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设备接地的测量方法


2017-04-28 10:37   点击:34
                        在测量系统中,习惯上将地分成三类: 
电气接地”原本是电路与大地之间的导电连接。但是,在电子设备制造业中,这个词的意义已经放宽成用作零电压参考的一个点或几个点。
 电源地---------提供仪器工作所需电源的电流的返回路径。信号地---------所有信号电流的参考点和返回路径。底盘和屏蔽地----------通常是仪器的底盘和金属外壳以及电缆的屏蔽。

   基本接地准则是要求整个系统中每类的地都具有相同电位。然而,在任何实际系统中,这个要求很少完全满足。

电气设备接地方法 
  (一)安全保护接地 
  1、保护接零。三相四线制供电系统中的中性线,即为保护接零线,它是电路环路的重要组成部分。在中性点直接接地的三相四线制电网中,电子电气设备应保护接零。将电子电气设备正常运行时不带电的金属外壳与电网的零线连接起来,当一相发生漏电或碰壳时,由于金属外壳与零线相连,形成单相短路,电流很大,使电路保护装置迅速动作,切断电源。在采用接零保护时,电源中线不允许断开,如果中线断开,将会失去保护作用。通常系统中采用零线重复接地的方法实现保护作用。 
  2、保护接地。为防止触电事故而装设的接地,称之为保护接地。保护接地仅适用于中性点不接地的电网。凡在这个电网中的电气设备的金属外壳、支架及相连的金属部分均应接地。中性点接地的电路系统不宜采用保护接地。 
  (二)系统接地 
  系统接地线既是各电路中的静态、动态电流通道,又是各级电路通过共同的接地阻抗而相互耦合的途径,从而形成电路间相互干扰的薄弱环节。所以,电子电气仪器设备中的一切抗干扰技术,都和接地有关。正确的接地是抵制噪声和防止干扰的主要途径,它不仅能保证电子电气设备正常、稳定和可靠地工作,而且能提高电路的工作精度。电子电气仪器设备中的系统接地是否要接大地和如何接大地,与系统的工作稳定性有着密切的关系,通常有4种方式。 
  1、浮地方式。浮地就是不接大地,是一种悬浮的方式,其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隔离开来,从而抑制来自接地线的干扰。这种接地方式的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,这是一种破坏性很强的干扰源。为此,在采用浮地方式时,应在设备与大地之间接一个阻值很大的泄放电阻,以消除静电积累的影响。 
  2、单点接地方式。由于2点接地易形成接地环路,所以一点接地的功能是消除和防止形成接地环路。单点接地有串联和并联2种方式。单点接地是为许多接在一起的电路系统提供共同参考点。电流流过接地导线时,导线中或多或少有阻抗。串联接地电路电流I1,I2IN都经过阻抗Z1,Z1是电路1,2……N共有的共同阻抗,因此,电路1,2……N的电位受I1,I2……IN共同影响,它们之间互相牵制。而并联接地方式没有公共阻抗,电路1,2……N互不干扰,所以并联接地最为简单实用。一点接地方式适合工作频率低于1MHz以下的低频电路。 
  3、多点接地方式。对于高频电路(信号频率为10MHz以上),由于各元器件的引线和电路本身布局的电感都将增加接地线的阻抗,一点接地方式已不再适用。为了降低接地线阻抗及减少地线间的杂散电感和分布电容所造成的电路间的相互耦合,应短距离把各元器件接地端子接在此地面上。 
  4、混合接地。电路系统既有低频电路,又有高频电路或数字电路时,在系统中应采用混合接地方式。电路系统中的低频部分采用单点接地,而高频部分则需要多点接地,这样的接地方式既包含了单点接地的特性,又包含了多点接地的特性,从而达到最佳抑制干扰的目的。

电气接地原理与测试方法

一、交流电源接地

    交流配电系统是最严重的电干扰源之一。为此,适当了解这类配电系统中的一些实际接地作法是十分重要的。

交流配电系统通常分为三类:

