电路中的接地与抗干扰电路技术

接地技术在现代电子领域方面得到了广泛而深入的应用。电子设备的“地”通常有两种含义：一种是“大地”（安全地），另一种是“系统基准地”（信号地）。接地就是指在系统与某个电位基准面之间建立低阻的导电通路。“接大地”是以地球的电位为基准，并以大地作为零电位，把电子设备的金属外壳、电路基准点与大地相连。由于大地的电容非常大，一般认为大地的电势为零。开始的时候，接地技术主要应用在电力系统中，后来，接地技术延伸应用到弱电系统中。在弱电系统中的接地一般不是指真实意义上与地球相连的接地。对于电力电子设备将接地线直接连在大地上或者接在一个作为参考电位的导体上，当有电流通过该参考电位时，接地点是电路中的共用参考点，这一点的电压为0V，电路中其他各点的电压高低都是以这一参考点为基准的，一般在电路图中所标出的各点电压数据都是相对接地端的大小，这样可以大大方便修理中的电压测量。相同接地点之间的连线称为地线。把接地平面与大地连接，往往是出于以下考虑：提高设备电路系统工作的稳定性，静电泄放，为工作人员提供安全保障。接地的目的：安全考虑，即保护接地。为信号电压提供一个稳定的零电位参考点（信号地或系统地）屏蔽保护作用。

一、 接地的类型和作用
不同的电路有不相同的接地方式，电子电力设备中常见的接地方式有以下几种：
    1、安全接地
安全接地即将高压设备的外壳与大地连接。一是防止机壳上积累电荷，产生静电放电而危及设备和人身安全，例如电脑机箱的接地，油罐车那根拖在地上的尾巴，都是为了使积聚在一起的电荷释放，防止出现事故；二是当设备的绝缘损坏而使机壳带电时，促使电源的保护动作而切断电源，以便保护工作人员的安全，例如电冰箱、电饭煲的外壳。三是可以屏蔽设备巨大的电场，起到保护作用，例如民用变压器的防护栏。
    2、防雷接地
当电力电子设备遇雷击时，不论是直接雷击还是感应雷击，如果缺乏相应的保护，电力电子设备都将受到很大损害甚至报废。为防止雷击，我们一般在高处（例如屋顶、烟囱顶部）设置避雷针与大地相连，以防雷击时危及设备和人员安全。安全接地与防雷接地都是为了给电子电力设备或者人员提供安全的防护措施，用来保护设备及人员的安全。
    3、工作接地
工作接地是为电路正常工作而提供的一个基准电位。这个基准电位一般设定为零。该基准电位可以设为电路系统中的某一点、某一段或某一块等。当该基准电位不与大地连接时，视为相对的零电位。但这种相对的零电位是不稳定的，它会随着外界电磁场的变化而变化，使系统的参数发生变化，从而导致电路系统工作不稳定。当该基准电位与大地连接时，基准电位视为大地的零电位，而不会随着外界电磁场的变化而变化。但是不合理的工作接地反而会增加电路的干扰。比如接地点不正确引起的干扰，电子设备的共同端没有正确连接而产生的干扰。
为了有效控制电路在工作中产生各种干扰，使之能符合电磁兼容原则。我们在设计电路时，根据电路的性质，可以将工作接地分以下为不同的种类，比如直流地、交流地、数字地、模拟地、信号地、功率地、电源地等。不同的接地应当分别设置。不要在一个电路里面将它们混合设在一起，例如数字地和模拟地就不能共一根地线，否则两种电路将产生非常强大的干扰，使电路陷入瘫痪！
    4、信号地
信号地是各种物理量信号源零电位的公共基准地线。由于信号一般都较弱，易受干扰，不合理得接地会使电路产生干扰，因此对信号地的要求较高。
    5、模拟地
模拟地是模拟电路零电位的公共基准地线。模拟电路中有小信号放大电路，多级放大，整流电路，稳压电路等等，不适当的接地会引起干扰，影响电路的正常工作。模拟电路中的接地对整个电路来说有很大的意义，它是整电路正常工作的基础之一。所以模拟电路中合理的接地对整个电路的作用不可忽视。
    6、数字地
数字地是数字电路零电位的公共基准地线。由于数字电路工作在脉冲状态，特别是脉冲的前后沿较陡或频率较高时，会产生大量的电磁波干扰电路。如果接地不合理，会使干扰加剧，所以对数字地的接地点选择和接地线的敷设也要充分考虑。
    7、电源地
电源地是电源零电位的公共基准地线。由于电源往往同时供电给系统中的各个单元，而各个单元要求的供电性质和参数可能有很大差别，因此既要保证电源稳定可靠的工作，又要保证其它单元稳定可靠的工作。电源地一般是电源的负极。
    8、功率地
功率地是负载电路或功率驱动电路的零电位的公共基准地线。由于负载电路或功率驱动电路的电流较强、电压较高，如果接地的地线电阻较大，会产生显著的电压降而产生较大的干扰，所以功率地线上的干扰较大。因此功率地必须与其它弱电地分别设置，以保证整个系统稳定可靠的工作。
    9、屏蔽接地
屏蔽与接地应当配合使用，才能起到良好的屏蔽效果。主要是为了考虑电磁兼容，典型的两种屏蔽是静电屏蔽与交变电场屏蔽，下面分别介绍：
        静电屏蔽：当用完整的金属屏蔽体将带电导体包围起来，在屏蔽体的内侧将感应出与带电导体等量异种的电荷，外侧出现与带电导体等量的同种电荷，因此外侧仍有电场存在。如果将金属屏蔽体接地，外侧的电荷将流入大地，金属壳外侧将不会存在电场，相当于壳内带电体的电场被屏蔽起来了。

