第六章 接地技术及其应用 2011-03-23.

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1 第六章 接地技术及其应用

2 接地技术是任何电子、电气设备或系统正常工作时必须采取的重要技术。
接地不仅是保护设施和人身安全的必要手段， 也是抑制电磁干扰、保障设备或系统电磁兼容性、提高设备或系统可靠性的重要技术措施。

3 任何电路的电流都需要经过地线形成回路，因而地线就是用电设备中各电路的公共导线。
任何电路的电流都需要经过地线形成回路，因而地线就是用电设备中各电路的公共导线。 任何导线（包括地线）都具有一定的阻抗（其中包括电阻和电抗），该公共阻抗使两个不同的接地点很难得到等电位。 这样，公共阻抗使两接地点间形成一定的电压，从而产生接地干扰。

4 §6.1 接地及其分类 §6.1.1 接地的概念 地（Ground），一般定义为电路或系统的零电位参考点，直流电压的零电位点或者零电位面。 它不一定为实际的大地（建筑地面），可以是设备的外壳或其它金属板或金属线。 接地原意指与真正的大地（Earth）连接以提供雷击放电的通路（如避雷针一端埋入大地），后来成为为用电设备提供漏电保护（提供放电通路）的技术措施。

5 现在接地的含义已经延伸，“接地（Grounding）”一般指
为了使电路、设备或系统与“地”之间建立低阻抗通路，而将 电路、设备或系统连接到一个作为参考电位点或参考电位面 的良导体的技术行为，其中一点通常是系统的一个电气或电 子元（组）件,而另一点则是称之为“地”的参考点。 例如，当所说的系统组件是设备中的一个电路时，则参考点就是设备的外壳或接地平面。

6 § 接地的要求 (1) 理想的接地应使流经地线的各个电路、设备的电流互不影响，即不使其形成地电流环路，避免使电路、设备受磁场和地电位差地影响。 (2) 理想的接地导体（导线或导电平面）应是零阻抗的实体，流过接地导体的任何电流都不应该产生电压降。 即各接地点之间没有电位差，或者说各接地点间的电压与电路中任何功能部分的电位比较均可忽略不计。 (3) 接地平面应是零电位，它作为系统中各电路任何位置所有电信号的公共电位参考点。

7 (4) 良好的接地平面与布线间将有大的分布电容，而接地平面本身的引线电感将很小。
理论上，它必须能吸收所有信号，使设备稳定地工作。接地平面应采用低阻抗材料制成，并且有足够的长度、宽度和厚度。以保证在所有频率上均呈现低阻抗。 用于安装固定式设备的接地平面，应由整块铜板或者铜网组成。

8 §6.1.3 接地的分类 通常，电路、用电设备按作 用可分类为： 安全接地（Safety Grounds）
§ 接地的分类 通常，电路、用电设备按作 用可分类为： 安全接地（Safety Grounds） 和信号接地（Signal Grounds） 安全接地 信号接地 设备安全接地 接零保护接地 防雷接地 单点接地 多点接地 混合接地 悬浮接地

9 §6.2 安全接地 安全接地就是采用低阻抗的导体将用电设备的外壳连接到大地上，使操作人员不致因设备外壳漏电或静电放电而发生触电危险。
§6.2 安全接地 安全接地就是采用低阻抗的导体将用电设备的外壳连接到大地上，使操作人员不致因设备外壳漏电或静电放电而发生触电危险。 当设有接地装置后，人体触及 绝缘损坏的电机外壳时电流的通路 人体触及绝缘损坏的电机外壳时 电流的通路

10 1.安全接地包括建筑物、输电线导线、高压电力设备的接地。
2.安全接地的目的是防止雷电放电造成设施破坏和人身伤亡。 3.大地具有非常大的电容量，是理想的零电位，不论往大地 注入多大的电流或电荷，在稳态时其电位保持为0。 4.良好的安全接地能够保证用电设备和人身安全。

11 §6.2.1 设备安全接地 为了人、机安全,任何高压电气设备、电子设备的机壳、 底座均需要安全接地，以避免高电压直接接触设备外壳,或
§ 设备安全接地 为了人、机安全,任何高压电气设备、电子设备的机壳、 底座均需要安全接地，以避免高电压直接接触设备外壳,或 者避免由于设备内部绝缘损坏造成漏电打火使机壳带电。 否则，人体触及机壳就会触电。 一般用电设备在使用中，会出现下列情况： 因绝缘老化、受潮等原因导致带电导线或导电部件与机壳间漏电， 或者因设备超负荷引起严重发热，导致烧损绝缘材料造成漏电， 或者因环境气体污染、灰尘沉积导致漏电和电弧击穿打火。

12 机壳通过杂散阻抗而带电，或因绝缘击穿而带电，如图所示。
设U1为用电设备中电路的电压， U2为机壳与地之间的电压 Z1为电路与机壳(Chassis)之间的杂散阻抗(Stray Impedances)， Z2为机壳与地之间的杂散阻抗 则

13 分析 当机壳与地绝缘(Z2→∞)，即Z2>>Z1时，则U2＝U1。 如果U2超过36 V时，人体触及机壳就可能发生危险。 为了人身安全，机壳应该接地，使Z2→0，从而使U2＝0。

