1、第四章接地和搭接技术接地的概念 理想接地面是指零阻抗和零电位的物理实体，其上各点之间不存在电位差，它可以作为系统中所有信号电平的参考点。当然理想接地面实际上是不存在的，因为即使是电阻率为零的超导体，其表面两点之间的跨越时间延迟也会呈现某种电抗效应。接地是指在系统的某个选定点与某个接地面之间建立导电的通路 接地的目的主要是防止电磁干扰，消除公共阻抗的耦合，也是为了保障人身和设备的安全。接地与屏蔽正确地结合起来，就能解决大部分电磁干扰问题。按接地用途分按接地用途分.信号回路接地（机能地）信号回路接地（机能地）如各变送器的负端接地，开关量信号的负端接地等。把大地作为组成回路一部分的机能接地例子，是电
2、气防腐蚀回路(图17)。另外，被期待作为21世纪输电方式的直流输电系统(图18)中有采用大地归路的计划，因此机能接地成为必要。.屏蔽接地屏蔽接地（输入信号电缆的屏蔽层的接地、电磁屏蔽电磁屏蔽格栅接地格栅接地等）线路滤波器接地、线路滤波器接地、SPD接地接地电子装置的电源的输入部位接入线路过滤器(图111)。这个线路过滤器是为了不让通入电源线的无用的噪音进人电子装置。把电源的各线与大地间接入电容器，噪音就导入大地。.3)防雷接地(4)防静电接地！这里的分类是指接地工程设计施工中考虑的各种要求，并不表示每种“地”都需要独立开来。相反，除了有地电信号抗干扰、设备本身专门要求等特殊原因之外，应尽量采用
3、联合接地的方案。图1.12 油罐车和静电用接地.随着电子技术的快速发展，功能强大价值昂贵的设备广泛使用，要求提供更加可靠的接地保护；此外，微电子技术的推广，使得现代设备要求更低的接地电阻和正确的引线方式，以达到电磁兼容（EMC）的目的。在各种系统中，一个设计良好的接地系统对获得是至关重要的。当意外的电压和电流影响设备性能时，称之为存在电磁干扰（EMI），这些电压和电流可以通过传导或电磁场辐射传到受害的设备。电磁干扰包括系统内部的干扰和系统之间的干扰.接地面与大地连接的三种原因：(1)为使整个系统有一个公共的零电位基准面，并给高频干扰电压提供低阻抗通路，达到系统稳定工作的目的。(2)为使系统的屏
4、敞接地，取得良好的电磁屏蔽效果。达到抑制电磁干扰的目的。(3)为了防止雷击危及系统和人体，防止静电电荷积累引起火花放电，以及防止高电压与外壳相接引起的危险。因此，接地可以分为安全接地和信号接地两类.信号接地的三种基本概念：浮地、单点接地和多点接地。.浮地 浮地指的是接地面不与大地直接相连。浮地的目的是将电路或设备与公共地或可能引起环流的公共导线电隔离开来。在低频时，各级电路的电位差被隔离，同时可以忽略接地面和电路的分布电容的条件下，常用浮地接地法。缺点是设备不与大地直接相连，容易出现静电积累现象，这样积累起来的电荷达到一定程度后，在设备和大地之间会产生具有强大放电电流的静电击穿现象，这种放电现
5、象是一种破坏性很大的强干扰源。为此提出了一种折衷的办法，就是在采用浮地的设备与大地之间，接进一个电阻位很大的泄放电阻，以消除静电积累的影响。.单点接地 单点接地是指在一个线路中，只有一个物理点被定义为接地参考点。其它各个需要接地的点部直接接到这一点上。如果系统包含多个机柜，则每个机柜的地是独立的，而在每个机柜内部，对于每个接地系统则是采用单点接地的方式。然后，把整个系统中的各个机柜地连接到一个唯一的参考点上。接地连线的长度远小于电路工作波时，可采用本系统。这种接地方法，地线连线长而多，在高频时，地线电感较大，由此而增加地线间的电感耦合，引起电磁干扰，所以高频时不用这种系统。.单点接地12312
