顯示系統設備接地與地回路干擾抑制

張春林，楊 樂，康向東，余黃河

(北京航天飛行控制中心，北京 100094)

各類電子、通信、數據處理系統都需要妥善解決設備良好接地問題，這樣才能使系統安全、穩定、有效地工作[1]。由于人眼視覺的直觀性、敏感性，顯示系統設備接地較之其他電子系統要求更高。顯示系統設備接地稍微處理不當，極易造成地回路干擾，影響圖形圖像顯示效果，讓人視覺難以接受。由接地不當引發的干擾[2]，不同程度存在于各類顯示系統中，這是一個普遍存在的問題。

在顯示系統建設使用過程中，往往存在著這樣的現象，初期規模不大、信號不太多、設備之間距離不遠，通常按照標準統一接地，基本上就可以滿足正常顯示質量要求。但是，隨著后期逐步擴展，系統規模越來越大，系統內部設備連接和信號種類越來越復雜。由于初期在接地網絡上缺乏前瞻性考慮，導致地回路干擾也越來越嚴重。如果對系統設備接地沒有充分的理論認識，缺少綜合處理的技術措施，就不可能系統而有效地解決設備接地伴隨而來的地回路干擾問題。

因此，研究顯示系統設備接地問題，采取科學的綜合技術措施，有效抑制地回路干擾是十分必要的。

1 接地要求

接地的本意是指與真正的大地連接以提供雷擊放電的通路，例如將避雷針的一端埋入大地，為用電設備提供漏電保護，即提供放電通路的技術手段[3]。通常的接地概念一般指為了使電路、設備或系統與“地”之間建立低阻抗通路，而將電路、設備或系統連接到一個作為參考電位面的良導體的技術行為，其中一點通常是系統的一個電氣或電子元件、組件，而另一點則是稱之為“地”的參考點，譬如系統組件是設備中的一個電路，設備的外殼或接地平面就是“地”的參考點。

理想的接地有如下4點要求:

1)為了避免使電路、設備受到磁場和地電位差的影響，理論上的接地應使流經地線的各個電路、設備的電流互不影響，即不使其形成地電流回路。

2)為了使流過接地導體的任何電流都不產生電壓降，即各接地點之間沒有電壓差，或者略有，但與電路中任何功能部分的電位比較均可忽略不計，理論上的接地導體或導電平面應是零阻抗的實體。

3)作為系統中各電路任何位置的所有電信號的公共電位參考點，接地平面應當是零電位。

4)接地平面應采用低阻抗材料制成，并且有足夠的長度、寬度和厚度，以保證在所有頻率上它的兩邊之間均呈現低阻抗。接地平面與布線間將有大的分布電容，而其本身的引線電感將很小。安裝固定式設備的接地平面，應選用整塊銅板或由銅網組成。

2 設備接地作用

電子設備接地，通常按其作用可分為安全接地和信號接地。安全接地又分為防雷接地、設備安全接地和接零保護接地;而信號接地又分為單點、多點、混合以及懸浮接地等。對顯示系統或電視工程而言，如果接地系統不夠完善，不僅對設備性能的發揮產生影響，同時對于電視或視頻信號的質量以及人身安全也會產生潛在的危險[4]。

設備安全接地是安全接地之一。任何高壓電氣設備、電子設備的機殼，底座均需要安全接地，以避免高電壓直接接觸設備外殼，或者避免由于設備內部絕緣損壞造成漏電使機殼帶電。因此，為了保證人、機安全，電子信息或監控顯示系統的機柜應首先保證安全接地，即機柜連接大地。從內部防感應雷角度出發，設備也必須接地。當電子設備的外殼接地，由于外殼與大地等電位，在外殼內部電場強度基本上處處相等，電子設備中的電子線路就不會感應帶電，也不會產生位移電流。因此，電子設備的外殼接地還對雷電有屏蔽作用，可以避免儀器設備中的線路或電子器件被雷電擊穿損壞。

信號接地則是為了抑制電磁干擾，保障設備工作穩定。接地是抑制干擾的有效手段，系統有無接地，其電磁輻射的數值相差很大[5]。因此，將電子設備底座或外殼接地，在保障設備安全接地的同時，也給設備內部各種電路的信號電壓提供一個零電位的公共參考點或面，這對于保障電子設備工作穩定十分重要。接地后的設備機殼或底座就成為電子設備內部電位基準的導體，被稱為接地面。設備的底座或外殼采用接地導線連接至大地，如果接地回路中串入干擾，就會使接地面電位不穩定，從而導致電子設備工作不穩定。信號接地的連接對象是種類繁多的電路，在復雜系統中，各種頻率的信號匯集，強電和弱電電路同在、模擬電路與數字電路并存。因此必須在對系統充分了解的基礎上，妥善處理系統設備接地問題，避免因接地問題而使各種設備之間或分系統之間相互產生影響。

圖1 地回路干擾

二者可看作如圖1中的設備M與設備N的連接，兩個分系統均已接地，其連接構成地回路。其中視頻源分系統可以看成信號源設備，而終端顯示分系統可以看作是接收放大器。信號源與放大器連接構成電路時，簡化原理圖如圖2所示。由于實際的地線不可能達到真正理想的接地導體成為零阻抗的實體，所以，流過接地導體的電流難免會產生電壓降，即各接地點之間會有電壓差，從而產生人們通常簡稱的“電源滾道干擾”[6]。

