設(shè)備控制系統(tǒng)接地技術(shù)探討

羅懷民，趙玉國，巨莎娜

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京100176)

接地是電路或控制系統(tǒng)正常工作的基本技術(shù)要求之一，任何電路的電流都要經(jīng)過接地形成回路，而地線或接地平面總會存在一定的阻抗，該公共阻抗會使兩接地點(diǎn)間形成一定的電壓，從而引起接地干擾，同時(shí)，恰當(dāng)?shù)慕拥亟o高頻干擾信號形成阻抗通路，抑制了高頻信號對其它電子設(shè)備的干擾。一個(gè)差的接地系統(tǒng)，可使寄生電壓和電流耦合進(jìn)電路、組件或設(shè)備，會使屏蔽很好的單元降低屏蔽效果，使性能良好的濾波不能發(fā)揮其優(yōu)勢，而且產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾問題?？梢?，接地即存在接地阻抗而引起的接地干擾，接地又是抑制干擾的一種有效措施。

1 接地基本概念

電路中的“地”一般定義為電路或系統(tǒng)的零電位參考點(diǎn)，它不一定是實(shí)際的大地，它可以是設(shè)備的外殼或其它金屬板、線。在復(fù)雜的電控系統(tǒng)中，各單元電路、電子電路，根據(jù)工作點(diǎn)的不同，信號的大小，電流的強(qiáng)弱等可以有各種不同的“地”。也就是說，“地”的意義已經(jīng)不只是設(shè)備的外殼必須接大地這樣單純的定義，具有工作方面更廣泛的意義，但不管情況多么復(fù)雜，在一個(gè)系統(tǒng)中各種“地”最終是要統(tǒng)一起來，這正是接地設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)所在。

1.1 對接地平面的要求

接地平面應(yīng)是零電位，它作為系統(tǒng)中各電路任何位置，所有信號公共點(diǎn)位參考點(diǎn)。現(xiàn)實(shí)中雖不存在零阻抗的接地平面，但應(yīng)減少它的阻抗。良好的接地要求盡量減少多電路公共接地阻抗上所有產(chǎn)生的騷擾電壓，同時(shí)還要盡量避免形成不必要的地回路。

1.2 地線的阻抗

我們用歐姆表測量地線的電阻時(shí)，地線的電阻往往是毫歐姆級，但地線的阻抗引起地線上的各點(diǎn)之間的電位差能夠造成電路的誤動作，導(dǎo)致電路工作的異常。在直流狀態(tài)下導(dǎo)線對電流呈現(xiàn)的阻抗稱為電阻，而阻抗指的是交流狀態(tài)下導(dǎo)線對電流的阻抗，這個(gè)阻抗主要是由導(dǎo)線的電感引起的，任何導(dǎo)線都有電感，當(dāng)頻率較高時(shí)，導(dǎo)線的阻抗遠(yuǎn)大于直流電阻。在實(shí)際電路中，造成電磁干擾的信號往往是脈沖信號，脈沖信號包含豐富的高頻成分，在地線上會產(chǎn)生較大的電壓，對于數(shù)字電路而言，電路的工作頻率是很高的，因此地線阻抗對數(shù)字電路的影響非常明顯。

1.3 接地的目的

接地的基本目的有兩個(gè)：一個(gè)目的是為了安全，稱為安全接地。安全接地就是把設(shè)備的外殼利用低阻導(dǎo)體連至大地（且一定是接到大地），以防止人員觸及設(shè)備外殼時(shí)產(chǎn)生電擊事故。另一個(gè)是信號接地，為信號電壓提供一個(gè)零電位參考點(diǎn)。電磁兼容技術(shù)的接地屬于信號接地，它不一定通過導(dǎo)體接入大地。一般情況下，信號接地點(diǎn)與安全接地點(diǎn)不應(yīng)為同一位置，否則信號端將會引入嚴(yán)重的干擾。

