长线传输与接地技术原理专题

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1、长线传输与接地技术专题长线传输与接地技术专题 1.长线传输干扰与抑制方法 2.接地技术 1.长线传输干扰与抑制方法 （1 1）长线传输干扰长线传输干扰 长线的长线的“ “长长” ”是相对的：取决于集成电路的是相对的：取决于集成电路的 运算速度（速度越快，绝对长度越短）。运算速度（速度越快，绝对长度越短）。 信号在长线中传输遇到三个问题：信号在长线中传输遇到三个问题： 一是长线传输易受到外界干扰，一是长线传输易受到外界干扰， 二是具有信号延时，二是具有信号延时， 三是高速度变化的信号在长线中传输时，三是高速度变化的信号在长线中传输时， 还会出现波反射现象。还会出现波反射现象。 波反射产生的原理波

2、反射产生的原理 阻抗不连续，信号在传输线末端突然遇到阻抗不连续，信号在传输线末端突然遇到 电缆阻抗很小甚至没有，信号在这个地方就会电缆阻抗很小甚至没有，信号在这个地方就会 引起反射。这种信号反射的原理，与光从一种引起反射。这种信号反射的原理，与光从一种 媒质进入另一种媒质要引起反射是相似的。媒质进入另一种媒质要引起反射是相似的。 消除这种反射的方法，就必须在电缆的末消除这种反射的方法，就必须在电缆的末 端跨接一个与电缆的特性阻抗同样大小的终端端跨接一个与电缆的特性阻抗同样大小的终端 电阻，使电缆的阻抗连续。电阻，使电缆的阻抗连续。 传输介质传输介质 双绞线双绞线：双绞线是由两条导线按一定扭距相

3、互绞合在一：双绞线是由两条导线按一定扭距相互绞合在一 起的类似于电话线的传输媒体，每根线加绝缘层并有颜色来起的类似于电话线的传输媒体，每根线加绝缘层并有颜色来 标记。标记。 双绞线的波阻抗一般在双绞线的波阻抗一般在100100至至200200之间，绞花越密，波之间，绞花越密，波 阻抗越低。（波阻抗代表的是单位长度的阻抗值，与其传输阻抗越低。（波阻抗代表的是单位长度的阻抗值，与其传输 线的总长度无关，仅代表该传输线本身的特性）线的总长度无关，仅代表该传输线本身的特性） 同轴电缆同轴电缆：同轴电缆可分为两类：粗缆和细缆，这种电：同轴电缆可分为两类：粗缆和细缆，这种电 缆在实际应用中很广，比如有线电

4、视网，就是使用同轴电缆缆在实际应用中很广，比如有线电视网，就是使用同轴电缆 。不论是粗缆还是细缆，其中央都是一根铜线，外面包有绝。不论是粗缆还是细缆，其中央都是一根铜线，外面包有绝 缘层。缘层。 同轴电缆的波阻抗在同轴电缆的波阻抗在5 50 0至至1 10000之间。之间。 （2 2）长线传输干扰的抑制方法）长线传输干扰的抑制方法 采用终端阻抗匹配或始端阻抗匹配，可以消除采用终端阻抗匹配或始端阻抗匹配，可以消除 长线传输中的波反射或者把它抑制到最低限度。长线传输中的波反射或者把它抑制到最低限度。传传 输线与负载不匹配：传输线功率容量降低；增加传输线与负载不匹配：传输线功率容量降低；增加传 输线

5、的衰减输线的衰减 如果信号源与传输线不匹配，不仅会影响信号如果信号源与传输线不匹配，不仅会影响信号 源的频率和输出的稳定性，而且信号源不能给出最源的频率和输出的稳定性，而且信号源不能给出最 大功率。因此，微波传输系统一定要作到阻抗匹配大功率。因此，微波传输系统一定要作到阻抗匹配 。 终端匹配终端匹配 始端匹配始端匹配 终端匹配终端匹配 在（a）中，如果传输线的波阻抗是 RP，那么当R=RP时，便实现了终端匹 配，消除了波反射。此时终端波形和 始端波形的形状相一致，只是时间上 迟后。由于终端电阻变低，则加大负 载，使波形的高电平下降，从而降低 了高电平的抗干扰能力，但对波形的 低电平没有影响。

