第八章接地

8-1.接地的定義

在現(xiàn)代接地概念中、對(duì)于線路工程師來說，該術(shù)語的含義通常是‘線路電壓的參考點(diǎn)”;對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)師來說，它常常是機(jī)柜或機(jī)架;對(duì)電氣工程師來說，它是綠色安全地線或接到大地的意思。一個(gè)比較通用的定義是“接地是電流返回其源的低阻抗通道”。注意要求是“低阻抗”和“通路”。

8-2.各種地，電源地，信號(hào)地，模擬地，數(shù)字地如何區(qū)分?

概述

電源的地不能看成模擬地，信號(hào)地也不能看成數(shù)字地。因?yàn)殡娫从薪o模擬電路供電的，有給數(shù)字電路供電的。信號(hào)有數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)。

主要是根據(jù)電路的性能來分割地，對(duì)于數(shù)字信號(hào)3.3v電路，2。5V電路和5V電路的地也可能有分開的需要。即使是同一個(gè)供電的數(shù)字電路，有時(shí)候也有布線的要求，例如大電流的IO部分的地，可能需要單獨(dú)處理。

大地一般指機(jī)殼，這個(gè)部分有ESD和屏蔽的需要的。有些時(shí)候電路地通過一個(gè)1M電阻同外殼相連，有時(shí)候直接連接。要根據(jù)應(yīng)用和ESD的要求來處理?？傊氐倪壿嬤B接特性和PCB上的物理特性是要區(qū)分來看的。理論上講地是0電壓的，但是在實(shí)際PCBA上地是有很多噪聲和反彈的。

接地種類

關(guān)于接地：數(shù)字地、模擬地、信號(hào)地、交流地、直流地、屏蔽地、浮地。

除了正確進(jìn)行接地設(shè)計(jì)、安裝，還要正確進(jìn)行各種不同信號(hào)的接地處理。控制系統(tǒng)中，大致有以下幾種地線：

數(shù)字地：也叫邏輯地，是各種開關(guān)量(數(shù)字量)信號(hào)的零電位。

模擬地：是各種模擬量信號(hào)的零電位。

信號(hào)地：通常為傳感器的地。

交流地：交流供電電源的地線，這種地通常是產(chǎn)生噪聲的地。

直流地：直流供電電源的地。

屏蔽地：也叫機(jī)殼地，為防止靜電感應(yīng)和磁場(chǎng)感應(yīng)而設(shè)。

以上這些地線處理是系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試中的一個(gè)重要問題。下面就接地問題提出一些看法

控制系統(tǒng)宜采用一點(diǎn)接地。一般情況下：高頻電路應(yīng)就近多點(diǎn)接地，低頻電路應(yīng)一點(diǎn)接地。在低頻電路中，布線和元件間的電感并不是什么大問題，然而接地形成的環(huán)路的干擾影響很大，因此，常以一點(diǎn)作為接地點(diǎn);但一點(diǎn)接地不適用于高頻，因?yàn)楦哳l時(shí)，地線上具有電感因而增加了地線阻抗，同時(shí)各地線之間又產(chǎn)生電感耦合。一般來說，頻率在1MHz以下，可用一點(diǎn)接地;高于10 MHz時(shí)，采用多點(diǎn)接地;在1~10 MHz之間可用一點(diǎn)接地，也可用多點(diǎn)接地。

交流地與信號(hào)地不能共用。由于在一段電源地線的兩點(diǎn)間會(huì)有數(shù)mV甚至幾V電壓，對(duì)低電平信號(hào)電路來說，這是一個(gè)非常重要的干擾，因此必須加以隔離和防止。

浮地與接地的比較。全機(jī)浮空即系統(tǒng)各個(gè)部分與大地浮置起來，這種方法簡(jiǎn)單，但整個(gè)系統(tǒng)與大地絕緣電阻不能小于50 MΩ。這種方法具有一定的抗干擾能力，但一旦絕緣下降就會(huì)帶來干擾。還有一種方法，就是將機(jī)殼接地，其余部分浮空。這種方法抗干擾能力強(qiáng)，安全可靠，但實(shí)現(xiàn)起來比較復(fù)雜。

