第5讲-接地与搭接

1、第5讲-接地与搭接第5讲 接地与搭接目 录第5讲 接地与搭接15.1 接地及其功能15.1.1 与接地有关的名词术语15.1.2 接地的概念及功能25.2 设备的安全接地35.2.1 安全接地分类35.2.2 典型接地体及其接地电阻的计算45.2.3 接地网55.2.4 雷击时接地装置的特性65.3 信号地75.3.1 单点信号地系统85.3.2 多点接地95.3.3 混合信号的系统125.3.4信号浮地系统165.3.6 单元电路的接地175.3.7 多级电路的接地195.4 地线中的干扰及消除205.4.1 地环路干扰205.4.2 地线中的等效干扰电势215.4.3 低阻抗地线的设计22

2、5.4.5 低阻抗电源馈线235.4.5 阻隔地环路干扰的措施245.5 屏蔽接地295.5.1 信号电路屏蔽罩的接地295.5.2低电平信号输入部分的屏蔽接地315.5.3 高电平、功率输出部分的屏蔽接地345.6 电子系统的接地方法345.6.1 电子系统接地的目的345.6.2 机柜的地线355.6.3 电子系统接地方式355.7 大型系统的接地举例385.7.2 集中控制组合装置的接地系统1395.7.3 大型分散组合系统的接地系统1395.8 搭接3405.8.1 搭接的定义及目的405.8.2 搭接电阻的准则425.8.3 搭接的方法425.8.4 搭接面的处理及材料的选择455.

3、8.5 搭接的有效性465.8.6 良好搭接的一般原则475.9 等电位搭接485.9.1 建筑物内电子设备的等电位搭接485.9.2 搭接网络的结构49参考文献51思考题5151第5讲 接地与搭接5.1 接地及其功能5.1.1 与接地有关的名词术语地 ground：(1) 导电性的土壤，具有等电位，且任意点的电位可以看成零电位。(2)导电体，如土壤或钢船的外壳，作为电路的返回通道，或作为零电位参考点。(3) 电路中相对于地具有零电位的位置或部分。(4) 电路与地或其它起地的作用的导电体的有意的或偶然的连接。（ANSI C63.14-1998 4.9）接地 (动词) grounding, ea

4、rthing：指将有关系统、电路或设备与地连接。（GB/T17949.1-2000 4.2）接地（名词） earth, ground：一种有意或非有意的导电连接，由于这种连接，可使电路或电气设备接到大地或接到代替大地的、某种较大的导电体。注：接地的目的是：(a) 使连接到地的导体具有等于或近似于大地（或代替大地的导电体）的电位；(b) 引导入地电流流入和流出大地（或代替大地的导电体）。 （GB/T17949.1-2000 4.1）接地（参考）平面 earth (reference) plane：一块导电平面，其电位用作公共参考电位。（GB/T 4365-1995 4.36）搭接 bonding

5、：将设备、装置或系统的外暴可导电部分或外部可导电部分连接在一起以确保它们具有相同的电位的过程。（IEC61000-5-2-1997 3.1）单点接地 singlepoint ground：单点接地指网络中只有一点被定义为接地点，其它需要接地的点都直接接在该点上。（ANSI C63.14-1998 4.318）等电位搭接 equipotential bonding：使各外露可导电部分和装置外可导电部分的电位基本相等的电气连接。（GB50054-95）多点接地 multi-point ground：每个子系统的“地”都直接接到距它最近的基准面上。浮点接地 floating ground：将整个网络

6、完全与大地隔离，使电位飘浮。要求整个网络与地之间的绝缘电阻在50 MW以上，绝缘下降后会出现干扰。通常采用机壳接地，其余的电路浮地。（IEEE Std.1050-1996 5.3.3）接地电阻ground resistance：接地极与电位为零的远方接地极之间的欧姆律电阻。（注：所谓远方是指一段距离，在此距离下，两个接地板的互阻基本为零。）（GB/T 17949.1-2000 4.11）工频接地电阻 power frequency ground resistance：工频电压流过接地装置时，接地极与电位为零的远方接地极之间的欧姆律电阻。其数值等于接地装置对地电压与通过接地极流入地中电流的比值。

7、（DL/T 621-1997 2.11）接触电压 touch voltage：接地的金属结构和地面上相隔一定距离处一点间的电位差。此距离通常等于最大的水平伸臂距离，约为lm。（GB/T17949.1-2000 4.17）跨步电压 step voltage：地面一步距离的两点间的电位差，此距离取最大电位梯度方向上lm的长度。(注：当工作人员站立在大地或某物之上，而有电流流过该大地或该物时，此电位差可能是危险的，在故障状态时尤其如此。) （GB/T17949.1-2000 4.18）接地基准点 earthing reference point (ERP)共用接地系统与系统的等电位连接网络之间的唯一

8、连接点。（IEC61312-1-1995 1.3.2）接地装置earth-termination system接地线和接地极的总和。（GB50057-94）信号地 signal ground电路中各信号的公共参考点，即电气及电子设备、装置及系统工作时信号的参考点。（IEEE Std1050-1999）5.1.2 接地的概念及功能 电气设备从安全的角度考虑，接地是十分必要的。从电路工作的角度看，接地也是必要的。接地有两方面的含义，一是指电气设备与大地的连接，二是指电路及电子设备的信号参考地。 为了确保人身及设备安全，将电气设备的某些部位，电力系统的某点与大地相连，提供故障电流及雷电流的泄流通道，