14 人体电阻变化Zb范围很大， 人体的皮肤干燥洁净和无破损时， Zb可高达40～100kΩ； 人体处于出汗、潮湿状态时， Zb降至1000Ω左右。 流经人体的安全电流值， 对于交流电流为15～20mA， 对于直流电流为50mA。 当流经人体的电流高达100mA时，就可能导致死亡发生。 因此我们国家规定的人体安全电压为36V和12V。 一般家用电器的安全电压为36V，以保证触电时流经人体的电流值小于40mA。

15 1.为保证人体安全，应将机壳与接地体连接，即应将机壳接地。
2.当人体触及带电机壳时，人体电阻与接地导线的阻抗并联， 3.人体电阻远大于接地导线的阻抗，大部分漏电电流经接地导线旁路流入大地。 4.通常规定接地电阻值为5～10欧，所以流经人体的电流值将减小为原先的1/200~1/100。

16 地线上平时没有电流，所以没有电压降，与之相连的机壳都是地电位；发 生故障绝缘击穿时，安全地线才会有电流，但该电流时瞬时的，因为保险
§ 接零保护接地 380V（二相四线制）电源，设备的金属外壳除了正常接地之外，还应与电网零线相连接，称之为接零保护。 地线上平时没有电流，所以没有电压降，与之相连的机壳都是地电位；发 生故障绝缘击穿时，安全地线才会有电流，但该电流时瞬时的，因为保险 丝或电流断路器在发生故障时会立即将电路切断，保证安全用电。

17 用电设备外壳接地后，一旦发生人体与机壳接触时，人体处于与接地电阻并联的位置，因接地电阻远小于人体电阻，使漏电电流绝大部分从接地线中流过。
但是，接地电阻与电网中性点接地的接触电阻相比，在数量上相当，故接地线上的电压降几乎为相电压220V的一半，这一电压超过了人体能够承受的安全电压，使接触设备金属外壳的人体上流过的电流超过安全限度，从而导致触电危险。 因此，即使外壳良好接地也不一定能够保证安全，

18 § 防雷接地 将建筑物等设施和用电设备的外壳与大地连接，将雷电电流引入大地，从而保护设施、设备和人身的安全，使之避免雷击（直接雷击），同时消除雷击电流窜入信号接地系统，以避免影响用电设备的正常工作。

19 §6.2.4 安全接地的有效性 1. 安全接地的质量好坏，关系到人身安全和设施安全，因此，必须检验安全接地的有效性。
§ 安全接地的有效性 1. 安全接地的质量好坏，关系到人身安全和设施安全，因此，必须检验安全接地的有效性。 2. 接地的目的是为了使设备与大地有一条低阻抗的电流通路，因此，接地是否有效取决于接地电阻。 3. 接地电阻值越小越好,接地电阻与接地装置、接地土壤状况以及环境条件等因素有关。一般地,设备安全接地电阻应小于10欧； 1000V以上地电力线路要求小于0.5欧的接地电阻； 建筑物单独装设的避雷针接地电阻要求小于25欧。 防雷接地一般要求接地电阻为10～25Ω。

20 1. 接地电阻属于分布电阻 2. 接地电阻由接地导线的电阻、接地体的电阻和大地的杂散电阻三部分组成,其中大地杂散电阻起主要作用。 3. 因此，接地电阻的大小不仅与接地体的大小、形状、材料等特性有关，而且与接地体附近的土壤特性有很大关系。 4. 土壤的成分、土壤颗粒的大小和密度、地下水中是否含有被溶解的盐类等因素也影响接地电阻的阻值。 6. 除此之外，接地电阻还受环境条件的影响，天气的潮湿程度、季节变化和温度高低变化都影响接地电阻的阻值。…

21 1.接地装置也称为接地体，常见的有接地桩、接地网和地下水管等。通常把接地体分类为自然接地体和人工接地体两大类型。
2.埋设在地下的水管、输送非燃性气体和液体的金属管道、建筑物埋设在地下或水泥中的金属构件、电缆的金属外皮等属于自然接地体。 3.一般说来，自然接地体与大地的接触面积比较大，长度也较大，因此其杂散电阻较小，往往比专门设计的接地体的性能更好。 同时，自然接地体与用电设备在大多数情况下已经连接成整体，大部分故障漏电电流能在接地体的开始端向大地扩散，所以很安全。 自然接地体还在地下纵横交叉，从而降低接触电压及跨步电压 1000V以下的系统，一般都采用自然接地体。

22 1. 对于大电流接地系统（如机房）要求接地电阻较低，埋设于地下的自然接地体因其表面腐蚀等使其接地电阻难以降低，因此需要人工接地体。
2. 在弱信号、敏感度高的测控系统、计算机系统、贵重精密仪器系统中不能滥用自然接地体。 例如水管，一般地水管与建筑物的金属构件及大地并没有良好的接触，其接地电阻阻值比较大，因此不宜作为接地体。 3. 常见的人工接地体有垂直埋入地下的钢管、角钢和水平放置的圆钢、扁钢，还有环形、圆板形和方板形的金属导体。