1.4 安全接地

電氣安全接地包括安全接地和雷電防護(hù)接地。對Ⅰ類設(shè)備的金屬外殼必須通過黃綠雙色安全地線接地（接電網(wǎng)電源“地”），并要求接地電阻足夠小（R≤4 Ω）。設(shè)施的雷電保護(hù)系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，對設(shè)備沒有這個(gè)要求。

1.5 電磁兼容接地

電磁兼容接地出于電磁兼容設(shè)計(jì)而要求的接地?？砂╝）屏蔽接地：防止電路之間由于寄生電容存在產(chǎn)生相互干擾、電路輻射電場或?qū)ν饨珉妶龅拿舾校M(jìn)行的隔離和屏蔽，這些隔離和屏蔽的金屬必須接地。b）濾波器接地：濾波器中包含信號線或電源線到地的旁路電容必須接地。若不接地時(shí)，這些電容就處于懸浮狀態(tài)，起不到旁路作用。c）噪聲和干擾抑制：對內(nèi)部噪聲和外部干擾的控制需要設(shè)備或系統(tǒng)上的許多點(diǎn)與地相連，從而為干擾信號提供" 最低阻抗" 通道。d）電路參考：電路之間信號正確傳輸?shù)墓颤c(diǎn)位參考點(diǎn)，這個(gè)公共點(diǎn)位參考點(diǎn)就是地，因此所有互相連接的電路必須接地。

2 接地基本方法

接地方法有3 種基本形式：浮地、單點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地，如圖1 所示。這些方法可以單獨(dú)使用，也可在給定的設(shè)備及系統(tǒng)中組合使用（混合接地）。

2.1 浮地

將電路或設(shè)備與公共接地平面或可能引起環(huán)路的公共導(dǎo)線進(jìn)行電隔離。它的效果取決于是否做到完全的浮地。實(shí)際上，要做到完全的隔離在很多情況下是很困難的，而且完全隔離有時(shí)還存在一定的危險(xiǎn)。也容易出現(xiàn)靜電積累，若人員觸及設(shè)備外殼會產(chǎn)生靜電放電，或者在設(shè)備和大地之間產(chǎn)生靜電擊穿現(xiàn)象，這種放電現(xiàn)象是破壞性很大的強(qiáng)干擾源。為此，對“浮地”提出了一種折衷方法，就是必要時(shí)在采用“浮地”的設(shè)備與大地之間接入一個(gè)電阻值很大（約幾兆歐）的泄放電阻，以消除靜電積累的危險(xiǎn)。

2.2 單點(diǎn)接地

只有一個(gè)物理點(diǎn)被定義為接地參考點(diǎn)，其它各個(gè)需要接地的點(diǎn)都直接接到這一點(diǎn)上。單點(diǎn)接地系統(tǒng)在概念上是最簡單的，能夠消除公共阻抗耦合和低頻地環(huán)路。每一個(gè)電路模塊都單獨(dú)地接到一個(gè)單點(diǎn)地上，每一個(gè)子單元在同一點(diǎn)與機(jī)架相連，地線上其它部分的電流不會耦合進(jìn)電路。

圖1 接地的幾種方式

2.3 多點(diǎn)接地

一個(gè)系統(tǒng)中各個(gè)接地點(diǎn)都直接接到距它最近的接地平面上，使接地線的長度最短。由于多點(diǎn)接地系統(tǒng)中形成了各種地線回路，對于設(shè)備內(nèi)同時(shí)使用具有較低頻率的電路會產(chǎn)生不良的影響。如果出現(xiàn)此情況，可以采用混合接地方法。

2.4 混合接地

將那些只需高頻接地的點(diǎn)使用串聯(lián)電容器把它們和接地平面連接起來。只將需要就近接地的點(diǎn)，就近直接與接地平面相連，其余各點(diǎn)均采用單點(diǎn)接地。單點(diǎn)接地與多點(diǎn)接地的分界常以流通信號波長λ 的0.05 倍為界，凡單點(diǎn)接地線長度達(dá)到0.05λ 以上時(shí)，就應(yīng)當(dāng)用多點(diǎn)接地。

