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1、第十一讲 地回路干扰及其抑制措施,龚建强西安电子科技大学2012年4月13号,11.1 地回路干扰,接地公共阻抗产生的干扰 两个不同的接地点之间存在一定的电位差，称为地电压。这是由于两接地点之间总有一定的阻抗，地电流流经接地公共阻抗，在其上产生了地电压，此地电压直接加到电路上形成共模干扰电压。如图1所示的接地回路，来自直流电源或者高频信号源的电流经接地面返回。由于接地面的公共阻抗非常小，所以在电路的性能设计时往往不予考虑。但是，对电磁骚扰而言，在回路中必须考虑接地面阻抗的存在。,图1 公共阻抗引起的骚扰,图1中干扰回路和被干扰回路之间存在一个公共阻抗Zi，该公共阻抗上存在的电压为UiZiI1Z
2、iI2。对被干扰回路而言， ZiI1是电磁骚扰电压,而ZiI2是对负载电压降的分压，由于RL2|Zi|，因此，一般情况下ZiI2对负载电压降的影响可以忽略不计，仅考虑I1所引起的电磁骚扰电压对负载的作用。若不考虑被干扰回路的电流I2在接地公共阻抗Zi上的作用，即令U20，则电路1中的电流I1在接地公共阻抗Zi上产生骚扰电压Ui，此电压降使被干扰回路的负载RL2受到骚扰，其骚扰电压为,地回路干扰,可见被干扰回路的负载RL2受到的骚扰是电路1骚扰源U1的函数。实例1：假设采用电缆槽作为接地面，将两个电路的地线均接到电缆槽上，接地点间的公共地阻抗Zi0.32 ；电路1发送定时脉冲，电压信号源幅度为5
3、 V，频率为100 kHz； 信号源的内阻为100 ；负载阻抗为10 ；被干扰回路的信号源内阻为100 ；负载端是内含传感器的显示装置，阻抗为100 ；显示器的灵敏度为1 mV。求被干扰回路的负载(显示装置)上可能受到的干扰电压值。【解】根据公式(11-1)有,地回路干扰,(11-1),可见，干扰电压Un的值远远大于显示器的灵敏度1 mV，因此显示器不能正常工作。此例表明，在电子电路的设计和布局中，必须给予公共地阻抗足够的重视。地电流与地电压的形成电子设备一般采用具有一定面积的金属板作为接地面，由于各种原因在接地面上总有接地电流通过，而金属接地板两点之间总存在一定的阻抗，因而产生接地干扰电压。
4、可见，接地电流的存在是产生接地干扰的根源。接地电流产生的原因主要有(1)导电耦合引起接地电流：用电设备中采用两点接地或多点接地时形成接地回路，接地电流将流过接地回路，如图2所示,地回路干扰,图2 导电耦合的地电流回路,(2)电容耦合形成接地电流：由于电路元件、器件、构件与接地面之间存在杂散电容(分布电容)，通过杂散电容可以形成接地回路，电路中的电流总会有部分电流泄漏到接地回路中，如图3所示。(3)电磁耦合形成感应电流：当电路中的线圈靠近设备壳体时，壳体相当于只有一匝的二次线圈，它和一次线圈之间形成变压器耦合，机壳内因电磁感应将产生接地电流，而且不管线圈的位置如何，只要有变化磁通通过壳体，就会产
5、生感应电流。,地回路干扰,图3 导电耦合的地电流回路,(4)金属导体的天线效应形成地电流：辐射电磁场照射到金属导体时，由于金属导体的接收天线效应，使金属导体上产生感应电动势，如果金属体是箱体结构，那么由于电场作用，在平行的两个平面上将产生电位差，使箱体有接地电流流过，该金属箱体同回路连接时，就会形成有接地电流通过的电流回路。当采用传输线连接的设备置于地面附近时，如图4所示，外界电磁场作用于传输线，使传输线上形成共模干扰电压源，进一步在公共地阻抗上形成干扰电压；或者，通过传输线与接地面形成的导电回路中的电磁场随着时间变化，也会在传输线上形成干扰。,地回路干扰,图4 电磁波在传输线上 形成共模干扰
