第5章电磁干扰的抑制(接地).ppt

第,5,章,:,抑制电磁干扰的接地技术,第,5,章 抑制电磁干扰的接地技术,5,.,1,接地的概念,5.2,基本接地方式,5.3,屏蔽体接地,5.4,地回路干扰及其抑制,5.5,搭接,5.1,接地的概念,指,电路或系统的电位基准面（相对电位零点）,接地的两种含义：,（,1,）,电气接地（强电）：提供放电通路,。,（,2,）,系统基准“地”指电路、设备、或系统与“地”所,建立的,低阻通路,。如设备外壳、金属底座、屏,蔽罩、粗铜线、铜带等。,什么是地,？,220V,0V,Z,2,Z,1,U,1,U,2,机箱,Z,1,+,Z,2,Z,2,U,2,U,1,Z,1,:,高压部件与机箱间的阻抗；,Z,2,:,机箱与大地之间的阻抗。,若不接地，,Z,2,为无限大，机箱,电压就是电源电压，,危险,!,若接地，,Z,2,=,0,，,U,2,=,0,安全,安全地,说明,：,避免因静电感应，使机壳上积累过多电荷，产生高电压，导致设备内部放电造成干扰；,为操作人员提供安全保障。,地线,电路中的电位参考点（相对电位零点）,传统定义：,地线,信号电流流回电源的,低阻抗,路径,新定义：,信号地,单点接地,多点接地,混合接地,悬浮接地,信号接地方式,串联单点接地,并联单点接地,信号接地方式的种类,1.,单点接地（低频,）,5.2,基本,接地方式,(1),串联单点接地,优点,:,结构简单，易于实现,。,缺点,:,各点的地电位相互影,响较大，最容易引起,干扰。,实践处理,:,具有最低接地电平的电路放在,最靠近接地点的地 方；,敏感设备放在最靠近接地点的,地方；,大功率电路与小功率电路的混,合系统，应避免单点接地,。,N1,N2,N3,R,1,R,2,R,3,I,1,I,2,I,3,A,B,C,接地点的选择,接地点靠近最低电平电路,N1,N2,N3,R,1,R,2,R,3,I,1,I,2,I,3,A,B,C,接地点靠近最高电平电路,N1,N2,N3,R,1,R,2,R,3,I,1,I,2,I,3,A,B,C,(2),并联单点接地,优点,:,各电路互相不影响,缺点,:,1),结构复杂、不便于使用；,2,）,各地线间可能形成电容,性和电感性耦合。,结论,：单点接地只适用于低频电路,当,l,接近于,/4,时，有很强的天线效应，向外辐射；,高频时分布电容与分布电感的影响，难以实现真正的单点,接地。,各电路的地电位,R,1,R,2,R,3,N1,N2,I,1,I,2,I,3,N3,A,B,C,R,1,R,2,R,3,N1,N2,I,1,I,2,I,3,N3,A,B,C,2.,多点接地（高频,）,说明,:,多点接地，应尽可能减少接地线长度，使高频阻抗减,至最小。一般情况下，电子设备往往以镀银版作为接,地子母线，以减少表面阻抗。,各电路的地电位,优点,:,接地线较短，适用于高频及数字电路。,缺点,:,形成各种地回路，可能造成地回路干扰。,R,2,N2,I,2,B,L,1,N1,I,1,A,R,3,I,3,N3,C,L,2,L,3,R,1,结论,：,不能采用,A,、,B,两点接地。,R,C1,A,R,C2,U,S,B,U,G,R,S,R,G,R,L,信号源与放大器都接地,R,L,U,N,R,G,U,G,R,C1,R,S,R,C2,等效电路,A,B,通常,则,故,单点接地对噪声的抑制,在信号源的,接地端接入一阻抗,Z,SG,当,则,故,R,C1,A,R,C2,U,S,B,U,G,R,S,R,G,R,L,信号源端接入一阻抗,Z,SG,R,L,U,N,R,G,U,G,R,C1,R,S,R,C2,等效电路,A,B,Z,SG,且,当 时，,例：,设,R,C1,R,C2,1,、,R,S,500,、,R,L,10k,、,R,G,=0.01,、,U,G,=10mV,，试计算在放大器输入端的干扰电压值。,若,在信号源与地之间加一个很大的阻抗,Z,SG,=1M,，,则,解：,接地干扰电压几乎全部施加于放大器输入端的输入端,有效,抑制了地干扰对放大器输入端的影响。