电子系统接地原则
1 地的概念
电子系统中，“地”是一个常见的概念。做硬件设计时，我们经常会接触到诸如“模拟地”、“数字地”、”参考地”、”电源地”、“保护地”、“大地”、“浮地”等各种“地”，这些地有什么区别，又有什么联系，下面我们一起来研究一下电子系统中的各种“地”。
2 参考地
在电子系统的各种地中，最重要的恐怕就是“参考地”了。实际上，电子系统中的各种“地”，按其功能可分为两大类，其中之一便是“参考地”，另一个就是后面我们要说的“保护地”。这一节我们先聊聊“参考地”。
顾名思义，“参考地”是电子系统中电信号的公共参考平面，我们讲一个信号电压是多少，电平是高还是低，都是基于参考平面说的。即便是大多数数字差分信号，发送端与接收端也要处于同一参考平面。可以说，对于相互通信的两个模块来说，“参考地”就是共同的基准，除了少数电气隔离的工业总线，所有的电子系统内相互连接的电路，都要有一个共同的、稳定的参考平面，这个就是“参考地”。
图 2-1 参考平面不同造成电平识别失败
“参考地”既然是所有信号的公共参考平面，那么系统中的所有电路的“地”都应该连接到“参考地”上。为保证对于每个电路模块，参考平面都是相等且稳定的，连接方式显得尤为重要。
2.1 星型接地
星型接地又叫单点接地，这种方法将电路中的不同部分的地通过不同路径汇接到一点。由于在单点连接，信号回流没有公共路径，能够最大程度的避免环流和相互干扰，同时也尽量避免公共路径上因为回流电流过大造成的压降，这个压降会造成部分电路地平面升高，影响电路工作。
图 2-2 公共返回路径产生误差电压
2.2 模拟地与数字地
随着技术发展，模拟电路逐渐被数字电路取代，但是在某些方面模拟电路仍具有不可替代的作用。在相当长的一段时间内，模拟电路数字电路并存的现象会一直存在。这就对系统设计提出了挑战，在混合信号系统特别是混合信号单板上，如何处理好模拟与数字电路之间的关系，显得尤为重要。
模拟信号对噪声影响较为敏感，而数字电路在高速开关过程中易产生开关噪声，所以在设计中一般将模拟电路与数字电路分开，包括电源轨与接地平面的分开。虽然现在很多模拟电路可以采用单5V供电或单3.3V供电，但是这不意味着可以用给高速数字部分供电的5V和3.3V电源代替单独的模拟电路电源。如果可能的话，尽量用单独的稳压器给模拟电路提供电源，条件受限时，可采用串联磁珠的办法隔离高频噪声（此方法仅适用于低频模拟电路）。
对于接地方式，低频模拟电路可单独采用星型接地或者单独的接地平面，与数字电路分隔开。
对于数字电路，目前一般的处理器或FPGA开关频率都在10MHz以上，采用单点接地容易在回流路径上产生地弹。所以数字电路接地应就近打地孔，用最短的路径连接到数字地平面上。
模拟地和数字地之间应采用星形原则，在一点接地，这个公共点的选择一般选在电源回流点上，如果是金属机壳，则模拟地也可就近通过螺丝孔连接机壳，这要根据螺丝孔数量和机壳接地阻抗综合考虑。如果数字地通过足够多的螺丝孔分散接入机壳，同时机壳体积较小，则应该将模拟地就近通过螺丝孔连入机壳。如果受结构所限没有螺丝孔或螺丝孔较少，则应该将模拟地通过宽铜箔连接电源地并在此点与数字地一点连接。
有些设计中采用磁珠隔离模拟地与数字地，本人认为此方法应该慎重采用，在地线上串联磁珠或电感都会造成接地阻抗升高，可能会造成地平面不稳导致电路受到干扰甚至工作不正常。所以应尽量避免在地线上串联磁珠或电感，除非能够明确预见其功能和造成的影响。
2.3 ADC与DAC
