設備控制系統接地技術探討

羅懷民，趙玉國，巨莎娜

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京100176)

接地是電路或控制系統正常工作的基本技術要求之一，任何電路的電流都要經過接地形成回路，而地線或接地平面總會存在一定的阻抗，該公共阻抗會使兩接地點間形成一定的電壓，從而引起接地干擾，同時，恰當的接地給高頻干擾信號形成阻抗通路，抑制了高頻信號對其它電子設備的干擾。一個差的接地系統，可使寄生電壓和電流耦合進電路、組件或設備，會使屏蔽很好的單元降低屏蔽效果，使性能良好的濾波不能發揮其優勢，而且產生嚴重的電磁干擾問題。可見，接地即存在接地阻抗而引起的接地干擾，接地又是抑制干擾的一種有效措施。

1 接地基本概念

電路中的“地”一般定義為電路或系統的零電位參考點，它不一定是實際的大地，它可以是設備的外殼或其它金屬板、線。在復雜的電控系統中，各單元電路、電子電路，根據工作點的不同，信號的大小，電流的強弱等可以有各種不同的“地”。也就是說，“地”的意義已經不只是設備的外殼必須接大地這樣單純的定義，具有工作方面更廣泛的意義，但不管情況多么復雜，在一個系統中各種“地”最終是要統一起來，這正是接地設計中的重點所在。

1.1 對接地平面的要求

接地平面應是零電位，它作為系統中各電路任何位置，所有信號公共點位參考點。現實中雖不存在零阻抗的接地平面，但應減少它的阻抗。良好的接地要求盡量減少多電路公共接地阻抗上所有產生的騷擾電壓，同時還要盡量避免形成不必要的地回路。

1.2 地線的阻抗

我們用歐姆表測量地線的電阻時，地線的電阻往往是毫歐姆級，但地線的阻抗引起地線上的各點之間的電位差能夠造成電路的誤動作，導致電路工作的異常。在直流狀態下導線對電流呈現的阻抗稱為電阻，而阻抗指的是交流狀態下導線對電流的阻抗，這個阻抗主要是由導線的電感引起的，任何導線都有電感，當頻率較高時，導線的阻抗遠大于直流電阻。在實際電路中，造成電磁干擾的信號往往是脈沖信號，脈沖信號包含豐富的高頻成分，在地線上會產生較大的電壓，對于數字電路而言，電路的工作頻率是很高的，因此地線阻抗對數字電路的影響非常明顯。

1.3 接地的目的

接地的基本目的有兩個：一個目的是為了安全，稱為安全接地。安全接地就是把設備的外殼利用低阻導體連至大地（且一定是接到大地），以防止人員觸及設備外殼時產生電擊事故。另一個是信號接地，為信號電壓提供一個零電位參考點。電磁兼容技術的接地屬于信號接地，它不一定通過導體接入大地。一般情況下，信號接地點與安全接地點不應為同一位置，否則信號端將會引入嚴重的干擾。

1.4 安全接地

電氣安全接地包括安全接地和雷電防護接地。對Ⅰ類設備的金屬外殼必須通過黃綠雙色安全地線接地（接電網電源“地”），并要求接地電阻足夠小（R≤4 Ω）。設施的雷電保護系統是一個獨立的系統，對設備沒有這個要求。

1.5 電磁兼容接地

電磁兼容接地出于電磁兼容設計而要求的接地?？砂╝）屏蔽接地：防止電路之間由于寄生電容存在產生相互干擾、電路輻射電場或對外界電場的敏感，進行的隔離和屏蔽，這些隔離和屏蔽的金屬必須接地。b）濾波器接地：濾波器中包含信號線或電源線到地的旁路電容必須接地。若不接地時，這些電容就處于懸浮狀態，起不到旁路作用。c）噪聲和干擾抑制：對內部噪聲和外部干擾的控制需要設備或系統上的許多點與地相連，從而為干擾信號提供" 最低阻抗" 通道。d）電路參考：電路之間信號正確傳輸的公共點位參考點，這個公共點位參考點就是地，因此所有互相連接的電路必須接地。

