电路图中关于地线的知识

关于电路中的地线的接法最近大家在电路设计中都遇到了一些衔接的问题。特别在数字模拟设计的过程中，因为电源处理的不好，烧了很多的片子。现在收集总结一些相关的东西，包含个人的一点经验以及和顾问请教得出的心得了。1．地线的定义什么是地线？大家在教科书上学的地线定义是：地线是作为电路电位基准点的等电位体。这个定义是不符合实际情况的。实际地线上的电位并不是恒定的。如果用仪表测量一下地线上各点之间的电位，会发现地线上各点的电位可能相差很大。正是这些电位差才造成了电路工作的异常。电路是一个等电位体的定义仅是人们对地线电位的期望。HENRY给地线了一个更加符合实际的定义，他将地线定义为：信号流回源的低阻抗路径。这个定义中突出了地线中电流的流动。按照这个定义，很容易理解地线中电位差的产生原因。因为地线的阻抗总不会是零，当一个电流通过有限阻抗时，就会产生电压降。因此，我们应该将地线上的电位想象成象大海中的波浪一样，此起彼伏。．地线的阻抗谈到地线的阻抗引起的地线上各点之间的电位差能够造成电路的误动作，许多人觉得不可思议：我们用欧姆表测量地线的电阻时，地线的电阻往往在毫欧姆级，电流流过这么小的电阻时怎么会产生这么大的电压降，导致电路工作的异常。要搞清这个问题，首先要区分开导线的电阻与阻抗两个不同的概念。电阻指的是在直流状态下导线对电流呈现的阻抗，而阻抗指的是交流状态下导线对电流的阻抗，这个阻抗主要是由导线的电感引起的。任何导线都有电感，当频率较高时，导线的阻抗远大于直流电阻，表1给出的数据说明了这个问题。在实际电路中，造成电磁干扰的信号往往是脉冲信号，脉冲信号包含丰富的高频成分，因此会在地线上产生较大的电压。对于数字电路而言，电路的工作频率是很高的，因此地线阻抗对数字电路的影响是十分可观的。3．由于地线阻抗的存在，当电流流过地线时，就会在地线上产生电压。当电流较大时，这个电压可以很大。例如附近有大功率用电器启动时，会在地线在中流过很强的电流。这个电流会在两个设备的连接电缆上产生电流。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，对电路造成影响。由于这种干扰是由电缆与地线构成的环路电流产生的，因此成为地环路干扰。地环路中的电流还可以由外界电磁场感应出来。4．从地环路干扰的机理可知，只要减小地环路中的电流就能减小地环路干扰。如果能彻底消除地环路中的电流，则可以彻底解决地环路干扰的问题。因此提出以下几种解决地环路干扰的方案。A.将一端的设备浮地如果将一端电路浮地，就切断了地环路，因此可以消除地环路电流。但有两个问题需要注意，一个是出于安全的考虑，往往不允许电路浮地。这时可以考虑将设备通过一个电感接地。这样对于50Hz的交流电流设备接地阻抗很小，而对于频率较高的干扰信号，设备接地阻抗较大，减小了地环路电流。但这样做只能减小高频干扰的地环路干扰。另一个问题是，尽管设备浮地，但设备与地之间还是有寄生电容，这个电容在频率较高时会提供较低的阻抗，因此并不能有效地减小高频地环路电流。B.使用变压器实现设备之间的连接利用磁路将两个设备连接起来，可以切断地环路电流。但要注意，变压器初次级之间的寄生电容仍然能够为频率较高的地环路电流提供通路，因此变压器隔离的方法对高频地环路电流的抑制效果较差。提高变压器高频隔离效果的一个办法是在变压器的初次级之间设置屏蔽层。但一定要注意隔离变压器屏蔽层的接地端必须在接受电路一端。否则，不仅不能改善高频隔离效果，还可能使高频耦合更加严重。