23 §6.3 导体阻抗的频率特性 1.EMC工程中，接地、搭接是抑制电磁干扰的有效措施 2. 地线、搭接条的直流电阻、交流电阻和感抗的不同
§6.3 导体阻抗的频率特性 1.EMC工程中，接地、搭接是抑制电磁干扰的有效措施 2. 地线、搭接条的直流电阻、交流电阻和感抗的不同 反映了导体阻抗的频率特性。 ……数字化信息时代、高频电流…

24 §6.3.1 直流电阻与交流电阻关系的广义描述 半径为0.6mm，长度为1m的铜导线的高频交流电阻与直流电阻比对频率的依赖关系。

25 扁平导体条的宽度增加，电感减少； §6.3.2 导体电感 厚度增加，电感也减少。 但是宽度影响要大的多。 图6-5 扁平导体条的宽度与电感
厚度增加，电感也减少。 但是宽度影响要大的多。 图6-5 扁平导体条的宽度与电感 图6-6 扁平导体条的厚度与电感

26 导体条横截面的几何形状也是影响其电感量大小的重要因素。
横截面相同的 长方形的电感比 正方形的电感小， 宽度与厚度的比值越大， 电感越小。

27 6.3.3 搭接条的选择 1. 搭接条尺寸的选择，L：W应等于或小于5∶1或3∶1。 2. 从EMC角度考虑，应尽可能降低搭接条的射频阻抗。
为此目的，必须尽量降低搭接条的电感。 3. 通过选择搭接条的不同几何尺寸，采用表达式(6-11)获得的计算 结果如图所示。 由图可以看出： 仅考虑降低搭接条的电感， 长度与宽度比越小越好。

28 　结论： 1.导体条横截面的几何形状是影响其电感大小的重要因素， 2.搭接条尺寸的选择应遵循减少射频阻抗的原则； 3.导体阻抗的频率特性是决定接地、搭接成败的关键因素。

29 §6. 4 信号接地 1. 信号接地是为了设备、系统内部各种电路的信号电压提供一个0电位的公共参考点或面。 2
§6.4 信号接地 1. 信号接地是为了设备、系统内部各种电路的信号电压提供一个0电位的公共参考点或面。 2. 对于电子设备，将其底座或者外壳接地，除了提供安全接地外， 更重要的是为了在电子设备内部提供一个作为电位基准的导体， 以保证设备工作稳定，抑制电磁骚扰。 这个导体称为接地面。 3. 设备的底座或者外壳往往采用接地导线连接至大地， 接地面的电位一旦出现不稳定，就会导致电子设备工作的不稳定。

30 　4.信号接地的连接对象是种类繁多的电路， 因此信号地线的接地方式多种多样。 复杂系统中，既有高频信号，又有低频信号； 既有强电电路，又有弱电电路； 既有模拟电路，又有数字电路； 既有频繁开关动作的设备，又有敏感度极高的弱信号装置。 为了满足复杂的用电系统的EMC要求，必须将不同类型的信号电路分成若干类别，以同类电路构成接地系统。

31 包括高电平电路、末级放大器电路、大功率电路等。…
通常将所有电路按信号特性分成四类，分别接地，形成四个独立的接地系统，每个接地系统可才采用不同的接地方式。 第一类，敏感信号和小信号电路的接地系统。 包括低电平电路、小信号检测电路、传感器输入电路、前级放大电路、混频器电路等的接地。 电路工作电平低，易受到电磁骚扰而出现电路失效或性能降级现象。其接地导线应避免混杂于其它电路中。 第二类，非敏感信号或大信号电路的接地系统。 包括高电平电路、末级放大器电路、大功率电路等。… 须将其接地导线与小信号接地导线分开设置。

32 第三类，骚扰源器件、设备的接地系统。 第四类，金属构件的接地系统。
包括电动机、继电器、开关等产生强电磁骚扰的器件或者设备，这类器件或者设备在正常工作时，会产生冲击电流、火花等强电磁骚扰。这样的骚扰频谱丰富，瞬时电平高，往往使电子电路受到严重的电磁干扰，。除了采用屏蔽技术抑制这样的骚扰外，还须将其接地导线与其它电子电路的接地导线分开设置。 第四类，金属构件的接地系统。 包括机壳、设备底座、系统金属构架等的接地。 其作用是保证人身安全和设备工作稳定。 工程实践中，也采用模拟信号地和数字信号地分别设置，直流电源地和交流电源地分别设置，以抑制电磁骚扰。 电路、设备的接地方式有单点接地、多点接地、混合接地和悬浮接地。

33 只有一个接地点，所有电路、设备的地线都必须连接到这一接地点
§6.4.1 单点接地 只有一个接地点，所有电路、设备的地线都必须连接到这一接地点 上，以该点作为电路、设备的0电位参考点(面)。 1. 共用地线串联一点接地 电路接地导线电流… AG段电阻 R1 是电路1、2、3的共用地线… 各点电位受到所有电路注入地线电流的影响。 UA＝(I1＋I2＋I3)R1 UB＝UA＋(I2＋I3)R2＝(I1＋I2＋I3)R1＋(I2＋I3)R2 UC＝UB＋(I3R3)＝(I1＋I2＋I3)R1＋(I2＋I3)R2＋I3R3