6、,综上可知，接地公共阻抗、传输线或者金属机壳的天线效应等因素，使地回路中存在共模干扰电压，该共模干扰电压通过地回路作用到受害电路的输入端，形成地回路干扰。,地回路干扰,11.2 电路的接地点选择,放大器与信号源的接地点选择 图5表示一个信号源与放大器连接的电路。如果信号源在A点接地，放大器在B点接地，则两接地点A、B之间存在地电位差UG。RC1和RC2为信号源与放大器连接导线的电阻。由图可见，此时加至放大器输入端的电压为UNUSUG。,图5 放大器与信号源接地点的选择,为了剔除地电压的干扰，应采用一点接地。如果采用A点接地，而B点不接地，即放大器所用的电源不接地，此时需要使用差分放大器。通常比
7、较方便的一点接地方式是选择B点接地，而A点不接地。,图5中，导线电阻RC1和RC2一般很小，通常在1以下，取RC1 RC2 1。两接地点A、B之间存在的地电阻RG更小，比如取RG0.01。信号源的内阻RS一般为500。设放大器的输入阻抗为10k，图5所示电路的等效电路可用图6来表示。因为RC2RC2RG，所以式(11-3)中的干扰电压值将大幅度降低，即信号源与地隔离且放大器与地相连时，放大器输入端的干扰电压小得多。理想的隔离阻抗为无穷大，此时放大器输入端的干扰电压值为零。如果ZSG1 M，根据式(11-3)计算得，UN0.0095V。综上可见，信号源与放大器连接构成电路时，采用信号源与地隔离的
8、一点接地方式，可抑制接地干扰电压对放大器输入端产生的干扰。多级电路接地点的选择一般来说，电子设备中的低电平级电路是最易受到干扰的电路，因此，接地点的选择也应使低电平级电路受干扰最小。,电路的接地点选择,(11-3),比较式图7所示的A、B、C三级电路，其电平关系为ABC。图7(a)为接地点o选择在靠近高电平级电路的c端；图7(b)为接地点o选择在靠近低电平级电路的a端。多级电路接地点选择在靠近高电平级电路端(图7(a)时，低电平级电路端a点的电位为 Uao(RabjLab)Ia(RbcjLbc)(IaIb) (RcojLco)(IaIbIc)(11-4),电路的接地点选择,图7 多级电路接地点
9、的选择,式中，Rab、Rbc、Rco和Lab、Lbc、Lco分别表示ab、bc、co各段接地线的电阻及电感。接地点选择在靠近低电平级电路输入端时，低电平级电路a点的电位为 Uao(RaojLao)(IaIbIc) (11-5) 比较式(11-4)和式(11-5)知|Uao|Uao|。这说明接地点选择在靠近低电平级电路的输入端时，电路受地电位差的干扰最小，因为这时a点电位只受ao段地线阻抗的影响。因此多级电路的接地点应选择在低电平级电路的输入端。谐振回路接地点的选择并联谐振回路内部的电流是其外部电流的Q倍(Q为谐振回路的品质因数)，所以谐振回路内部的电流有时是非常大的，如果把谐振回路的电感L和电
10、容C分别接地，如图8所示，在接地回路中将有高频大电流通过，会产生很强的地回路干扰。,电路的接地点选择,如果将谐振回路的电感L和电容C取一点接地，使谐振回路本身形成一个闭合回路，如图9所示，此时高频大电流将不通过接地面，从而有效地抑制了地回路干扰。因此，谐振回路必须单点接地。,电路的接地点选择,图8 谐振回路的错误接地,图9 谐振回路的正确接地,11.3 地回路干扰的抑制措施,隔离变压器隔离变压器是通过阻隔地回路的形成来抑制地回路干扰的，如图10所示，其等效电路如图11所示，分析方法基于线性电路的叠加原理。,图10 采用隔离变压器阻隔地回路,图11 隔离变压器阻隔地回路的等效电路,(11-6),