模擬地。模擬地的接法十分重要。為了提高抗共模干擾能力，對(duì)于模擬信號(hào)可采用屏蔽浮技術(shù)。對(duì)于具體模擬量信號(hào)的接地處理要嚴(yán)格按照操作手冊(cè)上的要求設(shè)計(jì)。

屏蔽地。在控制系統(tǒng)中為了減少信號(hào)中電容耦合噪聲、準(zhǔn)確檢測(cè)和控制，對(duì)信號(hào)采用屏蔽措施是十分必要的。根據(jù)屏蔽目的不同，屏蔽地的接法也不一樣。電場(chǎng)屏蔽解決分布電容問題，一般接大地：電磁場(chǎng)屏蔽主要避免雷達(dá)、電臺(tái)等高頻電磁場(chǎng)輻射干擾。利用低阻金屬材料高導(dǎo)流而制成，可接大地。磁場(chǎng)屏蔽用以防磁鐵、電機(jī)、變壓器、線圈等磁感應(yīng)，其屏蔽方法是用高導(dǎo)磁材料使磁路閉合，一般接大地為好。當(dāng)信號(hào)電路是一點(diǎn)接地時(shí)，低頻電纜的屏蔽層也應(yīng)一點(diǎn)接地。如果電纜的屏蔽層地點(diǎn)有一個(gè)以上時(shí)，將產(chǎn)生噪聲電流，形成噪聲干擾源。當(dāng)一個(gè)電路有一個(gè)不接地的信號(hào)源與系統(tǒng)中接地的放大器相連時(shí)，輸入端的屏蔽應(yīng)接至放大器的公共端;相反，當(dāng)接地的信號(hào)源與系統(tǒng)中不接地的放大器相連時(shí)，放大器的輸入端也應(yīng)接到信號(hào)源的公共端。

對(duì)于電氣系統(tǒng)的接地，要按接地的要求和目的分類，不能將不同類接地簡(jiǎn)單地、任意地連接在一起，而是要分成若干獨(dú)立的接地子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)都有其共同的接地點(diǎn)或接地干線，最后才連接在一起，實(shí)行總接地。

8-3.為什么要接地?

接地技術(shù)的引入最初是為了防止電力或電子等設(shè)備遭雷擊而采取的保護(hù)性措施，目的是把雷電產(chǎn)生的雷擊電流通過避雷針引入到大地，從而起到保護(hù)建筑物的作用。

接地是保護(hù)人身安全的一種有效手段，當(dāng)某種原因引起的相線(如電線絕緣不良，線路老化等)和設(shè)備外殼碰觸時(shí)，設(shè)備的外殼就會(huì)有危險(xiǎn)電壓產(chǎn)生，由此生成的故障電流就會(huì)導(dǎo)流經(jīng)PE線到大地，從而起到保護(hù)作用。

隨著電子通信和其它數(shù)字領(lǐng)域的發(fā)展，在接地系統(tǒng)中只考慮防雷和安全已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求了。比如在通信系統(tǒng)中，大量設(shè)備之間信號(hào)的互連要求各設(shè)備都要有一個(gè)基準(zhǔn)‘地’作為信號(hào)的參考地。

隨著電子設(shè)備的復(fù)雜化，信號(hào)頻率越來越高，因此，在接地設(shè)計(jì)中，信號(hào)之間的互擾等電磁兼容問題必須給予特別關(guān)注，否則，接地不當(dāng)就會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。最近，高速信號(hào)的信號(hào)回流技術(shù)中也引入了“地”的概念。

8-4，如何選擇合適的接地方式?