        交变电场屏蔽：为减少交变电场对敏感电路（比如多级放大电路、RAM、ROM电路）的耦合干扰电压，可以在干扰源和敏感电路之间设置导电性好的金属屏蔽体，或将干扰源、敏感电路分别屏蔽，并将金属屏蔽体接地。只要金属屏蔽体良好接地，能极大的减小交变电场对敏感电路的耦合干扰电压，这样电路就能正常工作了。

屏蔽接地在生产生活中有着广泛的应用，下面我们来一起探讨：
电路的屏蔽罩接地
各种信号源和放大器等易受电磁辐射干扰的电路应设置屏蔽罩。由于信号电路与屏蔽罩之间存在寄生电容，因此要将信号电路地线末端与屏蔽罩相连，以消除寄生电容的影响，并将屏蔽罩接地，以消除共模干扰。

电缆的屏蔽层接地
在某些通信设备中的弱信号传输电缆中，为了保证信号传输过程中的安全和稳定，使用外面带屏蔽网的电缆来使信号的传输稳定，防止干扰其他设备和防止自己被干扰。例如闭路电视使用的是同轴电缆，外面的金属网是用来屏蔽信号的。再如网线里面有8根细金属导线绕制的，其中4根就起屏蔽的作用，保证信号的数字信号地正确。

网线的绕制上就可以看到它的屏蔽作用
低频电路电缆的屏蔽层接地
低频电路电缆的屏蔽层接地应采用单点接地的方式，屏蔽层接地点应当与电路的接地点一致,一般是电源的负极。对于多层屏蔽电缆，每个屏蔽层应在一点接地，但各屏蔽层应相互绝缘。

高频电路电缆的屏蔽层接地
高频电路电缆的屏蔽层接地应采用多点接地的方式。高频电路的信号在传递中会产生严重的电磁辐射，数字信号的传输会严重地衰减，如果没有良好的屏蔽，会使数字信号产生错误。一般采用一下原则：当电缆长度大于工作信号波长的0.15倍时，采用工作信号波长的0.15倍的间隔多点接地式。如果不能实现，则至少将屏蔽层两端接地。