6、3串联单点接地串联单点接地优点：简单优点：简单缺点：公共阻抗耦合缺点：公共阻抗耦合并联单点接地并联单点接地优点：无公共阻抗耦合优点：无公共阻抗耦合缺点：接地线过多缺点：接地线过多I1I2I3I1I2I3ABCABCR1R2R3.多点接地如果系统的工作频率很高，以致工作波长 Cf缩小到与系统的接地平面的尺寸或接地引线的长度可以比拟时，就不能再用单点接地方式了。因为，当地线的长度接近于4时，它更象一根终端短路的传输线，而不能起着“地”的作用。多点接地是指某一个系统中各个接地点都直接接到距它最近的接地平面上，以使接地引线的长度为最短。这里说的接地平面，可以是设备的底板也可以是贯通整个系统的接地导线，
7、在比较大的系统中，还可以是设备的结构框架等等。多点接地的每个设备、装置、电路中的干扰电流就只能在本身中循环，而不会耦合到其他地方。尤其是在低电平的输入级中。.多点接地R1R2R3L1L2L3电路1电路2电路3.混合接地在有些设备中，即有高频电路又有低频电路，可采用混合接地，高频电路、中频电路部分用多点接地，低频部分用单点接地。(图见书上pp109).地线干扰地环路问题与解决方法公共阻抗耦合问题与解决方法各种接地方法.地线引发干扰问题的原因V=I R地线电压地线电压地线是等地线是等电位的假电位的假设不成立设不成立电流走最小电流走最小阻抗路径阻抗路径我们并不知我们并不知道地电流的道地电流的确切路径
8、确切路径地电流失地电流失去控制去控制.地线电位示意图 2mV200mV2mV 10mV10mV 20mV20mV 100mV100mV 200mV.地线问题地环路IGVGVN地环路I1I2.隔离变压器屏蔽层只能接2点！C2VG12C1屏蔽CPVGVSVNRL.共模扼流圈的作用VsR1R1RLLVGIN1IN2ISVS+VNM.光隔离器发送发送接收接收RLRLVGVSVSVG光耦器件Cp.平衡电路对地环路干扰的抑制VGRS1VS1RS2RL2RL1VS2 IN1IN2ISVL.地线问题公共阻抗耦合电路1电路2地电流1地电流2公共地阻抗V改进1改进2.放大器屏蔽壳的接地C1SC3SC2SC1SC3
9、SC2S等效电路等效电路.电路的接地电路的接地面对电路所在系统的所有工作频率都呈现低阻抗特性则称之为电路接地接地面应该具备：()接地面是电路公共地回路。(2)所有电路都会向接地平面输送自身地电流。(3)一个地回流路径穿过另一个地回流路径时将产生电路之间的藕合 图632中Zgp是AB两点间的接地平面阻抗，IZgp则为地回流电流I在接地点AB之间产生的干扰电压，作为下一级敏感电路的输入干扰。为了减小干扰电压应很好安排电路元件的接地，使地回流路径尽量短而且直，尽量避免交叉。这样，地电流在电路之间的藕合量将保持最小；.电路接地的考虑 当一个系统或电路的接地平面较大时，由于流入和流出接地平面的电流，会在
10、地平面的不同点之间产生一定的电位差。这样，为了减少由于接地平面引入的有害耦合的影响，可以把电路元件分为几组接地，以便接地线长度尽可能短。虽然浮地系统可以避免接地平面上电位差的影响，并在音频和低频率段位系统工作符合指标的要求。但是，工作频率提高以后，将会出现电容耦合途径，从而使隔离变压器旁路。.电容耦合途径电容耦合途径的出现，常常影响到电路的平衡。这可以用差分电路的分析方法来研究。图54给出了电路中对地平衡的两个点必须满足的阻抗条件。图中A和B代表电路中两个任意的点，并假定它们到地的阻抗相等，R1、R2、C1和C2是它们对地的电阻和杂散电容。.差分器件是指按照加于电路两输入端的电压差值工作的器件
11、。当两输入端对地平衡时，该器件即为平衡差分器件。由图可以看出，这种电路对输入接地线上的噪声电流是不敏感的。如果电路不平衡，则地噪声的影响将不能忽略，其影响可以用串接于某一输入端的等效电阻R来等效。请见书上P96等效电路图提高放大器的输入阻抗可减少地电压的影响!.正确的接地连接线 接地线的阻抗取决于导体的尺寸、引线长度和布线技术等因素，正确的接地线可以使电路满意地工作。选接地线时应考虑下列几个因素：(1)辐射频率提高引起的集肤效应。(2)工作频率提高时引起感抗的增加。(3)每根导线有固定的电感和电容。(4)通过电流的导线在其周围产生磁场和电场。(5)导线的电感和电容与电路的电感和电容谐振。.电源