接地有多種方式，有單點(diǎn)接地，多點(diǎn)接地以及混合類型的接地。而單點(diǎn)接地又分為串聯(lián)單點(diǎn)接地和并聯(lián)單點(diǎn)接地。一般來說，單點(diǎn)接地用于簡(jiǎn)單電路，不同功能模塊之間接地區(qū)分別以及低頻(f<1MHz)電子線路。當(dāng)設(shè)計(jì)高頻(f>10 MHz)電路時(shí)就要采用多點(diǎn)接地了或者多層板(完整的地平面層)。

8-5，為什么要將模擬地和數(shù)字地分開，如何分開?

模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)都要回流到地，因?yàn)閿?shù)字信號(hào)變化速度快，從而在數(shù)字地上引起的噪聲就會(huì)很大，而模擬信號(hào)是需要一個(gè)干凈的地參考工作的。如果模擬地和數(shù)字地混在一起，噪聲就會(huì)影響到模擬信號(hào)。

一般來說，模擬地和數(shù)字地要分開處理，然后通過細(xì)的走線連在一起，或者單點(diǎn)接在一起?？偟乃枷胧潜M量阻隔數(shù)字地上的噪聲竄到模擬地上。當(dāng)然這也不是非常嚴(yán)格的要求模擬地和數(shù)字地必須分開，如果模擬部分附近的數(shù)字地還是很干凈的話可以合在一起。

8-6，單板上的信號(hào)如何接地?

對(duì)于一般器件來說，就近接地是最好的，采用了擁有完整地平面的多層板設(shè)計(jì)后，對(duì)于

一般信號(hào)的接地就非常容易了，基本原則是保證走線的連續(xù)性，減少過孔數(shù)量;靠近地平面或者電源平面，等等。

8-7.單板的接口器件如何接地?

有些單板會(huì)有對(duì)外的輸入輸出接口，比如串口連接器，網(wǎng)口RJ 45連接器等等，如果為它們的接地設(shè)計(jì)得不好也會(huì)影響到正常工作，例如網(wǎng)口互連有誤碼，丟包等，并且會(huì)成為對(duì)外的電磁干擾源，把板內(nèi)的噪聲向外發(fā)送。一般來說會(huì)單獨(dú)分割出一塊獨(dú)立的接口地，與信號(hào)地的連接采用細(xì)的走線連接，可以串上0歐姆或者小阻值的電阻。細(xì)的走線可以用來阻隔信號(hào)地上噪音過到接口地上來。同樣的，對(duì)接口地和接口電源的濾波也要認(rèn)真考慮。

8-3.帶屏蔽層的電纜線的屏蔽層如何接地?

屏蔽電纜的屏蔽層都要接到單板的接口地上而不是信號(hào)地上，這是因?yàn)樾盘?hào)地上有各種的噪聲，如果屏蔽層接到了信號(hào)地上，噪聲電壓會(huì)驅(qū)動(dòng)共模電流沿屏蔽層向外干擾，所以設(shè)計(jì)不好的電纜線一般都是電磁干擾的最大噪聲輸出源。當(dāng)然前提是接口地也要非常的干凈

8-9.簡(jiǎn)述常見的接地符號(hào)

PE，PGND，F(xiàn)G-保護(hù)地或機(jī)殼；

BGND或DC-RETURN-直流-48 V（+24 V）電源（電池）回流；

GND-工作地；

DGND-數(shù)字地；

AGND一模擬地；

LGND一防雷保護(hù)地。

GND在電路里常被定為電壓參考基點(diǎn)。從電氣意義上說，GND分為電源地和信號(hào)地。PG是PowerGround(電源地)的縮寫。另一個(gè)是Signal Ground(信號(hào)地)。實(shí)際上它們能是連在一起的(不一定是混在一起哦!)。兩個(gè)名稱，主要是便于對(duì)電路進(jìn)行分析。進(jìn)一步說，還有因電路形式不同而必須區(qū)分的兩種“地”：數(shù)字地，模擬地.數(shù)字地和模擬地表有信號(hào)地、電源地兩種情況。數(shù)字地和模擬地之間，某些電路可以直接連接，有些電路要電抗器連接，有些電路不可連接。

8-10，導(dǎo)致地線干擾問題的根本原因是什么?

