地线的作用、标志符号
0 2024-02-23
工程师应该都知道,在PCB Layout布线过程中,经常会面临不同的GND处理,今天我就来讲一下地线的作用。


GDN地线的作用


地线的主要作用就是当电器出现故障时,电源可能击穿(或:破坏)某些元件,使电器的外壳带电。将电器的外壳接地,可以使用漏电保护装置。
一、工作地
01信号地 命名:SG


信号“地”(SG)又称参考“地”,就是零电位的参考点,也是构成电路信号回路的公共段。
此处信号一般指模拟信号或者能量较弱的数字信号,易受电源波动或者外界因素的干扰,导致信号的信噪比(SNR)下降。
特别是模拟信号,信号地的漂移,会导致信噪比下降;信号的测量值产生误差或者错误,可能导致系统设计的失败。因此对信号地的要求较高,也需要在系统中特殊处理,避免和大功率的电源地、数字地以及易产生干扰地线直接连接。尤其是微小信号的测量,信号地通常需要采取隔离技术。

信号地线符号标志
02模拟地线 命名:AGND


模拟地线AGND,主要是用在模拟电路部分,如模拟传感器的ADC采集电路,运算放大比例电路、采样保持器、比较器的零电位参考点等。

模拟地线符号标志

PCB板上模拟地
在这些模拟电路中,由于信号是模拟信号,是微弱信号,很容易受到其他电路的大电流影响。如果不加以区分,大电流会在模拟电路中产生大的压降,会使得模拟信号失真,严重可能会造成模拟电路功能失效。
03数字地线 命名:DGND


数字地线DGND也叫逻辑地,是数字电路的零点位参考点。是相对模拟地线AGND而言,主要是用于数字电路部分,比如按键检测电路,USB通信电路,单片机电路等。

数字地线符号标志
之所以设立数字地线DGND,是因为数字电路具有一个共同的特点,都属于离散型的开光量信号,只有数字“0”和数字“1”区分,如下图所示。

数字信号
在由数字“0”电压跳变成数字“1”电压的过程中,或者由数字“1”电压跳变成数字“0”电压的过程中,电压产生了一个变化,根据麦克斯韦电磁理论,变化的电流周围会产生磁场,也就形成了对其他电路的EMC辐射。
没办法,为了降低电路的EMC辐射影响,必须使用一个单独的数字地线DGND,让其他电路得到有效的隔离。
04功率地线 命名:PGND


模拟地线AGND也好,数字地线DGND也罢,它们都是小功率电路。在大功率电路中,如电机驱动电路,电磁阀驱动电路等等,也是存在一个单独的参考地线,这个参考地线叫做功率地线PGND,主要是大电流网络器件、功放器件的零点位参考点。
大功率电路,顾名思义,是电流比较大的电路。很显然大的电流,容易造成不同功能电路之间的地偏移现象。
05电源地线 命名:GND


模拟地线AGND,和数字地线DGND以及功率地线PGND,都被归类为直流地线GND。这些不同种类的地线,最后都要汇集在一起,作为整个电路的0V参考地线,这个地线叫做电源地线GND。
电源,是所有电路的能量来源,所有电路工作需要的电压电流,均是来自电源。因此电源的地线GND,是所有电路的0V电压参考点。
这就是为什么其他类型的地线,无论是模拟地线AGND,数字地线DGND还是功率地线PGND,最后都需要与电源地线GND汇集在一起。
06交流地线 命名:CGND


交流电的零线。应该与地线区别开。交流地线CGND,一般是存在于含有交流电源的电路项目中,如AC-DC交流转直流电源电路。
AC-DC电源电路,分为两个部分。电路中的前级是AC交流部分,电路中的后级是DC直流部分,这就被迫形成了两个地线,一个是交流地线,另一个是直流地线。
交流地线作为交流电路部分的0V参考点,直流地线作为直流电路部分的0V参考点。通常为了在电路中统一一个地线GND,工程师会将交流地线通过一个耦合电容或者电感与直流地线连接在一起。
07大地地线 命名:EGND