  1. 以高压,即34kV以上电压远距离传送电力的输电线。
  2. 向测试设备或范围不大的城镇传送电力的主配电线路,电压范围为2.4~25kV。
  3. 通常工作在120~240V的设备配电线路。

    在所有这些情况下,电力线都以大地作为参考。这样作是为了防止由各个接地之间的跳火引起的瞬时电压,允许使用较低的绝缘电平以及帮助保护启动。
    由于上述电力线全都有大地作为参考,故电流均流入大地。流入大地的电流将找到一条电阻最小的路径并沿其流动,因而,在大地中产生电位降并产生磁通。这种电位降使与处在两个不同位置的两地相连,并假定它们仍然处于相同电位成为不可能。所产生的磁通因变压器的作用而耦合进远距离的电力线或电力线环路,从而产生很难消除的低阻抗环流。
    在正常情况下,高压输电线只在发电机一端接地。然而,在远距离输电线情况下,输电线的对地电容可以使很大的电流流经大地。对于主配电线路,国家电气安全规范要求中线导线每英里至少与大地连接四次。
    在配电设备中,中线在电源接地而不应在负载接地。除非某处有故障,否则由配电设备引起的地电流应很小。因为全世界存在大量的电力系统,故一般可以认为,几乎处处都有地电流。这就是人的手指接触示波器的输入端观察到的市电频率(50Hz或60Hz)信号或人的耳朵靠近音频放大器听到的哼声。由于这个信号无处不在,故在所有互连系统中,特别是在十分灵敏或相隔较远的系统中必须予以考虑。

电气接地原理与测试方法二、仪器的电源输入

1、交流供电的仪器

大多数高质量仪器都有一根三芯电源线。在这根交流电源线中,一根是火线,第二根是公共线或电源回线,而第三根是接地线。在一起内部,火线或公共线接到电源变压器,而接地线则直接连接金属外壳。第三根线通过使仪器外壳维持在地电位而确保人身安全,故这根线不应当撤掉。尽管第三根线或接地线对防止电击和提供总接地屏蔽的安全性是必要的,但当几台仪器全都插入电源线,然后将仪器外壳全部连接在一起形成一个大环路时,便可能引发出问题。那时,环路变成一匝短路线圈,对地电流的磁耦合可能产生很大的环流。通常称这个环路为“接地环路”。

2、用电池工作的仪器

可再充电电池和低功耗的固态电路允许仪器设计人员设计完全隔离的便携式仪器。由于进行了隔离,所以,这类仪器在消除接地引起的许多问题方面有若干优点。例如,由于对信号测量的参考点不在大地,故很容易消除接地环路。

电气接地原理与测试方法三、仪器接地

1、正常输入地

    信号地的路径依据仪器类型而有所不同。然而,十分重要的是没有外部电流在仪器上流动。常使用的仪器都是测量仪器,如电压表、示波器或图表记录器。这些仪器拾取某个输入量并将其对操作者显示,这类仪器通常都有完整的接地系统。
    应当注意,这些仪器的输入是以机壳的地作为参考,仪器机壳的地又通过交流电源的第三根线与地连接。只要插入第三根线,输入地就不应当与相对于大地具有电位的任何点连接,否则便可能产生灾难性的后果。


测量仪器最普通的输入地和电源地

2、差分输入

如下图所示,某些测量仪器具有差分(悬浮)输入(信号回路与仪器机壳隔离),这类仪器中,显示的信号是两路信号之间的电压差。例如,若5V信号加到相对于机壳地为正的输入端,而3V信号加到负输入端,则可以检测到的唯一部分是电压差(差分电压)2V。对两个输入端共同的电压部分叫做“共模电压”,理想情况下,这部分电压是检测不到的。由于两个输入端被隔离,所以,任一个输入端都可以看作是信号地。只要不超过仪器的额定电压,这个参考输入端对于仪器的机壳地便可以处于任意电压。
 


