接地技术(上)

随着电子通信和其他数字领域的发展，接地系统已不再只是起到防雷和保护人身安全的作用了。例如，在通信系统中，大量设备之间信号的互连要求各设备都要有一个基准地作为信号的参考地。另外，随着电子设备的复杂化，信号频率越来越高，信号之间的互扰等电磁兼容问题在接地设计中必须给予特别关注，而接地是提高电子设备电磁兼容性（EMC）的有效手段之一。正确的接地既能抑制电磁干扰的影响，又能抑制设备向外发出干扰；错误的接地反而会引入严重的干扰信号，甚至使电子设备无法正常工作，严重影响系统运行的可靠性和稳定性。

一、接地设计基本准则

在电子仪器设备控制系统中遇到的和经常需要解决的接地问题是系统接地。系统接地线既是各电路中的静态、动态电流通道，又是各级电路通过共同的接地阻抗而相互耦合的途径，从而形成电路间相互干扰的薄弱环节。

在接地设计中必须遵循的基本设计原则有：

1.选用低阻地线材料；

2.接地线尽可能短并接地良好；

3.尽可能避免环形接地回路；

4.各单元电路接地线中的电流流向应由小信号单元流向大信号单元；

5.交流地与直流地分开（浮地）；

6.低频电路采用单点接地，高频电路采用多点接地；对于较复杂的电子系统，应权衡利弊后采用混合接地方式。

二、接地与屏蔽

屏蔽与接地应当配合使用，才能起到屏蔽的效果。

1.静电屏蔽

当用完整的金属屏蔽体将带正电的导体包围起来时，在屏蔽体的内侧将感应出与带电导体等量的负电荷，外侧出现与带电导体等量的正电荷，因此外侧仍有电场存在。如果将金属屏蔽体接地，外侧的正电荷将流入大地，外侧将不会有电场存在，即带正电导体的电场被屏蔽在金属屏蔽体内，如图1所示。

❖

图1

2.交变电场屏蔽

为降低交变电场对敏感电路的耦合干扰电压，可以在干扰源和敏感电路之间设置导电性好的金属屏蔽体，并将金属屏蔽体接地。只要设法使金属屏蔽体良好接地，就能使交变电场对敏感电路的耦合干扰电压变得很小。

3.电缆屏蔽接地

屏蔽电缆是在被保护线外包裹一层屏蔽金属网，其中小部分电磁能通过屏蔽体内部的涡流损耗转变为热能，而大部分则通过屏蔽体的接地点将其感生电流引入大地，所以电缆屏蔽层必须接地才能起到屏蔽的作用。根据信号频率的不同，屏蔽层的接地方式有所不同，屏蔽层只要接地就能对电场产生屏蔽，而只有双端接地且频率较高时才能对磁场产生屏蔽效果。屏蔽层两端接地具有磁屏蔽作用，如果 f>1MHz，由于高频集肤效应噪声电流只在屏蔽层外表面流动，因此磁屏蔽作用将加强。

典型的低频电路如图2和图3所示，由信号源阻抗、终端负载阻抗、信号传输线、接地线、屏蔽层等组成。图2为双端接地电路，图3为单端接地电路。电缆屏蔽层接地的正确与否关系到屏蔽作用的大小，图2（a）中由于屏蔽层没有接地，虽然传输线被屏蔽层包围，但实际上没有磁屏蔽作用。如此时在1MΩ负载电阻两端实测的噪声电压是0.8V，为了便于与其他电路接地方式的抗磁干扰性能进行比较，以图2（b）实测噪声电压值作为0dB基准电平。图2（b）的传输线屏蔽层在一端接地，对信号芯线有电屏蔽作用，但磁屏蔽效果与图2（a）相同，没有磁衰减作用。图2（c）和图2（d）采用双绞线，磁干扰接收回路面积减小，抗磁干扰能力增强，但由于存在接地环，所以磁干扰衰减量也只有13dB。图2（e）和图2（f）的屏蔽层两端接地，改变了信号返回通道，虽然仍构成屏蔽层接地环，但由于屏蔽层是低阻抗的，当频率高于屏蔽层的截止频率时，屏蔽层还可以旁路一部分磁感应电流，因此对电场和磁场干扰都有衰减作用。图2（a）～图2（f）都具有接地环路，不能良好地抗磁干扰，如果电路必须采用双端接地方式，则可以增加绞合程度，以得到更好的抗磁干扰效果。

❖

图2

图3（b）、图3（c）中给连接线增加了屏蔽层，电场干扰抑制增强，但图3（b）中电路由于屏蔽层采用两端接地，存在接地环，故磁屏蔽作用增加不多。图3（c）电路屏蔽层单点接地，去除了接地环，磁干扰衰减量比图3（a）电路增加了15dB，磁屏蔽作用比较明显。图3（e）电路采用了同轴电缆，因同轴电缆的屏蔽层和中心导线所构成的环面积十分小，且无接地环，所以抗磁干扰性能显著改善。图3（d）在屏蔽层采用双绞线，且一点接地，综合了双绞线和同轴电缆接法在磁屏蔽方面的优点，抗磁干扰性能比图3（c）电路有所增加，磁干扰量只有−80dB。需要说明一下，上面列出的磁干扰量是对低频而言的，在高频时数据有很大变化。但图2（e）、（f），图3（b）的高频抗干扰性能仍是好的。

❖

图3

从上面的分析和实验数据可以看出，低频电路接地应考虑如何避免接地环，使信号电路免受干扰，达到屏蔽的目的，一般只适用于工作频率低于1MHz的电路；而在高频同轴电缆屏蔽层与接地面构成接地环时，不一定对信号产生磁干扰。由于集肤效应使信号电流在屏蔽层上分层流动，因此将减小干扰电流与信号电流的耦合。

高频信号电缆的屏蔽接地，当电路工作频率高于1MHz或信号传输电缆超过一定长度时不宜采用一点接地方式。因为高频时电路中杂散电容的影响已不可忽视，屏蔽线的杂散电容C0通过耦合方式已使电路形成了实际上的接地环，如图4所示。尤其是传输电缆越长，这种分布电容的影响就越显著。为了有效地保持屏蔽层的地电位，应采取两点或多点接地的方式。

❖

图4

在工程上，电缆屏蔽层的两端接地是高频电路常用的一种实用接地方式。当需用长电缆传输信号时，一般在每隔约1/10波长处接地一次，以使两接地点间的电缆长度不超过信号波长的1/4，这样可以减小接地阻抗和防止电缆传输中的反射干扰。高频电路中采用的多点接地方法，虽然可能由于地电位差在接地环中形成噪声电流（一般为工频及其谐波信号），但由于信号频率和其相差甚远，较容易用滤波的方法将其滤除，因此一般不会对电路的正常工作构成危害。对于要求宽带工作的电路，可以采用如图4所示的C0处用一个小电容替代杂散电容来兼顾高频电路多点接地和低频电路一点接地的宽频带要求（小电容在高频时可视为短路，电路实现多点接地）。这种方法在实际使用时非常有效。

4.信号电缆屏蔽层接地点的选择

信号电缆屏蔽层接地点的选择，取决于外界干扰信号的强度及地线安装条件。

1)接地点选择在信号源侧

当信号源端存在较强的共模噪声电压Ucm时，向信号线与屏蔽外层间的分布电容充电，若电缆的屏蔽层在接收侧接地，往往共模噪声流过屏蔽层后入地，这会在芯线中感应出很大的噪声电压。因此，为防止噪声对芯线的干扰，将屏蔽层在信号源侧（即被测装置处）接地，以使噪声电流直接入地，如图5所示。

❖