系统的屏蔽体接地
当整个系统需要抵抗外界电磁干扰，或需要防止系统对外界产生电磁干扰时，应将整个系统屏蔽起来，并将屏蔽体接到系统地上。例如电脑的机箱、敏感电子仪器、某些仪表。

设备地
在现在的电子设备中，要出色地完成特定的工作，往往含有多种电路，比如低电平的信号电路（如高频电路、数字电路、小信号模拟电路等）、高电平的功率电路（如供电电路、继电器电路等）。为了安装电路板和其它元器件、为了抵抗外界电磁干扰而需要设备具有一定机械强度和屏蔽效能的外壳。

这些较复杂的设备接地是一般要遵循以下原则：
        50Hz电源零线应接到安全接地螺栓处，对于独立的设备，安全接地螺栓设在设备金属外壳上，并有良好电气连接；为防止机壳带电，危及人身安全，绝对不允许用电源零线作地线代替机壳地线。
        为防止高电压、大电流和强功率电路（如供电电路、继电器电路）对低电平电路（如高频电路、数字电路、模拟电路等）的干扰，一定要将他们的将它们分开接地，并保证接地点之间的距离。前者为功率地（强电地），后者为信号地（弱电地），信号地分为数字地和模拟地，数字地与模拟地要分开接地，最好采用单独电源供电并分别接地，信号地线应与功率地线和机壳地线相绝缘。
        信号地线可另设一个和设备外壳相绝缘信号地接地螺栓，该信号地螺栓与安全接地螺栓的连接有三种方法，选用那种方法取决于接地的效果：一种是不连接，而成为浮地式，由于浮地的效果不好，建议不采用；二是直接连接成为单点接地式，注意是在低频电路中采用单点接地；三是通过1-3μF电容器连接，而成为直流浮地式，交流接地式。其它的接地最后全部汇聚在安全接地螺栓上，该点应位于交流电源的进线处，然后通过接地线将接地极可靠地埋在土壤中。

系统地
工业现场动力线路密布，设备启停运转繁忙，因此存在严重的电场和磁场干扰。而工业控制系统又有几十乃至几百个输入输出通道分布在其中，导线之间形成相互耦合是通道干扰的主要原因之一。它们主要表现为电容性耦合、电感性耦合、电磁场辐射三种形式。系统接地就是使系统建立与大地的连接，是电子电力设备防止这些干扰并正常地工作。
        系统的接地应当注意以下几点：参照设备的接地注意事项；设备外壳用设备外壳地线和机柜外壳相连； 机柜外壳用机柜外壳地线和系统外壳相连；对于系统，安全接地螺栓设在系统金属外壳上，并保持良好电气连接；
当系统内机柜、设备过多时，将导致数字地线、模拟地线、功率地线和机柜外壳地线过多，对此，可以考虑铺设两条互相并行并和系统外壳绝缘的半环形接地母线，一条为信号地母线，另一条为屏蔽地及机柜外壳地母线；系统内各信号地就近接到信号地母线上，系统内各屏蔽地及机柜外壳地就近接到屏蔽地及机柜外壳地母线上；两条半环形接地母线的中部靠近安全接地螺栓，屏蔽地及机柜外壳地母线接到安全接地螺栓上；信号地母线接到信号地螺栓上；母线的电气性能要良好，电阻要尽可能的小。
        当系统用三相电源供电时，由于各负载用电量和用电的不同时性，如果不接地，必然导致三相不平衡，造成三相电源中心点电位偏移，为此将电源零线接到安全接地螺栓上，迫使三相电源中心点电位保持零电位，从而防止三相电源中心点电位偏移所产生的干扰。
        工作接地线应采用铜芯绝缘导线或电缆，不得利用镀锌扁铁或金属软管；工作接地线与保护接地线，必须分开，保护接地导体不得利用金属软管；埋设时，将接地极打入地表层一定深度倒入盐水，地线周围最好全部采用炭粉实埋，用来增强导电性；一般系统接地电阻小于4Ω，共点接地电阻小于1Ω，移动设备，接地电阻不大于10Ω。