2 接地基本方法

接地方法有3 種基本形式：浮地、單點接地和多點接地，如圖1 所示。這些方法可以單獨使用，也可在給定的設備及系統中組合使用（混合接地）。

2.1 浮地

將電路或設備與公共接地平面或可能引起環路的公共導線進行電隔離。它的效果取決于是否做到完全的浮地。實際上，要做到完全的隔離在很多情況下是很困難的，而且完全隔離有時還存在一定的危險。也容易出現靜電積累，若人員觸及設備外殼會產生靜電放電，或者在設備和大地之間產生靜電擊穿現象，這種放電現象是破壞性很大的強干擾源。為此，對“浮地”提出了一種折衷方法，就是必要時在采用“浮地”的設備與大地之間接入一個電阻值很大（約幾兆歐）的泄放電阻，以消除靜電積累的危險。

2.2 單點接地

只有一個物理點被定義為接地參考點，其它各個需要接地的點都直接接到這一點上。單點接地系統在概念上是最簡單的，能夠消除公共阻抗耦合和低頻地環路。每一個電路模塊都單獨地接到一個單點地上，每一個子單元在同一點與機架相連，地線上其它部分的電流不會耦合進電路。

圖1 接地的幾種方式

2.3 多點接地

一個系統中各個接地點都直接接到距它最近的接地平面上，使接地線的長度最短。由于多點接地系統中形成了各種地線回路，對于設備內同時使用具有較低頻率的電路會產生不良的影響。如果出現此情況，可以采用混合接地方法。

2.4 混合接地

將那些只需高頻接地的點使用串聯電容器把它們和接地平面連接起來。只將需要就近接地的點，就近直接與接地平面相連，其余各點均采用單點接地。單點接地與多點接地的分界常以流通信號波長λ 的0.05 倍為界，凡單點接地線長度達到0.05λ 以上時，就應當用多點接地。

3 信號接地方式應用探討

在設備控制系統中，信號接地要考慮的問題必較多，凡有信號電路的地線或有信號電流流過的地線都應考慮。

3.1 公用地線串聯單點接地

如圖2 所示，這種接地方法會形成共地干擾，其大小通過對地線電阻的分析計算可以得出。從防止噪聲和抑制干擾的角度出發，這種接地方法是最不適用的。但由于它的線路比較簡單，用的場合仍然較多。當各電路的電平相差不大時可以使用，注意要把相對電平較低的電路放在距接地點最近的地方。目前，在我所研制的各類設備中，有三分之一都采用，如印刷類、切割類設備等。

圖2 串聯單點接地

3.2 獨立地線并聯單點接地

如圖3 所示，這種接地方式的各電路的地電位只與本電路的地電流及地線阻抗有關，不受其它電路的影響，最適用于低頻電路。缺點是這樣做時地線根數多，分別接地，增加了地線長度和地線阻抗，引入較大的接地干擾。同時，也可能造成各地線相互間的電感耦合，且隨著頻率增加，地線阻抗、地線間的電感電容耦合都會增加，因此不適合高頻電路。

圖3 并聯單點接地

3.3 獨立地線并聯多點接地

如圖4 所示，為了降低地線阻抗，在高頻段使用多點接地方式。為了降低電路的地電位，每個電路的地線應盡可能縮短，以降低地線阻抗。在高頻時，由于集膚效應，高頻電流只流經機殼表面，即使加大機殼厚度也不能降低阻抗。為了在高頻時降低地線阻抗，通常要將地線和公共地鍍銀。另外，在導體面積相同的情況下，為了減少電阻，常用矩形截面導體做成地線帶。一般說來，頻率在1 MHz 以下可采用一點接地方式，當頻率高于10 MHz 應采用多點接地方式；而當頻率在二者之間，如用一點接地，其地線長不得超過波長的1/20，否則應用多點接地。

