? ? ? ? 在高精度儀器儀表產(chǎn)品研發(fā)中凹蜂，各種地的處理方式將直接影響著產(chǎn)品的性能，所以說綜合自己在電力電量檢測(cè)行業(yè)、軸承振動(dòng)檢測(cè)行業(yè)內(nèi)的高精度儀器儀表研發(fā)經(jīng)驗(yàn)覆醇，現(xiàn)將產(chǎn)品設(shè)計(jì)中地的種類、各種地的處理方式以及自身已經(jīng)驗(yàn)證過的成熟實(shí)例總結(jié)歸納一下炭臭，并在此分享給大家永脓，希望能夠給正在研發(fā)或從事高精度儀器儀表研發(fā)的同仁們一些值得參考的有價(jià)值的內(nèi)容，也希望大家多多支持鞋仍，當(dāng)然后續(xù)還會(huì)和大家分享到有關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的其他方面的內(nèi)容常摧，如果大家對(duì)這方面的內(nèi)容比較感興趣，可以關(guān)注我的簡(jiǎn)書專題《產(chǎn)品設(shè)計(jì)》威创，如果對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的其他一些問題比較感興趣落午，可以在下方給我留言或直接咨詢我。
一肚豺、地的分類及處理方式
????????有時(shí)一個(gè)產(chǎn)品中既有高頻電路溃斋、也有低頻電路，既有模擬電路吸申、也有數(shù)字電路梗劫，既有電源變換電路，也有信號(hào)處理電路截碴，所以說與之對(duì)應(yīng)的一個(gè)產(chǎn)品中會(huì)存在模擬地梳侨、數(shù)字地、信號(hào)地隐岛、電源地猫妙、屏蔽地、外殼地聚凹、交流地割坠、大地等。
????????從參考電平的角度看妒牙，都是同一個(gè)地彼哼，最終都要接到一起獲得相同的參考電位。對(duì)于地的分類湘今，主要是從布線的角度看的敢朱，目的是為了減少不同電路之間地的干擾。
1、外殼地（機(jī)殼地）
1）含義
? ? ? ? 為防止靜電感應(yīng)和磁場(chǎng)感應(yīng)而設(shè)拴签，一般情況下為了安全起見即將機(jī)殼接大地孝常，外殼接地既是對(duì)人體安全的保護(hù)，也是防干擾的一種手段蚓哩，因?yàn)橐话闱闆r下機(jī)殼是金屬的构灸，是非常好的屏蔽體，絕大部分輻射干擾都可以阻擋在機(jī)殼之外岸梨。電子產(chǎn)品外殼接大地的目的就是快速將電荷釋放到大地上喜颁。
2）目的
? ? ? ? （1）防止產(chǎn)品的機(jī)殼上積累電荷，產(chǎn)生靜電放電而危及設(shè)備和人身安全曹阔；
? ? ? ? （2）當(dāng)設(shè)備的絕緣層損壞而使機(jī)殼帶電時(shí)半开，促使電源的保護(hù)動(dòng)作而切斷電源，以便保護(hù)工作人員的安全赃份。
3）處理方式
????????通過地線引入的干擾(也叫共阻抗干擾)寂拆，處理方法一般采用地線隔離技術(shù)，在外殼接地時(shí)接入阻抗芥炭，加入濾波等漓库。
2、功率地
????????功率地是負(fù)載電路或功率驅(qū)動(dòng)電路的零電位的公共基準(zhǔn)地線痢士。由于負(fù)載電路或功率驅(qū)動(dòng)電路的電流較強(qiáng)彪薛、電壓較高，所以功率地線上的干擾較大怠蹂。因此功率地必須與其它弱電地分別設(shè)置善延，以保證整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的工作。
3城侧、信號(hào)地
1）含義
