长线传输与接地技术专题

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,长线传输与接地技术专题,1.长线传输干扰与抑制方法,2.接地技术,1,1.长线传输干扰与抑制方法,（1）,长线传输干扰,长线的“长”是相对的：取决于集成电路的运算速度（速度越快，绝对长度越短）。,信号在长线中传输遇到三个问题：,一是长线传输易受到外界干扰，,二是具有信号延时，,三是高速度变化的信号在长线中传输时，还会出现波反射现象。,2,波反射产生的原理,阻抗不连续，信号在传输线末端突然遇到电缆阻抗很小甚至没有，信号在这个地方就会引起反射。这种信号反射的原理，与光从一种媒质进入另一种媒质要引起反射是相似的。,消除这种反射的方法，就必须在电缆的末端跨接一个与电缆的特性阻抗同样大小的终端电阻，使电缆的阻抗连续。,3,传输介质,双绞线,：双绞线是由两条导线按一定扭距相互绞合在一起的类似于电话线的传输媒体，每根线加绝缘层并有颜色来标记。,双绞线的波阻抗一般在,100,至,200,之间，绞花越密，波阻抗越低。（波阻抗代表的是单位长度的阻抗值，与其传输线的总长度无关，仅代表该传输线本身的特性）,同轴电缆,：同轴电缆可分为两类：粗缆和细缆，这种电缆在实际应用中很广，比如有线电视网，就是使用同轴电缆。不论是粗缆还是细缆，其中央都是一根铜线，外面包有绝缘层。,同轴电缆的波阻抗在5,0,至1,00,之间。,4,（2）长线传输干扰的抑制方法,采用终端阻抗匹配或始端阻抗匹配，可以消除长线传输中的波反射或者把它抑制到最低限度。,传输线与负载不匹配：传输线功率容量降低；增加传输线的衰减,如果信号源与传输线不匹配，不仅会影响信号源的频率和输出的稳定性，而且信号源不能给出最大功率。因此，微波传输系统一定要作到阻抗匹配。,终端匹配,始端匹配,5,终端匹配,在（a）中，如果传输线的波阻抗是R,P,，那么当R=R,P,时，便实现了终端匹配，消除了波反射。此时终端波形和始端波形的形状相一致，只是时间上迟后。由于终端电阻变低，则加大负载，使波形的高电平下降，从而降低了高电平的抗干扰能力，但对波形的低电平没有影响。,在（b）中，等效电阻R为,R=R1R2/(R1+R2),适当调整R1和R2的阻值，可使R=R,P,。这种匹配方法也能消除波反射，优点是波形的高电平下降较少，缺点是低电平抬高，从而降低了低电平的抗干扰能力。为了同时兼顾高电平和低电平两种情况，可选取R,1,=R,2,=2R,P,，此时等效电阻R=R,P,。实践中，宁可使高电平降低得稍多一些，而让低电平抬高得少一些，可通过适当选取电阻R1和R2，使R1R2达到此目的，当然还要保证等效电阻R=R,P,。,6,等效电路,7,常用终端匹配电路,8,始端匹配,在传输线始端串入电阻R，如图所示，也能基本上消除反射，达到改善波形的目的。一般选择始端匹配电阻R为R=R,P,-P,SC，,其中R,SC,为门A输出低电平时的输出阻抗。,9,2接地技术,“地”是电路或系统中为各个信号提供参考电位的一个等电位点或等电位面；,“接地”就是将某点与一个等电位点或等电位面之间用低电阻导体连接起来，构成一个基准电位。,(1)地线系统分析,什么是地线？,电子设备的“地”通常有两种含义：一种是“大地”（安全地），另一种是“系统基准地”（信号地）。,“接大地”就是以地球的电位为基准，并以大地作为零电位，把电子设备的金属外壳、电路基准点与大地相连接。,接地就是指在系统与某个电位基准面之间建立低阻的导电通路。,前者是为了保证人身安全、设备安全而设置的地线；,后者是为了保证电路正确工作所设置的地线，造成电路干扰现象的主要是信号地。,在进行电磁兼容问题分析时，对地线使用下面的定义：“地线是信号电流流回信号源的地阻抗路径。”,10,5.2安全地的连接安全地与信号地,安全地与信号地是区别的，信号地实际是为系统之间信号的传输提供的参考电位，信号地线上电位不一定要求与大地的电位保持一致，信号地线仅仅为信号电流提供了一条输送返回电流的传输路径，是系统之间信号传输的公共路径，保证了系统之间信号的传输的可靠。而安全地是为了保证系统或人身的安全而设置的，安全地一般要求通过导线与大地直接相连接。安全地线上的电位要与大地的电位保持一致。,11,在计算机控制系统中，一般有以下几种地线：模拟地、数字地、安全地、系统地、交流地。,模拟地,作为传感器、变送器、放大器、A/D和D/A转换器中模拟电路的零电位，所有组件的模拟地最终都归结到供给模拟电路电流的直流电源的参考点上。,数字地,作为计算机中各种数字电路的零电位，应该与模拟地分开，避免模拟信号受数字脉冲的干扰，所有组件的数字地最终都与供给数字电路电流的直流电源的参考点相连。,安全地,的目的是使设备机壳与大地等电位，以避免机壳带电而影响人身及设备安全。