电路接地仪

地线干扰与抑制1．地线的定义什么是地线？大家在教科书上学的地线定义是：地线是作为电路电位基准点的等电位体。这个定义是不符合实际情况的。实际地线上的电位并不是恒定的。如果用仪表测量一下地线上各点之间的电位，会发现地线上各点的电位可能相差很大。正是这些电位差才造成了电路工作的异常。电路是一个等电位体的定义仅是人们对地线电位的期望。HENRY 给地线了一个更加符合实际的定义，他将地线定义为：信号流回源的低阻抗路径。这个定义中突出了地线中电流的流动。按照这个定义，很容易理解地线中电位差的产生原因。因为地线的阻抗总不会是零，当一个电流通过有限阻抗时，就会产生电压降。因此，我们应该将地线上的电位想象成象大海中的波浪一样，此起彼伏。2．地线的阻抗谈到地线的阻抗引起的地线上各点之间的电位差能够造成电路的误动作，许多人觉得不可思议：我们用欧姆表测量地线的电阻时，地线的电阻往往在毫欧姆级，电流流过这么小的电阻时怎么会产生这么大的电压降，导致电路工作的异常。要搞清这个问题，首先要区分开导线的电阻与阻抗两个不同的概念。电阻指的是在直流状态下导线对电流呈现的阻抗，而阻抗指的是交流状态下导线对电流的阻抗，这个阻抗主要是由导线的电感引起的。任何导线都有电感，当频率较高时，导线的阻抗远大于直流电阻，表1 给出的数据说明了这个问题。在实际电路中，造成电磁干扰的信号往往是脉冲信号，脉冲信号包含丰富的高频成分，因此会在地线上产生较大的电压。对于数字电路而言，电路的工作频率是很高的，因此地线阻抗对数字电路的影响是十分可观的。表1 导线的阻抗（Ω）：频率Hz D = 0.6510cm 1m D = 0.2710cm 1m D = 0.06510cm 1m D = 0.0410cm 1m 10 51.4m 517m 327m 3.28m 5.29m 52.9m 13.3m 133m 1k 429m 7.14m 632m 8.91m 5.34m 53.9m 14m 144m 100k 42.6m 712m 54m 828m 71.6m 1.0 90.3m 1.07 1M 426m 7.12 540m 8.28 714m 10 783m 10.6 5M 2.13 35.5 2.7 41.3 3.57 50 3.86 53 10M 4.26 71.2 5.4 82.8 7.14 100 7.7 106 50M 21.3 356 27 414 35.7 500 38.5 530 100M 42.6 54 71.4 77 150M 63.9 81 107 115如果将10Hz时的阻抗近似认为是直流电阻，可以看出当频率达到10MHz 时，对于1米长导线，它的阻抗是直流电阻的1000 倍至10万倍。因此对于射频电流，当电流流过地线时，电压降是很大的。从表上还可以看出，增加导线的直径对于减小直流电阻是十分有效的，但对于减小交流阻抗的作用很有限。但在电磁兼容中，人们最关心的交流阻抗。为了减小交流阻抗，一个有效的办法是多根导线并联。当两根导线并联时，其总电感L为：L = ( L1 + M ) / 2式中，L1 是单根导线的电感，M是两根导线之间的互感。从式中可以看出，当两根导线相距较远时，它们之间的互感很小，总电感相当于单根导线电感的一半。因此我们可以通过多条接地线来减小接地阻抗。但要注意的是，多根导线之间的距离不能过近。3．地线干扰机理3.1地环路干扰图1是两个接地的电路。由于地线阻抗的存在，当电流流过地线时，就会在地线上产生电压。当电流较大时，这个电压可以很大。例如附近有大功率用电器启动时，会在地线在中流过很强的电流。这个电流会在两个设备的连接电缆上产生电流。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，对电路造成影响。由于这种干扰是由电缆与地线构成的环路电流产生的，因此成为地环路干扰。地环路中的电流还可以由外界电磁场感应出来。3.2公共阻抗干扰当两个电路共用一段地线时，由于地线的阻抗，一个电路的地电位会受另一个电路工作电流的调制。