34 分析： （1）各点电位不为0，从抑制干扰角度考虑，该方式最不适用。 （2）该接地方式的结构比较简单，各个电路的接地引线比较短，其电阻相对小，所以，常用于设备机柜中的接地或各接地电平差别不大的电路。 （3）如果各个电路的接地电平差别不大，也可以采用这种接地方式。反之，高电平电路会干扰低电平电路。 （4）采用共用地线串联一点接地时必须注意，要把具有最低接地电平的电路放置在最靠近接地点G的地方，即图6-9中的A点，以便B点和C点的接地电位受其影响最小。

35 2. 独立地线并联一点接地 各电路的地电位分别为 独立地线并联一点接地方式的优点是，各电路的地电位只与本电路的地电流及地线阻抗有关，不受其它电路的影响。

36 缺点： （1）各个电路分别采用独立地线接地，需多根独立地线， 增加地线长度，阻抗增大； 使用麻烦，结构笨重。 （2）各地线间耦合随频率f增加，地线阻抗、地线间电感及电容都增大 （3）该方式不适合于高频， 高频时地线长度接近于1/4波长时，输入阻抗无穷大，即相当于开路 ，地线不仅起不到作用，还将有很强的天线效应向外辐射干扰信号。 所以，一般要求地线长度不应超过信号波长的1/20。 显然，这种接地方式只适用于低频。要求小于1/20波长。

37 §6.4.2 多点接地 多点接地是指某一个系统中各个需要接地的电路、设备都直接接到距它最近的接地平面上，以使接地线的长度最短。
接地平面可以是设备底座， 也可以是贯通整个系统的接地线， 在比较大的系统中还可以是设备的结构框架等。 如果可能，还可以用一个大型导电物体作为整个系统的公共地

38 多点接地，各电路的地线分别连接至最近的低阻抗公共地。
设每个电路的地线电阻分别…和电感…每个电路的地线电流分别为… 则各电路对地的电位差为 ：

39 分析:　　 （1）为了降低电路的地电位，每个电路的地线应尽可能缩短，以降低地线阻抗。 （2）但在高频时，由于集肤效应，高频电流只流经导体表面，即使加大导体厚度也不能降低阻抗。 （3）为了在高频时降低地线阻抗，通常要将地线和公共地镀银。 导体横截面积相同，为了减少地线阻抗，常用矩形截面导体制成接地导体带。 多点接地方式的优点：地线较短，适用于高频情况。 缺点：形成各种地线回路，造成地回环路干扰， 对设备内同时使用的较低频电路会产生不良影响。

40 一般情况，若一点接地，电线长度不超过0.05λ，否则应采用多点接地 (还要看接地电流的大小，以及允许在每一接地线上产生多大的电压降)
综上所述，单点接地适用于低频，多点接地适用于高频。 频率在1MHz以下 采用一点接地方式； 频率高于10MHz应 多点接地； 频率在1～10MHz之间， 混合接地。 一般情况，若一点接地，电线长度不超过0.05λ，否则应采用多点接地 (还要看接地电流的大小，以及允许在每一接地线上产生多大的电压降) 若一个电路对该电压降很敏感，则接地线长度应不大于0.05λ或更小。如果电路只是一般的敏感，则接地线可以长些(如0.15λ)。

41 此外，由接地引线“看进去”的阻抗是该引线相对于地平面的特性阻抗Z0的函数。而Z０的大小，又和引线与接地平面的相对位置有关。
一般，接地引线与接地平面平行时，其特性阻抗较小； 当两者相互垂直时，则Z0较大,而Z0较大，则“看进去”的阻抗也较大。 因此，长度一定时，垂直于接地面的接地线阻抗 >平行于接地面的阻抗 所以，要求垂直接地面的接地引线的长度应更短一些。

42 §6.4.3 混合接地 若电路工作频带很宽，在低频时单点接地，而在高频时又需多点接地，此时，可以采用混合接地方法。
所谓混合接地，就是将那些只需高频接地的电路、设备使用串联电容器把它们和接地平面连接起来,见下图所示。 在低频时，电容的阻抗较大，电路单点接地； 但在高频时，电容阻抗较低，电路两点接地。 因此，混合接地适用于工作于宽频带的电路。实际用电设备应用普遍 应注意的是，要避免所使用的电容器与引线电感发生谐振。

43 §6.4.4 悬浮接地 将电路、设备的信号接地线与安全接地系统、结构地及其它导电物体隔离。
图中列举了三个设备，各个设备的内部电路都有各自的参考“地”, 它们通过低阻抗接地导线连接到信号地，信号地与建筑物结构地及其它导电物体隔离。

44 悬浮接地可以避免安全接地回路中存在的干扰电流影响信号接地回路。
浮地的概念也可以应用于设备内部的电路接地设计——将设备内部的电路参考地与设备机壳隔离，避免机壳中的干扰电流直接耦合至信号电路。 浮地接地的干扰耦合取决于浮地接地系统和其它接地系统的隔离程度，在一些大系统中往往很难做到理想浮地。 除此之外，高频情况下，更难实现真正的浮地。 特别是当浮地接地系统靠近高压设备、线路时，可能堆积静电电荷，引起静电放电，形成干扰电流。 因此，除了在低频情况下，为防止结构地、安全地中的干扰地电流骚扰信号接地系统外，一般不采用悬浮接地的方式。