3 信號接地方式應(yīng)用探討

在設(shè)備控制系統(tǒng)中，信號接地要考慮的問題必較多，凡有信號電路的地線或有信號電流流過的地線都應(yīng)考慮。

3.1 公用地線串聯(lián)單點(diǎn)接地

如圖2 所示，這種接地方法會形成共地干擾，其大小通過對地線電阻的分析計(jì)算可以得出。從防止噪聲和抑制干擾的角度出發(fā)，這種接地方法是最不適用的。但由于它的線路比較簡單，用的場合仍然較多。當(dāng)各電路的電平相差不大時(shí)可以使用，注意要把相對電平較低的電路放在距接地點(diǎn)最近的地方。目前，在我所研制的各類設(shè)備中，有三分之一都采用，如印刷類、切割類設(shè)備等。

圖2 串聯(lián)單點(diǎn)接地

3.2 獨(dú)立地線并聯(lián)單點(diǎn)接地

如圖3 所示，這種接地方式的各電路的地電位只與本電路的地電流及地線阻抗有關(guān)，不受其它電路的影響，最適用于低頻電路。缺點(diǎn)是這樣做時(shí)地線根數(shù)多，分別接地，增加了地線長度和地線阻抗，引入較大的接地干擾。同時(shí)，也可能造成各地線相互間的電感耦合，且隨著頻率增加，地線阻抗、地線間的電感電容耦合都會增加，因此不適合高頻電路。

圖3 并聯(lián)單點(diǎn)接地

3.3 獨(dú)立地線并聯(lián)多點(diǎn)接地

如圖4 所示，為了降低地線阻抗，在高頻段使用多點(diǎn)接地方式。為了降低電路的地電位，每個(gè)電路的地線應(yīng)盡可能縮短，以降低地線阻抗。在高頻時(shí)，由于集膚效應(yīng)，高頻電流只流經(jīng)機(jī)殼表面，即使加大機(jī)殼厚度也不能降低阻抗。為了在高頻時(shí)降低地線阻抗，通常要將地線和公共地鍍銀。另外，在導(dǎo)體面積相同的情況下，為了減少電阻，常用矩形截面導(dǎo)體做成地線帶。一般說來，頻率在1 MHz 以下可采用一點(diǎn)接地方式，當(dāng)頻率高于10 MHz 應(yīng)采用多點(diǎn)接地方式；而當(dāng)頻率在二者之間，如用一點(diǎn)接地，其地線長不得超過波長的1/20，否則應(yīng)用多點(diǎn)接地。

3.4 電路系統(tǒng)的分組接地

圖4 獨(dú)立多點(diǎn)接地

如圖5 所示，電路系統(tǒng)在低頻時(shí)多采用串并聯(lián)一點(diǎn)接地的綜合接法，即在符合噪聲標(biāo)準(zhǔn)和簡單易行的前提下統(tǒng)籌兼顧，分組接地。低電平電路經(jīng)一組共同地線接地，高電平電路經(jīng)另一組共同地線接地，注意不要把功率相差很大，噪聲電平相差很大的電路接入同一組地線。具有相同噪聲特性的電路連接在一起，敏感的電路應(yīng)離單點(diǎn)地最近。為了減少公共阻抗耦合，干擾最大的電路也應(yīng)最靠近公共點(diǎn)。這種裝置減少了所需地線的總數(shù)，使高頻電路有良好的局部接地，但在那些對公共阻抗耦合不敏感的電路之間會產(chǎn)生一些公共阻抗耦合。當(dāng)電路板有分開的模擬地和數(shù)字地時(shí)，應(yīng)當(dāng)將二級管背靠背互連以防止電路板上的靜電積累，并可以避免當(dāng)電路斷開時(shí)兩個(gè)地不能同步斷開造成電路損壞。