圖2 系統傳輸原理圖

3 地回路干擾分析

通常電子設備采用具有一定面積的金屬板作為接地面，由于各種原因在接地面上總有接地電流通過，而在金屬接地板兩點之間不可能是理想的零阻抗導體，其間總會存在一定的阻抗，接地電流流經傳輸線與接地面形成導電回路時，就對信號的輸入端產生接地干擾電壓，即形成了地回路干擾，在屏幕上表現為由下而上爬行的“滾道干擾”，其疊加在畫面上嚴重影響顯示質量。

地回路干擾會在電路的輸入端產生干擾電壓，從而對正常輸入信號產生影響。如圖1所示，地回路干擾的大小與兩設備的接地方法直接相關。下面以顯示系統中視頻源分系統與終端顯示分系統的連接情況為例具體分析。

1)若信號源在M點接地，放大器在N點接地，則兩接地點之間存在地電位差Ed，Z1和Z2為信號源與放大器連接導線的阻抗。由圖2可知，加至放大器輸入端的電壓為En=ES+Ed。

導線阻抗Z1和Z2很小，在1 Ω以下;兩接地點之間存在的地阻抗Zd更小，通常取Zd≤0.01 Ω;信號源內阻ZS通常為500 Ω左右，放大器的輸入阻抗ZL約為10 kΩ。由于Z2?ZS+Z1+ZL，從等效電路圖3可得C點到地的電壓為

圖3 等效電路圖

因此，放大器輸入端的干擾電壓為

將式(1)代入式(2)，接地干擾電壓對放大器輸入端的干擾電壓值為

2)將信號源與放大器接地端隔離，相當于在信號源與地之間接入一個很大的阻抗Zsd(加在圖3中的C點與M點之間)。接地干擾電壓Ed通過回路分壓施加在放大器輸入端，其干擾電壓值為

由此可知，視頻信號源與顯示終端放大器連接構成回路時，采用信號源與地隔離的一點接地方式，可抑制接地干擾電壓對(顯示終端)放大器輸入端產生的干擾。相反，如果采用M點接地而N點不接地，即顯示終端放大器所用的電源不接地，這種情況下終端則需要使用差分放大器[7]。

4 接地回路干擾抑制

通過上述理論分析推導，可以提出綜合處理顯示系統地回路干擾策略。這些技術方法是理論與實際相結合的產物，已經在大型顯示系統工程建設、改造實踐中得到檢驗。

1)在與顯示相關的各分系統中，盡可能爭取電源三相負載平衡，從而使得三相電流、電壓基本平衡，避免通過地線形成三相電流相互串擾。

2)從信號源到終端顯示，全系統最好用同一相電源供電，既可抑制相電流串擾，又有利于縮短地線距離，減少接地阻抗。至少要做到各分系統統一接地，確保各分系統內部不存在接地回路串擾電流。

3)盡量減小公共接地阻抗，從而減小地回路干擾對電路正常信號的影響。主要是按照電阻與材料導電率、橫截面積及長度關系的公式，合理確定銅條或銅板的型號，留足冗余。通常將系統設備最遠兩端的地線阻抗限制在0.01 Ω以下。設備至公共地線的連接線選擇:短距離設備用標準的花色地線;長距離設備用銅纜，為了確保人機安全，在銅纜外部套上標準的絕緣套管。

4)如果信號源分系統與終端顯示分系統兩端距離較近，在不影響系統安全的前提下，可采取一點接地方法，這對抑制地回路干擾是行之有效的。一點接地實質是將地回路斷開，所以兩端不再形成接地回路。

5)若信號源分系統與終端顯示分系統兩端距離較遠，可采取專門的信號傳輸技術手段解決地回路干擾。

(1)采用光電耦合器方式傳輸數字視頻信號。光電耦合器在信號傳輸過程中使用光信號，因此切斷了兩電路之間的地回路，這樣即使兩個電路的地電位不同，也不會造成干擾。光電耦合對數字電路特別適用，但在模擬電路中，由于電流與光強的線性關系較差，在傳輸模擬信號時會產生較大的非線性失真。

(2)采用差分信號方式傳輸模擬視頻信號。差分平衡電路有助于抑制接地回路干擾的影響。因為差分器件是按照加在電路兩輸入端的電壓差值工作的。如圖4所示，地電壓Ed同時加于兩輸入端，相應的噪聲電流等量地加于放大器兩輸入端a與b。由于電路是平衡的，每一輸入端對地具有完全相同的阻抗。因此，輸入到a，b兩端的噪聲電流大小相等、方向相反，總的輸入干擾恰好相互抵消，即差分器件對地回路信號不發生響應。從理論上講，假定信號源的內阻為0，地回路干擾電壓可以被抵消掉。

圖4 差分平衡電路

即使信號源與接收端都接地，采用差分平衡電路也能有效抑制接地回路的干擾。在工程實踐中，采用差分信號傳輸模擬視頻信號的技術措施效果很好。該裝置是使用超五類雙絞線作為傳輸介質的長線驅動器，首先將視頻模擬信號轉換為差分信號傳輸，在信號接收端，通過接收器再將差分信號轉換為普通視頻模擬信號。該裝置連入系統后，消除了電源地回路造成的滾道干擾現象，其效果令人滿意。

5 結論

本文闡釋了接地要求、設備接地重要作用，詳細分析了地回路干擾的成因，結合工程實踐成功經驗，提出了行之有效的綜合處理策略。

綜上所述，本文得出以下主要結論:

1)顯示設備的安全接地和信號接地是設備安全穩定運行的基礎。

2)顯示系統設備接地必然導致地回路干擾形成。

3)根據每個系統的具體情況，靈活地采取綜合處理的技術措施，可以有效抑制顯示系統地回路干擾，確保系統的顯示質量。

4)這些結論和技術措施可以為其他電子信息系統建設、改造提供有益的參考。

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