9、稳定电位，提供零电位参考点及降低绝缘水平。 接地功能是通过接地装置或接地来系统实现的。接地装置可分为比较简单的接地装置，如水平接地体、垂直接地体、环形接地体等，另一种接地装置为建筑物及大楼变电站的接地网。 简单而言，接地装置就是包括引线在内的埋设在地中的一个或一组金属体（包括金属水平埋设或垂直埋设的接地极、金属构件、金属管道、钢筋混凝土构筑物基础、金属设备等），或由金属导体组成的金属网，其功能是用来泄放故障电流，雷电或其它冲击电流，稳定电位。 表征接地装置电气性能的参数为接地电阻，它为接地装置对地电阻和接地线电阻的总和。接地电阻的数值等于接地装置对地电压与通过接地极流入地中电流的比值。如果通过

10、的电流为工频电流，则对应的接地电阻为工频接地电阻；如果通过的电流为冲击电流，接地电阻为冲击接地电阻。冲击接地电阻是时变暂态电阻，一般用接地装置的冲击电压幅值与通过其流入地中的冲击电流的幅值的比值作为接地装置的冲击接地电阻。接地电阻的大小，反映了接地装置流散电流和稳定电位能力的高低，及保护性能的好坏。接地电阻越小，保护性能就越好。对于电子设备及电路，“地”可以定义为一个等位点或一个等位面。它为电路、系统提供一个参考电位，其数值可以与大地电位相同，也可以不同。正因为“地”在电路系统中充当这样一个重要角色，电路、系统中的各部分电流都必须经“地线”或“地平面”构成电流回路。 外部电磁干扰能够使电子设备

11、产生误动作，或干扰电缆传输的信号，影响传输信号质量，这可以通过将电子设备的屏蔽外壳和电缆屏蔽层接地来降低或消除外部电磁干扰的影响。另外为防止电子设备产生的高频能量泄流到外部，而对其它设备造成干扰，也应进行接地。防止电磁干扰的接地具有多种形式，如屏蔽室、屏蔽层的接地，屏蔽电缆的接地，变压器静电屏蔽的接地，精密仪器的保护装置的接地，变压器或扼流圈铁芯的接地等。总之，防止电磁干扰的接地就是提供干扰能量泄放到大地的通道。设备接地的一个主要目的是为了安全。对于许多静电敏感的场合，接地还是泄放电荷的主要手段。良好的接地必须达到下列几个目的1： 1) 保证接地回路具有很低的公共阻抗，使系统中各路电流，通过该

12、公共阻抗产生的直接传导噪声电压最小。 2) 在有高频电流的场合，保证“信号地”对“大地”有较低的共模电压，使通过“信号地”产生的辐射噪声最低。 3) 保证地线与信号线构成的电流回路具有最小的面积，避免由地线构成“地回路”，使外界干扰磁场穿过该回路产生的差模干扰电压最小，同时，也避免由地电位差通过地回路引起过大的地电流，造成传导干扰。 4) 保证人身和设备的安全。 从上述情况可见，对一个设备或系统来说，接地系统就相当于一个建筑物的基础。它对设备或系统的稳定可靠工作关系极大，它不但关系到设备本身产生的EMI，还关系到该设备或子系统接入整个系统后的抗干扰能力(EMS)。所以，在工程设计初期，人们首先

13、应当认真考虑和精心设计接地系统。实践已经证明，良好的接地系统设计加上良好的屏蔽设计，可以解决大部分的设备在现场运行的噪声干扰问题。所以，接地和上一章讨论的屏蔽一样，是EMC设计中最重要的基础技术之一。按照接地的主要功能划分，接地系统主要由下列四种子接地系统组成：安全地和信号地。虽然在绝大多数设备或系统中，上述几个子接地系统的地线均汇总在一点与大地相连，但是，绝不意味着它们可以随意接大地。下面就这些子接地系统的设计分别加以讨论。5.2 设备的安全接地5.2.1 安全接地分类 设备或系统的安全接地按其功能可分为基本的两类：保护接地和防雷接地。 在电气设备发生故障时，电气设备的外壳将带电，如果这时人

14、接触设备外壳，将产生危险。因此为了保证人身安全，所有电气设备的外壳必须接地，这种接地称为保护接地。当电气设备的绝缘损坏而使外壳带电时，流过保护接地装置的故障电流应使相应的继电保护装置动作，切除故障设备，另外也可以通过降低接地电阻保证外壳的电位在人体安全电压值之下，从而避免因电气设备外壳带电而造成的触电事故。 为了防止雷电对设备及人身安全的危害，一般采用避雷针、避雷线及避雷器等雷电防护设备。这些雷电防护设备都必须与合适的接地装置相连，以将雷电流导入大地，这种接地称为防雷接地。流过防雷接地装置的雷电流幅值很大，可以达到数百千安，但持续的时间很短，一般只有数十微秒。 如前所述的保护接地，即将所有电气