,小结,：,单点接地适用于低频，多点接地适用于高频；,当 时，一般采用单点接地；,当 时，一般采用多点接地；,当 时，一般采用单点接地；,如果电路对电压降很敏感，则接地线长度应比 更小；,若电路只是一般敏感，则接地线可大于 。,第一类接地系统：,敏感信号和小信号接地系统。包括低电平、小信号检测、传感器输入、前级放大、混频器电路等。,第二类接地系统：,非敏感信号或大信号接地系统，包括高平电路、末级放大器电路以及大功率电路。,（,1,）,不同,接地系统的特点,特点,：,特别容易受到干扰，出现电路失效或电路性能降低，接地导线应尽量避免混杂其他电路。,特点,：,必须将其与小信号接地线分开设置。,3.,混合接地,按照电路各自的特点，对不同的电路采用不同的接地方式。,第三类接地系统：,干扰源器件、设备的接地系统。如电动机、继电器、火花塞等。,第四类接地系统：,机壳、设备底座、系统金属构架等。,注意,：,工程实践中，模电、数电以及信号地必须分别设置。直,流与交流地必须分别设置。,特点,：,干扰频带宽、瞬态电平高。除屏蔽外，必须与其它接地分开设置。,特点,：,保证人身安全和设备工作的稳定。,(,2,),低频电路的串、并联混合接地,低电平电路,串联接地,高电平、强噪声电平电路,串联接地,机箱、机架,串联接地,并联接地,G,低电平电路,高电平、强噪声电平电路,机箱、机架,机架,2,机架,1,机箱,机箱,(,3,),高、低频电路单点与多点混合接地,低频,：,电容的阻抗大,单点接地,高频,：,电容的阻抗小,多点接地,N1,N2,N3,低频单点、高频多点混合接地,如,：,抗高频干扰的低频传输屏 蔽电缆。,低频单点、高频多点混合接地,如图，某电路，为一低电平视频电路，在从音频到高频下，实现了低频单点、高频多点，避免了低频地电流回路的形成。,音频端,高频端,N1,N2,大地或车辆的接地面,注意,:,避免电容与引线电感发生谐振。,高频：,电感的阻抗大,单点接地,低频：,电感的阻抗小,多点接地,N1,N2,N3,高频单点、低频多点混合接地,如,：,多个机箱安全接地，高频电路则单点接地。,低频多点、高频单点混合接地,如图，某电路，计算机及其外设，一般需要导线接地。但是容易引起电气干扰，通过加线圈（,1mH,：,f,=,50Hz,，,Z,0.4,；,f,=,50k,1 MHz,，,Z,约为,1K,）,这种方式有助于抑制地线中的感应、瞬变和干扰进入逻辑总线,4.,浮地,设备地线系统在电气上与大地相绝缘。,N1,信号地,安全地,N2,N3,利用悬浮机壳内的屏蔽层降低地回路干扰,机壳,屏蔽层,可以避免安全接地回路中,的干扰电流影响信号接地,回路。,可以减少由于地电流引起,的共模干扰；,优点,：,缺点,：,N1,信号地,安全地,N2,N3,减少由于不当的接地而产,生的干扰；,对传导干扰也有较好的抑,制作用。,不能适应复杂的电磁环境，特,别是对于一个较大的电子系,统，对地的分布电容较大，不,能做到真正的悬浮；,雷击、静电感应时，会击穿绝,缘，甚至引起弧光放电。,5.3,屏蔽体接地,1.,单层屏蔽盒的接地,放大器输出端电压，形成反馈，此反,馈不除，放大器将产生自激震荡。,2,C,1S,1,C,2S,C,3S,U,N,U,3,3,Z,in,1,2,3,C,2S,C,3S,C,1S,U,3,Z,in,消除此干扰的方法,：屏蔽盒与放大器,的公共端短接。,注意,：,这种连接方式在放大器公共端不接地也适用。,通常 ，则,2.,双层屏蔽盒的接地,3.,电缆屏蔽层的接地,(1),放大器接地，信号源不,接地,f,1MHz,时，电缆一般采,取,一端接地。,四种可能的接地方式：,A,、,B,、,C,、,D,结论,：方式,D,最好,方式,A,干扰会直接流入一条芯线，产生干扰，,不合适,。