设备控制系统接地技术探讨

罗怀民，赵玉国，巨莎娜

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京100176)

接地是电路或控制系统正常工作的基本技术要求之一，任何电路的电流都要经过接地形成回路，而地线或接地平面总会存在一定的阻抗，该公共阻抗会使两接地点间形成一定的电压，从而引起接地干扰，同时，恰当的接地给高频干扰信号形成阻抗通路，抑制了高频信号对其它电子设备的干扰。一个差的接地系统，可使寄生电压和电流耦合进电路、组件或设备，会使屏蔽很好的单元降低屏蔽效果，使性能良好的滤波不能发挥其优势，而且产生严重的电磁干扰问题。可见，接地即存在接地阻抗而引起的接地干扰，接地又是抑制干扰的一种有效措施。

1 接地基本概念

电路中的“地”一般定义为电路或系统的零电位参考点，它不一定是实际的大地，它可以是设备的外壳或其它金属板、线。在复杂的电控系统中，各单元电路、电子电路，根据工作点的不同，信号的大小，电流的强弱等可以有各种不同的“地”。也就是说，“地”的意义已经不只是设备的外壳必须接大地这样单纯的定义，具有工作方面更广泛的意义，但不管情况多么复杂，在一个系统中各种“地”最终是要统一起来，这正是接地设计中的重点所在。

1.1 对接地平面的要求

接地平面应是零电位，它作为系统中各电路任何位置，所有信号公共点位参考点。现实中虽不存在零阻抗的接地平面，但应减少它的阻抗。良好的接地要求尽量减少多电路公共接地阻抗上所有产生的骚扰电压，同时还要尽量避免形成不必要的地回路。

1.2 地线的阻抗

我们用欧姆表测量地线的电阻时，地线的电阻往往是毫欧姆级，但地线的阻抗引起地线上的各点之间的电位差能够造成电路的误动作，导致电路工作的异常。在直流状态下导线对电流呈现的阻抗称为电阻，而阻抗指的是交流状态下导线对电流的阻抗，这个阻抗主要是由导线的电感引起的，任何导线都有电感，当频率较高时，导线的阻抗远大于直流电阻。在实际电路中，造成电磁干扰的信号往往是脉冲信号，脉冲信号包含丰富的高频成分，在地线上会产生较大的电压，对于数字电路而言，电路的工作频率是很高的，因此地线阻抗对数字电路的影响非常明显。

1.3 接地的目的

接地的基本目的有两个：一个目的是为了安全，称为安全接地。安全接地就是把设备的外壳利用低阻导体连至大地（且一定是接到大地），以防止人员触及设备外壳时产生电击事故。另一个是信号接地，为信号电压提供一个零电位参考点。电磁兼容技术的接地属于信号接地，它不一定通过导体接入大地。一般情况下，信号接地点与安全接地点不应为同一位置，否则信号端将会引入严重的干扰。

1.4 安全接地

电气安全接地包括安全接地和雷电防护接地。对Ⅰ类设备的金属外壳必须通过黄绿双色安全地线接地（接电网电源“地”），并要求接地电阻足够小（R≤4 Ω）。设施的雷电保护系统是一个独立的系统，对设备没有这个要求。

1.5 电磁兼容接地

电磁兼容接地出于电磁兼容设计而要求的接地。可包括a）屏蔽接地：防止电路之间由于寄生电容存在产生相互干扰、电路辐射电场或对外界电场的敏感，进行的隔离和屏蔽，这些隔离和屏蔽的金属必须接地。b）滤波器接地：滤波器中包含信号线或电源线到地的旁路电容必须接地。若不接地时，这些电容就处于悬浮状态，起不到旁路作用。c）噪声和干扰抑制：对内部噪声和外部干扰的控制需要设备或系统上的许多点与地相连，从而为干扰信号提供" 最低阻抗" 通道。d）电路参考：电路之间信号正确传输的公共点位参考点，这个公共点位参考点就是地，因此所有互相连接的电路必须接地。

2 接地基本方法

接地方法有3 种基本形式：浮地、单点接地和多点接地，如图1 所示。这些方法可以单独使用，也可在给定的设备及系统中组合使用（混合接地）。

2.1 浮地

将电路或设备与公共接地平面或可能引起环路的公共导线进行电隔离。它的效果取决于是否做到完全的浮地。实际上，要做到完全的隔离在很多情况下是很困难的，而且完全隔离有时还存在一定的危险。也容易出现静电积累，若人员触及设备外壳会产生静电放电，或者在设备和大地之间产生静电击穿现象，这种放电现象是破坏性很大的强干扰源。为此，对“浮地”提出了一种折衷方法，就是必要时在采用“浮地”的设备与大地之间接入一个电阻值很大（约几兆欧）的泄放电阻，以消除静电积累的危险。

2.2 单点接地

只有一个物理点被定义为接地参考点，其它各个需要接地的点都直接接到这一点上。单点接地系统在概念上是最简单的，能够消除公共阻抗耦合和低频地环路。每一个电路模块都单独地接到一个单点地上，每一个子单元在同一点与机架相连，地线上其它部分的电流不会耦合进电路。

图1 接地的几种方式

2.3 多点接地

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，使接地线的长度最短。由于多点接地系统中形成了各种地线回路，对于设备内同时使用具有较低频率的电路会产生不良的影响。如果出现此情况，可以采用混合接地方法。