15、设备的外壳接地，当电气设备绝缘损坏或老化而使外壳带电时，能够保证接触设备外壳的人员的人身安全。另外发变电站接地装置通过降低接地电阻和采取均压措施来保证接触电压和跨步电压满足人身安全要求。接触电压是指故障时人体接触与接地装置相连的设备外壳或金属构件时人体所承受的手和脚之间的电位差；而跨步电压则是故障时人体两脚之间所承受的电位差。 电击事故的主要类型可分为接触电击、跨步电击和转移电势引起的电击三种，如图5.2.1所示。接触电击是由于接触电位差引起的。接触电位差是指接地短路电流或故障电流流过接地装置时，大地表面形成电位分布，在地面上离设备水平距离为0.8m处与设备外壳、构架或墙壁离地面的垂直距离为1

16、.8m处两点间的电位差。人体接触两点时所承受的电压称为接触电压UT，如图5.1.4所示。在电力系统发变电站接地网孔中心对接地网接地体间的最大电位差，称为最大接触电位差，人体接触两点时所承受的电压，称为最大接触电压。图5.2.1 电击分类示意图 跨步电击是由于人体承受的跨步电压引起的。跨步电电位差指接地短路电流或故障电流流过接地装置时，地面上水平距离为0.8m的两点间的电位差。人的两脚接触该两点时所承受的电压，称为跨步电压US，如图5.2.1所示。 转移电势指接地短路电流或故障电流流过接地装置时，由一端与接地装置相连的金属导体传递的接地装置对地电位。可以将它看作“接触”触电的一种特殊型式。如果有

17、人接触一个在远处接地的导体，这时电击电压基本上等于故障条件下接地装置的全部地电位升，而不是常见跨步或接触触电时只承受总电压的一小部分。安全接地的目的主要包括：1. 确保人身安全；2. 防止静电干扰引起的事故和破坏；3. 检测接地故障，确保漏电断路器等各种故障保护装置可靠动作；4. 防止设备漏电时可能造成的触电事故；5. 防止设备感应带电而造成电击；6. 确保雷击时的安全。接地电阻为接地体的地电位升与通过接地体流入地中电流的比值。它与土壤特性及接地体的几何尺寸有关。接地体的接地电阻可以通过求解电流场得到。电力设备一般在工频下运行，因此求解恒定电流场的方法计算得到的接地电阻对工频仍是适用的。接地装

18、置的接地参数包括接地电阻、接触电压、跨步电压、网孔电压及地网上面的地表面电位分布等。计算一般是基于如下原始参数进行的：(1) 接地系统的形状、尺寸及布置图；(2) 接地系统所处土壤的特性（土壤电阻率及分层情况）；(3) 注入接地系统电源的特性，如电源的频率、幅值及波形。接地系统接地参数的计算方法可以分为两类，一类是采用经验公式进行估算，另一类则是采用数值计算方法进行比较精确的计算。5.2.2 典型接地体及其接地电阻的计算利用恒流场与静电场的相似性，可根据静电学中电容的计算公式来推导计算接地电阻的公式： (5.2.1)式中jn为电流密度（A/cm2）；En为电场强度（V/m）；r为土壤电阻率（&

19、#183;m）；介电常数（F/m）；C为接地体对无穷远处的电容（F）。(1) 半球接地体： (5.2.2)(2) 垂直接地体单根 (5.2.3)式中l是接地体长度（m），d是接地直径（m）多根并联 (5.2.4)式中为接地利用系数，0.650.8。(3) 水平接地体 (5.2.5)式中L是接地体总长度（m），h是接地体的埋设深度（m），A表示因受屏蔽影响使接地电阻增加的系数。5.2.3 接地网 建筑物及电力系统的发变电站都在地中埋有接地网，如图5.2.2所示。建筑物接地网的主要功能是流散雷击建筑物时的雷电流，同时降低接地电阻，提供电气设备故障时短路电流的流散通道，维持低的地电位升。图5.2.2

20、 普通接地网的结构为了达到电力系统安全稳定运行的目的，就必须使接地装置的接地电阻达到较低的值，确保短路电流及雷电流等的安全散流。对于发变电站接地装置，在工频对地短路时，要保证流过接地网的电流在地网上造成的电位升高不致太大，还应保证发变电站人员的跨步电位差US（取跨距0.8m）和接触电位差UT（取人手摸设备的1.8m高处，而人脚离设备的水平距离0.8m）满足安全要求。5.2.4 雷击时接地装置的特性 雷击建筑物、线路及杆塔时，雷电流经接地装置流散到大地中去。接地装置在冲击电流的作用下，在其周围产生瞬变电磁场，在土壤中产生的场强为： (5.2.6)式中J为电流密度，为冲击电流流过时土壤的电阻率。随

21、着电场强度的增加，土壤电阻率平稳下降。增加冲击电流幅值，靠近接地体的土壤的电场强度如果超过土壤的临界击穿场强，则在靠近接地导体区域的土壤中产生火花放电，土壤被击穿，火花放电的形成使得靠近接地体的电压降大大减小，接地体的尺寸好象增加了。火花放电区域土壤的电阻率大大降低，在接地体的计算中通常略去火花放电的电压降，即认为在火花放电区域的电阻率为0。 在冲击电流作用下，接地装置的阻抗为暂态阻抗，随时间而发生变化。一般将冲击电压的最大值与冲击电流的最大值之比定义为冲击接地电阻。它是一个人为的定义，本身没有确切的物理意义。但如果知道接地装置的冲击接地电阻，就可以根据雷电流的大小估算出接地装置可能出现的最高

