电子仪器的接地方法

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电子仪器均有交直流电源回路、信号输入及输出回路，这些回路经常处于强电电流用电设备运行时产生的电弧和火花、无线电波、电晕、磁暴等造成的杂散电磁场内，因而受到干扰。为了减少这种干扰和抑制噪声，保证电子仪器稳定可靠地工作，接地是最简单易行的方法。而且电子仪器接地，也可防止电击。

1．电子仪器接地的种类

接地种类主要分四种。

①信号接地　信号接地是用接地的方法为信号回路建立基准电位，以平衡信号的有无、放大倍数的高低和保持信号处于稳定状态。在数字电路中，“0”、“1”脉冲的转换也需要一个基准面作基础。这种以地作为基准面的接地，称为逻辑接地。

②功率接地　将交、直流电源造成的干扰泄入大地的接地称为功率接地，通过接地，将交、直流电源的传导来的信号，包括内部过电压的信号和耦合信号，予以消除或抑制。由于电源回路相对于电子回路来说是强功率，所以称为功率接地。滤波器能消除强功率电路造成的干扰，滤波器的接地也属于功率接地。

③屏蔽接地　为了防止外来电磁场干扰和与电气回路直接耦合产生的干扰，将电子屏蔽外壳或电子设备内、外的屏蔽线接地称为屏蔽接地。

④保护接地　为了防止人身电击而设置的接地。

2．电子仪器接地电阻的要求

电子仪器的接地电阻，除特殊要求的电子仪器另有规定外，一般将上述各种接地组合在一起，其接地电阻不大于4Ω。

①电子仪器采用一点接地　若电子仪器采用一点接地，是将工频交流接地和防雷接地一并采用共同接地极，其接地电阻不大于1Ω。

当采用共同接地，如电子仪器由架空线供电、建筑物接闪时，雷电流通过共同接地装置流入大地，在建筑物内部受到的纵向电压为

式中　Im——雷电流幅值，kA；

Zd——接地极阻抗，Ω；

Za——设备纵向输入电阻，Ω；

ZL——架空线特性阻抗，Ω；

h——导线对地高度，m；

r——导线半径，cm。

一般情况下，Im＝150kA，Zd＝5Ω，Za＝5kΩ，ZL＝300Ω，则UA近似为750kV，超过安全电压很多。因此当电子仪器的接地与防雷接地采用共同接地装置时，采用架空线供电是不安全的。

②电子仪器采用两点接地　将仪器接地与防雷接地分开设置，这时两者相互距离最好在20m以上。对于抗干扰较强的电子仪器，可根据其抗干扰能力，酌量减小电子仪器接地与防雷接地间的距离，但最小不能小于5m。

③电子仪器采用三点接地　这是在两点接地的基础上增设屏蔽接地。屏蔽接地根据电子仪器的不同要求决定是否设置。如设置单独屏蔽接地装置，则其接地电阻一般为30Ω。

采用埋地的金属护套电缆供电，当建筑物接闪时，流入地中的雷电流，一部分通过电缆金属外皮及接地装置向地下流散。由于电缆外皮的屏蔽作用，可认为外部电磁场在电缆芯线和护套间会产生感应电压，电缆外皮上受到冲击电压作用，芯线和护套间呈现冲击电压：

式中　IC——电缆外皮上的冲击电流峰值，kA；

R——电缆外皮单位长度的直流电阻，Ω／km；

ρ——土壤电阻率，Ω·m；

K——分散系数，其值见表1。

表1　分散系数K

设备所承受的纵向冲击电压

式中　ZA——设备纵向输入阻抗，Ω；

ZZO——电缆线芯与护套的特性阻抗，Ω。

一般情况下，ZA≥ZZO，可近似地认为UA＝UZO。

如IC＝50kA，R＝0．7Ω／m，ρ＝100Ω·m，K＝1，则UA＝2．1kV，在仪器上呈现的纵向冲击电压比采用架空进线小很多。因此为了避免雷击时遭受反击和保证仪器安全，应采用埋地金属外皮电缆供电。

3．电子仪器的接地措施

（1）仪器线路所用电缆

仪器线路常用的电缆为双绞线型的。屏蔽双绞线对电缆的低频信号有较好的屏蔽性能，广泛用于电子仪器的信号线路，如模数转换系统的信号线、光电转换系统中从测量器件到控制柜的信号线等。

