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详解电路中的地

2017-07-18
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电路中除了正确进行接地设计、安装,还要正确进行各种不同信号的接地处理。


控制系统中,大致有以下几种地线:

(1)数字地:也叫逻辑地,是各种开关量(数字量)信号的零电位。
(2)模拟地:是各种模拟量信号的零电位。
(3)信号地:通常为传感器的地。
(4)交流地:交流供电电源的地线,这种地通常是产生噪声的地。
(5)直流地:直流供电电源的地。
(6)屏蔽地:也叫机壳地,为防止静电感应和磁场感应而设。

以上这些地线处理是系统设计、安装、调试中的一个重要问题。


下面就接地问题提出一些看法:


(1)控制系统宜采用一点接地。一般情况下,高频电路应就近多点接地,低频电路应一点接地。在低频电路中,布线和元件间的电感并不是什么大问题,然而接地形成的环路的干扰影响很大,因此,常以一点作为接地点;但一点接地不适用于高频,因为高频时,地线上具有电感因而增加了地线阻抗,同时各地线之间又产生电感耦合。一般来说,频率在1MHz以下,可用一点接地;高于10MHz时,采用多点接地;在1~10MHz之间可用一点接地,也可用多点接地。


(2)交流地与信号地不能共用。由于在一段电源地线的两点间会有数mV甚至几V电压,对低电平信号电路来说,这是一个非常重要的干扰,因此必须加以隔离和防止。


(3)浮地与接地的比较。全机浮空即系统各个部分与大地浮置起来,这种方法简单,但整个系统与大地绝缘电阻不能小于50MΩ。这种方法具有一定的抗干扰能力,但一旦绝缘下降就会带来干扰。还有一种方法,就是将机壳接地,其余部分浮空。这种方法抗干扰能力强,安全可靠,但实现起来比较复杂。


(4)模拟地。模拟地的接法十分重要。为了提高抗共模干扰能力,对于模拟信号可采用屏蔽浮技术。对于具体模拟量信号的接地处理要严格按照操作手册上的要求设计。


(5)屏蔽地。在控制系统中为了减少信号中电容耦合噪声、准确检测和控制,对信号采用屏蔽措施是十分必要的。根据屏蔽目的不同,屏蔽地的接法也不一样。电场屏蔽解决分布电容问题,一般接大地;电磁场屏蔽主要避免雷达、电台等高频电磁场辐射干扰。利用低阻金属材料高导流而制成,可接大地。磁场屏蔽用以防磁铁、电机、变压器、线圈等磁感应,其屏蔽方法是用高导磁材料使磁路闭合,一般接大地为好。当信号电路是一点接地时,低频电缆的屏蔽层也应一点接地。如果电缆的屏蔽层地点有一个以上时,将产生噪声电流,形成噪声干扰源。当一个电路有一个不接地的信号源与系统中接地的放大器相连时,输入端的屏蔽应接至放大器的公共端;相反,当接地的信号源与系统中不接地的放大器相连时,放大器的输入端也应接到信号源的公共端。对于电气系统的接地,要按接地的要求和目的分类,不能将不同类接地简单地、任意地连接在一起,而是要分成若干独立的接地子系统,每个子系统都有其共同的接地点或接地干线,最后才连接在一起,实行总接地。


  有人说:模拟地跟数字地,最终都要接到一块的,那干吗还要分模拟地和数字地呢? 这是因为虽然是相通的,但是距离长了,就不一样了。同一条导线,不同的点的电压可能是不一样的,特别是电流较大时。因为导线存在着电阻,电流流过时就会产生压降。另外,导线还有分布电感,在交流信号下,分布电感的影响就会表现出来。所以我们要分成数字地和模拟地,因为数字信号的高频噪声很大,如果模拟地和数字地混合的话,就会把噪声传到模拟部分,造成干扰。如果分开接地的话,高频噪声可以在电源处通过滤波来隔离掉。但如果两个地混合,就不好滤波了。


  我们经常在电路中见到0欧的电阻,对于新手来说,往往会很迷惑:既然是0欧的电阻,那就是导线,为何要装上它呢?还有这样的电阻市场上有卖吗? 其实0欧的电阻还是蛮有用的。大概有以下几个功能:


①做为跳线使用。这样既美观,安装也方便。


②在数字和模拟等混合电路中,往往要求两个地分开,并且单点连接。我们可以用一个0欧的电阻来连接这两个地,而不是直接连在一起。这样做的好处就是,地线被分成了两个网络,在大面积铺铜等处理时,就会方便得多。附带提示一下,这样的场合,有时也会用电感或者磁珠等来连接。


③做保险丝用。由于PCB上走线的熔断电流较大,如果发生短路过流等故障时,很难熔断,可能会带来更大的事故。由于0欧电阻电流承受能力比较弱(其实0欧电阻也是有一定的电阻的,只是很小而已),过流时就先将0欧电阻熔断了,从而将电路断开,防止了更大事故的发生。有时也会用一些阻值为零点几或者几欧的小电阻来做保险丝。不过不太推荐这样来用,但有些厂商为了节约成本,就用此将就了。


④为调试预留的位置。可以根据需要,决定是否安装,或者其它的值。有时也会用*来标注,表示由调试时决定。


⑤作为配置电路使用。这个作用跟跳线或者拨码开关类似,但是通过焊接固定上去的,这样就避免了普通用户随意修改配置。通过安装不同位置的电阻,就可以更改电路的功能或者设置地址。 0欧的电阻不但有卖,而且还有不同的规格呢,一般是按功率来分,如1/8瓦,1/4瓦等等。怎么选择呢?这个需要看产品的数据手册了。它有电阻值和功率值的。


无论是在模拟电路中还是在数字电路中都存在着个种各样的“地”,为便于大家了解和掌握,现将其总结出来,供大家参考。


1. 信号“地”: 信号“地”又称参考“地”,就是零电位的参考点,也是构成电路信号回路的公共段,图形符号“⊥”。
1)直流地:直流电路“地”,零电位参考点。
2)交流地:交流电的零线。应与地线区别开。
3)功率地:大电流网络器件、功放器件的零电位参考点。
4)模拟地:放大器、采样保持器、A/D转换器和比较器的零电位参考点。
5)数字地:也叫逻辑地,是数字电路的零电位参考点。
6)“热地”:开关电源无需使用变压器,其开关电路的“地”和市电电网有关,既所谓的“热地”,它是带电的,图形符号为:“ ⊥ ”。
7)“冷地”:由于开关电源的高频变压器将输入、输出端隔离;又由于其反馈电路常用光电耦合、既能传送反馈信号又将双方的"地"隔离;所以输出端的地称之为“冷地”,它不带电。图形符号为“⊥”。


2. 保护“地”: 保护"地"是为了保护人员安全而设置的一种接线方式。保护“地”线一端接用电器,另一端与大地作可靠连接。


3. 音响中的“地”:
1)屏蔽线接地:音响系统为防止干扰,其金属机壳用导线与信号“地”相接,这叫屏蔽接地。
2)音频专用“地”:专业音响为了防止干扰,除了屏蔽“地”之外,还需与音频专用“地”相连。此接地装置应专门埋设,并且应与隔离变压器、屏蔽式稳压电源的相应接地端相连后作为音控室中的专用音频接地点。


4. 不同地线的处理方法:


1)数字地和模拟地应分开:在高要求电路中,数字地与模拟地必需分开。即使是对于A/D、D/A转换器同一芯片上两种“地”最好也要分开,仅在系统一点上把两种“地”连接起来。


2)保护“地”: 保护“地”是为了保护人员安全而设置的一种接线方式。保护“地”线一端接用电器,另一端与大地作可靠连接。


3)音响中的“地”:


a)屏蔽线接地:音响系统为防止干扰,其金属机壳用导线与信号“地”相接,这叫屏蔽接地。


b)音频专用“地”:专业音响为了防止干扰,除了屏蔽“地”之外,还需与音频专用 “地”相连。此接地装置应专门埋设,并且应与隔离变压器、屏蔽式稳压电源的相应接地端相连后作为音控室中的专用音频接地点。


4)浮地与接地; 系统浮地,是将系统电路的各部分的地线浮置起来,不与大地相连。这种接法,有一定抗干扰能力。但系统与地的绝缘电阻不能小于50MΩ,一旦绝缘性能下降,就会带来干扰。通常采用系统浮地,机壳接地,可使抗干扰能力增强,安全可靠。


5)一点接地; 在低频电路中,布线和元件之间不会产生太大影响。通常频率小于1MHz的电路,采用一点接地。


6)多点接地。在高频电路中,寄生电容和电感的影响较大。通常频率大于10MHz的电路,采用多点接地。


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