22、暂态电位。冲击接地电阻明显不同于工频接地电阻。在冲击电流作用下，火花效应相当与于增大了接地装置的导体的直径，从而降低了接地电阻。由于冲击电流的频率很高，因此导体的感抗也就很大，感抗阻碍冲击电流向接地极的远端流动。而不象工频时，电流沿导线均匀分布。因此，在冲击电流的作用下，由于导体的感抗的阻碍作用，越靠近入地端的接地极流散的电流就越多，这里的电流密度就越大，因此击穿的土壤厚度也就越大。所以在接地极周围，被击穿的土壤的形状呈锥形，而不是一般认为的圆柱形，只不过可以等效成一定直径的同轴圆柱形而已，如图5.2.3(a)所示。在冲击电流的作用下，接地极可以看成是由电感、电容、电导和电阻组成的分布参数组成

23、的，如图5.2.3(b)所示。如果为水平伸长接地体，则可按无损长线处理，单位长度的电感、对无穷远零位面的电容和电导分别为： (H/m) (5.2.7) (S/m) (5.2.8) (F/m) (5.2.9)(a) 接地极周围的火花放电区域(b) 接地极的分布参数电路图5.2.3 接地极周围形成的火花放电区域形状及其分布参数等效电路接地极尺寸的增加，一方面可以增加接地极的散流面积，而使其冲击接地电阻减小；另一方面，由于接地极尺寸（主要指长度）的增加，接地极感抗增大，使得增加的接地极不能得到充分的利用，两方面因素作用的结果，导致冲击接地电阻具有饱和性。因此在冲击电流的作用下接地极具有有效长度le。

24、5.3 信号地 信号地是指信号或功率传输电路的参考电位基准线或基准面。信号地通常称为地线，地线就是电路中的电位参考点，它为系统中的所有电路提供一个电位基准。关于地线的这种定义，更确切的说，是我们在设计电路时的假设或愿望。实际的地线上各点的电位是不相同的。这样，我们设计电路的假设(前提)就被破坏了，电路也就不能正常工作了。这就是地线造成电磁干扰现象。传统定义仅给出了地线应该具有的等电位状态，并没有反映真实地线的情况。因此用这个定义无法分析实际的电磁兼容问题。新的定义将地线定义为信号流回源的低阻抗路径。这个定义突出了电流的流动。当电流流过有限阻抗时，必然会导致电压降，因此这个定义反映了实际地线上的

25、电位情况。信号地是信号和功率传输的公共通道，它不但对噪声的直接传导耦合具有直接的影响，而且它对拾取或感应外界噪声也举足轻重。所以，信号地系统的设计与屏蔽设计一样，在EMC设计中具有十分重要的作用。下面将要讨论的接地原理和设计原则，既适用于印刷电路板的布线设计，也适用于由多台设备组成的系统相互联接的地线系统设计。信号地系统可概括为单点接地系统、多点地网或地平面接地系统、复合接地系统及浮地等形式。5.3.1 单点信号地系统 单点信号接地系统，就是系统中所有的信号接地线只有一个公共接地点，而把这个公共点的电位作为参考点电位。通常低频电路采用单点接地方式。因为低频电路中布线与元件间的杂散电感比较小，互

26、相影响较小。单点接地可以防止形成地线回路，避免通过地线回路的电流相互影响。而在实际使用的单点信号接地系统中，单点接地有两种类型，一种是串联单点接地，另一种是并联单点接地。5.3.1.1 串联单点接地方式1 如图5.3.1所示，设备A通过两条接地线与接地母线排相连，形成了地回路，另外设备A和B分别与接地母线排相连，同时二者的外壳也连接在一起，也构成了地回路，这些接地方式都是不正确的。串联单点接地中，许多电路之间有公共阻抗，因此相互之间由公共阻抗耦合产生的干扰十分严重。图5.3.1 不正确的接地方式 解决图5.3.1的不正确的接地方式的一种方案是采用如图5.3.2所示的一点接地方式，各子系统通过一

27、点与接地母线相连，避免了低频时的接地回路问题，但由于每个子系统的接地回路与其它子系统的接地回路有一部分重叠，因此一个子系统的干扰通过重叠的地线部分作用在其它子系统。子系统与接地母线的连接线应小于。图5.3.2 单点与接地母线相连的接地方式 从图5.3.2可以看出，1、2、3各点的电位是受电路工作电流影响的，随各电路的地线电流而变化。尤其是3点的电位，十分不稳定。 这种接地方式虽然存在问题，却由于其简单，实际中却最常采用。但在大功率和小功率电路混合的系统中，切忌使用，因为大功率电路中的地线电流会影响小功率电路的正常工作。另外，最敏感的电路要放在1点，这点电位是最稳定的。对于放大器，功率输出级要放