这样一个电路中的信号会耦合进另一个电路，这种耦合称为公共阻抗耦合。在数字电路中，由于信号的频率较高，地线往往呈现较大的阻抗。这时，如果存在不同的电路共用一段地线，就可能出现公共阻抗耦合的问题。图3 的例子说明了一种干扰现象。图3 是一个有四个门电路组成的简单电路。假设门1的输出电平由高变为低，这时电路中的寄生电容（有时门2 的输入端有滤波电容）会通过门1向地线放电，由于地线的阻抗，放电电流会在地线上产生尖峰电压，如果这时门3 的输出是低电平，则这个尖峰电压就会传到门3的输出端，门4的输入端，如果这个尖峰电压的幅度超过门4 的噪声门限，就会造成门4的误动作。4．地线干扰对策4.1地环路对策从地环路干扰的机理可知，只要减小地环路中的电流就能减小地环路干扰。如果能彻底消除地环路中的电流，则可以彻底解决地环路干扰的问题。因此我们提出以下几种解决地环路干扰的方案。A. 将一端的设备浮地如果将一端电路浮地，就切断了地环路，因此可以消除地环路电流。但有两个问题需要注意，一个是出于安全的考虑，往往不允许电路浮地。这时可以考虑将设备通过一个电感接地。这样对于50Hz的交流电流设备接地阻抗很小，而对于频率较高的干扰信号，设备接地阻抗较大，减小了地环路电流。但这样做只能减小高频干扰的地环路干扰。另一个问题是，尽管设备浮地，但设备与地之间还是有寄生电容，这个电容在频率较高时会提供较低的阻抗，因此并不能有效地减小高频地环路电流。B. 使用变压器实现设备之间的连接利用磁路将两个设备连接起来，可以切断地环路电流。但要注意，变压器初次级之间的寄生电容仍然能够为频率较高的地环路电流提供通路，因此变压器隔离的方法对高频地环路电流的抑制效果较差。提高变压器高频隔离效果的一个办法是在变压器的初次级之间设置屏蔽层。但一定要注意隔离变压器屏蔽层的接地端必须在接受电路一端。否则，不仅不能改善高频隔离效果，还可能使高频耦合更加严重。因此，变压器要安装在信号接收设备的一侧。经过良好屏蔽的变压器可以在1MHz以下的频率提供有效的隔离。C. 使用光隔离器另一个切断地环路的方法是用光实现信号的传输。这可以说是解决地环路干扰问题的最理想方法。用光连接有两种方法，一种是光耦器件，另一种是用光纤连接。光耦的寄生电容一般为2pf，能够在很高的频率提供良好的隔离。光纤几乎没有寄生电容，但安装、维护、成本等方面都不如光耦器件。D. 使用共模扼流圈在连接电缆上使用共模扼流圈相当于增加了地环路的阻抗，这样在一定的地线电压作用下，地环路电流会减小。但要注意控制共模扼流圈的寄生电容，否则对高频干扰的隔离效果很差。共模扼流圈的匝数越多，则寄生电容越大，高频隔离的效果越差。4.2消除公共阻抗耦合消除公共阻抗耦合的途径有两个，一个是减小公共地线部分的阻抗，这样公共地线上的电压也随之减小，从而控制公共阻抗耦合。另一个方法是通过适当的接地方式避免容易相互干扰的电路共用地线，一般要避免强电电路和弱电电路共用地线，数字电路和模拟电路共用地线。如前所述，减小地线阻抗的核心问题是减小地线的电感。这包括使用扁平导体做地线，用多条相距较远的并联导体作接地线。对于印刷线路板，在双层板上布地线网格能够有效地减小地线阻抗，在多层板中专门用一层做地线虽然具有很小的阻抗，但这会增加线路板的成本。通过适当接地方式避免公共阻抗的接地方法是并联单点接地，如图4 所示。并联接地的缺点是接地的导线过多。因此在实际中，没有必要所有电路都并联单点接地，对于相互干扰较少的电路，可以采用串联单点接地。例如，可以将电路按照强信号，弱信号，模拟信号，数字信号等分类，然后在同类电路内部用串联单点接地，不同类型的电路采用并联单点接地。5．小结地线造成电磁干扰的主要原因是地线存在阻抗，当电流流过地线时，会在地线上产生电压，这就是地线噪声。在这个电压的驱动下，会产生地线环路电流，形成地环路干扰。当两个电路共用一段地线时，会形成公共阻抗耦合。解决地环路干扰的方法有切断地环路，增加地环路的阻抗，使用平衡电路等。解决公共阻抗耦合的方法是减小公共地线部分的阻抗，或采用并联单点接地，彻底消除公共阻抗.