人体的安全电压是在36V以下,超过36V的电压如果施加在人体身上,会导致人体受到损伤,这是工程师在开发设计电路项目方案的一个安全常识。
为了增强电路的安全系数,工程师一般在高压大电流的项目中使用大地的地线EGND,例如在家用电器电风扇、电冰箱、电视机等电路中。具有大地地线EGND保护功能的插座。
家用电器的插座,为什么是3个接线端子?220V交流电只需要火线和零线,两根就可以,那为什么插座是3个接线端子呢?
插座的3个接线端子,其中的两个端子是用于220V的火线和零线,另外一个端子就是起保护作用的大地地线EGND。
需要重点指出的是大地地线EGND,它仅仅是连接到我们的地球,起到高压保护作用,没有参与项目电路功能,与电路功能无关。
所以大地地线EGND,与其他类型的地线GND是存在明显电路含义区别的。
08悬浮地 命名:FG


悬浮地(FG)是系统中部分电路的地与整个系统的地不直接连接,而是通过变压器耦合或者直接不连接,处于悬浮状态。该部分电路的电平是相对于自己“地”的电位。常用在小信号的提取系统或者强电和弱电混合系统中。
其优点是该电路不受系统中电气和干扰的影响;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对模拟电路的感应干扰。
由于该电路的地与系统地没有连接,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,悬浮地的效果不仅取决于悬浮地绝缘电阻的大小,而且取决于悬浮地寄生电容的大小和信号的频率。
09热地


开关电源无需使用变压器,其开关电路的“地”和市电电网有关,即所谓的“热地”,它是带电的。
10“冷地”


由于开关电源的高频变压器将输入、输出端隔离;又由于其反馈电路常用光电耦合、既能传送反馈信号又将双方的“地”隔离;所以输出端的地称之为“冷地”,它不带电。
二、保护“地”
保护“地”是为了保护人员安全而设置的一种接线方式。保护“地”线一端接用电器,另一端与大地作可靠连接。

保护地线符号标志


三、音响中的“地”
01屏蔽线接地


音响系统为防止干扰,其金属机壳用导线与信号“地”相接,这叫屏蔽接地。
02音频专用“地”


专业音响为了防止干扰,除了屏蔽“地”之外,还需与音频专用“地”相连。此接地装置应专门埋设,并且应与隔离变压器、屏蔽式稳压电源的相应接地端相连后作为音控室中的专用音频接地点。


地线怎么接?


地线怎么接?接地线分两步。
1、三眼插座分别上接地线,左接零线,右接相(火)线,洗衣机、电冰箱等的可靠金属外壳也接地线。

三孔插座接线图
2、地线接地,用钢管、角钢等金属物埋入大地,具体根据大地的电阻值来选用,然后用电线连接至配电箱,再分接到各插座。


高压接地线怎么接?


1、挂接地线时:先连接接地夹,后接接电夹;拆除接地线时,必须按程序先拆接电夹,后拆接地夹。
2、安装:将接地软铜线分相上双眼铜鼻子固定在接地棒上的接电夹(接电夹有固定式和活动式)相应位置上,将接地线合相上的单眼铜鼻子固定在接地夹或地针上,构成一套完整的接地线。
3、核实接地棒的电压等级与操作设备的电压等级是否一致。
4、接地软铜线有分相式和组合式,接地棒有平口式和双簧钩式线夹。


电脑地线怎么接?


接地线的作用主要是为了消除静电,如果不接的话,像显示屏幕和主机箱都很容易带来大量静电。
一般楼房的三通电门就是带地线的,只需要注意和电脑所连接的插线板也是三通插头就可以了。
但是,有些平房不是虽然也有三通电门,但是并不具备导静电的能力,所以你需要在机箱后面的螺丝上接一根电线,电线另一头倒在地上或插在土里,靠这种土办法来传导静电,这么做作用比较明显,但是毕竟是土办法,不会把静电完全导掉。


不同地线怎么接?