28、在1点，前置放大器放在2、3点。这将在5.3.7中讨论。5.3.1.2 并联单点接地1 正确的接地方式应该是独立信号地线并联一点接地方式，各系统的接地线连接在一点，该点接地，如图5.3.3所示。图中各设备电路单元分别用各自的地线，最后并联于一个公共接地点G。 由此可见，这时不存在各设备、电路单元之间通过公共地线阻抗的耦合问题，只是各单元自身电流通过各自的地线阻抗为本身造成某种形式的反馈而已。所以，这种信号接地方式，对于防止各设备、电路单元之间的直接传导耦合是十分有效的。它特别适合于各单元地线较短，而且工作频率比较低的场合。这种接地方式的缺点也是显见的：由于各设备、电路单元各自分别接地，势必增加

29、了许多根地线，使地线长度加长，地线阻抗增加。这样，不但造成布线繁杂、笨重，而且，地线与地线之间、地线与电路各部分之间的电感和电容耦合强度都会随频率的增高而增强。特别在高频情况下，当地线长度达到的奇数倍时，地线阻抗可以变得很高，地线会转化成天线，而向外辐射干扰。所以，在采用这种接地方式时，每根地线的长度都不允许超过。并联单点可以解决串联单点接地存在的问题。但是，并联单点接地需要较多的导线，在实际中可以结合串联单和并联单点接地的优点。图5.3.3 独立地线并联一点的接地方式5.3.2 多点接地 高频时，即使单点接地，但由于杂散电容的作用，设备外壳与地之间存在杂散电容，相当于多点接地，如图5.3.4

30、所示。图5.3.4 高频时设备对地的杂散电容形成的多点接地 多点接地是指设备(或系统)中各个接地点都直接接到距它最近的接地平面上，如图5.3.5所示，使接地引线的长度最短。这里所说的接地平面，对于电子电路，可以是印制电路母线；对于设备来说，可以是设备的底板，也可以是贯通整个系统的接地母线。在比较大的系统中，还可以是设备结构框架或接地网等。 地线阻抗随着频率的上升而增加。特别是当地线长度与工作波长可比拟时，地线上电流、电压呈驻波分布，地线变成了辐射天线。高频时，应尽量限制地线的长度并增加地线表面的电导率。由于趋肤效应，电流仅在导体表面流动，因此增加导体的厚度并不能减小导体的电阻。因此高频电子设备

31、往往以镀银底板作为接地母线，便于设备内各级电路直接与它就近相接。对于复杂的电子系统来说，系统内各设备尽量就近接地。多点接地系统的优点是电路构成比单点接地简单，而且由于采用了多点接地，接地线上可能出现的高频驻波现象显著减小。但是，采用多点接地后，设备内部会增加许多地线回路。 由于多点接地系统中存在着各种地线回路，它们对于设备内较低电平的信号单元会产生不良影响。如果出现这种情况，可以采用混合接地措施。图5.3.5 多点接地 为了减小地线电感，在高频电路和数字电路中经常使用多点接地。在多点接地系统中，每个电路就近接到低阻抗的地线面上，如机箱。电路的接地线要尽量短，以减小电感。在频率很高的系统中，通常

32、接地线要控制在几毫米的范围内。 如前所述，多点接地时容易产生公共阻抗耦合问题。在低频的场合，通过单点接地可以解决这个问题。但在高频时，只能通过减小地线阻抗(减小公共阻抗)来解决。通常1 MHz以下时，可以用单点接地。10 MHz以上时，可以用多点接地，在1 MHz和10 MHz之间时，如果最长的接地线不超过波长的1/20，可以用单点接地，否则用多点接地。由于多点信号接地系统可以得到最低的地阻抗，所以它主要用于高频(通常>10 MHz)电路。在这种系统中，必须使用在高频电路和高速数字脉冲电路中广泛采用的“地栅”或“地平面”的信号接地结构。5.3.2.1 地平面和地栅系统1 在一个实际的高频

33、和高速数字脉冲电路中，它们的信号接地系统必须具有极低的地阻抗(极低的地线电感量)，并希望在这些电路中所有元件接到参考地的引线电感越小越好。解决这个问题的最好方法是给整个系统提供一个理想的地平面，使得系统中每个需要接地的元器件，都能最短捷地就地接地。最简单的是印刷电路板上较大面积的印制线。如图5.3.6(a)所示的地平面则采用多层印刷电路板，效果最好，但会增加成本。为此，可以采用一种效果比完全地平面略差，但仍能有效地减小地阻抗的接地系统“地栅”系统，如图5.3.6(b)所示。该系统在双面印刷板的两面分别制作互相垂直的地栅网络，空间交叉点处用导线穿板相连构成“地栅”，它们组成的每一网络间距可控制在

34、1.3 cm左右，但最好不要超过5 cm，具体尺寸要视元器件大小和电路密度而定。在这种接地系统中，主要的地线应用粗的栅条，以便流过电路中的主要电流；其他栅网则可以用细一点的线条。 实验证明，地栅网与单点信号接地相比，地噪声电压可以降低一个数量级左右。图5.3.6 地平面及地栅系统5.3.2.2 多点信号接地系统 多点信号接地系统的等效电路如图5.3.7所示。其中，R和L分别为设备电路单元接到地平面的接地引线的电阻和电感。地平面本身的阻抗值极低。由此可计算各设备电路单元的接地点对地平面的地电位为 (5.3.1)显然，为了降低各单元的地电位，每个单元接地线应当尽量短捷，为了降低其阻抗值，常用矩形截