地線的阻抗是導(dǎo)致地線問題的根本原因，由于地線阻抗的存在，當(dāng)?shù)鼐€上流過電流時(shí)就會(huì)產(chǎn)生電壓，形成電位差，而我們?cè)谠O(shè)計(jì)電路時(shí)，是假設(shè)地線上各點(diǎn)電位是相同的，地電位是整個(gè)系統(tǒng)工作的參考電位，實(shí)際地線電位與假設(shè)條件的不同導(dǎo)致了各種各樣的地線題。

8-11.在進(jìn)行電磁干擾問題分析時(shí)，往往用什么定義來描述地線?

將地線定義為信號(hào)的回流線。

8-12，為什么在有些進(jìn)口樣機(jī)中看到有些地線通過電容或電感接地?

為了使地線系統(tǒng)對(duì)于不同頻率的信號(hào)呈現(xiàn)不同的地線結(jié)構(gòu)。

8-13.請(qǐng)列出盡可能多的降低地線射頻阻抗的方法?

盡量使用表面積大的導(dǎo)體，以減小高頻電流的電阻;盡量使導(dǎo)體短些，以減小電阻和感;在導(dǎo)體表面鍍銀，減小表面電阻;多根導(dǎo)體并聯(lián)，減小電感。

8-14，接地及其功能

與接地有關(guān)的名詞術(shù)語：地ground：

導(dǎo)電性的土壤，具有等電位，且任意點(diǎn)的電位可以看成零電位。

導(dǎo)電體，如土壤或鋼船的外殼，作為電路的返回通道，或作為零電位參考點(diǎn)。

電路中相對(duì)于地具有零電位的位置或部分。

電路與地或其它起到地的作用的導(dǎo)電體的有意的或偶然的連接。(ANSIC63.14-19984.9)

接地(動(dòng)詞)grounding，earthing：指將有關(guān)系統(tǒng)、電路或設(shè)備與地連(GB/T 17949.1-2000)

接地(名詞) earth，ground：一種有意或非有意的導(dǎo)電連接，由于這種連接，可使電路或電氣設(shè)備接到大地或接到代替大地的、某種較大的導(dǎo)電體。[注：接地的目的是：

使連接到地的導(dǎo)體具有等于或近似于大地(或代替大地的導(dǎo)電體)的電位;

引導(dǎo)入地電流流入和流出大地(或代替大地的導(dǎo)電體)。(GB/T 17949.1-20004.1)

接地(參考)平面earth(reference) plane：一塊導(dǎo)電平面，其電位用作公共參考電位。(GB/T 4365-19954.36)

搭接bonding：將設(shè)備、裝置或系統(tǒng)的外暴可導(dǎo)電部分或外部可導(dǎo)電部分連接在一起以確保它們具有相同的電位的過程。(IEC 61000-5-2-19973.1)單點(diǎn)接地single-point ground：?jiǎn)吸c(diǎn)接地，指網(wǎng)絡(luò)中只有一點(diǎn)被定義為接地點(diǎn)，其它需要接地的點(diǎn)都直接接在該點(diǎn)上。(ANSIC 63.14-19984.318)

等電位搭接equipotential bonding：使各外露可導(dǎo)電部分和裝置外可導(dǎo)電部分的電位基本相等的電氣連接。(GB 50054-1995)

多點(diǎn)接地multi-point ground：每個(gè)子系統(tǒng)的“地”都直接接到距它最近的基準(zhǔn)面上。

浮點(diǎn)接地floating ground：將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)完全與大地隔離，使電位飄浮。要求整個(gè)網(wǎng)絡(luò)與地之間的絕緣電阻在50M歐以上，絕緣下降后會(huì)出現(xiàn)干擾。通常采用機(jī)殼接地，其余的電路浮地。(IEEE Std. 1050-19965.3.3)