12、的接地为了尽量减少供电电源母线上的负载感生噪声，电源的一端必须很好地接地。其中Zs为电源的内阻,Zb为电源母线的阻抗，Zg是电源的接地阻抗。开关S使负载ZL2间隙地与电源母线相接.电源去耦电路实用上，常常把向重负荷电路供电的电源线和回线，与向信号电路供电的电源线和回线分离开来，达到削弱耦合的目的。或者说，只要事先对各种负载进行合理的分类，就可以让多组电路共用一个电源。至于敏感性较高的电路，则必须采取隔离措施，甚至还需单独为它提供一个电源。不过，更常用的方法是在供电电路中接入去耦电路。.电源线布置的注意事项必须同时工作的电路(如同步数字系统中的各种电路)应分开放置，以尽量减少它们之间的辐射耦合。
13、对于开关电路，它们的整个电源线束应整个地屏蔽起来，而且使屏蔽线的两端同时接地。通过较大交流电流的引线，应绞合在一起通过较大交流电流的引线，应绞合在一起，并使它们尽可能的远离敏感线。直流电源线的馈线与回线也应绞合起来直流电源线的馈线与回线也应绞合起来，以防止它们接收并且重新辐射外来的射频能量(对低阻抗电源线进行屏蔽，通常收效不大)。直流电源线还应该远离交流馈电线和各种控制线。电源线的回线与其它电路的回电源线的回线与其它电路的回线不应该共用一条导线线不应该共用一条导线。专用一根导线作为电源回线的优点是可以提供一个比较完善的单点接地，而不构成复杂的接地环路。.电缆屏蔽层的接地对于采用单点接地的屏蔽线
14、，如果其长度接近于4，就应改用多点接地(象其它导线一样，屏蔽层也可以起天线的作用)。采用多点接地时，如果不能做到每隔0.05 至0.1 有一个接地点，那么至少应把屏蔽层的两个端点接地。多点屏蔽的另一个优点是可以减少屏蔽层的静电耦合。.屏蔽电场0V电缆长度电缆长度 /20，多点接地，多点接地.磁场对电缆的干扰VNVN (d /dt)=A(dB/dt)磁通磁通 回路面积回路面积A感应电压感应电压当面积一定时当面积一定时.减小感应回路的面积减小感应回路的面积理想同轴线的信号电流与回流等效为在几何上重合，因理想同轴线的信号电流与回流等效为在几何上重合，因此电缆上的回路面积为此电缆上的回路面积为0，整个
15、回路面积仅有两端的部分，整个回路面积仅有两端的部分.屏蔽电缆减小磁场影响VSVSVS只有两端接地的屏蔽层才能只有两端接地的屏蔽层才能 屏蔽磁场屏蔽磁场.抑制磁场干扰的试验数据抑制磁场干扰的试验数据1001M1M1M100100每米18节(A)(B)(D)(E)(C)0271313281M1M100100.抑制磁场干扰的实验数据 1001M1M1M100100每米18节(F)(G)(I)(J)(H)80557063771M1M100100.不同结构的电线，置于地平面上方2.5cm处，测得电缆对100kHz磁干扰的相对敏感度。.电缆屏蔽层的处理 应将电缆屏蔽层剥开后，沿着连接器外壳的四周，在360
16、方向上完好地接地，要尽量避免将屏蔽层剥开后梳成辫形，然后进行接地的方法。高输入或高输出阻抗电路，尤其是在高静电环境中，可能还需要用双层屏蔽或三层屏蔽的电缆。这时，内屏蔽层可以在信源端接地，外屏蔽层则在负载端接地。.接地设计准则（小结）电路尺寸小于0.05 时，可采用单点接地；大于0.15 时，可采用多点接地，电路尺寸介乎0.05 和0.15 之间的则应根据接地线的实际位置以及被接地电路的传导发射和传导敏感度容限决定接地方式。对于那些工作频率范围很宽的电路，还要采用混合接地。出现地线环路问题时，可采用浮地隔离技术(例如，使用变压器)。所有接地线应尽可能短。.所设计的接地参考平面应具有较高的电导率