45 总结： 单点接地共用地线串联一点接地——低频 独立地线并联一点接地——低频 多点接地——高频 混合接地——宽频带电路 悬浮接地——低频

46 §6.5 屏蔽体接地 § 放大器屏蔽盒的接地 电路组件、高增益的放大器常常装在一个金属盒内， 一方面形成具有一定机械强度的固定构件， 另一方面保护其内部电路组件、放大器等免受电磁辐射的骚扰。 问题：屏蔽盒如何接地？

47 放大器与屏蔽盒之间存在寄生电容，寄生电容C1S和C3S使放大器的输出端到输入端有一反馈通路，反馈到输入端的电压为
放大器与屏蔽盒之间存在寄生电容，寄生电容C1S和C3S使放大器的输出端到输入端有一反馈通路，反馈到输入端的电压为 (6-17) 式中：U3是放大器输出端的电压；UN是放大器输入端的骚扰电压。 反馈如不消除，则放大器将产生自激振荡。 解决方法：把屏蔽盒接至放大器的公共端，将C2S短路。 由式(6-17)可知，当C2S＝∞时，UN＝0。 该屏蔽体连接方式，在放大器的公共端不接地的电路中也适用。

48 §6.5.2 电缆屏蔽层的接地 频率低于1 MHz时，电缆屏蔽层的接地一般采用一端接地方式，
§ 电缆屏蔽层的接地 　频率低于1 MHz时，电缆屏蔽层的接地一般采用一端接地方式， 以防止骚扰电流流经电缆屏蔽层，使信号电路受到干扰。 一端接地还可以避免骚扰电流通过电缆屏蔽层形成地环路，从而可防止磁场的骚扰。 电缆屏蔽层的接地点应根据信号电路的接地方式来确定。 UG1 、UG2

49 电缆屏蔽层有A、B、C、D四个可能的接地点，图中虚线所示。

50 1. 屏蔽层接到A点，显然是不适合的 因为屏蔽层的骚扰电流会因此直接流入一条芯线，产生骚扰电压， 而且该骚扰电压与信号电压是串联的。

51 加至放大器输入端的有骚扰电压UG1和UG2， 并由C1、C12分压，放大器输入端的骚扰电压为
B点接地时， 加至放大器输入端的有骚扰电压UG1和UG2， 并由C1、C12分压，放大器输入端的骚扰电压为 由上式可见，这种接地方式是不能令人满意的。

52 C点接地时， 加至放大器输入端的仍有电压UG1， 经C1、C12分压后， 在放大器输入端产生的骚扰电压为 因而这种接地方式仍不理想。

53 D点接地时， 放大器输入端没有骚扰电压存在。

54 所以，当电路有一个不接地的信号源与一个接地的放大器连接时，
连接电缆的屏蔽层应接至放大器的公共端。 同理，当一个接地的信号源与一个不接地的放大器连接时， 连接电缆的屏蔽层应接至信号源的公共端。 图(a)～(d)分别表示在放大器的公共端接地，或在信号源的公共端接地

55 当频率高于1 MHz或电缆长度超过信号波长的1/20时，常采用多点接地方式，以保证屏蔽层上的地电位。
长电缆应在每隔1/10波长处接地一次。 由于集肤效应，减少了屏蔽层上信号电流与骚扰电流的耦合。集肤效应使骚扰电流在屏蔽层外表面流动，而信号电流在屏蔽层内表面流动。 同轴电缆在高频时多点接地能提供一定的磁屏蔽作用。 最常用的是两端接地，如下图所示。

56 高频时出现的另一个问题是：杂散电容的耦合也会形成地环路。
这时电缆屏蔽层通过杂散电容实际上已被接地。 若用一个小电容代替杂散电容，则可形成混合接地(复合接地)： 在低频时，因小电容对低频的阻抗很高，电路是一点接地； 在高频时，小电容的阻抗变得很低，电路变成多点接地。 所以，这种接地方法对宽频带工作是有利的。 　　 必须指出，电缆屏蔽层的一端接地并不能防止磁场的干扰。

57 §6.5.3 电缆屏蔽层的一端接地（与两端接地） 1.骚扰源磁屏蔽的目的在于防止骚扰源的磁辐射。
§ 电缆屏蔽层的一端接地（与两端接地） 1.骚扰源磁屏蔽的目的在于防止骚扰源的磁辐射。 2.屏蔽导线接入电路时，只要将屏蔽体在一端接地，则中心导线的电流在屏蔽体上感应出的电荷就被泄放入地。 3.电场将被限制在屏蔽体的内部空间，在屏蔽体外部没有电场，因而屏蔽体一端接地就具有电场屏蔽作用，如图6-19(a)所示。 4.但是一端接地的屏蔽体并不能限制磁场，其磁屏蔽作用是非常小的。

58 若使屏蔽体内流过一个电流，其大小与中心导线电流大小相等方向相反，
则在屏蔽体外部，屏蔽体上的电流将产生一个磁场， 该磁场与中心导线上的电流所产生的磁场大小相等，方向相反， 这两个磁场相抵消， 其结果是在屏蔽体外部没有磁场，如图 (b)所示，从而起到磁屏蔽作用。