通常安全地又称为保护地或机壳地，机壳包括机架、外壳、屏蔽罩等。,系统地,就是上述几种地的最终回流点，直接与大地相连。众所周知，地球是导体而且体积非常大，因而其静电容量也非常大，电位比较恒定，所以人们把它的电位作为基准电位，也就是零电位。,交流地,是计算机交流供电电源地，即动力线地，它的地电位很不稳定。在交流地上任意两点之间，往往很容易就有几伏至几十伏的电位差存在。另外，交流地也很容易带来各种干扰。因此，交流地绝对不允许分别与上述几种地相连，而且交流电源变压器的绝缘性能要好，绝对避免漏电现象。,12,接地理论,分析，低频电路应单点接地，高频电路应就近多点接地。,当频率小于1MHz时，可以采用单点接地方式；（因为布线和器件间的电感影响较小，而接地电路形成的环流对干扰影响较大，因而应采用一点接地）,当频率高于10MHz时，可以采用多点接地方式。（因为接地引线的感抗与频率和长度成正比，工作频率高时将增加共地阻抗，必将增大共地阻抗产生的电磁干扰，所以要求地线的长度尽量短。采用多点接地时，尽量找最接近的低阻值接地面接地）,在1至10MHz之间，如果用单点接地时，其地线长度不得超过波长的1/20，否则应使用多点接地。,单点接地的目的是避免形成地环路，地环路产生的电流会引入到信号回路内引起干扰。,13,地环路产生的原因,：地环路干扰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设备之间的地线电位差，地线电压导致了地环路电流，由于电路的非平衡性，地环路电流导致对电路造成影响的差模干扰电压。,回流法单点接地,：模拟地、数字地、安全地(机壳地)的分别回流法。,回流线往往采用汇流条而不采用一般的导线。汇流条是由多层铜导体构成，截面呈矩形，各层之间有绝缘层。采用多层汇流条以减少自感，可减少干扰的窜入途径。安全地(机壳地)始终与信号地(模拟地、数字地)是浮离开的。这些地之间只在最后汇聚一点，并且常常通过铜接地板交汇，然后用线径不小于300mm2的多股铜软线焊接在接地极上后深埋地下。,14,(2)低频接地技术,一点接地方式,信号地线的接地方式应采用一点接地，而不采用多点接地。一点接地主要有两种接法：即串联接地(或称共同接地)和并联接地(或称分别接地)。,各自的优缺点：,从防止噪声角度看，如图所示的串联接地方式是最不适用的，由于地电阻r,1,、r,2,和r,3,是串联的，所以各电路间相互发生干扰。,并联接地方式在低频时是最适用的，因为各电路的地电位只与本电路的地电流和地线阻抗有关，不会因地电流而引起各电路间的耦合。这种方式的缺点是需要连很多根地线，用起来比较麻烦。,15,实用的低频接地,一般在低频时用串联一点接地的综合接法，即在符合噪声标准和简单易行的条件下统筹兼顾。也就是说可用分组接法，即低电平电路经一组共同地线接地，高电平电路经另一组共同地线接地。,一条是低电平电路地线；一条是继电器、电动机等的地线(称为“噪声”地线)；一条是设备机壳地线(称为“金属件”地线)。这三条地线应在一点连接接地。,16,(3)通道馈线（电缆）的接地技术,电路一点地基准:一个实际的模拟量输入通道，总可以简化成由信号源、输入馈线和输入放大器3部分组成。,如图所示的将信号源与输入放大器分别接地的方式是不正确的。这种接地方式之所以错误，是因为它不仅会遭致磁场耦合的影响，而且还会因A和B两点地电位不等而引起环流噪声干扰。忽略导线电阻，误认为A和B两点都是地球地电位应该相等，是造成这种接地错误的,根本原因,。,为了克服双端接地的缺点，应将输入回路改为单端接地方式。当单端接地点位于信号源端时，放大器电源不接地；当单端接地点位于放大器端时，信号源不接地。,在导线的屏蔽中，主要针对电场耦合和磁场耦合。而下面，将从如何克服地环流影响的角度来分析和解决接地问题。,17,电缆屏蔽层的接地:当信号电路是一点接地时，低频电缆的屏蔽层也应一点接地。如欲将屏蔽一点接地，则应选择较好的接地点。,当一个电路有一个不接地的信号源与一个接地的(即使不是接大地)放大器相连时，输入线的屏蔽应接至放大器的公共端；当接地信号源与不接地放大器相连时，即使信号源端接的不是大地，输入线的屏蔽层也应接到信号源的公共端。,18,(4)主机外壳接地但机芯浮空,为了提高计算机的抗干扰能力，将主机外壳作为屏蔽罩接地。而把机内器件架与外壳绝缘，绝缘电阻大于50M，即机内信号地浮空这种方法安全可靠，抗干扰能力强，但制造工艺复杂，一旦绝缘电阻降低就会引入干扰。,(5)多机系统的接地,在计算机网络系统中，多台计算机之间相互通信，资源共享。如果接地不合理，将使整个网络系统无法正常工作。近距离的几台计算机安装在同一机房内，可采用多机一点接地方法。对于远距离的计算机网络，多台计算机之间的数据通信，通过隔离的办法把地分开。,例如：采用变压器隔离技术、光电隔离技术和无线电通信技术。,19,