17、，确保接地联接装置能够应付意外的故障电流，在有室外终端接地时，能够应付雷电电流的冲击。对于信号回线、信号屏蔽层回线、电源系统回线以及底板或机壳都要有单独的电路接地系统，然后可以将这些回线接到一个地参考点上。对于那些将出现较大突变电流的电路要有单独的接地系统，或者有单独的接地回线，以减小对其它电路的瞬态藕合。低电平电路的接地线要与所有其它接地线隔离开来。在信号线与电源线必须交叉的地方要使导线互相垂直。使用平衡差分电路，以尽量减小接地电路干扰的影响。对于最大尺寸远小于 4的电路，使用单点接地的紧绞合线(是否屏蔽视实际情况而定)，以使设备敏感度最小。.端接电缆屏蔽层时，避免使用屏蔽层辫状引出线。需要
18、用同轴电缆传输信号时，要通过屏蔽层提供信号回路。低频电路可在信源端单点接地，高频电路则采用多点接地。低电平传输线要用多层屏蔽，建议各屏蔽层用单点接地。.搭接技术 电子设备中，金属部件之间的低阻抗连接称为搭电子设备中，金属部件之间的低阻抗连接称为搭接。例如：接。例如：电缆屏蔽层与机箱之间搭接电缆屏蔽层与机箱之间搭接屏蔽体上不同部分之间的搭接屏蔽体上不同部分之间的搭接 滤波器与机箱之间的搭接滤波器与机箱之间的搭接 不同机箱之间的地线搭接不同机箱之间的地线搭接.搭接技术 搭接的目的与种类搭接的目的在于为电流的流动安排一个均匀的结构面，以避免在相互连接的两金属间形成电位差，因为这种电位差会产生电磁干扰
19、。两种基本的搭接方式是：1直接搭接，即欲联接的两者之间金属与金属的接触。2间接搭接，即利用搭接片使两者接触。.不良搭接的影响由于搭接不良，干扰电流经由途径2流到负载RL而不是象预期的那样流过途径1。滤波器的元件是L和C，LB和RB分别表示不良搭接的电感和电阻。电流流过途径2的条件是 (1jC)+RLRB+j LB。.VI航天飞行器上的搭接阻抗要小于2.5m!搭接不良的机箱.2.搭接的方法熔接：即用加热和锻锤的方法来接合钎焊：用难熔化的合金来焊接；熔焊；用加热法格接触面金属熔化；低温焊接：用低温焊料来连接，冷锻：锻锤或敲击。近来流行的绞接方法也是锻锤的一种，这种方法加工时终端接触面不需要加热因而
20、可以避免由于加热引起的绝缘性和固态元件性能的下降或损坏。铆接：在直径为2cm的孔上，用铆接的方法来连接。必须在搭接前预先对金属表面进行机械加工处理，并清除接触面上各种非金属覆盖层。但是要注意，压配连接或用自攻丝镙钉的连接，在高频时都不能提供良好的低阻抗连接。.搭接面的处理 无论直接搭接还是间接搭接对捞接表面都应进行必要的处理。如为使垫片与表面是面接触，其周围的油漆皱皮应予清除。搭接后还需检查一下新刷的薄油漆是否会渗入垫片边缘下面而影响搭接质量。对那些必须进行表面处理的可移动部件，应该覆盖一层导电层。比较适宜的导电层有镀银或镀金等。阳极氧化膜这类耐磨层一般是不导电的，因此在搭接前必须清除。铝表面
21、还要有防止腐蚀的保护层。.搭接点的保护.腐蚀与合金化不同金属互相接触时会出现两种质变，即腐蚀与合金化。所谓腐蚀是指在电化学序列中属于不同组的两种金属(见右表)接触在一起时，在电解液的作用下，形成一个化学电池使金属逐渐电解的效应。为了减轻腐蚀的程度，联接在一起的两种金属应该处于电化学序列的同一组中。而且，还应尽量避免与电解液接触。能起电解液作用的液体有：盐水或盐雾、雨水(它能带来许多杂质或使表面上各种杂质湿润)、汽油。因此，搭接处应该尽可能保持干燥。.电化学腐蚀 电化学腐蚀是指金属表面与离子导电的介质(电解质)发生电化学反应而引起的破坏。任何以电化学机理进行的腐蚀反应至少包含有一个阳极反应和一个
22、阴极反应并以流过金属内部的电子流和介质中的离子流形成回路。阳极反应是氢化过程，即金属离子从金属转移到介质中并放出电子；阴极反应为还原过程，即介质中的氧化剂组分吸收来自阳极的电子过程。例如，碳钢在酸性溶液中腐蚀时，在阳极区铁被氧化为Fe离子，所放出的电子由阳极(Fe)流至钢中的阴极()上被H离子吸收而还原成氢气，即由于在被腐蚀的金属表面存在着在空间或时间上分开的阳极区和阴极区，腐蚀反应过程中电子的传递可通过金属从阳极区流向阴极区，其结果必有电流产生。.总之，要发生电化学腐蚀，不但需要有作为阳极发生溶解的金属，而且必须有腐蚀剂作为阴极去极化剂来维持阴极过程的不断进行。对于一个具体的腐蚀体系来说，究