差分输入设备的接地系统

3、输出型仪器的正常接地

输出型仪器是信号源,如待连接到另外仪器上的电源或信号源。如下图所示,对于直流输出或低频输出,一般都有正、负两个输出端,以及需要时可以连接的独立机壳接线端。对于射频发生器或有高频分量的情况,输出将通过一个射频连接器,连接器的外部或接地侧面连接到机壳上。
 


低频和直流输出仪器的接地系统(
b)射频输出仪器的接地系统
输出型仪器的典型接地系统电气接地原理与测试方法4、测量系统的接地连接

    将仪器地正确连接在一起并不存在一个绝对通用的方法。根据环境的不同,可有若干能给出满意结果的方法。接地互连的一般准则是:

  1. 连接所有的地,使屏蔽地、电源地和信号地的电流不能相混,而只能在它们各自的回流途径中流动。
  2. 尽量使接地路径缩短,并且使用粗导体以将接地点之间的阻抗减至最小。
  3. 避免地电流流经多重路径。
  4. 设计每个单独的接地电路,使高电平地电流不能流入低电平的输入回路。

    在大多数情况下,同时严格遵守上述所有规则是不切实际的。例如,为了安全起见,应当将所有仪器连接到地,而这个要求往往与多个接地路径的规则相矛盾。在实践中,上述规则只用作指南,进行所有接地时应使折中考虑四条规则所带来的影响最小。
    下图示出一个典型的仪器内部连接接地系统的例子。在这个系统中,电源地与信号地是不隔离的。然而应当小心采取适当的接地设计将问题减至最少。该接地系统的地电流在一个连续的线路流动,依次从高电平级流向低电平级而不往回流动。即使指定一根导线或底盘作为地,也不能过分强调在底盘所有的点不可能存在同样的电位,特别是高频上更是如此。这一点可以用等效阻抗Z1、Z2和Z3来说明。


仪器的内部接地系统

    三个等效阻抗是互连导线的电感和电阻。虽然必须通过选择短的电流途径与粗导体将Z1、Z2和Z3减至最小,但是流经它们的电流仍然可能产生显著的压降,从而导致各个接地点有不同电位。因此,一级电路或一台仪器不能与被认为是地的任何点任意连接。为了说明随意接地的后果,假定将第3级连接到A点而非D点,如上图虚线所示,这时,流到第3级的任何信号电流与电源电流都必须通过Z1、Z2和Z3。第3级通常是支取在变化的大电流的高电平级。这些电流将在直接与第一级的输入相串连的Z1上产生压降,而第一级通常是灵敏的低电平放大器。在同第2级、第3级相串连的Z2和Z3两端也将出现电位降。输入端上的这些外来信号可以引起许多严重问题。根据仪器的不同,系统可能产生振荡、形成直流偏移、出现尖峰信号或其它虚假响应。
    还要注意,电源接地应像上图中所示那样首先连接到高电平级。如果像虚线和Z4表示的那样将电源连接到A点,那么第3级的高电平电流会再次被迫流过Z1,从而产生虚假响应。在正确连接的情况下,来自第1级的低电平电流将流过Z2和Z3,然而,这个电流的幅度很小,以致在第2级和第3级引起的信号多半都无关紧要。
    一种误解认为,在哪里接地都相同。如下图所示,这在一个简单直流电源的设计中就会遇到麻烦。正常情况下,一个精心设计和精心制作的直流电源在A和B之间输出的纹波与噪声都非常小。然而,由于某种原因若将C点而不是D点用作地参考更为方便,则输出将出现显著纹波。发生这个情况是由于流过整流器对滤波电容充电的电流仅仅在一个周期的很小的部分流通,结果产生了幅度比直接输出电流大许多倍的端电流脉冲。由于这些电流脉冲一般至少为几安培,所以,为了产生与输出相串联的相当大的电压脉冲,在C和D之间要使用很小的电阻。
 


