测试系统地线干扰及抑制

测试系统地线干扰及抑制周辉【摘 要】在测试系统中,不可避免的存在地线干扰,如果接地不当就会影响系统的正 常工作.正确的接地方法是增强系统抗干扰能力,提高系统可靠性的重要途径之一.文 章简要地阐述了地线干扰产生的原理,对系统的影响及抑制方法.最后,介绍了几种典 型的接地方法及其特点.期刊名称】现代机械年(卷),期】2014(000)002【总页数】4页(P73-76) 【关键词】 干扰;阻抗;耦合;接地【作 者】 周辉【作者单位】 江南机电设计研究所,贵州 贵阳550009【正文语种】 中 文【中图分类】 TN7100 引言随着自动化技术的飞速发展，测试系统在科研和生产的各个领域的应用越来越广泛 但干扰会直接影响测试系统的稳定度和精度，甚至使测试系统无法正常工作。测试 系统中的干扰来源于各个方面，而测试设备之间的干扰通常是由于不正确的接地设 计将地线自身的干扰引入所引起的，正确的接地设计成为抑制其自身干扰，消除测 试设备之间干扰的主要措施。1地线干扰产生的原理“接地”的传统概念是一个零阻抗的等位面，并且常常是从直流性能的观点出发来 考虑的。电路是一个等电位体的定义仅是人们对地线电位的期望。所有的导体都有 一定的阻抗，因此，流经该“地面”的任何电流由于在该阻抗上的压降都将在其表 面形成电位不同的点，并且地线上各点的电位有可能相差很大。而这些电位差会影 响整个系统的正常工作。这是因为地线的阻抗Z是由电阻和感抗两部分组成的。电阻包含了直流电阻和交流电阻。对于交流电流，由于趋肤效应，电流集中在导体的表面，导致实际电流截 面减小，电阻增加。感抗成分表现为在高频状态下导线对电流的阻抗，主要是由导 线的电感引起的。通过用一条长导线连接两点实现“两点共同接地”，当频率很低或电流很小时，有 可能使这两点近似为等电位点。但是当频率较高时，导线的感抗远大于电阻，会在 地线上产生较大的感应电压。特别是数字电路的工作频率很高，地线阻抗对数字电 路的影响是必须考虑的。例如，半径为0.6 mm，长度为1 m的铜线，直流电阻 为15.25 mQ,当频率为1 MHz时，它的阻抗为115.34 Q,增加了 7500多倍。 2地线引入的干扰及其抑制方法2.1 公共地阻抗引入的干扰及其抑制方法 图1为接地线是公共阻抗的典型情况。三个子系统以串联的方式接地，其中，子 系统1、子系统2、子系统3注入地线的电流分别依次为I1、I2、I3;Z1为A点至 接地点之间的一段地线（AG段）的阻抗，AG段地线是子系统1、子系统2和子系统 3的公共地线;Z2为BA段的阻抗，BA段地线是子系统2和子系统3的公共地 线;Z3为CB段的阻抗;G点为共用地线的接地点。图1 公共阻抗引入干扰 通常地线的直流电阻不为零，特别是在高频情况下，地线的交流阻抗比其直流电阻 大，因此公共地线上 A、B、C 点的电位不为零，并且各点电位受到所有子系统注 入地线电流的影响。这样一个子系统中的信号会耦合进另一个子系统，称为公共阻 抗耦合。所以，如果存在不同的子系统共用一段地线，就可能出现公共阻抗耦合的 问题。抑制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子系统共用地线，一般要避免强电电路和弱电电路共用地线， 以及数字电路和模拟电路共用地线。2.2 接地环路引入干扰及其抑制方法 在接地系统不同的子系统中传递信号是有必要的。子系统 1 的地电压 VG1 与子系 统2 的地电压 VG2 通常都是不同的。这就在两个接地系统之间产生了一个差:约为几百毫伏数量级。这将可能导致潜在的接地环路引入干扰问题，如图 2 所示 其中，两个子系统与具有不同电压的两个不同接地网相连，或者与同一个接地系统 具有不同电压的两个点相连，两个点的不同电压是由于接地系统的阻抗造成的。两 个连接点之间的电位差VG ,作为一个电压源，将在两个系统和两个连接点之间的 信号线和回路线上产生共模电流IC1与IC2。即使其中一个子系统物理上没有与接 地点相连，子系统和接地系统之间的寄生电容也可以有效地完成这个电路。信号线 /地线环路和回路线/地线环路是两条共模电流通过的潜在大环路。这些共模电流以 辐射发射的角度来看其作用就像两个差模电流。辐射发射电平与环路面积成正比。 图2 接地环路引入干扰 抑制这条路径有很多方法。其一个比较普遍而且实现的方法是在信号线/回路线中 插入一个共模扼流圈，如图3所示。由差模（功能方面的）电流所产生的磁能在芯线 中趋向于减小，这样共模扼流圈对于差模信号而言是理想的，无阻抗的。共模扼流 圈可以传输差模信号，直流与低频信号均可以通过，而对于高频地环电流则呈现很 大的阻抗，所以可以用来抑制地环电流的干扰。