接地電阻ground resistance：接地極與電位為零的遠(yuǎn)方接地極之間的歐姆律電阻。(注：所謂遠(yuǎn)方是指一段距離，在此距離下，兩個(gè)接地板的相互電阻值基本為零。)(GB/T17949.1-20004.11)

工頻接地電阻power frequency ground resistance：工頻電壓流過接地裝置時(shí)，接地極與電位為零的遠(yuǎn)方接地極之間的歐姆律電阻。其數(shù)值等于接地裝置對(duì)地電壓與通過接地極流入地中電流的比值。(DL/T 621-19972.11)

接觸電壓touchvoltage：接地的金屬結(jié)構(gòu)和地面上相隔一定距離一點(diǎn)間的電位差。此距離通常等于最大的水平伸臂距離，約為1m。(GB/T 17949.1-20004.17)。

跨步電壓step voltage：指地面上一步距離的兩點(diǎn)間的電位差，此距離取最大電位梯度方向上1m的長(zhǎng)度。(注：當(dāng)工作人員站立在大地或某物之上，而有電流流過該大地或該物時(shí)，此電位差可能是危險(xiǎn)的，在故障狀態(tài)時(shí)尤其如此。)(GB/T 17949.1-20004.18)

接地基準(zhǔn)點(diǎn)earthingreferencepoint(ERP)

共用接地系統(tǒng)與系統(tǒng)的等電位連接網(wǎng)絡(luò)之間的唯一連接點(diǎn)。(IEC 61312-1-19951.3.2)接地裝置earth-termination system

接地線和接地極的總和。(GB 50057-1994)

信號(hào)地signalground

電路中各信號(hào)的公共參考點(diǎn)，即電氣及電子設(shè)備、裝置及系統(tǒng)工作時(shí)信號(hào)的參考點(diǎn)。(IEEE Std 1050-1999)

8-15，什么是搭接?舉出幾種搭接的方法。

金屬構(gòu)件之間的低阻抗(射頻)連接稱為搭接，搭接的方式有焊接、鉚接、螺釘連接、電磁密封襯墊連接等。

8-16.怎樣防止搭接點(diǎn)出現(xiàn)電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象?

選擇電化學(xué)電位接近的金屬，或?qū)佑|的局部進(jìn)行環(huán)境密封，隔絕電解液。

8-17.電源線的地與PE地有何關(guān)系?

電源線的地與PE地完全是兩回事，當(dāng)電源設(shè)備被雷擊時(shí)，電源線的地會(huì)產(chǎn)生數(shù)萬伏的跨步電壓，即電源線的地與PE地之間也會(huì)產(chǎn)生數(shù)萬伏的電位差(如果電源線的地在設(shè)備端不互相聯(lián)接時(shí))，因此電源線的地與PE地根本不是一回事，所以在用戶端電源線的地必須要與PE 地聯(lián)接在一起是必須的。

對(duì)于一類電子產(chǎn)品一般有兩個(gè)安全地，第一個(gè)是三芯電源線的地(與電網(wǎng)設(shè)備的地聯(lián)通)，另一個(gè)是本用戶的地(PE地，如自來水管，也稱大地)，在國(guó)際電工標(biāo)準(zhǔn)之中，只有

一個(gè)地，就是大地，其它的地都是用戶自己定義的，或用戶自己可定義各種不同定義的地。

PE是安全地(防止人體觸電)，即為了防止機(jī)器漏電，外殼(人體可觸摸到的地方)必接大地;熱地一般是指變壓器初級(jí)線圈電路的公共端(帶電，人體不能觸摸);冷地一般指變壓器次級(jí)線圈的公共端，冷地同樣也會(huì)帶電(靜電)，當(dāng)次級(jí)線圈的輸出電壓很高時(shí)比如高于4000 V)，必須考慮靜電對(duì)人體放電的安全電荷不能超過0.45微庫倫。此時(shí)冷地需要接一個(gè)靜電泄放電阻到大地或熱地。