59 为了使屏蔽导线具有防止磁辐射的磁屏蔽作用，屏蔽体必须在两端都接地，使屏蔽体能够提供一个电流回路。
为了求出流经屏蔽层的电流IS，由图中等效电路沿环路A→RS→LS→B → A列方程： IS(jωLS＋RS)－jωMI1＝0 (6-18)

60 IS(jωLS＋RS)－jωMI1＝0 由式(3-21)知，M＝LS，因此 (6-19)
对上式求模值，得 (6-20) 由式(6-20)可知，当ω>>ωc时，IS≈I1。即当频率ω远大于屏蔽体的截止频率ωc时，流经屏蔽层的电流IS近似等于中心导线的电流I1。 即，由于屏蔽体与中心导体之间的互感，使屏蔽体在高频时，能够提供一个比地面回路电感低得多的电流回路。这时IS≈I1，且方向相反。 由这两个电流产生的屏蔽体外部的磁场相互抵消，使屏蔽层外部没有磁场存在，从而起到了防止磁辐射的作用。

61 当ω<<ωc时，流经屏蔽层的返回电流IS很小，大部分返回电流IS将流经地面，所以这时屏蔽导线的磁屏蔽作用是很有限的。
图6-21为将中心导线的一端与屏蔽层连接，并将屏蔽层的另一端接地。这样中心导体的返回电流就全部流经屏蔽层， 所以该接地方法有很好的磁屏蔽效果。 这种接地方法的磁屏蔽效果，不是由于屏蔽体的磁屏蔽性能，而是由于屏蔽体上的返回电流能够产生一个抵消中心导线磁场的磁场。

62 综上可见，电缆屏蔽体两端接地的使用条件是： 　　①频率应远大于5倍屏蔽体的截止频率ωc 。p54 　　②屏蔽体上不会有其它回路电流流过。 　　③屏蔽体两端对地没有电位差。

63 §6.6 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。

64 如图接地回路，来自直流电源或者高频信号源的电流经接地面返回。
由于接地面公共阻抗很小，所以在电路的性能设计时往往不予考虑。 但是EMS必须考虑回路中接地面阻抗的存在。 图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Ui＝ZiI1＋ZiI2 对被干扰回路， 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忽略不计， 仅考虑I1所引起的电磁骚扰电压对负载的作用。 即U2＝0

65 则电路1中的电流 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 (6-21) 由此，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。 P134例题 用(6-21)式求解，判定干扰电压大于显示器灵敏度 不能正常工作，需重视公共低阻抗。

66 §6.6.2 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，
§ 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， 接地面上总有接地电流I通过，金属接地板两点之间总有一定的阻抗R， 因而产生接地干扰电压U。 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，主要有以下几种： （1）导电耦合引起接地电流； （2）电容耦合形成接地电流； （3）电磁耦合形成感应电流； （4）金属导体的天线效应形成地电流。

67 （1）导电耦合引起接地电流 在许多情况下需要采用两点接地或多点接地， 即通过两点或多点实现与接地面的连接，
因此形成接地回路，接地电流将流过接地回路，如图所示。

68 （2）电容耦合形成接地电流 电路元器件、构件与接地面之间存在杂散电容(分布电容)，
通过杂散电容可形成接地回路，电路中部分电流泄漏到接地回路中。 图(a)导电耦合与电容耦合形成接地回路，接地电流通过接地回路流动。 图(b)在阻抗元件的高、低电位两点上的分布电容所形成的接地回路， 当该接地回路处于谐振状态时，接地电流将非常大。

69 （3）电磁耦合形成感应电流 (4)金属导体的天线效应形成地电流。 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，
它和一次线圈间形成变压器耦合，机壳内因电磁感应将产生接地电流， 且不管线圈位置如何，只要有变化磁通通过壳体，就会产生感应电流。 (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， 若金属体是箱体结构，电场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。

70 当采用传输线连接的设备置于地面附近时，，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。 或通过传输线与接地面的导电回路的电磁场随时间变化，也会在传输线上形成干扰。 由上述分析可以看出：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。

71 §6. 7 接地点选择 地回路干扰与接地点的位置、接地点的个数直接相关。… §6. 7
§6.7 接地点选择 地回路干扰与接地点的位置、接地点的个数直接相关。… § 放大器与信号源的接地点选择 信号源在A点接地，放大器在B点接地，两接地点A、B之间地电位差UG 。 RC1和RC2为..连接导线的电阻。此时放大器输入端的电压为UN＝US＋UG。 为了剔除地电压的干扰，应采用一点接地。 若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。 通常比较方便的一点接地方式是 B点接地，而A点不接地。

72 分析：导线电阻RC1和RC2通常在1Ω以下，取RC1＝RC2＝1Ω。
两接地点A、B之间存在的地电阻RG更小，取RG＝0.01Ω。 信号源内阻RS一般为500Ω。设放大器输入阻抗为10kΩ，见等效图

73 RC2<<RS＋RC1＋RL， C点到地的电压为 从而放大器输入端干扰电压为 接地干扰电压对放大器输入端的干扰电压值为 (6-22) P137例题，带入(6-22)式，得信号源与放大器连接构成电路时， 若在A、C点加理想隔离阻抗，放大器输入端的干扰电压小得多。 结论：信号源与放大器连接构成电路时，采用信号源与地隔离的一点接地方式，可抑制接地干扰电压对放大器输入端产生的干扰。