圖5 串并聯(lián)分組接地

3.5 混合接地

如圖6 所示。當(dāng)單點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地均無法單獨(dú)滿足系統(tǒng)要求時(shí)，可以采取由浮地、單點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地系統(tǒng)組合而成的混合接地系統(tǒng)。混合接地使用電抗性器件（電感和電容），使接地系統(tǒng)在低頻和高頻時(shí)呈現(xiàn)不同的特性。這在寬帶靈敏電路中是必要的。圖6（a）為數(shù)字電路采用多點(diǎn)接地方式，并通過一根接地線與系統(tǒng)地其它電路單點(diǎn)接地。圖6（b）為一個(gè)約1 MHz 的電感器用來泄放靜電。同時(shí)將高頻電路與機(jī)殼地隔離。圖6（c）為電容會沿著電纜每0.1λ 長度安放，可防止高頻駐波并避免低頻接地環(huán)路。當(dāng)采用圖6（b）、圖6（c）兩種安排時(shí)，必須小心避免接地系統(tǒng)中分布電容和電感引起的諧振現(xiàn)象。在使用電抗元件做接地系統(tǒng)的一部分時(shí)，應(yīng)注意寄生諧振的現(xiàn)象，這種諧振會使干擾增強(qiáng)。

圖6 混合接地

4 接地設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)備的控制特點(diǎn)，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)之初，就應(yīng)統(tǒng)籌考慮接地技術(shù)和裝配工藝。

（1）依實(shí)際選擇恰當(dāng)?shù)慕拥胤绞郊敖拥攸c(diǎn)；

（2）消除公共阻抗耦合，避免強(qiáng)弱電路、數(shù)字、模擬電路公用地線；

（3）接地線應(yīng)與接地面良好搭接；

（4）對工作頻率很寬的系統(tǒng)要用混合接地；

（5）所有接地線要短，導(dǎo)電良好，避免高阻性；

（6）交直流線不能綁在一起；

（7）需要用同軸電纜傳輸信號時(shí)要通過屏蔽層提供信號回路；

（8）對有大電流突變的繼電器等要單獨(dú)接地以減少對其它電路瞬變耦合；

（9）對信號線、信號回線、電源系統(tǒng)回線以及底板或機(jī)殼都要有單獨(dú)的接地系統(tǒng)，然后可以將這些回線接到一個(gè)參考點(diǎn)上；

（10）從安全出發(fā)，測試設(shè)備的地線直接與被測試設(shè)備的地線連接，要確保接地連接裝置，應(yīng)付意外的故障電流。

接地設(shè)計(jì)除了對人員安全、設(shè)備安全的考慮外，也要從抑制干擾的角度多加考慮，實(shí)用中，要將接地與屏蔽、濾波、消除公共阻抗耦合等技術(shù)配合使用，對提高設(shè)備的可靠性和電磁兼容性會起到事半功倍的作用。

5 結(jié)束語

電子專用設(shè)備種類繁多，與其對應(yīng)的電氣自動化控制技術(shù)簡繁不一，因此，每種設(shè)備的自動控制能否可靠實(shí)現(xiàn)，軟件程序能否順利通過，在很大程度上取決于系統(tǒng)接地的可靠性和接地設(shè)計(jì)的合理性。針對各類設(shè)備的情況，有必要對接地技術(shù)進(jìn)行探討，認(rèn)真研究，將接地方法規(guī)范化，也有必要把接地技術(shù)問題看作改善設(shè)備可靠性和電磁兼容性的一種有效而經(jīng)濟(jì)的方案。

[1] 何立民. 電工手冊[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，1993.

[2] 沙斐.機(jī)電一體化系統(tǒng)的電磁兼容技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，1999.

[3] 楊其華.電器產(chǎn)品檢驗(yàn)[M].北京：中國計(jì)量出版社，1998.