? ? ? ? 信號(hào)地是電子設(shè)備中信號(hào)電路的統(tǒng)一參考地易遣，目的是使電子設(shè)備正常工作時(shí)有一個(gè)統(tǒng)一的參考零電位，避免有害電磁場(chǎng)的干擾嫌佑，進(jìn)而保證設(shè)備穩(wěn)定可靠的工作豆茫。特別是針對(duì)模擬小信號(hào)，易受干擾屋摇，因此對(duì)信號(hào)地的處理要求就比較高揩魂。
2）處理方式
（1）單屏蔽層線纜
????????如果線纜是單屏蔽層，信號(hào)地理想接法是使用專門的信號(hào)線將所有節(jié)點(diǎn)信號(hào)地連接炮温，起到參考地的作用火脉。但如果缺少信號(hào)地線，亦可將所有節(jié)點(diǎn)信號(hào)地都連接到屏蔽層，但這樣屏蔽效果亦差強(qiáng)人意倦挂。
（2）雙屏蔽層線纜
????????當(dāng)使用雙層屏蔽電纜時(shí)畸颅，需要將所有節(jié)點(diǎn)信號(hào)地連接到內(nèi)屏蔽層，若使用非屏蔽線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)方援，請(qǐng)保持信號(hào)地管腳懸空處理重斑。
????????所有節(jié)點(diǎn)信號(hào)地接到屏蔽層或雙屏蔽層的內(nèi)層后，屏蔽層處理方式注意為單點(diǎn)接地肯骇，不可多點(diǎn)接地窥浪，否則會(huì)在信號(hào)地線上形成地環(huán)流。
????????另外笛丙，單點(diǎn)接地是為了加大供電地和信號(hào)地之間的隔離電阻漾脂，阻止共地阻抗電路耦合產(chǎn)生的電磁干擾，注意采用隔離浮地設(shè)計(jì)胚鸯，通過阻容方式將屏蔽層與外殼隔離骨稿。
4、模擬地
????????模擬地是模擬電路零電位的公共基準(zhǔn)地線姜钳。由于模擬電路既承擔(dān)小信號(hào)的放大坦冠，又承擔(dān)大信號(hào)的功率放大；既有低頻的放大哥桥，又有高頻放大辙浑；因此模擬電路既易接受干擾，又可能產(chǎn)生干擾拟糕。所以對(duì)模擬地的接地點(diǎn)選擇和接地線的敷設(shè)更要充分考慮判呕。
4、數(shù)字地
????????數(shù)字地是數(shù)字電路零電位的公共基準(zhǔn)地線送滞。由于數(shù)字電路工作在脈沖狀態(tài)侠草，特別是脈沖的前后沿較陡或頻率較高時(shí)，易對(duì)模擬電路產(chǎn)生干擾犁嗅。所以對(duì)數(shù)字地的接地點(diǎn)選擇和接地線的敷設(shè)也要充分考慮边涕。
5、電源地
1）含義
? ? ? ? 是為了保證供電電源形成完整的電流回路而設(shè)置的供電地褂微，是電源零電位的公共基準(zhǔn)線功蜓。
2）處理方式
????????與單電源供電的負(fù)極相連。
3）其他說明
????????由于電源往往需要同時(shí)給系統(tǒng)中的各個(gè)單元供電蕊梧，而各個(gè)單元要求的供電性質(zhì)和參數(shù)可能有很大差別霞赫，因此既要保證電源穩(wěn)定可靠的工作，又要保證其它單元穩(wěn)定可靠的工作肥矢。
6端衰、屏蔽地
1）含義
????????導(dǎo)體外部有導(dǎo)體包裹的導(dǎo)線叫屏蔽線叠洗，包裹的導(dǎo)體叫屏蔽層，一般為編織銅網(wǎng)或銅泊(鋁)旅东，屏蔽層需要接地處理灭抑，保證外來的干擾信號(hào)可被該層導(dǎo)入大地。
2）處理方式
????????當(dāng)使用雙層屏蔽電纜時(shí)抵代，CAN-Shield連接到外屏蔽層和DB9連接器的屏蔽殼腾节。并且使用DB9針式連接器時(shí)外屏蔽層會(huì)被連接到pin5，以保證當(dāng)使用沒有屏蔽殼連接的連接器時(shí)荤牍，可靠的接地案腺。
