电路设计中的接地技术

` 本帖最后由 gk320830 于 2015-3-8 06:27 编辑

1 引言
在电路设计中,接地的重要性众所周知。电子产品中的很多问题其实都和地的处理密切相关，比如小信号系统中的噪声和干扰问题，大信号系统中的辐射杂散和稳定问题等等，都是地没有处理好。本文对常用的接地方法进行分析,希望避免我们曾经在此方面带来的损失。
2 干扰的产生
通过一个实例来分析地线是如何干扰电路工作的。
系统A、系统B和系统C有一个公共回路R，假设系统C是干扰源回路，噪声电流I3产生干扰电压I3R，从而影响了系统A和系统B。
在图1中，设E=24V，R1=R2=3Ω，R=2Ω，R3可变。当R3=3Ω时，容易求得电路的总电阻为:
总电流为8A, R1、R2上流过的电流均为2.6A。当R3 = 6Ω时，可计算R 1、R 2上流过的电流均为3A。这说明系统C的负载变化或电流变化, 会给系统A和系统B产生影响，使流经R 1、R 2的电流从2.6A变为3A。这种变化的原因是，三个支路有一个公共回路R, 系统C的变化使系统A和系统B也发生了变化。如果系统C是干扰源, 则系统A和系统B就受到了干扰。
3 干扰的判断
碰到干扰问题，首先要弄清楚干扰的频率，其次是判断干扰源在那里。通过频谱仪或者示波器等仪器可以进行测量。干扰的判断方法有：
① 通过检测接地阻抗、环路电流和地电压等参数;
② 用频谱仪可以测量干扰源。先制作一个探头，在同轴电缆的末端焊接一个导线环，又称之为近场探头。环与同轴电缆连接，同轴电缆前接一个前置放大器后接频谱仪输入端。将频谱仪做接收机用，可以寻找在特定的频率区域内主要干扰源的位置和大小。
由实际测试和理论分析得到：地线干扰的形成主要有地环路干扰和公共阻抗干扰两种。所谓地环路干扰就是地线电压导致地环路电流，每个支路上的电流不同，因此会产生差模电压，对电路造成干扰。另外，由于设备处在较强的电磁场中，形成的环路中感应出环路电流，也会造成这种情况。所谓公共阻抗干扰，就是当两个电路共用一段地线时，在地线阻抗的作用下，一个电路的地电位会受另一个电路工作电流的调制，从而造成相互干扰。
4 地线干扰抑制
对于地线干扰的抑制常采取的方法，就是使用适宜的接地结构，采取隔离、屏蔽、去耦与滤波等行之有效的措施。
4.1 接地结构
所谓接地结构，就是接地方式。常见的接地方式有：
① 各支路或设备不直接接地，使所有过程环路连接后接地，即只有一个接地点，没有回路;
② 使接地点的电势相等，减小地线的阻抗，从而减小干扰电压;
③ 在环路中使用信号隔离或采用隔离器，在不影响信号正常传输下断开环路。
4.2 信号隔离
信号地线间的隔离，在实际中的作用非常的重要。如果干扰信号主要是高频信号，只要采用低通滤波技术，如一阶或二阶的阻容滤波就可有效地隔离高频。但如果两个信号的地线之间电位不相等时，就只有采用信号隔离器进行信号之间的地线隔离。
5 接地方式
根据实际工作环境、工作频率、接地结构等要求，选择合理的接地方式。常见的接地方式有：悬浮接地、单点接地、多点接地等。
5 .1 悬浮接地
电路没有参考地电平，电路本身有独立的零电位，这个接地就称为悬浮接地。由于其独立性，可以避免与其他电路之间的噪声、电磁干扰等，但静电电荷无法有效释放。因此，悬浮接地只适用于一些低频电子设备，常用在无电源变压器的电路中。
5 .2 单点接地
单点接地，就是把各回路的接地线集中于一点接地。它们各自的电位只与自身的接地电阻和地电流相关，互不干扰。实际中，经常采用公共母线的方式实现单点接地。在通常情况下，只是在电源供电处才一点相接。各回路各自独立地接地，这样可以保证各系统有统一的地电位，又可避免地线形成公共阻抗，整个接地通道中不存在环回路，避免了因外界磁场产生的地环电流干扰，可以改善电路的性能。
5 .3 多点接地
对于高频系统的信号地线常采取就近接地，称多点接地;同时用短而粗的导线作为连接线，以减少接地阻抗。目的是防止因地线电感及电容引起的干扰，但由于接地点之间存在电位差，会造成共模噪声较大，不适合低频工作。在多点接地方式的多级电路中，必须按照地线电流由小信号单元流向大信号单元的排列顺序接地，否则会引起干扰。
5 .4 实际电路中的接地
在实际工作中，会遇到许多复杂的情况，如A/D转换器的接地、屏蔽线的接地、PCB板的接地等，具体处理方式分析如下。
5 .4.1　模数电路的接地
数字信号电流比较强,而且都是一些高电平、低电平的跳变，所以数字地上有很大的噪声和电流尖峰;而模拟信号电流较弱。所以，模数、数模转换电路中要特别注意地线的正确连接，否则干扰会很严重，以致影响转换结果的准确性。A/D、D/A芯片上都提供了独立的模拟地和数字地的引脚。在线路设计中，通常将所有器件的模拟地和数字地分别相连,然后将模拟地与数字地仅在一点上相连接。