对于振荡器本身不管那一点接地，振荡器都能正常工作；但从电路的稳定性，振荡器对环境的污染以及安全的角度来说，接地问题又变得十分重要。高频电路的公共点应该和直流接地点相重合，如果不相重合就会出现诱发电流从而增加电磁场的杂散耦合，降低电路的稳定性。整个机器的接地点必须直接进人大地，接地电阻越小越好， 以不超过4欧姆为好。这是为了减少发生器对周团空间的电磁辐射而造成的污染及对工作人员和仪器的伤害。为了减少工作线圈对周围间的电磁辐射，应该把工作线圈连同输出引线放进适当大小的金J属屏蔽内，并将其良好的接地。这就是ICP-OES的线圈放在屏蔽盒内和为什么要良好的接地的原因。欢迎大家补充

[size=4]随着我们的环境在线设备的增多，各种各样的故障也越来越多。其中有一部分是由于用户未能按照要求提供防雷措施、可靠接地引起的。下面就我的经验写了些关于仪器接地几个方面作用的看法，希望大家指正。1、电气保护接地　　岛津在线仪器绝大部分都是金属外壳的用电设备。若保护接地不到位或不符合要求，在仪器内部的某些工频电压部件发生接地故障时，或者对外壳产生的感应电压（有些能高达100多伏），这样就很容易引起人身触电危险，（特别是一些用户的操作人员素质较低，自我保护意识弱）。因此，保护接地问题不容忽视，在安装施工过程中，应切实地要求把保护接地落实到位；应进行保护接地的物体主要包括：仪器的金属外壳；在CEMS系统中还要对电缆连接线路的金属保护管或桥架、接线盒外壳，屏蔽信号电缆屏蔽层等。保护接地的连接线一般采用多股软铜线，要求形成可靠的电气通路。　　仪器外壳采取可靠接地后，当带电部件绝缘损坏碰设备外壳时，通过设备外壳构成该故障部件相对地线的单相短路，利用很大的短路电流，使线路上的保护装置（如熔断器、低压断路器等）迅速动作，切断电路，从而消除人身触电危险。2、防雷措施与接地　　对于一般建筑物而言，在采取了避雷针接地防雷措施后，室内仪器等设备对直击雷与雷电波侵入的雷害的概率降低很多；对于一般电气设备，允许的雷电脉冲较高，因此采取避雷针、避雷网防直击雷等措施是极其有效的。而仪器当中集成电路等元器件非常灵敏，如CPU板上的数字集成电路工作电压为±5V，耐压水平很低，一般只有10V左右，接口电路上的模拟信号集成块的工作电压一般也都在±15V～24V之间，对雷击电磁脉冲极为敏感，易受到电磁干扰和损坏，雷击电磁脉冲因电磁感应而产生，并且可以通过电源线、天线、信号线的耦合被引入仪器当中，是仪器电路损坏的主要原因；　　在附近避雷针遭受雷击时，由于仪器外壳、电源按安装要求可靠的加装防雷设施和接地后，雷击电磁脉冲将使系统的电压和仪器工作接地、信号地的电压同时上升，保持了设备的工作电压不变，使仪器内电路在雷击时可正常工作；　　如果用户说他们的仪器房周围已经有避雷针设施，总配电室内已经装有避雷器，或者说他们没有接地线等情况时，就必须和他们说明为什么还要单独强调对仪器的电源上加装浪涌抑制器、稳压电源和加强接地的原因。3、防电磁干扰　　仪器各项优越的技术性能都依赖于严格的安装使用条件，为确保仪器在有电磁干扰情况下能稳定工作，将整个仪器外壳接地是至关重要的，在仪器周围总是存在不同程度的电磁信号，仪器本身也会产生电磁信号，电磁信号可以通过仪器外壳传播，而未加接地措施的仪器金属外壳，既可以成为干扰的接收天线，也可以成为干扰的发射天线；有很多研究结果都表明良好的接地是解决电磁信号干扰的核心技术，所以必须在仪器的安装施工中要求做好接地工作，以保障仪器不受干扰或干扰其他设施。4、防静电、高频干扰　　对于精密仪器来说，里面的检测器电路、I/O信号处理电路的信号工作电压、电流很低，大部分都是mV、mA级甚至uV、uA级，灵敏度很高，易受到干扰；如果在某些场合，存在高频电压干扰或较高的静电电压，对于检测器的信号影响和模拟信号处理电路的影响非常大，也就影响到了仪器的各项性能指标；特别是高频感应的低电压，它们对人体并无伤害，当仪器的金属外壳电路板上的屏蔽层都不接地，并与地保持绝缘时，外壳、屏蔽层就与地形成电容，随着频率增高，电容的电抗值将减少，当频率达到一定数值时，就相当于接地；但是这些高频率的杂散电流对仪器模拟信号电路的影响，很容易使仪器测试结果偏离或者出错，所以也要将仪器外壳可靠接地。接地电阻应要求不超过10欧姆为好。　　综上所述，仪器安全可靠的接地的作用不但是为了防雷和保证仪器的安全运行，给电路提供回路等，而且也是保证仪器的高性能、稳定工作的基本保证。[/size]转自岛津中国