74 §6.7.2 多级电路接地点的选择 电子设备中的低电平级电路是受干扰的电路， 因此，接地点的选择也应使低电平级电路受干扰最小。
§ 多级电路接地点的选择 电子设备中的低电平级电路是受干扰的电路， 因此，接地点的选择也应使低电平级电路受干扰最小。 分析： A、B、C三级电路电平关系A＜B＜C。图 (a)…图 (b)… R和L各段… 图(a)高电平级接地时，低电平级电路端a点电位为 Uao＝(Rab＋jωLab)Ia＋(Rbc＋jωLbc)(Ia＋Ib)＋(Rco＋jωLco)(Ia＋Ib＋Ic) (6-24) 图(b)低电平级接地时，低电平级电路端a点电位为 U'ao＝(Rao＋jωLao)(Ia＋Ib＋Ic) (6-25) 比较式(6-24)和式(6-25)可见，|Uao|>|U'ao|。

75 |Uao|>|U'ao| 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。 因此得出结论: ——多级电路的接地点应选择在低电平级电路的输入端。

76 § 谐振回路接地点的选择 并联谐振回路内部电流是外部的Q倍(Q为谐振回路的品质因数)。 有时谐振回路内部的电流是非常大的，如果L、C分别接地，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。 将谐振回路的电感L、电容C取一点接地，使谐振回路本身形成一闭合回路 高频大电流将不通过接地面，从而有效抑制地回路干扰。 因此，谐振回路必须单点接地。 图6-29 谐振回路的错误接地 图6-30 谐振回路的正确接地

77 §6.8 地回路干扰的抑制措施 为抑制地回路干扰，除了在设计中应尽量减小公共接地阻抗， 恰当选择接地点位置和个数，尽量减少地回路外， 还可以采用专门的技术措施。 §6.8.1 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， 图中电路1的输出信号经变压器耦合到电路2， 而地回路则被变压器所阻隔。

78 变压器绕组之间分布电容C...地回路。 图中设输出电路的内阻为零， 输入电路的输入电阻为RL。 分析隔离变压器阻隔地回路干扰， 根据电路分析的叠加原理， 可不考虑信号电压的传输， 即信号电压短路，只考虑地回路电压UG。 由地回路电压UG产生的地回路电流为 (6-26) 地回路电流I在RL上产生的压降为 (6-27)

79 当不用隔离变压器，直接信号线传输时，干扰电压UG全部加到RL上，
而采用隔离变压器后加到RL上的电压为UN。 所以| UN/UG|表示隔离变压器抑制地回路干扰的能力。 |UN/UG|越小，抑制干扰的能力就越大。 当ωCRL<<1时，|UN/UG|<<1。 所以，要提高隔离变压器的抗干扰能力，有效的办法是减小分布电容C (因为ω是无法改变的，而减小负载电阻RL会影响信号的传输)。 如在变压器之间加一电屏蔽就可以有效地减小绕组之间的分布电容C，从而有效地阻隔了地回路的干扰。

80 必须指出 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。

81 §6.8.2 纵向扼流圈（异模电流、共模电流） 1.纵向扼流圈或称为中和变压器，可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。 2.纵向扼流圈由两个绕向相同、匝数相同的绕组构成，常用双线并绕。 1）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。 所以，扼流圈对信号电流不起扼流作用，并且不切断直流回路。 2）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现高阻抗，起到抑制地回路干扰的作用。

82 图中电压源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。 若扼流圈两绕阻完全相同，且在同一铁芯上构成紧耦合，则有L1＝L2＝M UG是地电位差或地线环路经磁耦合形成的地回路电压(称纵向电压)。 1.首先分析纵向扼流圈对信号电压US的影响。暂不考虑UG。 因RC1与RL串联，且RC1<<RL，故RC1可忽略不计。

83 信号电流IS流经负载RL后就分成两路： 一部分(IG)直接入地， 另一部分(IS－IG)流经RC2、L2后入地。 由流经RC2、L2入地的回路可得 (IS－IG)(RC2＋jωL2)－ISjωM＝0 (6-30) 用M＝L2＝L代入上式并经整理得 式中，取ωL＝RC2时的角频率为ωc，ωc称为扼流圈的截止角频率。 当ω＝ωc时，|IG|＝0.707|IS|； 当ω＞ωc时，只有小部分信号流经地线。 一般认为，当ω≥5ωc时，IG→0，这时绝大部分信号电流经RC2、Ｌ2入地。

84 根据图6-34中上面的回路，可列出方程： US＝IS(jωL1＋RL－jωM)＋(IS－IG)·(RC2＋jωL2－jωM) (6-33)
用M＝L1＝L2代入上式并经整理得 (6-34 ) 因为RC2<<RL，且当ω≥5ωc时，IG→0，所以 (6-35) 上式说明：流经负载RL的信号电流IS相当于没有接入纵向扼流圈时的电流。因此，当扼流圈的电感足够大， 使信号频率ω≥5ωc(ωc＝RC2/L)时，可认为加入扼流圈对信号传输没有影响。