因此，变压器要安装在信号接收设备的一侧。经过良好屏蔽的变压器可以在1MHz以下的频率提供有效的隔离。C.使用光隔离器另一个切断地环路的方法是用光实现信号的传输。这可以说是解决地环路干扰问题的最理想方法。用光连接有两种方法，一种是光耦器件，另一种是用光纤连接。光耦的寄生电容一般为2pf，能够在很高的频率提供良好的隔离。光纤几乎没有寄生电容，但安装、维护、成本等方面都不如光耦器件。D.使用共模扼流圈在连接电缆上使用共模扼流圈相当于增加了地环路的阻抗，这样在一定的地线电压作用下，地环路电流会减小。但要注意控制共模扼流圈的寄生电容，否则对高频干扰的隔离效果很差。共模扼流圈的匝数越多，则寄生电容越大，高频隔离的效果越差。5．对于数字电路来说，地线环路造成的地线环流也就是几十毫伏级别的，而TTL的抗干扰门限是1.2V，CMOS电路更可以达到1／2电源电压，也就是说地线环流根本就不会对电路的工作造成不良影响。相反，如果地线不闭合，问题会更大，因为数字电路在工作的时候产生的脉冲电源电流会造成各点的地电位不平衡，在大脉冲电流的冲击下，如果采用枝状地线（线宽25mil）分布，地线间各个点的电位差将会达到百毫伏级别。而采用地线环路之后，脉冲电流会散布到地线的各个点去，大大降低了干扰电路的可能。采用闭合地线，实测出各器件的地线最大瞬时电位差是不闭合地线的二分之一到五分之一。地线造成电磁干扰的主要原因是地线存在阻抗，当电流流过地线时，会在地线上产生电压，这就是地线噪声。在这个电压的驱动下，会产生地线环路电流，形成地环路干扰。当两个电路共用一段地线时，会形成公共阻抗耦合。解决地环路干扰的方法有切断地环路，增加地环路的阻抗，使用平衡电路等。解决公共阻抗耦合的方法是减小公共地线部分的阻抗，或采用并联单点接地，彻底消除公共阻抗。最后的建议：在数字电路和模拟电路相接时，一定注意好隔离，光藕时我们最常用的隔离方式，但参考外面很多公司做的控制电路，其实是不接光藕的，这要有很好的对电路设计的把握能力，我们还需要更多的去关注这些细节:)电线区分：接地参考平面通常由低阻抗的导体构成，为设备或电路，提供一个参考电平，保证其稳定可靠地工作。接地参考平面应与大地相连接，和大地取得相等的参考电位。这样不仅可以防止设备发生故障时对操作人员和设备造成危险，而且可以防止骚扰和保证设备工作状态稳定。接地参考平面作为电位的基准，要求每一点的电位都相同，应设计使之没有电流流过。设备或电路的工作电流从流出到返回都应在一个回路内闭合，不允许其他信号源所形成的杂散电流混入本回路内部。回路与接地参考平面应通过一点相连，确保整个设备或电路的电位基准一致。电源地线为了减少电源线上负载产生的噪声，电源的一端必须很好地接地。对于具有交流和直流电源系统的设备体系，应分别建立交流、直流接地通路，并且在接地平面上相互隔离开来，减少地线间耦合。电源接地通路应以尽可能直接、阻抗尽可能小的路径接到接地平面上。电信大楼的TN交流供电系统的电源接地，应在引入大楼前5米处使中性线N导体接大地。直流供电系统，应使正极接地，以防止带电导线受到电化学腐蚀。信号地线一般情况下，电源地线上两点间的电压有几百毫伏到几伏的范围，这对信号电平，尤其是低电平信号是一个非常严重的干扰。因此，电源地线不能用作信号地线。当信号电平相差较大时，要采用串并联的接地方式，并按照信号由小到大逐步移动的原则。为了防止辐射干扰和降低地线阻抗，信号地线的长度不能超过信号工作波长的1／20。