地线干扰与设计

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1、 地线干扰与设计由于地环路干扰是由地环路电流导致的,因此在实践中,有时会发现,当将一个设备的地线断开时,干扰现象消失,这是因为地线断开时,切断了地环路。这种现象往往发生在干扰频率较低的场合,当干扰频率高时,短开地线与否关系不大。1 什么是地线？地线有安全地和信号地两种。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。造成电路干扰现象的主要是信号地,因此这里仅讨论信号地的问题。信号地的一般定义是：电路的电位参考点。更恰当地说,这个定义是我们设计电路时的一个假设。从这个定义是无法分析和理解一些地线干扰问题的。从现在开始,我们在分析电磁兼容问题时,使用下面的定义

2、。地线是信号电流流回信号源的地阻抗路径。既然地线是电流的一个路径,那么根据欧姆定律,地线上是有电压的;既然地线上有电压,说明地线不是一个等电位体。这样,我们在设计电路时,关于地线电位一定的假设就不再成立,因此电路会出现各种错误。这就是地线干扰的实质。2 地线的阻抗有多大？一个难以理解的问题是,我们在设计地线时,都使地线的电阻很小,那么地线上的电位差怎么会大到导致电路出错的程度。理解这个问题,要理解地线阻抗的组成。地线的阻抗Z由电阻部分和感抗部分两部分组成,即：Z = RAC + jL。电阻成分：导体的电阻分为直流电阻RDC和交流电阻RAC。对于交流电流,由于趋肤效应,电流集中在导体的表面,导致

3、实际电流截面减小,电阻增加,直流电阻和交流电阻的关系如下： RAC= 0.076rf1/2RDC式中：r=导线的半径,单位cm,f=流过导线的电流频率,单位Hz, RDC= 导线的直流电阻,单位。电感成分：任何导体都有内电感（这区别于通常讲的外电感,外电感是导体所包围的面积的函数）,内电感与导体所包围的面积无关。对于圆截面导体如下：L=0.2Sln(4.5/d) -1 （H）式中S=导体长度(m),d=导体直径(m) 表1说明了直流电阻与交流阻抗的巨大差异。频率很低时的阻抗可以认为是导体的电阻,从表中可以看出,随着频率升高,阻抗增加很快,当频率达到100MHz以上时,直径6.5mm长度仅为10

4、cm的导线也有数十欧姆的阻抗。 频率d=0.65cmd=0.27cmd=0.06cmd=0.04cm10cm1m10cm1m10cm1m10cm1m10Hz51.45173273.28m5.29m52.9m13.3m133m1kHz4297.14m6328.91m5.34m53.9m14m144m100kHz42.6m712m54m828m71.6m1.090.3m1.071MHz426m7.12540m8.28714m10783m10.65MHz2.1335.52.741.33.57503.865310MHz4.2671.25.482.87.141007.710650MHz21.335627

5、41435.750038.5530100MHz42.65471.477150MHz63.9811071153 地环路干扰及对策地环路干扰是一种较常见的干扰现象,常常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差模干扰电压（图1）。 地环路干扰形成的原因1：两个设备的地电位不同,形成地电压,在这个电压的驱动下,“设备1-互联电缆-设备2- 地”形成的环路之间有电流流动。由于电路的不平衡性,每根导线上的电流不同,因此会产生差模电压,对电路造成干扰。地线上的电压是由于其他功率较大的设备

6、也用这段地线,在地线中引起较强电流,而地线又有较大阻抗产生的。地环路干扰形成的原因2：由于互联设备处在较强的电磁场中,电磁地环路干扰形成的原因2：由于互联设备处在较强的电磁场中,电磁场在“设备1 - 互联电缆 - 设备2 - 地”形成的环路中感应出环路电流,与原因1的过程一样导致干扰。解决地环路干扰的方法：解决地环路干扰的基本思路有三个：一个是减小地线的阻抗,从而减小干扰电压,但是这对第二种原因导致的地环路没有效果。另一个是增加地环路的阻抗,从而减小地环路电流。当阻抗无限大时,实际是将地环路切断,即消除了地环路。例如将一端的设备浮地、或将线路板与机箱断开等是直接的方法。但出于静电防护或安全的考

7、虑,这种直接的方法在实践中往往是不允许的。更实用的方法是使用隔离变压器、光耦合器件、共模扼流圈、平衡电路等方法。第三个方法是改变接地结构,将一个机箱的地线连接到另一个机箱上,通过另一个机箱接地,这就是单点接地的概念。 4 公共阻抗耦合及对策当两个电路的地电流流过一个公共阻抗时,就发生了公共阻抗耦合,如图2(a) 所示。一个电路的地电位会受到另一个电路工作状态的影响,即一个电路的地电位受另一个电路的地电流的调制,另一个电路的信号就耦合进了前一个电路。放大器级间公共地线耦合问题：图2(a) 中的放大器,由于前置放大电路与功率放大电路共用一段地线,功率放大电路的地线电流很大,因此在地线上产生了较大的

8、地线电压V。这个电压正好在前置放大电路的输入回路中,如果满足一定的相位关系,就形成了正反馈,造成放大器自激。解决办法：可以有两个解决办法,一个是将电源的位置改变一下,使它靠近功率放大电路,这样,就不会有较大的地线电压落在前置放大电路的输入回路中了,如图2 (b) 所示。另一个办法是功率放大电路单独通过一根地线连接到电源,这实际是改成了并联单点接地结构,如图2 (d) 所示。5 接地策略信号地有图3所示的几种方式。单点接地：所有电路的地线接到公共地线的同一点,进一步可分为串联单点接地和并联单点接地。最大好处是没有地环路,相对简单。但地线往往过长,导致地线阻抗过大。多点接地：所有电路的地线就近接地