????????多節(jié)點(diǎn)總線同樣要求屏蔽地采用單點(diǎn)接地，防止形成回路康吵，并且為浮地設(shè)計(jì)劈榨。如圖5所示處理方式，CTM1051模塊3腳為屏蔽地晦嵌，5腳為信號(hào)地同辣。
3）其他說明
? ? ? ? 靜電屏蔽惭载。當(dāng)用完整的金屬屏蔽體將帶正電導(dǎo)體包圍起來旱函，在屏蔽體的內(nèi)側(cè)將感應(yīng)出與帶電導(dǎo)體等量的負(fù)電荷，外側(cè)出現(xiàn)與帶電導(dǎo)體等量的正電荷描滔，因此外側(cè)仍有電場(chǎng)存在棒妨。如果將金屬屏蔽體接地，外側(cè)的正電荷將流入大地伴挚，外側(cè)將不會(huì)有電場(chǎng)存在靶衍，即帶正電導(dǎo)體的電場(chǎng)被屏蔽在金屬屏蔽體內(nèi)灾炭。
? ? ? ? 交變電場(chǎng)屏蔽茎芋。為降低交變電場(chǎng)對(duì)敏感電路的耦合干擾電壓，可以在干擾源和敏感電路之間設(shè)置導(dǎo)電性好的金屬屏蔽體蜈出，并將金屬屏蔽體接地田弥。只要設(shè)法使金屬屏蔽體良好接地，就能使交變電場(chǎng)對(duì)敏感電路的耦合干擾電壓變得很小铡原。
二偷厦、一臺(tái)設(shè)備中各種地的處理方式總結(jié)
1）地的處理框圖
2）相關(guān)說明
????????一臺(tái)設(shè)備要實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求，往往包含多種電路燕刻，比如高頻電路只泼、數(shù)字電路、模擬電路卵洗、供電電路请唱、繼電器電路等弥咪。為了抵抗外界電磁干擾而需要設(shè)備具有一定的屏蔽效能。典型設(shè)備的接地如圖6所示十绑。設(shè)備的接地應(yīng)當(dāng)注意以下幾點(diǎn)：
（1）為防止高電壓聚至、大電流和強(qiáng)功率電路對(duì)低電平電路的干擾，將它們的接地分開本橙。前者為功率地扳躬，后者為信號(hào)地，而信號(hào)地又分為數(shù)字地和模擬地甚亭，信號(hào)地線應(yīng)與功率地線和機(jī)殼地線相絕緣贷币；
（2）對(duì)于信號(hào)地線可另設(shè)一信號(hào)地螺栓（和設(shè)備外殼相絕緣），該信號(hào)地螺栓與安全接地螺栓的連接有三種方法（取決于接地的效果）：一是不連接亏狰，而成為浮地式片择；二是直接連接，而成為單點(diǎn)接地式骚揍；三是通過一3μF電容器連接字管，而成為直流浮地式，交流接地式信不。其它的接地最后匯聚在安全接地螺栓上（該點(diǎn)應(yīng)位于交流電源的進(jìn)線處）嘲叔。
三、一個(gè)系統(tǒng)中各種地的處理方式總結(jié)
1）地的處理框圖
2）相關(guān)說明
（1）參照設(shè)備的接地注意事項(xiàng)抽活；
（2）設(shè)備外殼用設(shè)備外殼地線和機(jī)柜外殼相連硫戈；
（3）機(jī)柜外殼用機(jī)柜外殼地線和系統(tǒng)外殼相連；
（4）對(duì)于系統(tǒng)下硕，安全接地螺栓設(shè)在系統(tǒng)金屬外殼上丁逝，并有良好電連接；