2.4 混合接地

将那些只需高频接地的点使用串联电容器把它们和接地平面连接起来。只将需要就近接地的点，就近直接与接地平面相连，其余各点均采用单点接地。单点接地与多点接地的分界常以流通信号波长λ 的0.05 倍为界，凡单点接地线长度达到0.05λ 以上时，就应当用多点接地。

3 信号接地方式应用探讨

在设备控制系统中，信号接地要考虑的问题必较多，凡有信号电路的地线或有信号电流流过的地线都应考虑。

3.1 公用地线串联单点接地

如图2 所示，这种接地方法会形成共地干扰，其大小通过对地线电阻的分析计算可以得出。从防止噪声和抑制干扰的角度出发，这种接地方法是最不适用的。但由于它的线路比较简单，用的场合仍然较多。当各电路的电平相差不大时可以使用，注意要把相对电平较低的电路放在距接地点最近的地方。目前，在我所研制的各类设备中，有三分之一都采用，如印刷类、切割类设备等。

图2 串联单点接地

3.2 独立地线并联单点接地

如图3 所示，这种接地方式的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，最适用于低频电路。缺点是这样做时地线根数多，分别接地，增加了地线长度和地线阻抗，引入较大的接地干扰。同时，也可能造成各地线相互间的电感耦合，且随着频率增加，地线阻抗、地线间的电感电容耦合都会增加，因此不适合高频电路。

图3 并联单点接地

3.3 独立地线并联多点接地

如图4 所示，为了降低地线阻抗，在高频段使用多点接地方式。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。在高频时，由于集肤效应，高频电流只流经机壳表面，即使加大机壳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。另外，在导体面积相同的情况下，为了减少电阻，常用矩形截面导体做成地线带。一般说来，频率在1 MHz 以下可采用一点接地方式，当频率高于10 MHz 应采用多点接地方式；而当频率在二者之间，如用一点接地，其地线长不得超过波长的1/20，否则应用多点接地。

3.4 电路系统的分组接地

图4 独立多点接地

如图5 所示，电路系统在低频时多采用串并联一点接地的综合接法，即在符合噪声标准和简单易行的前提下统筹兼顾，分组接地。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，注意不要把功率相差很大，噪声电平相差很大的电路接入同一组地线。具有相同噪声特性的电路连接在一起，敏感的电路应离单点地最近。为了减少公共阻抗耦合，干扰最大的电路也应最靠近公共点。这种装置减少了所需地线的总数，使高频电路有良好的局部接地，但在那些对公共阻抗耦合不敏感的电路之间会产生一些公共阻抗耦合。当电路板有分开的模拟地和数字地时，应当将二级管背靠背互连以防止电路板上的静电积累，并可以避免当电路断开时两个地不能同步断开造成电路损坏。

图5 串并联分组接地

3.5 混合接地

如图6 所示。当单点接地和多点接地均无法单独满足系统要求时，可以采取由浮地、单点接地和多点接地系统组合而成的混合接地系统。混合接地使用电抗性器件（电感和电容），使接地系统在低频和高频时呈现不同的特性。这在宽带灵敏电路中是必要的。图6（a）为数字电路采用多点接地方式，并通过一根接地线与系统地其它电路单点接地。图6（b）为一个约1 MHz 的电感器用来泄放静电。同时将高频电路与机壳地隔离。图6（c）为电容会沿着电缆每0.1λ 长度安放，可防止高频驻波并避免低频接地环路。当采用图6（b）、图6（c）两种安排时，必须小心避免接地系统中分布电容和电感引起的谐振现象。在使用电抗元件做接地系统的一部分时，应注意寄生谐振的现象，这种谐振会使干扰增强。

图6 混合接地

4 接地设计

根据设备的控制特点，在产品设计之初，就应统筹考虑接地技术和装配工艺。

（1）依实际选择恰当的接地方式及接地点；

（2）消除公共阻抗耦合，避免强弱电路、数字、模拟电路公用地线；

（3）接地线应与接地面良好搭接；

（4）对工作频率很宽的系统要用混合接地；

（5）所有接地线要短，导电良好，避免高阻性；

（6）交直流线不能绑在一起；

（7）需要用同轴电缆传输信号时要通过屏蔽层提供信号回路；

（8）对有大电流突变的继电器等要单独接地以减少对其它电路瞬变耦合；

（9）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；

（10）从安全出发，测试设备的地线直接与被测试设备的地线连接，要确保接地连接装置，应付意外的故障电流。

接地设计除了对人员安全、设备安全的考虑外，也要从抑制干扰的角度多加考虑，实用中，要将接地与屏蔽、滤波、消除公共阻抗耦合等技术配合使用，对提高设备的可靠性和电磁兼容性会起到事半功倍的作用。

5 结束语

电子专用设备种类繁多，与其对应的电气自动化控制技术简繁不一，因此，每种设备的自动控制能否可靠实现，软件程序能否顺利通过，在很大程度上取决于系统接地的可靠性和接地设计的合理性。针对各类设备的情况，有必要对接地技术进行探讨，认真研究，将接地方法规范化，也有必要把接地技术问题看作改善设备可靠性和电磁兼容性的一种有效而经济的方案。

[1] 何立民. 电工手册[M]. 北京：中国建筑工业出版社，1993.

[2] 沙斐.机电一体化系统的电磁兼容技术[M].北京：中国电力出版社，1999.

[3] 杨其华.电器产品检验[M].北京：中国计量出版社，1998.