6、在（b）中，等效电阻R为 R= R1R2/(R1+R2) 适当调整R1和R2的阻值，可使R=RP 。这种匹配方法也能消除波反射，优 点是波形的高电平下降较少，缺点是 低电平抬高，从而降低了低电平的抗 干扰能力。为了同时兼顾高电平和低 电平两种情况，可选取R1=R2=2RP， 此时等效电阻R=RP。实践中，宁可使 高电平降低得稍多一些，而让低电平 抬高得少一些，可通过适当选取电阻 R1和R2，使R1R2达到此目的，当然 还要保证等效电阻R=RP。 等效电路等效电路 常用终端匹配电路常用终端匹配电路 始端匹配始端匹配 在传输线 始端串入电阻R，如图所示，也能基本上消除反 射，达到改善波形的目的。一

7、般选择始端匹配电阻R为R=RP- PSC ，其中RSC为门A输出低电平时的输出阻抗。 2 2接地技术接地技术 “ “地地” ”是电路或系统中为各个信号提供参考电位的一个等电位是电路或系统中为各个信号提供参考电位的一个等电位 点或等电位面；点或等电位面； “ “接地接地” ”就是将某点与一个等电位点或等电位面之间用低电阻就是将某点与一个等电位点或等电位面之间用低电阻 导体连接起来，构成一个基准电位。导体连接起来，构成一个基准电位。 (1)(1)地线系统分析地线系统分析 什么是地线？什么是地线？ 电子设备的电子设备的“ “地地” ”通常有两种含义：一种是通常有两种含义：一种是“ “大地大地” ”（

8、安全地）（安全地） ，另一种是，另一种是“ “系统基准地系统基准地” ”（信号地）。（信号地）。 “ “接大地接大地” ”就是以地球的电位为基准，并以大地作为零电位，就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接。把电子设备的金属外壳、电路基准点与大地相连接。 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。路。 前者是为了保证人身安全、设备安全而设置的地线；前者是为了保证人身安全、设备安全而设置的地线； 后者是为了保证电路正确工作所设置的地线，造成电路干扰后者是为了保证电路正确工作所设置

9、的地线，造成电路干扰 现象的主要是信号地。现象的主要是信号地。 在进行电磁兼容问题分析时，对地线使用下面的定义：在进行电磁兼容问题分析时，对地线使用下面的定义：“ “地地 线是信号电流流回信号源的地阻抗路径。线是信号电流流回信号源的地阻抗路径。” ” 5.25.2安全地的连接安全地的连接 安全地与信号地安全地与信号地 安全地与信号地是区别的，信号地实际是为系统之安全地与信号地是区别的，信号地实际是为系统之 间信号的传输提供的参考电位，信号地线上电位不间信号的传输提供的参考电位，信号地线上电位不 一定要求与大地的电位保持一致，信号地线仅仅为一定要求与大地的电位保持一致，信号地线仅仅为 信号电流提

10、供了一条输送返回电流的传输路径，是信号电流提供了一条输送返回电流的传输路径，是 系统之间信号传输的公共路径，保证了系统之间信系统之间信号传输的公共路径，保证了系统之间信 号的传输的可靠。而安全地是为了保证系统或人身号的传输的可靠。而安全地是为了保证系统或人身 的安全而设置的，安全地一般要求通过导线与大地的安全而设置的，安全地一般要求通过导线与大地 直接相连接。安全地线上的电位要与大地的电位保直接相连接。安全地线上的电位要与大地的电位保 持一致。持一致。 在计算机控制系统中，一般有以下几种地线：模拟地、数字在计算机控制系统中，一般有以下几种地线：模拟地、数字 地、安全地、系统地、交流地。地、安全

11、地、系统地、交流地。 模拟地模拟地作为传感器、变送器、放大器、作为传感器、变送器、放大器、A/DA/D和和D/AD/A转换器中模转换器中模 拟电路的零电位，所有组件的模拟地最终都归结到供给模拟电路拟电路的零电位，所有组件的模拟地最终都归结到供给模拟电路 电流的直流电源的参考点上。电流的直流电源的参考点上。 数字地数字地作为计算机中各种数字电路的零电位，应该与模拟地作为计算机中各种数字电路的零电位，应该与模拟地 分开，避免模拟信号受数字脉冲的干扰，所有组件的数字地最终分开，避免模拟信号受数字脉冲的干扰，所有组件的数字地最终 都与供给数字电路电流的直流电源的参考点相连。都与供给数字电路电流的直流电