在PCB板中的设计[10]，应尽量加宽模拟和数字电路的电源与地线或采用分开的电源层与接线层,以便减小电源与电线回路的阻抗,减小任何可能在电源与地线回路中的干扰电压。单独工作的印制板的模拟地和数字地，可在系统接地点附近单点接地。如果PCB板是插在母板上的，则母板的模拟和数字电路的电源地也要分开，模拟地和数字地在母板的接地处接地。在高频线路中，接地引线也有一定的阻抗，不管是单点接地还是多点接地，都必须构成低阻抗回路进入真正的地。25mm长的印制板铜线大约会有15nH-20nH的电感，加上分布电容的存在，就会在接地板和机壳间构成谐振电路，在流经接地线时会产生传输线效应和天线效应。对于PCB板中电源地线，电源平面应靠近接地平面，并且安排在接地平面之下。这样可以利用两金属平板间的电容作电源的平滑电容，同时接地平面还对电源平面上分布的辐射电流起到屏蔽作用。单面或双面板的电源线和地线应尽可能靠近，最好的方法是将电源线布在PCB板的一面，而地线布在另一面，这会使电源的阻抗为最低。
5.4.2 测量平台的接地
在使用电子仪器测量电路时，尤其是在多台仪器组成的测试平台中，经常由于接地、屏蔽和保护的处置不当而造成不良后果的发生。轻者仪器不能正常工作, 重者造成人员和仪器损害。例如，泄漏电流、接触电阻以及过渡过程等, 都是对仪器的干扰。
图2是典型的市电给仪器设备供电的方式。
图中供电电流在火线、变压器的初级线圈和中线中流过，为保证机壳与大地等电位，将仪器设备的机壳与大地连接在一起，目的是使出现故障后的漏电流通过低电阻的接地线流到大地，保护人员的安全。中线在配电处也是接在大地上的，但是中线不能与机壳相连接，必须隔开，其目的是不使供电电流通过接地线回地。
实际上，接地线也有分布电阻，尽管很小，也会有电压产生，使机壳各部分之间有微小的电位差。当信号线的低电位线没与接地线隔开时，因流入接地线的电流中有一部分电流通过信号线的低电位线，在其上产生电压叠加在信号上，严重时会损坏仪器。我们曾经在搭建测试平台时没注意，致使峰值功率计的探头被烧坏。
仪器系统的一般接地原则如图3所示。在图中，输人信号与电源接地点连接在一起，所以，当进行测量时，输人端的信号接地点不得与和大地有电压差的点直接短路连接。因此，在对没有采用电源隔离变压器的接地电路中, 如直接将交流电源引入电路，导致电路与大地形成回路，与地之间形成电位。如果电源插头反插，使零线与大地间有很高的电位差，将会造成严重事故。因此，在连接输人点开始进行测量前，必须仔细检查。
也有仪器以悬浮方式连接，输人端与大地浮悬。在理想条件下, 只要输人两端间的电压差在可以接受的范围内,任一输人端都可以跨在任何电压上。
总之，在搭建系统测量平台时，尽可能把各个仪器的电源电缆插在同一个供电插座上。这样可减小接地电阻，即减小干扰的产生。将大功率的仪器设备,插入另外的供电总线上，使用短的信号连接线，使用低电阻电缆，最好使用同轴电缆。千万不要使用机壳地线与未经接地的电源插头座的地端相连的仪器设备。
5.4.3　屏蔽罩接地
各种信号源和放大器等易受电磁辐射干扰的电路通常要设置屏蔽罩。由于信号电路与屏蔽罩之间存在寄生电容，因此要将信号电路地线与屏蔽罩相连，以消除寄生电容的影响，并将屏蔽罩接地，以消除共模干扰。
对于电缆的屏蔽层接地，如闭路电视使用的同轴电缆，外面的金属网是用来屏蔽信号的，网线里面有八根细金属导线绕制，其中4根就起屏蔽的作用，保证数字信号地正确。通常对于低频电路的电缆屏蔽层接地常采用单点接地方式，接地点一般是电源的负极。对于高频电路的屏蔽层接地，常采用多点接地方式。对于多层屏蔽电缆，每个屏蔽层采用单点接地，但各屏蔽层应相互绝缘。当系统需要抑制电磁干扰时，应将整个系统屏蔽起来，并将屏蔽体接到系统地上。
6 结束语
接地设计应根据实际情况选用不同的方法。不论采用何种接地方式, 目的就是“零”阻抗, 这样可完全避免干扰的引入。因此，在不同类型的电路中,针对其电路的特点,正确的选择一点接地和多点接地，在必要的情况下, 也可采用混合接地方式。
参考文献
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作者简介
姚晓平(1960-)，男，副教授/高级工程师，应用电子技术和测试技术.

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