,U,S,U,G1,U,G2,A,B,C,D,1,2,C,1S,C,12,C,2S,方式,B,C,1S,U,G2,U,G1,1,2,U,N,屏,蔽,体,B,C,2S,等效电路,C,12,方式,C,仍然不理想,方式,D,U,S,U,G1,U,G2,A,B,C,D,1,2,C,1S,C,12,C,2S,C,1S,U,G2,U,G1,1,2,U,N,屏,蔽,体,C,C,2S,C,12,C,1S,U,G2,U,G1,1,2,U,N,屏,蔽,体,D,C,2S,C,12,U,S,U,G1,U,G2,A,B,C,D,1,2,C,1S,C,12,C,2S,(2),放大器不接地，信号源接地,结论,：方式,A,最好,小结：,当电路有一个接地信号源与一个不接地的放大器连接时，,连接电缆的屏蔽层接地应接至信号源的公共端；,当电路有一个不接地信号源与一个接地的放大器连接时，,连接电缆的屏蔽层接地应接至放大器的公共端。,5.4,地回路干扰及其抑制,1.,地回路干扰,由地回路中的共模干扰电压在受害回路输入端引起的干扰电压。,地回路干扰的来源,:,共地阻抗的共模干扰；,场对导线的共模干扰。,地回路干扰模型,信号电流,电路,1,电路,2,U,G,地电流,I,G,I,S,Z,G,地回路耦合系数,:,计算地电流的等效电路,U,G,I,G,Z,G,Z,C,Z,S,Z,L,干扰源电压,地阻抗,负载阻抗,线路阻抗,电源阻抗,地电流的计算,2.,地回路干扰抑制技术,在信号回路中使用隔离变压器,在信号回路中使用中和变压器,（,共模扼流圈）,在信号线上使用磁环,在数据线路中使用光电耦合器或光纤,使用差分放大器,原理,：,地回路被隔离变压器阻隔,分析,：,由于绕组间存在,分布电容,，,仍会产生一定干扰,或,讨论,:,当 时，,对低频干扰有较好的抑制能力,提高抑制干扰能力的措施,:,减少绕组间的分布电容；,降低负载阻抗,C,U,G,R,L,干扰等效电路,电路,1,电路,2,U,G,C,电路模型,隔离变压器对,地回路干扰的抑制,当 时，,适用范围,:,，即,电路,1,电路,2,U,G,C,结论,：,不能传输直流信号，对低频信号影响较大。因此，对直流,和低频信号电路不宜采用。,对低频干扰有较好的抑制能力；,变压器的初、次级之间有寄生电容，对高频干扰的抑制效,果不好；,结构,：,两个绕向相同、匝数相同的绕组构成,电路,2,电路,1,扼流圈的一种安装方式,电路模型,信号电流,电路,1,电路,2,U,G,地电流,U,G,U,S,M,L,1,L,2,R,C1,R,C2,R,L,等效电路,共模扼流圈,对,地回路干扰的抑制,对于流过接地线的共模干扰电流，流经两线电流方向相同,所产生的磁场相长，故,扼流圈对回路干扰电流呈现高阻,抗，起到抑制地回路的作用。,对于正常信号，流过的电流相反，所产生的磁场相消，,对电流没有影响，且不会切断直流回路；,原理：,电路模型,信号电流,电路,1,电路,2,U,G,地电流,U,G,U,S,M,L,1,L,2,R,C1,R,C2,R,L,等效电路,对干扰信号的抑制,设两绕组上的电流分别为,I,1,、,I,2,，则,（令,U,S,0,）,U,G,M,L,1,L,2,R,C1,R,C2,R,L,等效电路,在一般情况下,当 时，,得,故,扼流圈的截止频率,I,2,I,1,对信号的影响,设两绕组上的电流分别为,I,S,、,I,G,，则,（令,U,G,0,）,结论,：,对高频干扰具有较好的抑制能力,得,U,S,M,L,1,L,2,R,C1,R,C2,R,L,等效电路,I,G,I,S,I,S,-,I,G,当 时,原理,：同纵向扼流圈,结论,：,信号电流主要流经同轴线的,屏蔽层,得,当 时，,分析,：由,A,R,S,L,S,B,A,构成的,回路中,同轴线的截,止频率,电路,1,电路,2,U,G,Z,G,M,L,S,I,1,R,S,R,L,等效电路,I,G,I,S,A,B,I,S,I,1,I,G,同轴电缆,对,地回路干扰的抑制,铁氧体磁环是高导磁率和高电阻率的材料，对高频干扰有很好的抑制损耗，而对低频电路的损耗较小。