在高精度仪器仪表产品研发中，各种地的处理方式将直接影响着产品的性能，所以说综合自己在电力电量检测行业、轴承振动检测行业内的高精度仪器仪表研发经验，现将产品设计中地的种类、各种地的处理方式以及自身已经验证过的成熟实例总结归纳一下，并在此分享给大家，希望能够给正在研发或从事高精度仪器仪表研发的同仁们一些值得参考的有价值的内容，也希望大家多多支持，当然后续还会和大家分享到有关产品设计的其他方面的内容，如果大家对这方面的内容比较感兴趣，可以关注我的简书专题《产品设计》，如果对产品设计中的其他一些问题比较感兴趣，可以在下方给我留言或直接咨询我。
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！