（2）仪器用电缆线路的接地

电缆线路的接地方式与流过电缆中的电流频率有关，在1MHz及以下，采用单点接地方式；高于1MHz时，采用多点接地。

①1MHz及以下电缆线路的接地方式信号电缆和低频电缆的屏蔽层应一点接地，因为电缆的屏蔽层如有一个以上的接地点，就会产生干扰电流。图1（a）、（b）中的屏蔽双绞线对电缆，如两点接地，屏蔽层上将流过电流，该电流在电缆芯线上产生耦合电压，形成干扰源。图1（c）、（d）中的同轴电缆屏蔽层上流过电流时，将在屏蔽层的电阻上形成电压降，这个电压降就是电压干扰源，因此只能将屏蔽层一点接地。对接地点，当电路中有一个不接地的信号源与一个接地（不一定接大地）的放大器相连时，输入端的屏蔽层应接放大器的公共端，如图1（a）、（c）。当不接地的放大器与接地的信号源相连时，信号源的输出端应接地，使放大器输入端没有干扰电压，如图1（b）、（d）所示。

图1　1MHz及以下电缆接地方式

②1MHz以上电缆线路的地方式　对于屏蔽双绞线对接电缆，高频集肤效应使干扰电流在屏蔽层外表面流动，而信号电流在屏蔽层内表面流动，从而减少屏蔽层上信号电流和干扰电流的耦合。为了保证屏蔽层为地电位，采用多点接地方式，如图2（a）所示。对于同轴电缆，多点接地能提高高频状态下的磁屏蔽能力，如图2（b）所示。

图2　1MHz以上电缆接地方式

（3）屏蔽层注意事项

屏蔽层必须接地，如不接地，由于寄生耦合，其干扰程序比不带屏蔽层更严重，使导线增加干扰。

4．电子仪器的接地系统

电子仪器的接地系统包括电子仪器本身及其直流电源设备的接地极的布置和接地导线的连接方式。接地系统一般分为三种形式：辐射式接地系统、环式接地系统和混合式接地系统。

（1）接地系统形式的确定

一般根据接地引线长度和电子设备的工作频率来确定，其主要的判据参数为下述的接地线表面的射频电阻RF和接地线的高频阻抗Z：

式中　μ——接地线相对于铜的磁导率；

f——电子设备工作频率，Hz；

G——接地线相对于铜的电导率；

l——从电子设备到接地极的接地线长度，m；

b——接地线宽度，mm；

λ——波长，m，其值为3×10＾8／f。

①当？l＜λ／20，Z≈RF，频率在1MHz以下时，采用辐射式接地系统；

②当l＞λ／20？，频率在10MHz以上时，采用环式接地系统；

③当？l＝λ／20，频率在1～10MHz时，采用混合式接地系统。

无论采用何种接地系统，为了防止接地线可能出现的射频干扰，接地线的长度l不能采用λ／4或4／λ的奇数倍。

（2）辐射式接地系统

采用一点接地，即电子设备及线路上的每一个接地点只接地一次，可避免环路电流、瞬时电流的影响。具体做法如图3所示。信号地线、功率地线、保护地线等都接到总接地端子板上；然后，各自分开以辐射式接到各电子仪器设备机架上，再从机架上以辐射式接到本机架的各个印刷电路板上。由于信号地线、功率地线、保护地线彼此分开，互不成通路，不会造成各回路间的直接耦合，避免了回路间干扰及电源中性线不平衡电流及故障电流通过接地系统造成的干扰。在这种系统中，屏蔽接地采用单端接地，消除了回路间的电容耦合。

图3 辐射式接地系统

这种接地系统与防雷接地系统分开，两者在地下的接地极和引出的线路均要求相距15m及以上，以免雷击时通过接地系统对电子设备产生危险的影响和干扰。

（3）环式接地系统

采用等电位连接，消除各接地点的电位差，避免彼此之间产生干扰。在工业企业和民用建筑中，高频、高功率的电子仪器设备的应用日益增多，建筑物之间的间距比较小，防雷接地装置与电子设备接地装置相距15m难以做到。

①辐射式接地系统已不适应建筑物内电子仪器的接地，这是因为辐射式接地系统要求屏蔽接地单端接地，而目前高频设备增多，1MHz的屏蔽接地则要求多点接地；在建筑物内电子设备随机连接，各种地线纵横交错，要求彼此间截然分开也非易事；在高层建筑中，要将各种接地线分开，会造成地线过多过长，易于接收干扰，尤其是高频设备，通过电容耦合，即使分开而彼此距离相近时，同样会造成回路间的干扰。