,对共模干扰的抑制,电路,1,电路,2,U,G,Z,G,电路,1,电路,2,U,G,Z,G,对异模干扰的抑制,在信号线上使用铁氧体磁环,用光电耦合器断开地回路,电路,1,电路,2,U,G,Z,G,光电耦合器对信号的传输,利用发光二极管的发光强度随通过它的电流的变化特征，把电路,1,的信号变换成强弱不同的光信号；光敏三极管再把强弱不同的光信号转换成信号电流，从而完成电路,1,和电路,2,之间的信号传输。,使用光电耦合器抑制地回路干扰,用光电耦合器断开地回路,电路,1,电路,2,U,G,Z,G,光电耦合器对干扰的抑制,光电耦合器利用光来传输信息，从输入端传送到输出端的光电耦合器件使得输入和输出在电气上完全隔绝，因而能有效地抑制干扰。,光电耦合器适用于数字电路，不适用于模拟电路。,光电耦合器的输入,输出端之间的杂散电容（,0.3pF10pF,）,限制了光电耦 合器在高频端的使用。,使用光电耦合器抑制地回路干扰,用光纤消除地回路耦合,电路,1,电路,2,U,G,Z,G,光纤的优点是具有无感应性和高度隔离性，相当于在共模地回路中引入一个高阻抗，能从比值上消除干扰，常用于作强电磁干扰环境中的信号传输线以及作微弱检测信号传输线。,光纤,对,地回路干扰的抑制,差分放大器的输出电压,当两个输入端对地平衡时，即为差分平衡器件。,电路连接,电路,1,电路,2,U,G,Z,G,K,U,0,=,K,（,U,1,U,2,）,U,0,输入端,U,1,U,2,1,2,输出端,公共端,差分放大器示意图,K,使用差分放大器抑制地回路干扰,对干扰的抑制,，则,通常,若,，且,，则,R,G,R,C,1,R,C,2,U,1,U,2,B,R,L,2,R,S,R,L,1,A,U,G,U,0,R,C,1,R,G,R,L,2,R,L,1,R,S,R,C,2,U,1,U,2,U,S,U,G,B,A,等效电路,例,：,U,G,=100mV,，,R,G,=0.1,，,R,S,=500,R,C1,=,R,C2,=1,，,R,L1,=,R,L2,=10K,，求,U,N,=,？,若,R,L1,=R,L2,=100K,时,U,N,=,？,解,：,当,，则,R,G,R,C,1,R,C,2,U,1,U,2,B,R,L,2,R,S,R,L,1,A,U,G,U,0,R,C,1,R,G,R,L,2,R,L,1,R,S,R,C,2,U,1,U,2,U,S,U,G,B,A,改进电路,R,R,其中,如此，大为减少干扰，同时对信号而言，也没有增加输入阻抗。,搭接,：,两个金属物体之间的结构连接。,减小设备间的电位差；,减小接地阻抗、降低接地公共阻抗干扰和地回路干扰；,实现屏蔽、滤波和接地技术的设计目的；,防止雷电放电的危害、保护设备等的安全；,避免静电放电。,5.5,搭接,目的,：,为电流提供一个电气上连续的结构面和低阻抗通路。,2.,良好搭接的作用,：,1.,搭接的概念,搭接阻抗的影响,L,B,R,B,搭接的高频等效电路,C,B,不良搭接的影响,干扰,源,敏感,设备,L,R,B,C,L,B,C,若,影响滤波效果,3.,不,良搭接的影响,间接搭接,:,采用搭接条或者其他辅助导体将两个金属物体,连接起来。,4.,搭接的类型,直接搭接,：,两金属表面直接接触。,5.,搭接的方法,永久性搭接,：利用铆接、熔焊、压接等工艺方法使两个金属,物体保持固定连接。,半永久性搭接,：利用螺栓、螺钉、夹具等辅助器件使两个金,属物体保持连接。,间接搭接,:,采用搭接条或者其他辅助导体将两个金属物体,连接起来。,直接搭接,：,两金属表面直接接触。,永久性搭接,：利用铆接、熔焊、压接等工艺方法使两个金属,物体保持固定连接。,半永久性搭接,：利用螺栓、螺钉、夹具等辅助器件使两个金,属物体保持连接。,搭接的类型,搭接的方法,数字电压表,1uV20mV,恒流源,2A,机柜,导线电感,寄生电容,搭接电阻的测试,