9、,地线很短,适合高频接地。问题是存在地环路。混合接地：在地线系统内使用电感、电容连接,利用电感、电容器件在不同频率下有不同阻抗的特性,使地线系统在不同的频率具有不同的接地结构。 串联单点接地容易产生公共阻抗耦合的问题,解决的方法是采用并联单点接地。但是并联单点接地往往由于地线过多,而没有可实现性。因此,灵活的方案是,将电路按照信号特性分组,相互不会产生干扰的电路放在一组,一组内的电路采用串联单点接地,不同组的电路采用并联单点接地。如图4所示。这样,既解决了公共阻抗耦合的问题,又避免了地线过多的问题数字电路如何抗干扰在电子系统设计中，为了少走弯路和节省时间，应充分考虑并满足抗干扰性 的要求，避免

10、在设计完成后再去进行抗干扰的补救措施。形成干扰的基本要素有三个：（1）干扰源，指产生干扰的元件、设备或信号，用数学语言描述如下：du/dt， di/dt大的地方就是干扰源。如：雷电、继电器、可控硅、电机、高频时钟等都可 能成为干扰源。（2）传播路径，指干扰从干扰源传播到敏感器件的通路或媒介。典型的干扰传 播路径是通过导线的传导和空间的辐射。（3）敏感器件，指容易被干扰的对象。如：A/D、D/A变换器，单片机，数字IC， 弱信号放大器等。抗干扰设计的基本原则是：抑制干扰源，切断干扰传播路径，提高敏感器件的 抗干扰性能。（类似于传染病的预防）1 抑制干扰源抑制干扰源就是尽可能的减小干扰源的du/d

11、t，di/dt。这是抗干扰设计中最优 先考虑和最重要的原则，常常会起到事半功倍的效果。 减小干扰源的du/dt主要是通过在干扰源两端并联电容来实现。减小干扰源的 di/dt则是在干扰源回路串联电感或电阻以及增加续流二极管来实现。抑制干扰源的常用措施如下：（1）继电器线圈增加续流二极管，消除断开线圈时产生的反电动势干扰。仅加 续流二极管会使继电器的断开时间滞后，增加稳压二极管后继电器在单位时间内可 动作更多的次数。（2）在继电器接点两端并接火花抑制电路（一般是RC串联电路，电阻一般选几K 到几十K，电容选0.01uF），减小电火花影响。（3）给电机加滤波电路，注意电容、电感引线要尽量短。（4）电

12、路板上每个IC要并接一个0.01F0.1F高频电容，以减小IC对电源的 影响。注意高频电容的布线，连线应靠近电源端并尽量粗短，否则，等于增大了电 容的等效串联电阻，会影响滤波效果。（5）布线时避免90度折线，减少高频噪声发射。（6）可控硅两端并接RC抑制电路，减小可控硅产生的噪声（这个噪声严重时可能 会把可控硅击穿的）。按干扰的传播路径可分为传导干扰和辐射干扰两类。所谓传导干扰是指通过导线传播到敏感器件的干扰。高频干扰噪声和 有用信号的频带不同，可以通过在导线上增加滤波器的方法切断高频干扰 噪声的传播，有时也可加隔离光耦来解决。电源噪声的危害最大，要特别 注意处理。所谓辐射干扰是指通过空间辐射

13、传播到敏感器件的干扰。一般 的解决方法是增加干扰源与敏感器件的距离，用地线把它们隔离和在敏感 器件上加蔽罩。切断干扰传播路径的常用措施如下：（1）充分考虑电源对单片机的影响。电源做得好，整个电路的抗干扰就 解决了一大半。许多单片机对电源噪声很敏感,要给单片机电源加滤波电路 或稳压器，以减小电源噪声对单片机的干扰。比如，可以利用磁珠和电容 组成形滤波电路，当然条件要求不高时也可用100电阻代替磁珠。（2）如果单片机的I/O口用来控制电机等噪声器件，在I/O口与噪声源之 间应加隔离（增加形滤波电路）。 控制电机等噪声器件，在I/O口与噪声源之 间应加隔离（增加形滤波电路）。（3）注意晶振布线。晶振

14、与单片机引脚尽量靠近，用地线把时钟区隔离 起来，晶振外壳接地并固定。此措施可解决许多疑难问题。（4）电路板合理分区，如强、弱信号，数字、模拟信号。尽可能把干扰源（如电机，继电器）与敏感元件（如单片机）远离。（5）用地线把数字区与模拟区隔离，数字地与模拟地要分离，最后在一 点接于电源地。A/D、D/A芯片布线也以此为原则，厂家分配A/D、D/A芯片 引脚排列时已考虑此要求。（6）单片机和大功率器件的地线要单独接地，以减小相互干扰。 大功率 器件尽可能放在电路板边缘。（7）在单片机I/O口，电源线，电路板连接线等关键地方使用抗干扰元件 如磁珠、磁环、电源滤波器，屏蔽罩，可显著提高电路的抗干扰性能。3 提高敏感器件的抗干扰性能提高敏感器件的抗干扰性能是指从敏感器件这边考虑尽量减少对干扰噪声 的拾取，以及从不正常状态尽快恢复的方法。提高敏感器件抗干扰性能的常用措施如下：（1）布线时尽量减少回路环的面积，以降低感应噪声。（2）布线时，电源线和地线要尽量粗。除减小压降外，更重要的是降低耦 合噪声。（3）对于单片机闲置的I/O口，不要悬空，要接地或接电源。其它IC的闲置 端在不改变系统逻辑的情况下接地或接电源。（4）对单片机使用电源监控及看门狗电路，如：IMP809，IMP706，IMP813， X25043，X25045等，可大幅度提高整个电路的抗干扰性能。（5）在速度能满足要求的