3.4 電路系統的分組接地

圖4 獨立多點接地

如圖5 所示，電路系統在低頻時多采用串并聯一點接地的綜合接法，即在符合噪聲標準和簡單易行的前提下統籌兼顧，分組接地。低電平電路經一組共同地線接地，高電平電路經另一組共同地線接地，注意不要把功率相差很大，噪聲電平相差很大的電路接入同一組地線。具有相同噪聲特性的電路連接在一起，敏感的電路應離單點地最近。為了減少公共阻抗耦合，干擾最大的電路也應最靠近公共點。這種裝置減少了所需地線的總數，使高頻電路有良好的局部接地，但在那些對公共阻抗耦合不敏感的電路之間會產生一些公共阻抗耦合。當電路板有分開的模擬地和數字地時，應當將二級管背靠背互連以防止電路板上的靜電積累，并可以避免當電路斷開時兩個地不能同步斷開造成電路損壞。

圖5 串并聯分組接地

3.5 混合接地

如圖6 所示。當單點接地和多點接地均無法單獨滿足系統要求時，可以采取由浮地、單點接地和多點接地系統組合而成的混合接地系統?；旌辖拥厥褂秒娍剐云骷姼泻碗娙荩菇拥叵到y在低頻和高頻時呈現不同的特性。這在寬帶靈敏電路中是必要的。圖6（a）為數字電路采用多點接地方式，并通過一根接地線與系統地其它電路單點接地。圖6（b）為一個約1 MHz 的電感器用來泄放靜電。同時將高頻電路與機殼地隔離。圖6（c）為電容會沿著電纜每0.1λ 長度安放，可防止高頻駐波并避免低頻接地環路。當采用圖6（b）、圖6（c）兩種安排時，必須小心避免接地系統中分布電容和電感引起的諧振現象。在使用電抗元件做接地系統的一部分時，應注意寄生諧振的現象，這種諧振會使干擾增強。

圖6 混合接地

4 接地設計

根據設備的控制特點，在產品設計之初，就應統籌考慮接地技術和裝配工藝。

（1）依實際選擇恰當的接地方式及接地點；

（2）消除公共阻抗耦合，避免強弱電路、數字、模擬電路公用地線；

（3）接地線應與接地面良好搭接；

（4）對工作頻率很寬的系統要用混合接地；

（5）所有接地線要短，導電良好，避免高阻性；

（6）交直流線不能綁在一起；

（7）需要用同軸電纜傳輸信號時要通過屏蔽層提供信號回路；

（8）對有大電流突變的繼電器等要單獨接地以減少對其它電路瞬變耦合；

（9）對信號線、信號回線、電源系統回線以及底板或機殼都要有單獨的接地系統，然后可以將這些回線接到一個參考點上；

（10）從安全出發，測試設備的地線直接與被測試設備的地線連接，要確保接地連接裝置，應付意外的故障電流。

接地設計除了對人員安全、設備安全的考慮外，也要從抑制干擾的角度多加考慮，實用中，要將接地與屏蔽、濾波、消除公共阻抗耦合等技術配合使用，對提高設備的可靠性和電磁兼容性會起到事半功倍的作用。

5 結束語

電子專用設備種類繁多，與其對應的電氣自動化控制技術簡繁不一，因此，每種設備的自動控制能否可靠實現，軟件程序能否順利通過，在很大程度上取決于系統接地的可靠性和接地設計的合理性。針對各類設備的情況，有必要對接地技術進行探討，認真研究，將接地方法規范化，也有必要把接地技術問題看作改善設備可靠性和電磁兼容性的一種有效而經濟的方案。

[1] 何立民. 電工手冊[M]. 北京：中國建筑工業出版社，1993.

[2] 沙斐.機電一體化系統的電磁兼容技術[M].北京：中國電力出版社，1999.

[3] 楊其華.電器產品檢驗[M].北京：中國計量出版社，1998.