②采用环式接地系统，如图4所示，是将安装电子仪器设备建筑物内的各种接地线以及外部导电部分，如暖气管、自来水管及建筑物内的钢筋，用适当的导体连接到统一的地线环上。

图4　环式接地系统

（4）环式接地系统的措施

为了减少干扰，尽可能消除各接地点间的电位差，应做到以下几点：

①电源设备的中性线要用绝缘线，不应与其他金属设备接触；

②交流电源采用TN－S系统，只有PE线才能接到接地环上，变压器中性点也接到接地环上，但外部导电部分不能与变压器中性点相连；

③接地环采用120mm×0．35mm或80mm×0．35mm铜箔，使接地环上电压降不超过1mV；

④接到接地环的地线要采用最短途径，并用截面足够的铜导体；

⑤屏蔽线对电缆及同轴电缆的屏蔽层都采用两端接地；

⑥为了避免接地环上流过50Hz及其谐波的强电流，防干扰（例如荧光灯）的电容器不要接到相线L与机壳间，而接在相线L及N线之间及N线与机壳之间，接有PE线的机壳上所产生的电容电流取决于N线和PE线之间的电位差，由于负荷电流是经N线流回的，而N线和PE线之间的电位差很小，因此可有效地防止电容性谐波电流流过机壳，避免对电子设备的干扰。

⑦防雷接地环与电子设备接地环多点连接，使电子设备受雷击时处于等电位，同时可以减少跨步电压和接触电压。

⑧在电子设备内每个盘的、上、下、左、右四周有一个地线环条，信号地线、功率地线都连接到其上。各地线环条相连，电子设备的机架和保护地线也接到这个地线环条上。最后由一个接地端子与接地干线相连。

（5）混合式接地系统

在电子仪器设备内为辐射式接地，即将电子设备内的信号地线、功率地线及保护地线各自分开，连接到电子设备内的接地端子板，然后由接地端子板以一点连接到接地环上，如图5所示。

图5 混合式接地系统

5．电子仪器接地极的选用

电子仪器设备的接地极采用地下水平敷设，做成耙形或星形。接地极水平敷设的每根线之间及与地之间形成电容，高频电流很快流散到地中去，形成零电位，即可提供以零电位为基准的电位，可防止干扰，减少噪声，达到电磁兼容的要求。耙形接地极的接地效果最佳，其布置如图6所示。

图6 耙形接地极

常用的工业电子仪器有示波器、无线电测量设备及高频电热设备等。这些仪器设备都要采取接地措施及要求。

（1）采取的接地要求

无线电测量仪器的接地主要不是为了人身安全，而是为了测量的准确性。因为高频电压对人体并无伤害，而且这种设备的外壳即使不接地并与地保持绝缘时，其设备外壳与地形成电容，当频率高时，电容的电抗值减小，到频率非常高时，就等于接地。

①为了减小杂散电流对仪表读数的影响，最好还是用短而粗的导线与地相连，一般采用6mm2的铜线。

②接线的长度要考虑设备所发射的波长。当频率为30MHz时，其1／4波长仅为2．5m，如接地线的长度为2．5m或其奇数倍时，接地线上就会产生驻波，其一端为对地电压，另一端则可能高达数百伏，容易发生人身事故。同时，由驻波所产生的电能发射，可能对电信及电视设备产生干扰，所以接地线长度最好限制在1／4波长之内。

③如无法达到上述要求时，接地线的长度可超过1／4波长，但不能为1／4波长的奇数倍。

（2）对示波器的接地措施

在示波器内，一般是将偏转极接地。示波器的高压电源往往可达30kV以上，为了减少危险，必须将示波器的电源部分放在一个多孔的金属板组成的屏蔽箱内，然后再进行接地。当用示波器检验高频电流的波形时，由于高频杂散磁场经常发生不能聚焦的现象，此时必须采用金属屏蔽线，并将屏蔽线的金属外皮两端接地。

（3）对高频电热设备的接地措施

高频电热设备的频率一般为10～60MHz，主要用在木材胶合及塑料热合工业方面。

也可采用与示波器同样的接地措施。

（4）对于所有检测用的工业电子仪器的接地

为了达到检测的准确性，避免受到杂散电流的影响，最好在设备附近设置专门接地极，然后再与总接地干线连接起来。接地电阻要求不超过10Ω。

①对于个别电子仪器，如产品说明书对接地电阻值有特别要求者，则根据要求进行接地。

②对于高频电热仪器设备，由于频率较高，能量又大，往往对无线电造成干扰。消除这种干扰最有效的方法是把整个高频设备屏蔽起来。屏蔽设施最好在一点与接地极连接。如果同时有几点接地，在接地线连接处的过渡电阻可能不均匀，引起各接地点间产生不平衡电流，使屏蔽措施受到干扰。

③向电子仪器供电的线路应采用网路滤波器，网路滤波器要适当接地。从防止无线电干扰的要求来看，只要接地电阻不超过20Ω就可以了。