35、面的镀银铜片作地线带。图5.3.7 多点信号接地系统等效电路5.3.3 混合信号的系统 在实际工业系统中，情况比较复杂，很难只采用单一的信号接地方式，而常常采用串联和并联接地或单点和多点接地组合的混合接地方式。5.3.3.1 串联和并联接地组成的混合低频信号接地系统 串联单点接地结构简单，但会带来公共阻抗耦合干扰问题。并联单点接地结构能够彻底消除电路之间的影响，但是接地线繁杂。 大多数实际的低频接地系统，常常采用串联和并联接地相结合的混合信号接地系统，既要保证EMC的设计要求，又不致使接地系统变得过于庞杂。任何一个系统内部存在不同电平的电路，如低电平的电路、噪声电路及交流电源电路。如何合理地布

36、置这些系统的接地方式，关系到系统是否能正确运行。一般将不同功能部分的接地线连接在一点，该点接地。要做到这一点，首先要将各种接地线有选择地归类：相互之间不易发生干扰的电路放在同一组，相互之间容易发生干扰的电路放在不同的组。每个组内采用串联单点接地，获得最简单的地线结构，不同组的接地采用并联单点接地，避免相互之间干扰。几个低电平的电路可以采用串联接地的形式共用一根地线(称为小信号地线)；而高电平电路和强噪声电平电路(如马达、继电器等)则采用另一组串联接地形式的公共地线(称为噪声地线)；机壳及所有可移动的抽斗、门等再单独联成一根地线(称为机壳(架)地线)。最后将这些各自分开的小信号地线、噪声地线和机

37、壳(架)地线再以并联接地的形式联于一个公共联接点，再将这点接大地。上述将地线分类组成的信号接地系统的示意图如图5.3.8所示。这个方法的关键：绝不要使功率相差很大的电路或电平相差很大的电路共用一段地线。图5.3.8 三种信号接地线分类以并联接地形式组成的混合低频信号接地系统 通常将电平低、信号幅度小、容易受到干扰的小信号电路(如牵制放大器等)，用单一地线与其它电路的地线分开。高电平、大功率的大亮度电路(如末级放大器、大功率电路等)工作电流较大，地线系统中的电流也较大，为防止对小信号电路的干扰，应有自己的地线，对于如电动机、继电器、接触器等工作时会产生干扰的干扰源，除采用屏蔽隔离技术外，必须有单

38、独的地线。如果用多个电压分别供电时，每个电源应有自己的地线。这些地线都直接接到同一接地点，这是比较完整的四套地线单点接地系统，如图5.3.9所示。图5.3.9 四套地线混合接地系统为了进一步阐明上述低频系统的实用接地技术，以一个如图5.3.10所示的9迹数字记录仪接地系统为例加以进一步说明。从图可见，它包含了三条小信号地线、一条噪声地线和一条机壳(架)地线。其中信号电平最低、敏感度最高的9个“读取”放大器，以串联及并联混合接地的形式，分成两根独立的信号地线接地；由于9个“写”放大器和接口逻辑电路电平较高，所以只采用了一根串、并联混合接地线；马达、继电器、电磁阀等噪声较高的电路则公用一条噪声地线

39、；机壳单独接一条机壳(架)地线。最后，所有的信号地线、噪声地线和机壳(架)地线，均接于整机电源的接地点G，最后接大地1。图5.3.10 实际低频接地系统举例一9迹数字记录仪接地系统 图5.3.10所表示的单台设备或系统的地线系统的方框图具有一定的普遍性，在EMC设计的地线系统设计中是十分必要和十分有用的。5.3.3.2 单点与多点接地组成的高、低频混合信号接地系统 在某些电子设备中既有低频电路又有高频电路，这时在低频电路部分宜采用单点接地，而高频电路需采用多点接地，这种接地方式称为混合接地。图5.3.11所示为一种混合接地方式的例子2。它把设备内的地线分为两大类：电源地与信号地。设备中各部分的

40、电源地线都接到电源总地线上，所有信号地都接到信号总地线上。两根总地线最后汇总到一个公共的入地点。在信号地中，根据不同的工作频率采用相应的接地方式。其中射频、中频放大部分采用多点接地方式，显示器、记录仪等低频电路则采用单点接地方式。图5.3.11 混合接地 对于宽频系统，就必须同时兼顾低频单点信号接地和高频多点信号接地的不同要求。这时，可以采用如图5.3.12所示的简单的宽频混合信号接地系统1。 图5.3.12中，电容器C在高频时等效为短路，在低频则等效为开路。所以该接地系统对低频而言是串联单点接地，而对高频则是多点接地。为此，电容器C必须选用无感电容器，而且电容器接地引线越短越好，相邻电容器C

41、之间的距离应小于。 对于比较复杂的既包含高频、又包含低频的电子系统，可以采取如图5.3.13所示的高、低频混合接地系统1。图5.3.12 简单的宽频混合信号接地系统图5.3.13 高、低频混合信号接地系统 在混合信号接地系统中，局部高频电路采用多点信号接地方式，该局部的地线结构必须采用地平面结构，低频电路部分则可根据电路工作特点采用串、并联混合低频信号接地方式。5.3.4信号浮地系统 信号浮地有两种形式。对电子设备而言，悬浮地是指设备地线系统在电气上与建筑物的接大地系统相绝缘，这样建筑物接地系统上的电磁干扰就不会传导到设备，如图5.3.14(a)所示。另一种情况是在有些电子设备中，为了防止机箱