01数字地和模拟地应分开


在高要求电路中,数字地与模拟地必须分开。即使是对于A/D、D/A转换器同一芯片上两种“地”最好也要分开,仅在系统一点上把两种“地”连接起来。

模拟地和数字地
模拟地的接法十分重要。为了提高抗共模干扰能力,对于模拟信号可采用屏蔽浮技术。对于具体模拟量信号的接地处理要严格按照操作手册上的要求设计。
03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。

交流地

信号地03浮地与接地


系统浮地,是将系统电路的各部分的地线浮置起来,不与大地相连。这种接法,有一定抗干扰能力。但系统与地的绝缘电阻不能小于50MΩ,一旦绝缘性能下降,就会带来干扰。通常采用系统浮地,机壳接地,可使抗干扰能力增强,安全可靠。


浮地与接地的比较。全机浮空即系统各个部分与大地浮置起来,这种方法简单,但整个系统与大地绝缘电阻不能小于50MΩ。这种方法具有一定的抗干扰能力,但一旦绝缘下降就会带来干扰。还有一种方法,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。
04屏蔽地


在控制系统中为了减少信号中电容耦合噪声、准确检测和控制,对信号采用屏蔽措施是十分必要的。根据屏蔽目的不同,屏蔽地的接法也不一样。
电场屏蔽解决分布电容问题,一般接大地。
电磁场屏蔽主要避免雷达、电台等高频电磁场辐射干扰,利用低阻金属材料高导流而制成,可接大地。
磁场屏蔽用以防磁铁、电机、变压器、线圈等磁感应,其屏蔽方法是用高导磁材料使磁路闭合,一般接大地为好。
当信号电路是一点接地时,低频电缆的屏蔽层也应一点接地。如果电缆的屏蔽层地点在一个以上时,将产生噪声电流,形成噪声干扰源。当一个电路有一个不接地的信号源与系统中接地的放大器相连时,输入端的屏蔽应接至放大器的公共端;相反,当接地的信号源与系统中不接地的放大器相连时,放大器的输入端也应接到信号源的公共端。
05一点接地(单点接地)


控制系统、低频系统宜采用一点接地,频率在1MHz以下,可用一点接地。
在低频电路中,通常频率小于1MHz的电路,布线和元件之间不会产生太大影响,它的布线和器件间的电感影响较小,而接地电路形成的环流对干扰影响较大,因而应采用单点接地。在1~10MHz,如果采用单点接地,其地线长度不得超过波长的1/20,否则应采用多点接地方式。

单点接地
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。
06多点接地


高频电路应就近多点接地,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。
在高频电路中,寄生电容和电感的影响较大。除了正确进行接地设计、安装,还要正确进行各种不同信号的接地处理。

多点接地
当信号工作频率大于10MHz时,地线阻抗变得很大,此时应尽量降低地线阻抗,应采用就近多点接地。


地线可以乱接吗?


肯定不可以,但一般针对这类GND地线设计问题,都简单的统一命名为GND。
在原理图设计过程中没有加以区分,导致在PCB布线的时候很难有效识别不同电路功能的GND地线,直接简单地将所有GND地线连接在一起。
虽然这样操作简便,但这将导致一系列问题:
01信号串扰


假如将不同功能的地线GND直接连接在一起,大功率电路通过地线GND,会影响小功率电路的0V参考点GND,这样就产生了不同电路信号之间的串扰。
02信号精度


模拟电路,它的考核核心指标就是信号的精度,失去精度,模拟电路也就失去了原本的功能意义。
交流电源的地线CGND由于是正弦波,是周期性的上下波动变化,它的电压也是上下波动,不是像直流地线GND一样始终维持在一个0V上不变。
将不同电路的地线GND连接在一起,周期性变化的交流地线CGND会带动模拟电路的地线AGND变化,这样就影响了模拟信号的电压精度值了。
03EMC实验


信号越弱,对外的电磁辐射EMC也就越弱;信号越强,对外的电磁辐射EMC也就越强。假如将不同电路的地线GND连接在一起,信号强电路的地线GND,直接干扰了信号弱电路的地线GND。其后果是原本信号弱的电磁辐射EMC,也成为了对外电磁辐射强的信号源,增加了电路处理EMC实验的难度。
04电路可靠性


电路系统之间,信号连接的部分越少,电路独立运行的能力越强;信号连接的部分越多,电路独立运行的能力就越弱。
试想,如果两个电路系统A和电路系统B,没有任何的交集,电路系统A的功能好坏显然是不能影响电路系统B的正常工作,同样电路系统B的功能好坏也是不能影响电路系统A的正常工作。
假如在电路系统中,将不同功能的电路地线连接在一起,就相当于增加了电路之间干扰的一个联系纽带,也即降低了电路运行的可靠性。


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