12、源的参考点相连。 安全地安全地的目的是使设备机壳与大地等电位，以避免机壳带电的目的是使设备机壳与大地等电位，以避免机壳带电 而影响人身及设备安全。通常安全地又称为保护地或机壳地，机而影响人身及设备安全。通常安全地又称为保护地或机壳地，机 壳包括机架、外壳、屏蔽罩等。壳包括机架、外壳、屏蔽罩等。 系统地系统地就是上述几种地的最终回流点，直接与大地相连。众就是上述几种地的最终回流点，直接与大地相连。众 所周知，地球是导体而且体积非常大，因而其静电容量也非常大所周知，地球是导体而且体积非常大，因而其静电容量也非常大 ，电位比较恒定，所以人们把它的电位作为基准电位，也就是零，电位比较恒定，所以人们把它

13、的电位作为基准电位，也就是零 电位。电位。 交流地交流地是计算机交流供电电源地，即动力线地，它的地电位是计算机交流供电电源地，即动力线地，它的地电位 很不稳定。在交流地上任意两点之间，往往很容易就有几伏至几很不稳定。在交流地上任意两点之间，往往很容易就有几伏至几 十伏的电位差存在。另外，交流地也很容易带来各种干扰。因此十伏的电位差存在。另外，交流地也很容易带来各种干扰。因此 ，交流地绝对不允许分别与上述几种地相连，而且交流电源变压，交流地绝对不允许分别与上述几种地相连，而且交流电源变压 器的绝缘性能要好，绝对避免漏电现象。器的绝缘性能要好，绝对避免漏电现象。 接地理论接地理论分析，低频电路应单

14、点接地，高频电路应就近多点分析，低频电路应单点接地，高频电路应就近多点 接地。接地。 当频率小于当频率小于1MHz1MHz时，可以采用单点接地方式；（因为布线和时，可以采用单点接地方式；（因为布线和 器件间的电感影响较小，而接地电路形成的环流对干扰影响较大器件间的电感影响较小，而接地电路形成的环流对干扰影响较大 ，因而应采用一点接地，因而应采用一点接地 ） 当频率高于当频率高于10MHz10MHz时，可以采用多点接地方式。（因为接地时，可以采用多点接地方式。（因为接地 引线的感抗与频率和长度成正比，工作频率高时将增加共地阻抗引线的感抗与频率和长度成正比，工作频率高时将增加共地阻抗 ，必将增大共

15、地阻抗产生的电磁干扰，所以要求地线的长度尽量，必将增大共地阻抗产生的电磁干扰，所以要求地线的长度尽量 短。采用多点接地时，尽量找最接近的低阻值接地面接地）短。采用多点接地时，尽量找最接近的低阻值接地面接地） 在在1 1至至10MHz10MHz之间，如果用单点接地时，其地线长度不得超过之间，如果用单点接地时，其地线长度不得超过 波长的波长的1/201/20，否则应使用多点接地。，否则应使用多点接地。 单点接地的目的是避免形成地环路，地环路产生的电流会引单点接地的目的是避免形成地环路，地环路产生的电流会引 入到信号回路内引起干扰。入到信号回路内引起干扰。 地环路产生的原因地环路产生的原因：地环路干

16、扰发生在通过较长电：地环路干扰发生在通过较长电 缆连接的相距较远的设备之间，其产生的内在原因是设缆连接的相距较远的设备之间，其产生的内在原因是设 备之间的地线电位差，地线电压导致了地环路电流，由备之间的地线电位差，地线电压导致了地环路电流，由 于电路的非平衡性，地环路电流导致对电路造成影响的于电路的非平衡性，地环路电流导致对电路造成影响的 差模干扰电压。差模干扰电压。 回流法单点接地回流法单点接地：模拟地、数字地、安全地：模拟地、数字地、安全地( (机壳机壳 地地) )的分别回流法。的分别回流法。 回流线往往采用汇流条而不采用一般的导线。汇流回流线往往采用汇流条而不采用一般的导线。汇流 条是由多层铜导体构成，截面呈矩形，各层之间有绝缘条是由多层铜导体构成，截面呈矩形，各层之间有绝缘 层。采用多层汇流条以减少自感，可减少干扰的窜入途层。采用多层汇流条以减少自感，可减少干扰的窜入途 径。安全地径。安全地( (机壳地机壳地) )始终与信号地始终与信号地( (模拟地、数字地模拟地、数字地) )是