（5）當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)機(jī)柜梭姓、設(shè)備過多時(shí)霜幼，將導(dǎo)致數(shù)字地線、模擬地線誉尖、功率地線和機(jī)柜外殼地線過多罪既。對(duì)此，可以考慮鋪設(shè)兩條互相并行并和系統(tǒng)外殼絕緣的半環(huán)形接地母線铡恕，一條為信號(hào)地母線琢感，一條為屏蔽地及機(jī)柜外殼地母線；系統(tǒng)內(nèi)各信號(hào)地就近接到信號(hào)地母線上探熔，系統(tǒng)內(nèi)各屏蔽地及機(jī)柜外殼地就近接到屏蔽地及機(jī)柜外殼地母線上驹针；兩條半環(huán)形接地母線的中部靠近安全接地螺栓，屏蔽地及機(jī)柜外殼地母線接到安全接地螺栓上诀艰；信號(hào)地母線接到信號(hào)地螺栓上柬甥；
（6）當(dāng)系統(tǒng)用三相電源供電時(shí)墙牌，由于各負(fù)載用電量和用電的不同時(shí)性，必然導(dǎo)致三相不平衡暗甥，造成三相電源中心點(diǎn)電位偏移喜滨，為此將電源零線接到安全接地螺栓上，迫使三相電源中心點(diǎn)電位保持零電位撤防，從而防止三相電源中心點(diǎn)電位偏移所產(chǎn)生的干擾虽风；
四、成功案例
?????????結(jié)合自己在電力電量檢測(cè)行業(yè)寄月、振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)行業(yè)里做的高精度儀器儀表成功經(jīng)驗(yàn)辜膝，現(xiàn)將自己已經(jīng)驗(yàn)證過的成功案例分享給大家，希望對(duì)大家能有所幫助漾肮。????
1厂抖、軸承故障檢測(cè)設(shè)備（便攜設(shè)備）
1）硬件架構(gòu)框圖
2）地的處理框圖
2）相關(guān)說明
（1）該軸承檢測(cè)設(shè)備采用上位機(jī)和下位機(jī)結(jié)合并融為一體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，上位機(jī)選的是體積比較小的工控機(jī)克懊，下位機(jī)主控器件選用的是DSP器件忱辅。
（2）自制開關(guān)電源的輸出紋波和DCDC模塊的輸出紋波等性能參數(shù)對(duì)該檢測(cè)設(shè)備的高精度指標(biāo)比較關(guān)鍵，需要選擇輸出紋波比較小的DCDC模塊和下功夫做好開關(guān)電源的谭溉，使其輸出紋波盡可能的小墙懂，當(dāng)然其他指標(biāo)也是如此。
（3）地的處理框圖中隔離器件有三種類型的扮念，分別是磁隔離损搬、光耦隔離和電容隔離的。磁隔離用的比較多的器件是ADUM1200（單向的）或ADUM1250(雙向的)柜与；光耦隔離可根據(jù)傳輸速度進(jìn)行器件選擇的巧勤，常用的是HCPL0600等器件。
（4）接口器件是指常用的通訊接口或其他接口弄匕，通訊接口主要是RS232颅悉、RS485、CAN和網(wǎng)口等粘茄，本檢測(cè)設(shè)備用的是PCIe接口签舞，即是接口地和數(shù)字地（MCU）是一個(gè)地，傳輸速度可達(dá)132M柒瓣，又由于是塑料外殼的便攜式設(shè)備，所以該檢測(cè)設(shè)備采用的是整機(jī)浮地的方式吠架。
五芙贫、注意事項(xiàng)
1、控制系統(tǒng)宜采用一點(diǎn)接地
????????一般情況下傍药，高頻電路應(yīng)就近多點(diǎn)接地磺平，低頻電路應(yīng)一點(diǎn)接地魂仍。在低頻電路中，布線和元件間的電感并不是什么大問題拣挪，然而接地形成的環(huán)路的干擾影響很大擦酌，因此，常以一點(diǎn)作為接地點(diǎn)菠劝；但一點(diǎn)接地不適用于高頻赊舶，因?yàn)楦哳l時(shí)，地線上具有電感因而增加了地線阻抗赶诊，同時(shí)各地線之間又產(chǎn)生電感耦合笼平。一般來說，頻率在1MHz以下,可用一點(diǎn)接地舔痪；高于10MHz時(shí)寓调，采用多點(diǎn)接地；在1～10MHz之間可用一點(diǎn)接地锄码，也可用多點(diǎn)接地夺英。