ADC与DAC是常见的混合信号芯片，其管脚一般会分为AGND和DGND。在这里要注意，这里的AGND和DGND表示其内部连接的芯片功能模块，并不是说要将这个管脚连接到外部电路的AGND上或DGND上。对于常见ADC与DAC来说，一般视做模拟电路，其AGND与DGND要就近短接并连接到系统的模拟地上。切不可将其分开分别接数字地和模拟地。如果非要这样做的话，此时模拟地与数字地的公共点一定要选择在芯片附近。除了这一点之外，不能有其他公共点（这仅适用于系统中只有一个混合信号芯片，同时模拟电源和数字电源是相互隔离的，两路电源的地也是只靠芯片附近的那一个公共点连接）。
对于处理器内部的片内ADC，还包括一些数字噪声较大的Sigma-Delta结构的ADC，应视其为数字电路，其AGND与DGND应连接系统数字地（对测量精度要求不高的系统）。对于Sigma-Delta结构的ADC与DAC，如果对模拟测量精度有高要求，需要慎重设计接地方式。
3 保护地
顾名思义，“保护地”是提供保护用的，保护什么呢？实际上，“保护地”是为了保护人身安全的。所以对于有金属机壳的设备，安规要求机壳是必须接地，这个地就是指“保护地”。我们一般用“PE”来表示保护地，对于三孔插座，中间的那个孔，里面连接黄绿相间的导线的就是保护地。
而在配电时，根据接地系统的不同选择，PE线有不同的来源。对于TN-C接地系统，PE线与N线（零线）公用一根导线，而对于TN-S接地系统，从变压器开始，PE线与N线就分开走线，TT系统则设备有自己的接地极，直接连入大地。目前来说，TN-C系统因为安全性原因，已极少采用。无论采用哪种接地系统，对于设备来说，PE线就是我们平时说的“大地”。
3.1 安规电容
安规电容是指经过专门机构认证，电容失效后不会危害人身安全的特殊电容。他指的是电容的安全性，而不是功能。安规电容通常用作滤波作用，放置在交流电源的入口处。常见的安规电容有X电容和Y电容。这里的X和Y是象形字，指的是电容的连接方式。X电容是跨接在N线和L线直接的，像两条平行线在安规电容处交叉一样，所以叫X电容。而Y电容是跨接在N线和PE线、L线和PE线直接的，像一个三通一样，所以叫Y电容。
图 3-1 安规电容的连接
如图3-1所示，Y电容的连接需要注意，如果PE线不能可靠接大地，那么两个Y电容的节点处，机壳上将带有110V的电压，用手接触会有麻手的现象。所以Y电容容量不能太大，绝对不能用普通直流电容代替。并且，连接有Y电容的设备，PE线必须可靠接入大地。
3.2 参考地与保护地的连接
参考地与保护地的连接方式常见的有三种：1，不连接；2，通过安规电容连接；3，直接连接。这三种方式都能在市面上见到相应的产品。
对于不连接的方式，就是通常说的“浮地”系统，“浮地”系统一般具有较好的抗干扰性，但是如果设备与其他设备有电气连接，特别是有共地的数据线缆连接时，需要整个系统都是“浮地”系统，如果某一个设备不是“浮地”，那么所有设备的参考地会通过数据线缆中的GND线连接到非“浮地”设备的大地上，这时GND相当于一个很长的接地线并且具有较高的接地阻抗，使各个设备地平面不稳，造成接地干扰。
通过电容将参考地与保护地相连接的方式在一些设备中比较常见，这种方法使高频干扰通过电容泄放到大地，但是在直流附近仍然是浮地系统。所以如果两个设备直接通过USB、串口等内部带有GND线的数据线缆连接，仍然会出现接地电流和参考平面不一致的情况。如果用电容连接参考地和保护地，最好在电容两端并联一个1MΩ的电阻，用作泄放静电，同时减少不同设备之间参考平面的距离。
从EMC角度来说，参考地与保护地直接连接是最好的方式。这在通信设备中和计算机设备中非常常见。个人比较推荐这种方式，能够提供最小的接地阻抗，同时各个设备之间参考平面稳定，不会有接地噪声出现。对于这种方式，要求设备的PE线良好接地，随着目前工业和居民配电系统逐渐规范，直连方式应用会更加广泛。