電路中的接地與抗干擾電路技術(shù)

接地技術(shù)在現(xiàn)代電子領(lǐng)域方面得到了廣泛而深入的應(yīng)用。電子設(shè)備的“地”通常有兩種含義：一種是“大地”（安全地），另一種是“系統(tǒng)基準(zhǔn)地”（信號地）。接地就是指在系統(tǒng)與某個(gè)電位基準(zhǔn)面之間建立低阻的導(dǎo)電通路。“接大地”是以地球的電位為基準(zhǔn)，并以大地作為零電位，把電子設(shè)備的金屬外殼、電路基準(zhǔn)點(diǎn)與大地相連。由于大地的電容非常大，一般認(rèn)為大地的電勢為零。開始的時(shí)候，接地技術(shù)主要應(yīng)用在電力系統(tǒng)中，后來，接地技術(shù)延伸應(yīng)用到弱電系統(tǒng)中。在弱電系統(tǒng)中的接地一般不是指真實(shí)意義上與地球相連的接地。對于電力電子設(shè)備將接地線直接連在大地上或者接在一個(gè)作為參考電位的導(dǎo)體上，當(dāng)有電流通過該參考電位時(shí)，接地點(diǎn)是電路中的共用參考點(diǎn)，這一點(diǎn)的電壓為0V，電路中其他各點(diǎn)的電壓高低都是以這一參考點(diǎn)為基準(zhǔn)的，一般在電路圖中所標(biāo)出的各點(diǎn)電壓數(shù)據(jù)都是相對接地端的大小，這樣可以大大方便修理中的電壓測量。相同接地點(diǎn)之間的連線稱為地線。把接地平面與大地連接，往往是出于以下考慮：提高設(shè)備電路系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，靜電泄放，為工作人員提供安全保障。接地的目的：安全考慮，即保護(hù)接地。為信號電壓提供一個(gè)穩(wěn)定的零電位參考點(diǎn)（信號地或系統(tǒng)地）屏蔽保護(hù)作用。

