電路設(shè)計中的接地技術(shù)

1 引言

在電路設(shè)計中,接地的重要性眾所周知。電子產(chǎn)品中的很多問題其實(shí)都和地的處理密切相關(guān)，比如小信號系統(tǒng)中的噪聲和干擾問題，大信號系統(tǒng)中的輻射雜散和穩(wěn)定問題等等，都是地沒有處理好。本文對常用的接地方法進(jìn)行分析,希望避免我們曾經(jīng)在此方面帶來的損失。

2 干擾的產(chǎn)生

通過一個實(shí)例來分析地線是如何干擾電路工作的。

系統(tǒng)A、系統(tǒng)B和系統(tǒng)C有一個公共回路R，假設(shè)系統(tǒng)C是干擾源回路，噪聲電流I3產(chǎn)生干擾電壓I3R，從而影響了系統(tǒng)A和系統(tǒng)B。

圖 1 電路中干擾的產(chǎn)生

在圖1中，設(shè)E=24V，R1=R2=3Ω，R=2Ω，R3可變。當(dāng)R3=3Ω時，容易求得電路的總電阻為:

總電流為8A, R1、R2上流過的電流均為2.6A。當(dāng)R3 = 6Ω時，可計算R 1、R 2上流過的電流均為3A。這說明系統(tǒng)C的負(fù)載變化或電流變化, 會給系統(tǒng)A和系統(tǒng)B產(chǎn)生影響，使流經(jīng)R 1、R 2的電流從2.6A變?yōu)?A。這種變化的原因是，三個支路有一個公共回路R, 系統(tǒng)C的變化使系統(tǒng)A和系統(tǒng)B也發(fā)生了變化。如果系統(tǒng)C是干擾源, 則系統(tǒng)A和系統(tǒng)B就受到了干擾。

3 干擾的判斷

碰到干擾問題，首先要弄清楚干擾的頻率，其次是判斷干擾源在那里。通過頻譜儀或者示波器等儀器可以進(jìn)行測量。干擾的判斷方法有：

① 通過檢測接地阻抗、環(huán)路電流和地電壓等參數(shù);

② 用頻譜儀可以測量干擾源。先制作一個探頭，在同軸電纜的末端焊接一個導(dǎo)線環(huán)，又稱之為近場探頭。環(huán)與同軸電纜連接，同軸電纜前接一個前置放大器后接頻譜儀輸入端。將頻譜儀做接收機(jī)用，可以尋找在特定的頻率區(qū)域內(nèi)主要干擾源的位置和大小。

由實(shí)際測試和理論分析得到：地線干擾的形成主要有地環(huán)路干擾和公共阻抗干擾兩種。所謂地環(huán)路干擾就是地線電壓導(dǎo)致地環(huán)路電流，每個支路上的電流不同，因此會產(chǎn)生差模電壓，對電路造成干擾。另外，由于設(shè)備處在較強(qiáng)的電磁場中，形成的環(huán)路中感應(yīng)出環(huán)路電流，也會造成這種情況。所謂公共阻抗干擾，就是當(dāng)兩個電路共用一段地線時，在地線阻抗的作用下，一個電路的地電位會受另一個電路工作電流的調(diào)制，從而造成相互干擾。

4 地線干擾抑制

對于地線干擾的抑制常采取的方法，就是使用適宜的接地結(jié)構(gòu)，采取隔離、屏蔽、去耦與濾波等行之有效的措施。

4.1 接地結(jié)構(gòu)

所謂接地結(jié)構(gòu)，就是接地方式。常見的接地方式有：

① 各支路或設(shè)備不直接接地，使所有過程環(huán)路連接后接地，即只有一個接地點(diǎn)，沒有回路;

② 使接地點(diǎn)的電勢相等，減小地線的阻抗，從而減小干擾電壓;

③ 在環(huán)路中使用信號隔離或采用隔離器，在不影響信號正常傳輸下斷開環(huán)路。

4.2 信號隔離

信號地線間的隔離，在實(shí)際中的作用非常的重要。如果干擾信號主要是高頻信號，只要采用低通濾波技術(shù)，如一階或二階的阻容濾波就可有效地隔離高頻。但如果兩個信號的地線之間電位不相等時，就只有采用信號隔離器進(jìn)行信號之間的地線隔離。