1）單點(diǎn)接地
????????工作頻率低（f <1MHz）的采用單點(diǎn)接地式（即把整個(gè)電路系統(tǒng)中的一個(gè)結(jié)構(gòu)點(diǎn)看作接地參考點(diǎn)，所有對(duì)地連接都接到這一點(diǎn)上滋捶，并設(shè)置一個(gè)安全接地螺栓）秋麸，以防兩點(diǎn)接地產(chǎn)生共地阻抗的電路性耦合。多個(gè)電路的單點(diǎn)接地方式又分為串聯(lián)和并聯(lián)兩種炬太，由于串聯(lián)接地產(chǎn)生共地阻抗的電路性耦合灸蟆，所以低頻電路最好采用并聯(lián)的單點(diǎn)接地式。
????????為防止工頻和其它雜散電流在信號(hào)地線上產(chǎn)生干擾亲族，信號(hào)地線應(yīng)與功率地線和機(jī)殼地線相絕緣炒考。且只在功率地、機(jī)殼地和接往大地的接地線的安全接地螺栓上相連（浮地式除外）霎迫。
2）多點(diǎn)接地
????????工作頻率高（f >30MHz）的采用多點(diǎn)接地式（即在該電路系統(tǒng)中斋枢，用一塊接地平板代替電路中每部分各自的地回路）。因?yàn)榻拥匾€的感抗與頻率和長(zhǎng)度成正比知给，工作頻率高時(shí)將增加共地阻抗瓤帚，從而將增大共地阻抗產(chǎn)生的電磁干擾，所以要求地線盡量短涩赢。采用多點(diǎn)接地時(shí)戈次，盡量找最接近的低阻值接地面接地。
2筒扒、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電壓怯邪，對(duì)低電平信號(hào)電路來說，這是一個(gè)非常重要的干擾花墩，因此必須加以隔離和防止悬秉。
3澄步、浮地
????????浮地即是電路的地與大地?zé)o導(dǎo)體連接。其優(yōu)點(diǎn)是該電路不受大地電性能的影響和泌；其缺點(diǎn)是該電路易受寄生電容的影響村缸，而使該電路的地電位變動(dòng)和增加了對(duì)模擬電路的感應(yīng)干擾；由于該電路的地與大地?zé)o導(dǎo)體連接武氓，易產(chǎn)生靜電積累而導(dǎo)致靜電放電梯皿，可能造成靜電擊穿或強(qiáng)烈的干擾。因此聋丝，浮地的效果不僅取決于浮地的絕緣電阻的大小索烹，而且取決于浮地的寄生電容的大小和信號(hào)的頻率
1）全機(jī)浮地
? ? ? ? 針對(duì)外殼是塑料的手持式儀器儀表，可采用全機(jī)浮地的處理方式弱睦，即是：系統(tǒng)各個(gè)部分與大地浮置起來百姓，但要求整個(gè)系統(tǒng)與大地絕緣電阻不能小于50MΩ，該方式具有一定的抗干擾能力况木，但一旦絕緣下降就會(huì)帶來干擾垒拢。
2）部分浮地
????????部分浮地就是將機(jī)殼接地，其余部分浮空火惊。這種方法抗干擾能力強(qiáng)求类，安全可靠，但實(shí)現(xiàn)起來比較復(fù)雜屹耐。
4尸疆、信號(hào)回流和跨分割
????????根據(jù)公式可以知道，輻射強(qiáng)度是和回路面積成正比的惶岭，就是說回流需要走的路徑越長(zhǎng)寿弱，形成的環(huán)越大，它對(duì)外輻射的干擾也越大按灶，所以症革，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。