一、 接地的類型和作用
不同的電路有不相同的接地方式，電子電力設(shè)備中常見的接地方式有以下幾種：
??? 1、安全接地
安全接地即將高壓設(shè)備的外殼與大地連接。一是防止機(jī)殼上積累電荷，產(chǎn)生靜電放電而危及設(shè)備和人身安全，例如電腦機(jī)箱的接地，油罐車那根拖在地上的尾巴，都是為了使積聚在一起的電荷釋放，防止出現(xiàn)事故；二是當(dāng)設(shè)備的絕緣損壞而使機(jī)殼帶電時(shí)，促使電源的保護(hù)動(dòng)作而切斷電源，以便保護(hù)工作人員的安全，例如電冰箱、電飯煲的外殼。三是可以屏蔽設(shè)備巨大的電場，起到保護(hù)作用，例如民用變壓器的防護(hù)欄。
????2、防雷接地
當(dāng)電力電子設(shè)備遇雷擊時(shí)，不論是直接雷擊還是感應(yīng)雷擊，如果缺乏相應(yīng)的保護(hù)，電力電子設(shè)備都將受到很大損害甚至報(bào)廢。為防止雷擊，我們一般在高處（例如屋頂、煙囪頂部）設(shè)置避雷針與大地相連，以防雷擊時(shí)危及設(shè)備和人員安全。安全接地與防雷接地都是為了給電子電力設(shè)備或者人員提供安全的防護(hù)措施，用來保護(hù)設(shè)備及人員的安全。
????3、工作接地
工作接地是為電路正常工作而提供的一個(gè)基準(zhǔn)電位。這個(gè)基準(zhǔn)電位一般設(shè)定為零。該基準(zhǔn)電位可以設(shè)為電路系統(tǒng)中的某一點(diǎn)、某一段或某一塊等。當(dāng)該基準(zhǔn)電位不與大地連接時(shí)，視為相對的零電位。但這種相對的零電位是不穩(wěn)定的，它會(huì)隨著外界電磁場的變化而變化，使系統(tǒng)的參數(shù)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電路系統(tǒng)工作不穩(wěn)定。當(dāng)該基準(zhǔn)電位與大地連接時(shí)，基準(zhǔn)電位視為大地的零電位，而不會(huì)隨著外界電磁場的變化而變化。但是不合理的工作接地反而會(huì)增加電路的干擾。比如接地點(diǎn)不正確引起的干擾，電子設(shè)備的共同端沒有正確連接而產(chǎn)生的干擾。
為了有效控制電路在工作中產(chǎn)生各種干擾，使之能符合電磁兼容原則。我們在設(shè)計(jì)電路時(shí)，根據(jù)電路的性質(zhì)，可以將工作接地分以下為不同的種類，比如直流地、交流地、數(shù)字地、模擬地、信號地、功率地、電源地等。不同的接地應(yīng)當(dāng)分別設(shè)置。不要在一個(gè)電路里面將它們混合設(shè)在一起，例如數(shù)字地和模擬地就不能共一根地線，否則兩種電路將產(chǎn)生非常強(qiáng)大的干擾，使電路陷入癱瘓！
????4、信號地
信號地是各種物理量信號源零電位的公共基準(zhǔn)地線。由于信號一般都較弱，易受干擾，不合理得接地會(huì)使電路產(chǎn)生干擾，因此對信號地的要求較高。
????5、模擬地
模擬地是模擬電路零電位的公共基準(zhǔn)地線。模擬電路中有小信號放大電路，多級放大，整流電路，穩(wěn)壓電路等等，不適當(dāng)?shù)慕拥貢?huì)引起干擾，影響電路的正常工作。模擬電路中的接地對整個(gè)電路來說有很大的意義，它是整電路正常工作的基礎(chǔ)之一。所以模擬電路中合理的接地對整個(gè)電路的作用不可忽視。
????6、數(shù)字地
數(shù)字地是數(shù)字電路零電位的公共基準(zhǔn)地線。由于數(shù)字電路工作在脈沖狀態(tài)，特別是脈沖的前后沿較陡或頻率較高時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的電磁波干擾電路。如果接地不合理，會(huì)使干擾加劇，所以對數(shù)字地的接地點(diǎn)選擇和接地線的敷設(shè)也要充分考慮。
????7、電源地
電源地是電源零電位的公共基準(zhǔn)地線。由于電源往往同時(shí)供電給系統(tǒng)中的各個(gè)單元，而各個(gè)單元要求的供電性質(zhì)和參數(shù)可能有很大差別，因此既要保證電源穩(wěn)定可靠的工作，又要保證其它單元穩(wěn)定可靠的工作。電源地一般是電源的負(fù)極。
????8、功率地
功率地是負(fù)載電路或功率驅(qū)動(dòng)電路的零電位的公共基準(zhǔn)地線。由于負(fù)載電路或功率驅(qū)動(dòng)電路的電流較強(qiáng)、電壓較高，如果接地的地線電阻較大，會(huì)產(chǎn)生顯著的電壓降而產(chǎn)生較大的干擾，所以功率地線上的干擾較大。因此功率地必須與其它弱電地分別設(shè)置，以保證整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的工作。
????9、屏蔽接地
屏蔽與接地應(yīng)當(dāng)配合使用，才能起到良好的屏蔽效果。主要是為了考慮電磁兼容，典型的兩種屏蔽是靜電屏蔽與交變電場屏蔽，下面分別介紹：
????????靜電屏蔽：當(dāng)用完整的金屬屏蔽體將帶電導(dǎo)體包圍起來，在屏蔽體的內(nèi)側(cè)將感應(yīng)出與帶電導(dǎo)體等量異種的電荷，外側(cè)出現(xiàn)與帶電導(dǎo)體等量的同種電荷，因此外側(cè)仍有電場存在。如果將金屬屏蔽體接地，外側(cè)的電荷將流入大地，金屬殼外側(cè)將不會(huì)存在電場，相當(dāng)于殼內(nèi)帶電體的電場被屏蔽起來了。