5 接地方式

根據(jù)實(shí)際工作環(huán)境、工作頻率、接地結(jié)構(gòu)等要求，選擇合理的接地方式。常見的接地方式有：懸浮接地、單點(diǎn)接地、多點(diǎn)接地等。

5 .1 懸浮接地

電路沒有參考地電平，電路本身有獨(dú)立的零電位，這個接地就稱為懸浮接地。由于其獨(dú)立性，可以避免與其他電路之間的噪聲、電磁干擾等，但靜電電荷無法有效釋放。因此，懸浮接地只適用于一些低頻電子設(shè)備，常用在無電源變壓器的電路中。

5 .2 單點(diǎn)接地

單點(diǎn)接地，就是把各回路的接地線集中于一點(diǎn)接地。它們各自的電位只與自身的接地電阻和地電流相關(guān)，互不干擾。實(shí)際中，經(jīng)常采用公共母線的方式實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)接地。在通常情況下，只是在電源供電處才一點(diǎn)相接。各回路各自獨(dú)立地接地，這樣可以保證各系統(tǒng)有統(tǒng)一的地電位，又可避免地線形成公共阻抗，整個接地通道中不存在環(huán)回路，避免了因外界磁場產(chǎn)生的地環(huán)電流干擾，可以改善電路的性能。

5 .3 多點(diǎn)接地

對于高頻系統(tǒng)的信號地線常采取就近接地，稱多點(diǎn)接地;同時用短而粗的導(dǎo)線作為連接線，以減少接地阻抗。目的是防止因地線電感及電容引起的干擾，但由于接地點(diǎn)之間存在電位差，會造成共模噪聲較大，不適合低頻工作。在多點(diǎn)接地方式的多級電路中，必須按照地線電流由小信號單元流向大信號單元的排列順序接地，否則會引起干擾。

5 .4 實(shí)際電路中的接地

在實(shí)際工作中，會遇到許多復(fù)雜的情況，如A/D轉(zhuǎn)換器的接地、屏蔽線的接地、PCB板的接地等，具體處理方式分析如下。

5 .4.1　模數(shù)電路的接地

數(shù)字信號電流比較強(qiáng),而且都是一些高電平、低電平的跳變，所以數(shù)字地上有很大的噪聲和電流尖峰;而模擬信號電流較弱。所以，模數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路中要特別注意地線的正確連接，否則干擾會很嚴(yán)重，以致影響轉(zhuǎn)換結(jié)果的準(zhǔn)確性。A/D、D/A芯片上都提供了獨(dú)立的模擬地和數(shù)字地的引腳。在線路設(shè)計中，通常將所有器件的模擬地和數(shù)字地分別相連,然后將模擬地與數(shù)字地僅在一點(diǎn)上相連接。

在PCB板中的設(shè)計[10]，應(yīng)盡量加寬模擬和數(shù)字電路的電源與地線或采用分開的電源層與接線層,以便減小電源與電線回路的阻抗,減小任何可能在電源與地線回路中的干擾電壓。單獨(dú)工作的印制板的模擬地和數(shù)字地，可在系統(tǒng)接地點(diǎn)附近單點(diǎn)接地。如果PCB板是插在母板上的，則母板的模擬和數(shù)字電路的電源地也要分開，模擬地和數(shù)字地在母板的接地處接地。在高頻線路中，接地引線也有一定的阻抗，不管是單點(diǎn)接地還是多點(diǎn)接地，都必須構(gòu)成低阻抗回路進(jìn)入真正的地。25mm長的印制板銅線大約會有15nH-20nH的電感，加上分布電容的存在，就會在接地板和機(jī)殼間構(gòu)成諧振電路，在流經(jīng)接地線時會產(chǎn)生傳輸線效應(yīng)和天線效應(yīng)。對于PCB板中電源地線，電源平面應(yīng)靠近接地平面，并且安排在接地平面之下。這樣可以利用兩金屬平板間的電容作電源的平滑電容，同時接地平面還對電源平面上分布的輻射電流起到屏蔽作用。單面或雙面板的電源線和地線應(yīng)盡可能靠近，最好的方法是將電源線布在PCB板的一面，而地線布在另一面，這會使電源的阻抗為最低。

5.4.2 測量平臺的接地

在使用電子儀器測量電路時，尤其是在多臺儀器組成的測試平臺中，經(jīng)常由于接地、屏蔽和保護(hù)的處置不當(dāng)而造成不良后果的發(fā)生。輕者儀器不能正常工作, 重者造成人員和儀器損害。例如，泄漏電流、接觸電阻以及過渡過程等, 都是對儀器的干擾。

