电路设计中的接地设计

电路设计中的接地设计“地”可以分为“保护地”和“信号地”等，电子电路中接的“地”主要为“信号地”，主要是为了减少电磁干扰。

信号地采用何种力式取决于电路的形式、使用的频率、电路的复杂程度以及其他一些条件，应该根据实际情况灵活运用，没有一种到处可以套用的接地电路。

在设计时，要根据实际情况选择接地方式及接地点。

例如，微机辐射骚扰超过极限值的频率集中在30~200MHz范围之内，因此微机内部各单元及屏蔽电缆相对机壳应采用多点就近接地的方式。

下面将从接地线的选取和接地电路两方面谈一下接地的选取。

接地线的选用：经常可以看到这样的产品，其内部的接地线是很细的单股线，这种在其内部通过高频电流时，由于高频阻抗很大，接地效果可想而知。

因此，考虑到趋肤效应(注1)，接地线需要选用带状编织线。

如果对接地要求很高，还可在其表面镀银，这主要是减小导线的表面电阻率，因而达到减小接地线高频阻抗的目的。

接地线应与接地面良好搭接，标准中一般规定，接地线与接地面的直流搭接阻抗应小于2.5mW为了高质量的接地，接地面应经过表面处理，避免氧化、腐蚀。

在接地线与接地平面之间不应有锁紧垫圈、衬垫，而且不应使用衬垫、螺栓、螺母作为接地回路的一部分。

接地电路：接地的电路大体上可以分为：浮地、单点接地、多点接地以及混合接地。

浮地的目的是将电路或设备与公共地线或可能引起环流的公共线路隔离开来。

缺点：由于设备不与大地直接相连，容易出现静电积累，达到一定程度后会产生击穿，这是一种破坏性很强的骚扰源。

折衷处理的办法是在浮地与大地之间接一个阻值很大的泄放电阻，以消除静电积累的影响。

实现浮地的办法：变压器隔离、充电隔离。

浮地除了使地线“浮”起来以外，还解决了单地系统中电位不一致带来的麻烦。

单点接地是指接地只有一个物理点被定义为接地参考点，其他各需要接地的点都直接接到这一点。

使用单点接地，会增加接地线的长度，如果接地线长度接近或等于骚扰信号波长的1/4时，其幅射能力将大大增加，接地线线将成为天线。

一般来讲，接地线的长度应小于2.5cm。

单点接地可以分为串行单点接地和并行单点接地两种：串行单点接地串行单点接地就是把各部分电路的地串接在一起，之后在某一点接到电源的地上。

它的好处是接线简单，布线方便，所以在噪声特性要求不高的电路中广泛使用。

在图1 所示意的串联接地方式中, 电路1、2、3 各有一个电流i1、i2、i3 流向接地点。

由于地线存在电阻, 因此,A 、B 、C 点的电位不再是零,于是各个电路间相互发生干扰。

尤其是强信号电路将严重干扰弱信号电路。

如果必须要这样使用，应当尽力减小公共地线的阻抗, 使其能达到系统的抗干扰容限要求。

串联的次序是, 最怕干扰的电路的地接A 点, 而最不怕干扰的电路的地应当接C 点。

并行单点接地并行单点接地就是各部分电路都使用各自独立的接地线，如图2所示。

在低频的情况下并行单点接地可以满足一般的设计要求。

并联接地中各个电路的地电位只与其自身的地线阻抗和地电流有关, 互相之间不会造成耦合干扰。

因此, 有效地克服了公共地线阻抗的耦合干扰问题, 工业控制机应当尽量采用并联接地方式。

值得注意的是, 虽然采用了并联接地方式, 但是地线仍然要粗一些, 以使各个电路部件之间的地电位差尽量减小。

这样, 当各个部件之间有信号传送时, 地线环流干扰将减小。

并行单点接地的缺点是：电路复杂、成本高、布线复杂。

如果系统工作频率很高，达到接地线长度可以与工作频率（信号的波长）相比拟的程度时就不能再用单点接地的方式了（接地效果已经不理想了），而要用多点接地了。

多点接地是指一个系统中各个接地点都直接接到距它最近的接地平面上，使接地线的长度为最短。

接地点可以是设备的底板，也可以是贯通整个系统的地导线，还可以是设备的结构框架等。

多点接地的优点是电路结构比单点接地简单。

由于采用了多点接地，就形成了许多接地回路，因此提高接地系统的质量就变得十分重要，需要经常维护，保持良好的导电性能。

地环路会引入干扰，尤其在各个接地点又离得比较远或接地点与交流电的地连接在一起的话，干扰更为突出。

抑制地环路引入的杂音干扰可采用以下几种方法：(1)切断“地环路”。

把多点接地改为一点按地以后可以解决部分地环路引入的杂音干扰。

(2)采用变压器切断地环路,此时地回路中的杂音电压作用在变压器的两个绕组之间，而不是作用在电路的输入端。

用变压器切断地环路的缺点是不能通过直流。

如果需要通过直流，则应该采用纵向共模电流扼流圈。

(3)采用光电耦合，采用光电耦合器件以后彻底切断了地环路。

此时地回路中的杂音电压作用在光耦合器上，而不是作用在电路的输入端。

(4)提高电路对地平衡度或人为进行平衡。

由于不平衡和不对称引入干扰，所以人为地把系统搞成对称，使之平衡，是防止(在制造阶段)或解决(在施工和维护中)干扰的一个重要方法。