42、上的干扰电流直接耦合到信号电路，有意使电路单元的信号地线与设备机箱绝缘。这种方式属于电路单元的悬浮地，如图5.3.14(b)所示。 悬浮地的设备容易出现静电积累，当电荷达到一定程度后，会产生静电放电。在雷电环境下，静电感应产生的高压会在设备机箱部与件间产生电击穿，甚至使操作人员遭到电击。另外由于电子设备采用一般的电网供电，而电厂、电网是以大地为接地基准的，当电网相线与浮地的机箱短路时，则有引起触电的危险。所以这种接地方式不宜用于通信系统和一般的电子设备中。 (a) (b)图5.3.14 悬浮地 工作于直流及低频范围的小型设备(例如测量仪器)，有时常常要求对工频高电平的共模噪声具有很高的共模抑制

43、比，而设备自身的功率和电压电平又不太高，这时常常采用如图5.3.15所示的浮地信号系统。从图5.3.15(a)可见，所谓浮地就是将电路或设备的信号接地系统与机壳及安全地(大地)相隔离。设信号接地系统与机壳及安全地之间的漏电阻及分布电容构成的漏阻抗为Zg，电路或设备输入端对大地之间的共模噪声电压为Uc，则电路或设备输入端的等效电路如图5.3.15(b)所示。由图可见，在输入电路中流过的共模噪声电流为Ic=Uc/Zg，当时，。由此可见，浮地系统能否发挥其优势，关键是要使Zg越大越好，这就要求做到输入端漏电阻越大越好，输入端分布电容越小越好。实际上输入端漏电阻要做到几十兆欧以上是不困难的，这时地线子

44、系统必须使用绝缘子。四氟乙烯或聚三氟氯化乙烯制成的绝缘材料，具有比较良好的综合性能，电阻率可达10151016W×m。图5.3.15 低频浮地系统示意图 但是，要将信号接地系统对机壳和大地的分布电容做到几个皮法却是很困难的，必须采取非常严密的屏蔽措施才行。特别在电路或设备采用交流电网供电的情况下，要做到分布电容很小更加困难。显然，当外界共模噪声源为高频噪声时，分布电容的容抗随频率的升高而减小，浮地的条件无法满足。所以，这种浮地信号系统只能用于抑制低频共模噪声干扰和小型便携式设备和系统。 所谓机壳(架)地，就是一个系统中所包含的所有设备的机壳、机箱、机架乃至可移动、可接插的部件、抽屉等

45、机械部分，均应当用一根地线联在一起，然后再与其他子系统地线汇总，在一点接大地。通常，在正常情况下希望该地线子系统不流过什么电流，所以可以采用串联接地方式。而在系统出现故障(如绝缘击穿、高压短路、雷击等)时，该地线中会流过较大的电流。所以，这个接地子系统常常接人保护用的电器设备(如断路器、保护开关等)，一旦发生故障，立即切断主电源。 综上所述，我们不难看出，机壳(架)地的主要作用是保证整个系统的机壳能保持一个恒定的电位(与接大地处电位相同)。对整个系统来讲，它起到一个大的“静电屏蔽罩”的作用；当然，它同时也起到保护人身与设备安全的作用。5.3.6 单元电路的接地 电子设备中单元电路的接地方式亦有

46、单点和多点接地。如图5.3.16所示为同一放大电路的的两种按地方法2，图(a)把本级电路的接地点汇集于点后接公共地线，而图(b)把本级电路的各接地点就近与公共地线相接，构成了多点接地。 对于单元电路来说，最好是一点接地，因为地线不是理想的零阻抗。在图5.3.16(b)的多点接地情况中，由于地线中有地电流通过，三个接地点G1、G2、G3的电位显然是不同的，这样在晶体管的输入端就引入了由地电流Ig形成的干扰电压，使电路工作不稳定甚至失误。而在图5.3.16(a)的单点接地中，Ig对晶体管的输入端没有影响。(a) 单元电路的一点接地 (b) 单元电路的多点接地图5.3.16 单元电路的接地如前所述，

47、实际的地线上两点一般不会是等电位的，因此，当电路在多点接地时，地线上的噪声就会耦合进电路(地环路干扰)。图5.3.17所示为信号源与放大器连接的典型电路。RCl和RC2是连接源和负载的导线电阻。源的地线和负载(放大器)的地线不在同一点，两个地线之间有地线噪声电压VG。若，则放大器输入端的噪声电压VN为： (5.3.2)设RG=0.01 ，RCl=RC2=1 ，RS=500 ，RL=10 k，VG=100 mV，则VN=95 mV。可见，地线上的噪声几乎全部耦合进电路。 解决方法是将源或负载侧的地线之一断开。通常将源端的地线断开比较方便(在很多场合这也是可行的，如源是一个传感器)。如右图所示，将