11、由(11-6)有可见当CRL1时，|UN/UG|1。所以在定频时提高隔离变压器的抗干扰能力，可通过减小变压器绕组间的分布电容C实现。如在变压器之间加一电屏蔽(图11)就可以有效地减小绕组之间的分布电容C，从而有效阻隔了地回路的干扰。为防止UG通过电屏蔽层与绕组之间的分布电容耦合加至负载RL，造成干扰，电屏蔽层应接至负载RL的接地端。须指出，采用隔离变压器不能传输直流信号，也不适于传输频率很低的信号。但是，隔离变压器对地线中较低频率的干扰具有很好的抑制能力。同时，电路中的信号电流只在变压器绕组连线中流过，因此可避免对其它电路的干扰。,地回路干扰的抑制措施,(11-7),纵向扼流圈因为隔离变压器使
12、直流和低频信号无法通过，而图12所示的纵向扼流圈(Longitudinal Choke)(或称为中和变压器(Neutra-lizing Transformer)，可以通过直流或低频信号，对地回路共模干扰电流呈现出相当高的阻抗，使其受到抑制。,地回路干扰的抑制措施,图12 采用纵向扼流圈阻隔地回路,纵向扼流圈是由两个绕向相同、匝数相同的绕组所构成，一般常用双线并绕而成。信号电流在两个绕组流过时方向相反，称为异模电流，产生的磁场相互抵消，呈现低阻抗，即扼流圈对信号电流不起扼流作用，并且不切断直流回路。地线中的干扰电流流经两个绕组的方向相同，称为共模电流，产生的磁场同向相加。扼流圈对地回路干扰电流呈
13、现高阻抗，起到抑制地回路干扰的作用。信号源电压US通过纵向扼流圈并经连接线电阻RC1、RC2接至负载RL。纵向扼流圈可用电感L1、L2及互感M表示。若扼流圈的两个绕阻完全相同，且在同一个铁芯上构成紧耦合，则有L1L2M。UG是地电位差或地线环路经磁耦合形成的地回路电压。首先分析纵向扼流圈对信号电压US的影响，此时可将UG短路。因RC1与RL串联，且RC1 RL,故RC1可忽略不计，图12(b)等效电路可简化为图13的形式。,地回路干扰的抑制措施,由流经RC2、L2入地的下回路可得 (ISIG)(RC2jL2)ISjM0 (11-8)用ML2L代入上式并经整理得,地回路干扰的抑制措施,图13 纵
14、向扼流圈对信号电压US的影响,(11-9),或式中c称为扼流圈的截止角频率，当c时，|IG|0.707|IS|；当 c时，只有小部分信号流经地线。一般认为，当5 c时，IG0，这时绝大部分信号电流经RC2、L2入地。可进一步列出上回路方程：因ML1L2 ，可得信号电流,地回路干扰的抑制措施,(11-10),(11-11),(11-12),(11-13),因为RC2L，且当5c时，IG0，所以，式(11-13)可简化为因此，当扼流圈的电感足够大，使信号频率5c(cRC2/L)时，可认为加入扼流圈对信号传输没有影响。而分析纵向扼流圈对地回路电压UG的抑制作用，根据线性电路的叠加原理，此时可将信号源US短路，等效电路如图14所示。,地回路干扰的抑制措施,(11-14),图14 纵向扼流圈对地回路电压UG的影响,未加扼流圈时，地回路干扰电压UG全部加到RL上。加扼流圈后，流经扼流圈两个绕组的干扰电流分别为I1、I2，在负载RL上的干扰电压UNI1RL。由I1回路得 UGjL1I1jMI2I1RL由I2回路得 UGjL2I2jMI1I2RC2联立求解(11-15)和(11-16)可得由UNI1RL，考虑到RC2RL，(11-17)可写为或,
