单片机系统设计中的接地技术

单片机系统设计中的接地技术
在电子电路设计中，接地一直是一个非常重要的问题，如果设计的不好，会使整个系统不能正常工作，严重的可导致系统元器件的永久性损害，甚至危及人身安全。

在当前的工业自动化控制中仍大量使用单片机作为信息处理和控制芯片，由其组成的系统在工业控制中占有重要角色，这些控制系统的实时性、稳定性直接关系到整个大系统的可靠性。

然而工业控制现场的恶劣环境对单片机系统时常构成威胁，如何提高单片机系统的电磁兼容性是人们时常关心的问题之一。

1、常见的接地方式
常见的接地方式主要有浮地、单点接地、多点接地和混合接地，其中混合接地为单点接地和多点接地的混合。

1.1 浮地
浮地是指系统电路的地与大地之间无导体连接。

浮地又可分两小类，一类为全浮地，系统的地和机壳都与大地绝缘，如飞机上的电器设备；另一类为半浮地，整个系统中只有机壳与大地相连，而系统电路的地不与大地相连。

对于这种接地方式，如果系统中有模拟放大器，应将其单独组成一个接地系统，并通过一只1-4uF电容将这个接地系统一点接地到机壳的接地端子上。

采用浮地方式时要保证系统电路的地对大地的绝缘电阻大于50MΩ。

1.2 单点接地
单点接地是指系统只有一个接地参考点，所有单元的地都统一直接接到这一电平参考点。

单点接地可分为串联单点接地和并联单点接地，串联单点接地为系统中各单元直接接到一根公用地线上，然后此公用地线单点接地；而并联单点接地为系统中各单元直接接到同一接地点。

1.3 多点接地
多点接地是指系统中各单元直接与大地连接，这种接地方式直接
为系统中各并联单元提供了低阻抗路径。

2、不同接地方式的电磁兼容性分析及选择原则
不同接地方式适合于不同的系统和不同的工作环境，其電磁兼容性的效果也不尽相同，现分析如下：
2.1 浮地的电磁兼容性分析
浮地优点是使系统电路不受大地干扰电流的影响，其缺点是电路易受寄生电容的影响，从而导致电路的参考地电位变动和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，易产生静电积累而发生静电放电，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。

在实际应用中，除非是大地或系统附近有较强干扰电流，或是系统无法与大地相连(如舰船、飞机和宇航飞行器中的电子设备)，一般不采用浮地方式。

2.2 单点接地的电磁兼容性分析
串联单点接地方式中的各单元的接地电位不仅受自身的地电流影响，而且还受其它单元的地电流影响。

从电磁兼容方面考虑，这种接地方式易造成单元之间的共地干扰。

但这种接地方式简单，所以常用于设备机柜中，应用时应将最大电流单元放在离单点接地点的最近处，以使得对其它单元影响最小。

2.3 多点接地的电磁兼容性分析
由于多点接地为各个单元提供了较短接地路径，地线上的高频驻波现象会显著降低，因而能有效解决单点接地的高频问题，一般应用于高频电路。

但是，采用多点接地后设备会增加许多地线回路，它们会对设备内较低电平的信号单元产生不良影响。

2.4 接地方式的选择原则
一般而言，频率在1MHz以下的电路宜采用单点接地方式；而频率在10MHz以上的电路宜采用多点接地方式；频率处于1MHz-10MHz的电路，如果地线长度小于1/20时采用单点接地方式，反之
采用多点接地方式。

在工业实际应用的单片机系统的信号交换频率一般在1MHz以下，可认为只涉及低频接地，实用的接地方法是并联单点接地和串联单点接地的综合应用，其具体做法是将整个系统按数字电路、模拟电路、大电流功率电路等区域划分，在同一区域内采用串联单点接地方式，最后将各区域地线连同屏蔽地线一起，并联单点接地方式接到一点。

3、PCB板地线布线技术
在设计电路板时如何布置地线对系统的电磁兼容性同样存在着很大的影响。

3.1 电路区域划分
根据实际情况将电路分为模拟电路、数字电路和功率电路等不同的区域，对不同区域单独走地线，即不同区域的地线相互独立，最后采用并联单点方式接于同一点，这样可避免各部分电路之间的信号相互耦合。

3.2 保证环路面积最小
因为在任意电路回路中有变化的磁通量穿过时，将会在环路内感应出电流，电流的大小与磁通量成正比，因此从电磁兼容角度来看，应使环路面积最小。

如何减小环路面积，是进行PCB设计时要考虑的问题，最简单有效的方法就是减小电源线和地线间的距离。

3.3 地线保护
地线保护的原理就为噪声提供低通回路，减小噪声干扰。

可在重要的信号线旁平行地布地线，或用地线将重要的电路单元包围起来，让噪声有一个低通回路。

如果由此造成较多地线平行，可用地线面或地线网格来处理。

另外也可在重要信号线的相对面布地线。

在实际设计中，一般将PCB中的空余部分敷铜。

4、结语
接地方法要根据电路系统的功能和特点、干扰源的种类和分布情
况来采用某种接地方法或多种接地方法的综合应用。

不正确的接地方法不但不能改善系统的电磁兼容性，反而会导致系统不能正常工作，所以在进行单片机系统设计时，接地应作为重要的考虑对象。