48、源端地线断开后，设源与地之间的阻抗为ZSG。理想情况下ZSG为无限大，但实际上，由于寄生电容等存在，它为有限值。 若，且，则放大器输入端的噪声电压VN为： (5.3.3)式中第二项是减小VN的主要原因。这项实际表示了接地阻抗与信号地线阻抗之间的分压比例关系。如果ZSG是无限大，大部分电压都降在了ZSG上，一点噪声都不会耦合进放大器。如果ZSG为1 M，其它参数同上例，则耦合进放大器中的噪声仅为0.095 V，这比源没有接地时降低了120 dB。图5.3.17 单点接地对噪声的抑制5.3.7 多级电路的接地 图5.3.18为一高增益放大器的接地系统。图中，前两级放大器和带通滤波器单独用地线与总地

49、线相连接。末级功率放大器和高电平信号电路共用一根地线接到总地线，这样高电平电路所产生的地线干扰不会影响低电路。 功放级和高电平电路地线的截面积应根据信号电流的大小确定。敷设时，强、弱信号的地线应尽可能分开，并不要使其靠近其它高频电路。 多级电路接地点的选择是十分重要的。接地点应选在低电平电路的输入端，使该端最接近于基准地位，同时输入级的接地线也可缩短，使受干扰的可能性减小。若把接地点移到高电平端，则输入级的地对基准地电位差最大，地线最长，当然最易受到干扰，因此在高电平端接地是不合理的。图5.3.18 高增益放大器的接地系统 图5.3.19(a)所示为多级电路的串联式单点接地系统，设A、B、C，

50、三级电路的电平依次为由低到高。当接地点在靠近电路的高电平端c点时，低电平级a点的对地电位为 (5.3.4)式中Zab、Zbc、Zcg分别为地线ab、bc、cg段的地阻抗，W。当接地点选在靠近多级电路的低电平端d时，见图5.3.19(b)，则低电平级d点的对地电位为 (5.3.5)式中Zdg为地线dg段的地阻抗，W。 比较上面两式，设各段地线阻抗不变，即Zcg=Zdg，则Uag>Udg。可见多级电子接地点选在靠近低电平端时，电路输入端点d的电位只受dg段地线的影响，地电位对电路的干扰最小，因此这种接地方法是正确的。由上述分析可得出结论，多级电路的接地点应选在低电平级电路的输入端。(a) 接

51、地点靠近高电平端(错误) (b) 接地点靠近低电平端(正确)图5.3.19 多级电路接地点的选择5.4 地线中的干扰及消除 本节所讨论的地线是指电子设备中各种电路单元电位基准的连接线，即电源地线或信号地线。理想地线是一个零阻抗和零电位的物理实体，它不仅是各相关电路中所有信号电平的参考点，而且当有电流通过时也不产生压降，这是电路分析中对地线的认识。 在具体电子设备内，这种理想地线是不存在的。任何地线既有电阻又有电抗，当有电流通过时地线上必然产生压降。另一方面，地线还可能与其它线路(信号线，电源线等)形成环路，当交变磁场与环路交连时，就会在地线中产生感应电势。不论是地电流在地线上产生的压降还是地环

52、路所引起的感应电势，都有可能使共用该地线的各电路单元产生相互干扰。5.4.1 地环路干扰 地环路干扰是一种较常见的干扰现象，常常发生在通过较长电缆连接的相距较远的设备之间。其产生的内在原因是地环路电流的存在。由于地环路干扰是由地环路电流导致的，因此在实践中，有时会发现，当将一个设备的安全接地线断开时，干扰现象消失，这是因为地线断开时，切断了地环路。这种现象往往发生在干扰频率较低的场合，当干扰频率高时，断开地线与否关系不大。 电子设备中的地线分布在设备内部的各级电路单元，它难免会与其它线路构成环路。如在不对称馈电的信号电路中，地线与信号线可构成环路，地线作为直流供电电源的馈线之一时，它与另一电源

53、线也会构成环路，地线本身也可能构成环路。当某一交变磁场与这些环路交连时，环路中产生的感应电势有可能叠加到传输信号上形成干扰。如图5.4.1所示，地环路干扰形成的原因有两方面，一是两个设备的地电位不同，形成地电位差，在这个电位差的驱动下，设备1互联电缆设备2地形成的环路之间有电流流动。由于电路的不平衡性，每根导线上的电流不同，因此会产生差模电压，对电路造成干扰。地线上的电压是由于其它功率较大的设备也用这段地线，在地线中引起较强电流，而地线又有较大阻抗产生的。图5.4.1 地环路二是由于互联设备处在较强的电磁场中，电磁场在设备1互联电缆设备2地形成的环路中感应出环路电流，与原因1的过程一样导致干扰

54、。 图5.3.23所示为两个级连的电路单元，其中cd是信号传输线，地线ab既是信号的返回通路，又是电源馈线之一。 由图可见，电源的正极馈线与地线在电路1和电路2间构成一个环路aa'bb'，信号线cd与地线在电路1和电路2间又构成一个环路cdba。当交变磁场穿过这些环路时，环路中产生的感应电势为 (5.4.1)式中ei为环路中的感应电势(V)，S为环路在磁场垂直方向上的投影面积(m2)，B为穿过环路的磁通密度。由图5.4.2可见，地环路中的感应电势ei与传输信号电压串联后输送到下一级电路的输入端，从而构成干扰。欲减小地环路干扰，就得减小地环路面积，最好在线路布局时避免构成地环路。图5.4.2 级连的两电