張春林，楊 樂，康向東，余黃河

(北京航天飛行控制中心，北京 100094)

各類電子、通信、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)都需要妥善解決設(shè)備良好接地問題，這樣才能使系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、有效地工作[1]。由于人眼視覺的直觀性、敏感性，顯示系統(tǒng)設(shè)備接地較之其他電子系統(tǒng)要求更高。顯示系統(tǒng)設(shè)備接地稍微處理不當(dāng)，極易造成地回路干擾，影響圖形圖像顯示效果，讓人視覺難以接受。由接地不當(dāng)引發(fā)的干擾[2]，不同程度存在于各類顯示系統(tǒng)中，這是一個普遍存在的問題。

在顯示系統(tǒng)建設(shè)使用過程中，往往存在著這樣的現(xiàn)象，初期規(guī)模不大、信號不太多、設(shè)備之間距離不遠(yuǎn)，通常按照標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一接地，基本上就可以滿足正常顯示質(zhì)量要求。但是，隨著后期逐步擴展，系統(tǒng)規(guī)模越來越大，系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備連接和信號種類越來越復(fù)雜。由于初期在接地網(wǎng)絡(luò)上缺乏前瞻性考慮，導(dǎo)致地回路干擾也越來越嚴(yán)重。如果對系統(tǒng)設(shè)備接地沒有充分的理論認(rèn)識，缺少綜合處理的技術(shù)措施，就不可能系統(tǒng)而有效地解決設(shè)備接地伴隨而來的地回路干擾問題。

因此，研究顯示系統(tǒng)設(shè)備接地問題，采取科學(xué)的綜合技術(shù)措施，有效抑制地回路干擾是十分必要的。

1 接地要求

接地的本意是指與真正的大地連接以提供雷擊放電的通路，例如將避雷針的一端埋入大地，為用電設(shè)備提供漏電保護，即提供放電通路的技術(shù)手段[3]。通常的接地概念一般指為了使電路、設(shè)備或系統(tǒng)與“地”之間建立低阻抗通路，而將電路、設(shè)備或系統(tǒng)連接到一個作為參考電位面的良導(dǎo)體的技術(shù)行為，其中一點通常是系統(tǒng)的一個電氣或電子元件、組件，而另一點則是稱之為“地”的參考點，譬如系統(tǒng)組件是設(shè)備中的一個電路，設(shè)備的外殼或接地平面就是“地”的參考點。

理想的接地有如下4點要求:

1)為了避免使電路、設(shè)備受到磁場和地電位差的影響，理論上的接地應(yīng)使流經(jīng)地線的各個電路、設(shè)備的電流互不影響，即不使其形成地電流回路。

2)為了使流過接地導(dǎo)體的任何電流都不產(chǎn)生電壓降，即各接地點之間沒有電壓差，或者略有，但與電路中任何功能部分的電位比較均可忽略不計，理論上的接地導(dǎo)體或?qū)щ娖矫鎽?yīng)是零阻抗的實體。

3)作為系統(tǒng)中各電路任何位置的所有電信號的公共電位參考點，接地平面應(yīng)當(dāng)是零電位。

4)接地平面應(yīng)采用低阻抗材料制成，并且有足夠的長度、寬度和厚度，以保證在所有頻率上它的兩邊之間均呈現(xiàn)低阻抗。接地平面與布線間將有大的分布電容，而其本身的引線電感將很小。安裝固定式設(shè)備的接地平面，應(yīng)選用整塊銅板或由銅網(wǎng)組成。

2 設(shè)備接地作用

電子設(shè)備接地，通常按其作用可分為安全接地和信號接地。安全接地又分為防雷接地、設(shè)備安全接地和接零保護接地;而信號接地又分為單點、多點、混合以及懸浮接地等。對顯示系統(tǒng)或電視工程而言，如果接地系統(tǒng)不夠完善，不僅對設(shè)備性能的發(fā)揮產(chǎn)生影響，同時對于電視或視頻信號的質(zhì)量以及人身安全也會產(chǎn)生潛在的危險[4]。

設(shè)備安全接地是安全接地之一。任何高壓電氣設(shè)備、電子設(shè)備的機殼，底座均需要安全接地，以避免高電壓直接接觸設(shè)備外殼，或者避免由于設(shè)備內(nèi)部絕緣損壞造成漏電使機殼帶電。因此，為了保證人、機安全，電子信息或監(jiān)控顯示系統(tǒng)的機柜應(yīng)首先保證安全接地，即機柜連接大地。從內(nèi)部防感應(yīng)雷角度出發(fā)，設(shè)備也必須接地。當(dāng)電子設(shè)備的外殼接地，由于外殼與大地等電位，在外殼內(nèi)部電場強度基本上處處相等，電子設(shè)備中的電子線路就不會感應(yīng)帶電，也不會產(chǎn)生位移電流。因此，電子設(shè)備的外殼接地還對雷電有屏蔽作用，可以避免儀器設(shè)備中的線路或電子器件被雷電擊穿損壞。