23、竟哪种物质为阴极去极化剂，不但要看介质中有哪些可发生阴极还原的物质而且还要看它们在阴极的放电电位。还原反应的电位越高，越优先在阴极进行。由于腐蚀过程中阳极区释放出的电子进入邻近的阴极区，如果阴极还原反应不能及时把这些电子吸收，则电子在阴极积累，使阴极区的电位偏离平衡电位，向负方向变化，这就叫阴极极化。可见，阴极过程受到阻滞同样可妨碍金属的腐蚀。.合金化合金化并不要求一定在电解质存在时才能生成。当金和铝在300温度下结合时会形成一种非常脆的合金，称做“白害”或“紫疫”。虽然它的导电性非常好，但任何振动都会使这种合金的微粒脱离结合点，导致搭接电阻的增加。.搭接的有效性在直流情况下，我们只关心搭接的
24、欧姆电阻。但是随着频率的增加，趋肤效应会使这一电阻加大，而且搭接处还会出现由其结构决定的自感。此外，搭接表面之间的电容也会对整个搭接的有效性产生影响。下图画出了当搭接的长度L时的高频等效电路，其中，搭接电阻Rs决定于搭接片的电阻率，趋肤深度 和搭接半径a，搭接的有效度可以表示为有搭接线和没有搭接线时，设备外壳上的感应电压之差(用dB表示)。.搭接电阻常用搭接的直流电阻来说明搭接的质量。例如，常用搭接的直流电阻来说明搭接的质量。例如，一些军用规范要求直流搭接电阻小于一些军用规范要求直流搭接电阻小于0.1欧姆，欧姆，以防止冲击造成的破坏。以防止冲击造成的破坏。在易于遭受雷电、爆炸或火灾危害的地方，
25、电在易于遭受雷电、爆炸或火灾危害的地方，电阻的大小决定于电源线对地短路时，允许流过阻的大小决定于电源线对地短路时，允许流过的最大故障电流。通常直流电阻在的最大故障电流。通常直流电阻在0.25毫欧至毫欧至25毫欧量级时，可以得到良好的射频搭接。毫欧量级时，可以得到良好的射频搭接。(防雷工程或一般电气工程规定搭接电阻不大防雷工程或一般电气工程规定搭接电阻不大于于0.03欧姆）欧姆）搭接电阻的基本表达式是搭接电阻的基本表达式是.搭接的测试为了检查搭接的性能是否符合设计要求，在安装完成后要测量搭接的直流电阻。测量时应使用量程低至0.001欧的电桥，而且连接线的电阻要小于0.001欧。连接线一般是使用具
26、有大负荷能力弹簧夹子的编织线，以保证与被测搭接之间是面接触。直流电阻的测量能够说明金属表面之间的机械结合是否良好，但它测量不出影响搭接射频性能的物理结构因子。搭接的射频测量可以用扫频与并联T型网络插入损耗测量法进行，这种方法可以在经常出现搭接性能恶化的频率范围内确定搭接阻抗的大小。.小结：良好搭接的一般原则良好搭接的关健在于金属表面之间的紧密接触。被搭接表面的接触区应该光滑、清洁、没有非导电物质。紧固方法应保证有足够的压力将搭接处夹紧，以保证即使在机械扭曲、冲击和振动时表面仍然接触良好。应采用同类金属搭接，在不同类金属搭接时，可在其间插入可换的垫片；搭接完成后外面应加一层保护层。不要靠焊料增加
27、机械强度。对搭接处应采取防潮和防其它腐蚀的保护措施。跨接片只是直接的代用方法，它应该尽量短以保证低电阻和低的LC(保证长宽比小于或等于5)值。不要使跨接片在电化学序列中低于被搭接材料。应直接与结构物搭接，而不要通过邻近部件。不要使用自攻丝镙栓。要保证搭接处或跨接片能够承受预料的电流。.注意重点接地的用途有那些？接地的用途有那些？接地的基本技术有那几种？各自的优缺点有那接地的基本技术有那几种？各自的优缺点有那些？些？为避免地环路，采用的技术有那几种，各自的为避免地环路，采用的技术有那几种，各自的原理的是什么？原理的是什么？屏蔽体接地应做到哪几点？屏蔽体接地应做到哪几点？要做到良好搭接时应注意那些问题？要做到良好搭接时应注意那些问题？.