简单直流电源的参考地应用

    与测量系统相联系的许多问题都是由接地环路引起的结果。接地环路的最佳定义是不能在两个不同的接地点提供相同的电位。这可能归因于多点接地、在大导线环路上的磁感应或长导线上的电耦合。每当系统中出现市电频率(50Hz或60Hz)哼声,往往都是由接地环路造成。
为了说明与接地环路相关的问题,参考下图所示系统。
 


仪器内部的接地环路

    正确的工艺规程规定:电源的回接应当只连接B点。如果不是这样,而是回接到A和B两点(虚线),那么,来自第3级的电流会从B点分成两路流过。流过每条路径的电流大小与各路径的电导率成正比。此外,两条路径的相对电导率大小又可能使系统产生振荡或错误的结果。在存在变化磁场的情况下,因接地环路中的感应环流而使接地环路产生附加干扰。出现这种干扰时,由于电缆长和接地间隔远,很可能同时在信号接地处和在信号输入电平上出现干扰。这种干扰称之为“共模干扰”,并需特别注意。
下图示出所谓“单点接地”的接地方法,在这个例子中,为任何一级所共有的唯一接地电阻是包括连接公共点的导体在内的电源输出阻抗。通常,这个阻抗可以做得足够小而可忽略不计。
 


仪器的各级连接公共电源,再单点接地

    将一台电子仪器与一个外电源组成的系统正确接地的方法示于下图。最好的电源具有三个接线端子:正端、负端和屏蔽地(仪器机壳)。如图所示,当将这个电源连接到其它仪器上时,将正输出和负输出连接到相应的电源输入端子,而将屏蔽接地连接到仪器的屏蔽罩上。这样就提供了一个延伸的屏蔽系统使外部干扰最小。
 


连接外部直流电源与单独电子仪器连接的正确接地系统

    下图示出一个典型测量装置的完整接地系统的例子。被测电子电路由一个直流电源供电,并用一台音频振荡器激励,输出用一台示波器观察。多重接地路径维持到最短,并将所有的屏蔽连接在一起以消除外部干扰。


由音频振荡器激励并用示波器观察的仪器组成的测量装置的正确接地系统

    由于大部分仪器都具有隔离的输入与隔离的输出。只有一个接地环路通过仪器机壳与电源输入的大地引脚。在正常环境下,由于屏蔽同其它地相隔离,故没有明显的电流流动,所以,只要接地环路的环流不大到足以产生强磁场,接地环路的影响便可以忽略不计。
5、射频地与屏蔽地
    由于所使用的任何接地系统都有分布电感,所以射频接地难以实现。采用大面积金属接地和短接地导线的强制法一般都能形成组好的接地系统。大多数射频仪器的输入端子和输出端子都直接以仪器的金属外壳(屏蔽地)作为参考。各单独的仪器应当用匹配良好的射频屏蔽电缆连接在一起,主要是防止传输线上形成驻波、电缆发出辐射和感应信号。
    电缆屏蔽本质上是连在一起的仪器机壳之延伸。如果把电源和信号隔离以及正确接地的其它一切都搞好了,那就不会有因仪器而引起的电流在屏蔽上流动。屏蔽的主要目的在于保护电缆并将从外部辐射源进入电路的传导干扰减到最小或者防止电缆成为辐射干扰源。
对接地电缆进行屏蔽时,所需接地类型取决于涉及的频率、电缆的长度及仪器的灵敏度。然而,除非至少每隔0.15个相关信号的波长接地,否则,屏蔽一般都没有太大的价值。如果选定的接地点之间阻抗很高,由于在接地环路中会感应起多重地电流,所以,这种类型的接地系统是没有效果的。应当评估这些多重地电流对仪器的影响。在许多情况下,采用的仪器对感应频率都不敏感,因此不存在问题。
    然而,在诸如视频电路之类的宽带电路中,常常会捡拾或强或弱的哼声。减小这种哼声有几个方法,例如,在电视工业中应用二极管箝位电路恢复直流电平来抵消哼声。这种抵消的机理是对系统增加适当电平的反相信号,使尽可能多地抵消干扰哼声。

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