圖2是典型的市電給儀器設(shè)備供電的方式。

圖 2 市電供電系統(tǒng)

圖中供電電流在火線、變壓器的初級線圈和中線中流過，為保證機(jī)殼與大地等電位，將儀器設(shè)備的機(jī)殼與大地連接在一起，目的是使出現(xiàn)故障后的漏電流通過低電阻的接地線流到大地，保護(hù)人員的安全。中線在配電處也是接在大地上的，但是中線不能與機(jī)殼相連接，必須隔開，其目的是不使供電電流通過接地線回地。

實(shí)際上，接地線也有分布電阻，盡管很小，也會有電壓產(chǎn)生，使機(jī)殼各部分之間有微小的電位差。當(dāng)信號線的低電位線沒與接地線隔開時，因流入接地線的電流中有一部分電流通過信號線的低電位線，在其上產(chǎn)生電壓疊加在信號上，嚴(yán)重時會損壞儀器。我們曾經(jīng)在搭建測試平臺時沒注意，致使峰值功率計的探頭被燒壞。

儀器系統(tǒng)的一般接地原則如圖3所示。在圖中，輸人信號與電源接地點(diǎn)連接在一起，所以，當(dāng)進(jìn)行測量時，輸人端的信號接地點(diǎn)不得與和大地有電壓差的點(diǎn)直接短路連接。因此，在對沒有采用電源隔離變壓器的接地電路中, 如直接將交流電源引入電路，導(dǎo)致電路與大地形成回路，與地之間形成電位。如果電源插頭反插，使零線與大地間有很高的電位差，將會造成嚴(yán)重事故。因此，在連接輸人點(diǎn)開始進(jìn)行測量前，必須仔細(xì)檢查。

圖 3 儀器輸入與電源接地

也有儀器以懸浮方式連接，輸人端與大地浮懸。在理想條件下, 只要輸人兩端間的電壓差在可以接受的范圍內(nèi),任一輸人端都可以跨在任何電壓上。

總之，在搭建系統(tǒng)測量平臺時，盡可能把各個儀器的電源電纜插在同一個供電插座上。這樣可減小接地電阻，即減小干擾的產(chǎn)生。將大功率的儀器設(shè)備,插入另外的供電總線上，使用短的信號連接線，使用低電阻電纜，最好使用同軸電纜。千萬不要使用機(jī)殼地線與未經(jīng)接地的電源插頭座的地端相連的儀器設(shè)備。

5.4.3　屏蔽罩接地

各種信號源和放大器等易受電磁輻射干擾的電路通常要設(shè)置屏蔽罩。由于信號電路與屏蔽罩之間存在寄生電容，因此要將信號電路地線與屏蔽罩相連，以消除寄生電容的影響，并將屏蔽罩接地，以消除共模干擾。

對于電纜的屏蔽層接地，如閉路電視使用的同軸電纜，外面的金屬網(wǎng)是用來屏蔽信號的，網(wǎng)線里面有八根細(xì)金屬導(dǎo)線繞制，其中4根就起屏蔽的作用，保證數(shù)字信號地正確。通常對于低頻電路的電纜屏蔽層接地常采用單點(diǎn)接地方式，接地點(diǎn)一般是電源的負(fù)極。對于高頻電路的屏蔽層接地，常采用多點(diǎn)接地方式。對于多層屏蔽電纜，每個屏蔽層采用單點(diǎn)接地，但各屏蔽層應(yīng)相互絕緣。當(dāng)系統(tǒng)需要抑制電磁干擾時，應(yīng)將整個系統(tǒng)屏蔽起來，并將屏蔽體接到系統(tǒng)地上。

6 結(jié)束語

接地設(shè)計應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選用不同的方法。不論采用何種接地方式, 目的就是“零”阻抗, 這樣可完全避免干擾的引入。因此，在不同類型的電路中,針對其電路的特點(diǎn),正確的選擇一點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地，在必要的情況下, 也可采用混合接地方式。

參考文獻(xiàn)

[1]TEK、HP等儀器說明書和相關(guān)技術(shù)資料

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作者簡介

姚曉平(1960-)，男，副教授/高級工程師，應(yīng)用電子技術(shù)和測試技術(shù).