85 2.现在再分析纵向扼流圈对地回路电压UG的抑制作用。
此时可不考虑信号电压(即将US短路)，等效电路如图6-35所示。 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UN＝I1RL。 由I1回路得UG＝jωL1I1＋jωMI2＋I1RL (6-36) 由I2回路得UG＝jωL2I2＋jωMI1＋I2RC2 (6-37) 得 由UN＝I1RL,RC2<<RL，可知RC2＋ＲL≈RL， 所以

86 或 或 设 为扼流圈的截止角频率，则有 当ω≥5ωc时,|UN/UG|≤0.197。可见，扼流圈能很好地抑制地回路的干扰。干扰的角频率ω愈高，扼流圈的电感L愈大，扼流圈的绕组及导线的电阻RC2愈小，则抑制干扰的效果愈好。为此，扼流圈的电感应具有如下关系： 注意 　纵向扼流圈的铁芯截面应足够大， 以便当有一定数量的不平衡直流流通时不致发生饱和。

87 §6.8.3 光电耦合器 切断两电路之间的地回路的另一种方法是采用光电耦合器。 原理：发光二极管发光的强弱随电路1输出信号电流的变化而变化。
强弱变化的光使光电晶体管(或光敏电阻)产生相应变化的电流， 作为电路2的输入信号。 将这两种器件封装在一起就构成光电耦合器。 光电耦合器完全切断了两个电路的地回路。 这样，两个电路的地电位即使不同，也不会造成干扰。 光电耦合对数字电路特别适用。 在模拟电路中，由于电流与光强的线性关系较差，在传输模拟信号时会产生较大的非线性失真，故光电耦合器的使用受到限制。

88 §6.8.4 差分平衡电路 差分平衡电路有助于减小接地电路干扰的影响。 因为差分器件是按照加于电路两输入端的电压差值工作的。
当两输入端对地平衡时，即为平衡差分器件。 图6-37输入电压US是差分器件响应的电压。 地电压(干扰电压)UG同时加于两输入端， 相应的噪声电流(以2ig表示)等量地加于两输入端。 这是由于电路是平衡的，每一输入端对地具有完全相同的阻抗。 总输入干扰恰好相互抵消。说明差分器件对地电路信号不发生响应。

89 从理论上讲，外界干扰电压被抵消掉(这里假定US的内阻为零)。
实际上，在差分器件或相关的整个电路中，总会存在某些不平衡， 此时，干扰电压UG中的一部分将作为差分电压出现在等效电阻R上。 这里的R表示A端和B端对地的漏电阻之差， 即R＝RA－RB(当平衡时R＝0)。 由于不平衡所引起的UG的一部分ΔUG将出现在差分器件的输入端。

90 图6-38中UG为地干扰电压，放大器含有两个输入电压U1与U2，
输出电压为Uo＝A(U1－U2) 式中，A为放大器的增益。 当负载RL远大于接地电阻RG时，由等效电路图 (b)可得UG在放大器输入端引起的干扰电压为 (6-44) 由上式可见，若信号源内阻RS相对很小，且阻抗平衡，即RL1＝ＲL2，RC1＝RC2则UN＝0。

91 图6-39给出了差分电路减小UN的改进电路。接入电阻R用以提高放大器的输入阻抗，以减少地干扰电压UG的影响，但没有增加信号US的输入阻抗。
…电阻RAB，…RG ，一般有RG<<(R＋RAB)，UG在放大器输入端引起的噪声电压为 UAB<<UG，改进差分电路所得UN减小。 对信号US而言，没有增加输入阻抗。

92 作业1： 1. 接地的概念及要求？ 2.人体电阻及其安全电流电压是多少？ 3.安全接地是否有效与哪些因素有关？ 4.导体阻抗、电感的频率特性如何？ 5. 搭接条选择的原则？ 课外作业：调查实验大楼五楼机房的接地措施

93 作业2： 1. 电路按信号特性将接地分为哪四类？ 2. 单点接地、多点接地、混合接地和悬浮接地各自的适用场合。 3.电缆屏蔽层接地的原则。 作业3： 1.地电流地电压形成的原因？ 2.接地点选择的原则？

94 图6-1 设备机壳接地的作用 返回1 返回2

95 当频率很高的电流通过导线时，可以认为电流只在导线表面上很薄的一层中流过，这等效于导线的截面减小，电阻增大。
趋肤效应 亦称为“集肤效应”。交变电流通过导体时，由于感应作用引起导体截面上电流分布不均匀，愈近导体表面电流密度越大。这种现象称“趋肤效应”。 趋肤效应使导体的有效电阻增加。 频率越高，趋肤效应越显著。 当频率很高的电流通过导线时，可以认为电流只在导线表面上很薄的一层中流过，这等效于导线的截面减小，电阻增大。 既然导线的中心部分几乎没有电流通过，就可以把这中心部分除去以节约材料。 因此，在高频电路中可以采用空心导线代替实心导线。 此外，为了削弱趋肤效应，在高频电路中也往往使用多股相互绝缘细 导线编织成束来代替同样截面积的粗导线，这种多股线束称为辫线。在工业应用方面，利用趋肤效应可以对金属进行表面淬火 返回

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