????????交變電場屏蔽：為減少交變電場對敏感電路（比如多級放大電路、RAM、ROM電路）的耦合干擾電壓，可以在干擾源和敏感電路之間設(shè)置導(dǎo)電性好的金屬屏蔽體，或?qū)⒏蓴_源、敏感電路分別屏蔽，并將金屬屏蔽體接地。只要金屬屏蔽體良好接地，能極大的減小交變電場對敏感電路的耦合干擾電壓，這樣電路就能正常工作了。

屏蔽接地在生產(chǎn)生活中有著廣泛的應(yīng)用，下面我們來一起探討：
電路的屏蔽罩接地
各種信號源和放大器等易受電磁輻射干擾的電路應(yīng)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末端與屏蔽罩相連，以消除寄生電容的影響，并將屏蔽罩接地，以消除共模干擾。

電纜的屏蔽層接地
在某些通信設(shè)備中的弱信號傳輸電纜中，為了保證信號傳輸過程中的安全和穩(wěn)定，使用外面帶屏蔽網(wǎng)的電纜來使信號的傳輸穩(wěn)定，防止干擾其他設(shè)備和防止自己被干擾。例如閉路電視使用的是同軸電纜，外面的金屬網(wǎng)是用來屏蔽信號的。再如網(wǎng)線里面有8根細(xì)金屬導(dǎo)線繞制的，其中4根就起屏蔽的作用，保證信號的數(shù)字信號地正確。

網(wǎng)線的繞制上就可以看到它的屏蔽作用
低頻電路電纜的屏蔽層接地
低頻電路電纜的屏蔽層接地應(yīng)采用單點(diǎn)接地的方式，屏蔽層接地點(diǎn)應(yīng)當(dāng)與電路的接地點(diǎn)一致,一般是電源的負(fù)極。對于多層屏蔽電纜，每個(gè)屏蔽層應(yīng)在一點(diǎn)接地，但各屏蔽層應(yīng)相互絕緣。

高頻電路電纜的屏蔽層接地
高頻電路電纜的屏蔽層接地應(yīng)采用多點(diǎn)接地的方式。高頻電路的信號在傳遞中會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁輻射，數(shù)字信號的傳輸會(huì)嚴(yán)重地衰減，如果沒有良好的屏蔽，會(huì)使數(shù)字信號產(chǎn)生錯(cuò)誤。一般采用一下原則：當(dāng)電纜長度大于工作信號波長的0.15倍時(shí)，采用工作信號波長的0.15倍的間隔多點(diǎn)接地式。如果不能實(shí)現(xiàn)，則至少將屏蔽層兩端接地。

系統(tǒng)的屏蔽體接地
當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)需要抵抗外界電磁干擾，或需要防止系統(tǒng)對外界產(chǎn)生電磁干擾時(shí)，應(yīng)將整個(gè)系統(tǒng)屏蔽起來，并將屏蔽體接到系統(tǒng)地上。例如電腦的機(jī)箱、敏感電子儀器、某些儀表。

設(shè)備地
在現(xiàn)在的電子設(shè)備中，要出色地完成特定的工作，往往含有多種電路，比如低電平的信號電路（如高頻電路、數(shù)字電路、小信號模擬電路等）、高電平的功率電路（如供電電路、繼電器電路等）。為了安裝電路板和其它元器件、為了抵抗外界電磁干擾而需要設(shè)備具有一定機(jī)械強(qiáng)度和屏蔽效能的外殼。