????????對(duì)于一個(gè)高速信號(hào)來說鸯旁，提供有好的信號(hào)回流可以保證它的信號(hào)質(zhì)量噪矛，這是因?yàn)?b>PCB上傳輸線的特性阻抗一般是以地層（或電源層）為參考來計(jì)算的，如果高速線附近有連續(xù)的地平面铺罢，這樣這條線的阻抗就能保持連續(xù)艇挨，如果有段線附近沒有了地參考，這樣阻抗就會(huì)發(fā)生變化畏铆，不連續(xù)的阻抗從而會(huì)影響到信號(hào)的完整性雷袋。所以，布線的時(shí)候要把高速線分配到靠近地平面的層辞居，或者高速線旁邊并行走一兩條地線楷怒，起到屏蔽和就近提供回流的功能。
5瓦灶、模擬地和數(shù)字地
????????模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)都要回流到地鸠删，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)很大贼陶，而模擬信號(hào)是需要一個(gè)干凈的地參考工作的刃泡。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)碉怔。一般來說烘贴，模擬地和數(shù)字地要分開處理，然后通過細(xì)的走線連在一起撮胧，或者單點(diǎn)接在一起桨踪。總的思想是盡量阻隔數(shù)字地上的噪聲竄到模擬地上芹啥。
6锻离、單板上的信號(hào)接地
????????對(duì)于一般器件來說，就近接地是最好的墓怀，采用了擁有完整地平面的多層板設(shè)計(jì)后汽纠，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)性傀履，減少過孔數(shù)量虱朵；靠近地平面或者電源平面。
7钓账、接口器件接地方式
????????有些單板對(duì)外有輸入輸出接口碴犬，比如串口連接器，網(wǎng)口RJ45連接器等等官扣，如果對(duì)它們的接地設(shè)計(jì)得不好也會(huì)影響到正常工作翅敌，例如網(wǎng)口互連有誤碼，丟包等惕蹄，并且會(huì)成為對(duì)外的電磁干擾源蚯涮，把板內(nèi)的噪聲向外發(fā)送。一般來說會(huì)單獨(dú)分割出一塊獨(dú)立的接口地卖陵，與信號(hào)地的連接采用細(xì)的走線連接遭顶，可以串上0歐姆或者小阻值的電阻。細(xì)的走線可以用來阻隔信號(hào)地上噪音過到接口地上來泪蔫。另外對(duì)接口地和接口電源的濾波也要認(rèn)真考慮棒旗。
8、帶屏蔽層電纜線的屏蔽層接地方式
????????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)地上有各種的噪聲铣揉，如果屏蔽層接到了信號(hào)地上饶深，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逛拱。當(dāng)然前提是接口地也要非常的干凈敌厘。
? ? ? ? 以上是做高精度儀器儀表產(chǎn)品中應(yīng)該注意的各種地的處理方式，如果您覺得有不對(duì)的地方可以留言給我交流朽合，也希望您們多提寶貴意見俱两。當(dāng)然要想做高精度儀器儀表，地的處理只是其中的一個(gè)方面曹步，還有其他需要注意的地方的宪彩，比如在器件選擇階段盡量使用PSRR高的LDO,盡量避免使用DCDC和紋波超過300UV的電源溫壓器件，我們也可以通過差分輸入來減少來自電源的干擾讲婚，晶振的外殼如果是金屬的,通常要接到數(shù)字地上等等方面尿孔，會(huì)在以后詳細(xì)介紹做高精度儀器儀表其他應(yīng)該注意的方面的，敬請(qǐng)關(guān)注磺樱！