(5)用差动放大器消除共模干扰。

(6)把两个接地点短路起来解决工频干扰。

有些测量仪表的“地”与被测电路的“地”之间的工频电传差很大，产生很强的工频干扰。

出现此种情况时，可把测量仪表的“地”与被测电路的“地”连接起来，把地环路的共模下扰电压短路掉。

混合接地：只对需要高频接地的地方采用多点接地，其余用单点接地。

接地长度以0.05λ~0.15λ来衡量，超出此值的应采用多点接地。

另外，以继电器等有大电流突变的场合，要用单独接地以减少对其他电路的瞬变耦合。

通常在电路这一级上不专门提出对接地的具体要求，因为在这一层次上提出具体要求是不合适的。

对数字电路而言，大多数逻辑芯片读采用单端电路的方式工作。

也就是说，所有信号的电位以电源回路为参考的话，其电位是0V。

在模拟电路中，情况也类似。

当元器件之间的距离很近时，要完成逻辑信号的产生、处理和波形整形是很容易的，但如果传输线过长或者参考点电位不正确的话，都会产生问题。

我们要建立这样的概念：接地并不是每个部分或每个系统都需要的，比如单块的线路板并不非要接地才能正常工作。

当设备之间要传输数据时，接地就是十分必要的了注：1、趋肤效应亦称为“集肤效应”。

交变电流通过导体时，由于感应作用引起导体截面上电流分布不均匀，愈近导体表面电流密度越大。

这种现象称“趋肤效应”。

趋肤效应使导体的有效电阻增加。

频率越高，趋肤效应越显著。

当频率很高的电流通过导线时，可以认为电流只在导线表面上很薄的一层中流过，这等效于导线的截面减小，电阻增大。

既然导线的中心部分几乎没有电流通过，就可以把这中心部分除去以节约材料。

因此，在高频电路中可以采用空心导线代替实心导线。

此外，为了削弱趋肤效应，在高频电路中也往往使用多股相互绝缘细导线编织成束来代替同样截面积的粗导线，这种多股线束称为辫线。

在工业应用方面，利用趋肤效应可以对金属进行表面淬火。

2、接地设计准则●电路尺寸小于0.05λ时可用单点接地，大于0.15λ时可用多点接地。

●对工作频率很宽的系统要用混合接地。

●出现地线环路问题时，可用浮地隔离（如变压器，光电）。

●所有接地线要短。

●接地线要导电良好，避免高阻性。

●对信号线，信号回线，电源系统回线以及底板或机壳都要有单独的接地系统。

●然后可以将这些回线接到一个参考点上。

●对于那些将出现较大电流突变的电路，要有单独的接地系统，或者有单独。

●接地回线以减少对其他电路的瞬态耦合。

●低电平电路的接地线必须交叉的地方，要使导线互相垂直。

●使用平衡差分电路，以尽量减少接地电路的骚扰影响。

●对于最大尺寸远小于λ/4的电路，使用单点接地的紧绞合线（是否屏蔽视实际情况而定），以使设备敏感度最好。

●交直流线不能绑扎在一起。

交流线本身要绞合起来。

●端接电缆屏蔽层时，避免使用屏蔽层辫状引出线。

●需要用同轴电缆传输信号时，要通过屏蔽层提供信号回路。

低频电路可在信号源端单点接地；高频电路则采用多点接地。

●高频、低电平传轴线要用多层屏蔽，各屏蔽层用单点接地。

●从安全出发，测试设备的地线直接与被测设备的地线联接；●还是从安全出发，要确保接地联接装置能够应付意外的故障电流，在室外终端接地时，能够应付雷电电流的冲击。

3、其他类型的接地简介：●接零：发电机、配电变压器的中性点叫做零点，由中性点引出的线叫做零线。

用电设备的金属外壳接到零线上称为接零。

●工作接地：供电系统变压器的中性点直接接地为工作接地，工作接地可以保证电器设备可靠地运行，降低人体接触电压。

●保护接地：所有电器设备在正常工作情况下，不带电的金属部分作良好的接地为保护接地，保护接地主要保护人员的工作安全。

●重复接地：将零线上的多点与大地多次作金属性连接称重复接地。

当中性点直接接地系统中发生碰壳或接地短路时，可以降低对地电压；当零线发生断裂时，可以使故障的危害程度减轻。

●静电接地：设备移动或物体在管道中移动，因摩擦产生静电，它聚集在管道、容器和储罐或加工设备上，形成很高的电位对人身安全及对设备和建筑物都危险。

作了静电接地，静电一旦产生就导入地中以消除其聚集的可能。

油罐车后尾及轿车后尾拖一根接触地面的导电橡胶即属于静电接地。

●直流工作接地（也称逻辑接地、信号接地）：计算机及一切微电子设备大部分采用中、大规模集成电路，具有同一"电位"参考点，将所有设备的"零"电位点接于同一接地装置上，这样它可以稳定电路的电位，防止外来干扰这种接地称为直流工作接地。

●计算机房需设的接地：计算机房的接地问题是个很复杂的问题，目前它应设有四种接地：1、直流逻辑接地：见上面介绍；2、屏蔽接地：主机房屏蔽应有良好的接地；3、防雷接地：采用建筑物的防雷工程接地；4、交流工作接地：为保护接零系统，地极与屏蔽接地可以共用。