這些較復(fù)雜的設(shè)備接地是一般要遵循以下原則：
????????50Hz電源零線應(yīng)接到安全接地螺栓處，對于獨(dú)立的設(shè)備，安全接地螺栓設(shè)在設(shè)備金屬外殼上，并有良好電氣連接；為防止機(jī)殼帶電，危及人身安全，絕對不允許用電源零線作地線代替機(jī)殼地線。
????????為防止高電壓、大電流和強(qiáng)功率電路（如供電電路、繼電器電路）對低電平電路（如高頻電路、數(shù)字電路、模擬電路等）的干擾，一定要將他們的將它們分開接地，并保證接地點(diǎn)之間的距離。前者為功率地（強(qiáng)電地），后者為信號地（弱電地），信號地分為數(shù)字地和模擬地，數(shù)字地與模擬地要分開接地，最好采用單獨(dú)電源供電并分別接地，信號地線應(yīng)與功率地線和機(jī)殼地線相絕緣。
????????信號地線可另設(shè)一個(gè)和設(shè)備外殼相絕緣信號地接地螺栓，該信號地螺栓與安全接地螺栓的連接有三種方法，選用那種方法取決于接地的效果：一種是不連接，而成為浮地式，由于浮地的效果不好，建議不采用；二是直接連接成為單點(diǎn)接地式，注意是在低頻電路中采用單點(diǎn)接地；三是通過1-3μF電容器連接，而成為直流浮地式，交流接地式。其它的接地最后全部匯聚在安全接地螺栓上，該點(diǎn)應(yīng)位于交流電源的進(jìn)線處，然后通過接地線將接地極可靠地埋在土壤中。

系統(tǒng)地
工業(yè)現(xiàn)場動(dòng)力線路密布，設(shè)備啟停運(yùn)轉(zhuǎn)繁忙，因此存在嚴(yán)重的電場和磁場干擾。而工業(yè)控制系統(tǒng)又有幾十乃至幾百個(gè)輸入輸出通道分布在其中，導(dǎo)線之間形成相互耦合是通道干擾的主要原因之一。它們主要表現(xiàn)為電容性耦合、電感性耦合、電磁場輻射三種形式。系統(tǒng)接地就是使系統(tǒng)建立與大地的連接，是電子電力設(shè)備防止這些干擾并正常地工作。
????????系統(tǒng)的接地應(yīng)當(dāng)注意以下幾點(diǎn)：參照設(shè)備的接地注意事項(xiàng)；設(shè)備外殼用設(shè)備外殼地線和機(jī)柜外殼相連； 機(jī)柜外殼用機(jī)柜外殼地線和系統(tǒng)外殼相連；對于系統(tǒng)，安全接地螺栓設(shè)在系統(tǒng)金屬外殼上，并保持良好電氣連接；
當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)機(jī)柜、設(shè)備過多時(shí)，將導(dǎo)致數(shù)字地線、模擬地線、功率地線和機(jī)柜外殼地線過多，對此，可以考慮鋪設(shè)兩條互相并行并和系統(tǒng)外殼絕緣的半環(huán)形接地母線，一條為信號地母線，另一條為屏蔽地及機(jī)柜外殼地母線；系統(tǒng)內(nèi)各信號地就近接到信號地母線上，系統(tǒng)內(nèi)各屏蔽地及機(jī)柜外殼地就近接到屏蔽地及機(jī)柜外殼地母線上；兩條半環(huán)形接地母線的中部靠近安全接地螺栓，屏蔽地及機(jī)柜外殼地母線接到安全接地螺栓上；信號地母線接到信號地螺栓上；母線的電氣性能要良好，電阻要盡可能的小。
????????當(dāng)系統(tǒng)用三相電源供電時(shí)，由于各負(fù)載用電量和用電的不同時(shí)性，如果不接地，必然導(dǎo)致三相不平衡，造成三相電源中心點(diǎn)電位偏移，為此將電源零線接到安全接地螺栓上，迫使三相電源中心點(diǎn)電位保持零電位，從而防止三相電源中心點(diǎn)電位偏移所產(chǎn)生的干擾。
????????工作接地線應(yīng)采用銅芯絕緣導(dǎo)線或電纜，不得利用鍍鋅扁鐵或金屬軟管；工作接地線與保護(hù)接地線，必須分開，保護(hù)接地導(dǎo)體不得利用金屬軟管；埋設(shè)時(shí)，將接地極打入地表層一定深度倒入鹽水，地線周圍最好全部采用炭粉實(shí)埋，用來增強(qiáng)導(dǎo)電性；一般系統(tǒng)接地電阻小于4Ω，共點(diǎn)接地電阻小于1Ω，移動(dòng)設(shè)備，接地電阻不大于10Ω。