但要注意控制共模扼流圈的寄生电 容，输入和输出导线之间的漏电感和寄生电容会降低扼流圈的差模性能，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。图3 使用共模扼流圈抑制互连电缆中的共模电流另一种阻断共模电流的方法是使用如图4所示的光耦合器，它能断开直接的金属 通路，切断子系统1与子系统2之间地环路的传输。光耦合器可以传输直流与低 频信号，响应速度快。这种方法对于接地系统之间的电位差非常大的情况尤其适合 目前，已广泛应用于数字电路中，频率高达10 MHz,光耦的寄生电容一般为2 pF，能够在很高的频率提供良好的隔离。图4 光耦合器利用变压器将两个设备连接起来，可以有效切断地环路电流，通过阻隔地回路的形 成来抑制地回路干扰。但变压器绕组之间存在分布电容，能够为频率较高的地环路 电流提供通路，因此这种方法对高频地环路电流的抑制效果较差。在变压器的初次 级之间加屏蔽层可以有效地减小绕组之间的分布电容，从而阻隔地回路的干扰，改 善高频隔离效果。需要注意的是屏蔽层必须接至接受电路的接地端，否则，还有可 能使高频耦合更严重。3系统接地方法3.1 单点接地系统3.1.1 共用地线单点串联接地图1所示为典型的单点串联接地的实现原理。但这种方法很明显会在子系统的接地点之间产生共阻抗耦合，从抑制干扰的角度考虑，这种接地方式是不适用的。然而，这种接地方式的结构比较简单，各个电路的接地引线比较短，其电阻相对小。 如果各子系统的接地电平差别不大，地电流很小，也可以采用这种方式。3.1.2 独立地线单点并联接地图5 所示的并行连接是理想的单点接地方法。各电路的地电位只与本电路的地电流及地线阻抗有关，不受其它电路的影响。然而，它有个很大的缺点，那就是单个 的接地线的阻抗将取决于这些连线的长度。在分布系统中，如果严格服从单点接地 系统的原理，那么连接线可能需要很长。这样，在高频系统中接地线会有很大的阻 抗，此时地线不仅起不到接地作用，而且将有很强的天线效应向外辐射干扰信号。 所以，单点接地方式只适用于低频系统。图5 独立地线并联一点接地3.2 多点接地系统多点接地是指某一个系统中各个需要接地的电路、设备都直接接到距它最近的接地 平面上，以使接地线的长度最短，如图 6 所示。为了降低电路的地电位，每个电 路的地线应尽可能缩短，以降低地线阻抗。但在高频时，由于趋肤效应，高频电流 只流经导体表面，即使加大导体厚度也不能降低阻抗。为了在高频时降低地线阻抗， 通常要将地线和公共地镀银。在导体截面积相同的情况下，为了减小地线阻抗，常 用矩形截面导体制成接地导体带。图6 多点接地 多点接地方式的优点是地线较短，适用于高频情况，其缺点是形成了各种地线回路， 造成地回环路干扰，这对系统内同时使用的具有较低频率的电路会产生不良影响。3.3 混合接地系统如图7 所示的接地平面上的屏蔽导线。只要屏蔽线的屏蔽层与接地平面或是参考 导体的两端相连，那么就可以消除内部的电感耦合。同时，当低频电流流过参考导 体时的噪声电流在屏蔽层上产生耦合到内部导线的电压，产生共阻抗耦合。图7 为实现屏蔽接地和避免低频耦合的方法。如果电缆包含有两层屏蔽层，内屏蔽层与 参考导体的一端相连，而外屏蔽层与参考导体的另一端相连，那么在两层屏蔽层之 间不存在低频连接，这样可以避免由于参考导线上流过的电流I噪声而产生的共阻 抗耦合问题。在高频时，两屏蔽层之间的寄生电容（寄生电容由于两屏蔽层是同心 的，所以相当大）在两屏蔽层之间提供了一个高频连接，这样屏蔽层就能有效地与 参考导体的两端相连。这是混合接地系统的频选接地原理。如果将单层屏蔽层的一端通过电容与回路导体相连，那么单层屏蔽层也能实现上述 接地方式。低频时屏蔽层为单端接地，在高频时电容表现为低阻抗，因此屏蔽层为 两端接地。通常这要求有非常大的电容。图7 综上所述，单点接地适用于低频，多点接地适用于高频。一般来说，频率在1MHz以下可采用单点接地方式;频率高于10 MHz应采用多点接地方式，频率在1 MHz10 MHz之间，可以采用混合接地。对于单点接地，如果一个电路对该电 压降很敏感，则接地线长度应不大于 0.05 波长或更小。如果电路只是一般的敏感， 则接地线可以长些（0.15 波长）。如用地线长度不满足以上要求，则应采用多点接地。 4 结束语良好的接地系统是测试系统稳定、可靠工作的必然要求，也是保障测试系统和工作 人员人身安全的需要。为适应现代自动测试系统发展的需求，须针对具体的系统特 性，不断探索更加合理的接地方法。参考文献1 王守三电磁兼容设计与测试实用技术M.北京:机械工业出版社，2013:187 -2052 李宝龙地线干扰与抑制J.火控雷达技术，2004 , （04）:82 - 833 何奇文地线的干扰与抑制J.河池学院学报(自然科学版),2006 , (05):123 -125