壳相连； 对于系统，**接地螺栓设在系统金属外壳上，并保持良好电气连接；
    ——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，另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**接地螺栓，屏蔽地及机柜外壳地母线接到**接地螺栓上；信号地母线接到信号地螺栓上；母线的电气性能要良好，电阻要尽可能的小。
    ——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，如果不接地，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**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；
——工作接地线应采用铜芯绝缘导线或电缆，不得利用镀锌扁铁或金属软管；工作接地线与保护接地线，必须分开，保护接地导体不得利用金属软管；埋设时，将接地极打入地表层一定深度倒入盐水，地线周围*好全部采用炭粉实埋，用来增强导电性；一般系统接地电阻小于4Ω，共点接地电阻小于1Ω，移动设备，接地电阻不大于10Ω。