信號接地則是為了抑制電磁干擾，保障設(shè)備工作穩(wěn)定。接地是抑制干擾的有效手段，系統(tǒng)有無接地，其電磁輻射的數(shù)值相差很大[5]。因此，將電子設(shè)備底座或外殼接地，在保障設(shè)備安全接地的同時，也給設(shè)備內(nèi)部各種電路的信號電壓提供一個零電位的公共參考點或面，這對于保障電子設(shè)備工作穩(wěn)定十分重要。接地后的設(shè)備機殼或底座就成為電子設(shè)備內(nèi)部電位基準(zhǔn)的導(dǎo)體，被稱為接地面。設(shè)備的底座或外殼采用接地導(dǎo)線連接至大地，如果接地回路中串入干擾，就會使接地面電位不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致電子設(shè)備工作不穩(wěn)定。信號接地的連接對象是種類繁多的電路，在復(fù)雜系統(tǒng)中，各種頻率的信號匯集，強電和弱電電路同在、模擬電路與數(shù)字電路并存。因此必須在對系統(tǒng)充分了解的基礎(chǔ)上，妥善處理系統(tǒng)設(shè)備接地問題，避免因接地問題而使各種設(shè)備之間或分系統(tǒng)之間相互產(chǎn)生影響。

圖1 地回路干擾

二者可看作如圖1中的設(shè)備M與設(shè)備N的連接，兩個分系統(tǒng)均已接地，其連接構(gòu)成地回路。其中視頻源分系統(tǒng)可以看成信號源設(shè)備，而終端顯示分系統(tǒng)可以看作是接收放大器。信號源與放大器連接構(gòu)成電路時，簡化原理圖如圖2所示。由于實際的地線不可能達(dá)到真正理想的接地導(dǎo)體成為零阻抗的實體，所以，流過接地導(dǎo)體的電流難免會產(chǎn)生電壓降，即各接地點之間會有電壓差，從而產(chǎn)生人們通常簡稱的“電源滾道干擾”[6]。

圖2 系統(tǒng)傳輸原理圖

3 地回路干擾分析

通常電子設(shè)備采用具有一定面積的金屬板作為接地面，由于各種原因在接地面上總有接地電流通過，而在金屬接地板兩點之間不可能是理想的零阻抗導(dǎo)體，其間總會存在一定的阻抗，接地電流流經(jīng)傳輸線與接地面形成導(dǎo)電回路時，就對信號的輸入端產(chǎn)生接地干擾電壓，即形成了地回路干擾，在屏幕上表現(xiàn)為由下而上爬行的“滾道干擾”，其疊加在畫面上嚴(yán)重影響顯示質(zhì)量。

地回路干擾會在電路的輸入端產(chǎn)生干擾電壓，從而對正常輸入信號產(chǎn)生影響。如圖1所示，地回路干擾的大小與兩設(shè)備的接地方法直接相關(guān)。下面以顯示系統(tǒng)中視頻源分系統(tǒng)與終端顯示分系統(tǒng)的連接情況為例具體分析。

1)若信號源在M點接地，放大器在N點接地，則兩接地點之間存在地電位差Ed，Z1和Z2為信號源與放大器連接導(dǎo)線的阻抗。由圖2可知，加至放大器輸入端的電壓為En=ES+Ed。

導(dǎo)線阻抗Z1和Z2很小，在1 Ω以下;兩接地點之間存在的地阻抗Zd更小，通常取Zd≤0.01 Ω;信號源內(nèi)阻ZS通常為500 Ω左右，放大器的輸入阻抗ZL約為10 kΩ。由于Z2?ZS+Z1+ZL，從等效電路圖3可得C點到地的電壓為

圖3 等效電路圖

因此，放大器輸入端的干擾電壓為

將式(1)代入式(2)，接地干擾電壓對放大器輸入端的干擾電壓值為

2)將信號源與放大器接地端隔離，相當(dāng)于在信號源與地之間接入一個很大的阻抗Zsd(加在圖3中的C點與M點之間)。接地干擾電壓Ed通過回路分壓施加在放大器輸入端，其干擾電壓值為

由此可知，視頻信號源與顯示終端放大器連接構(gòu)成回路時，采用信號源與地隔離的一點接地方式，可抑制接地干擾電壓對(顯示終端)放大器輸入端產(chǎn)生的干擾。相反，如果采用M點接地而N點不接地，即顯示終端放大器所用的電源不接地，這種情況下終端則需要使用差分放大器[7]。

4 接地回路干擾抑制

通過上述理論分析推導(dǎo)，可以提出綜合處理顯示系統(tǒng)地回路干擾策略。這些技術(shù)方法是理論與實際相結(jié)合的產(chǎn)物，已經(jīng)在大型顯示系統(tǒng)工程建設(shè)、改造實踐中得到檢驗。

1)在與顯示相關(guān)的各分系統(tǒng)中，盡可能爭取電源三相負(fù)載平衡，從而使得三相電流、電壓基本平衡，避免通過地線形成三相電流相互串?dāng)_。

2)從信號源到終端顯示，全系統(tǒng)最好用同一相電源供電，既可抑制相電流串?dāng)_，又有利于縮短地線距離，減少接地阻抗。至少要做到各分系統(tǒng)統(tǒng)一接地，確保各分系統(tǒng)內(nèi)部不存在接地回路串?dāng)_電流。

3)盡量減小公共接地阻抗，從而減小地回路干擾對電路正常信號的影響。主要是按照電阻與材料導(dǎo)電率、橫截面積及長度關(guān)系的公式，合理確定銅條或銅板的型號，留足冗余。通常將系統(tǒng)設(shè)備最遠(yuǎn)兩端的地線阻抗限制在0.01 Ω以下。設(shè)備至公共地線的連接線選擇:短距離設(shè)備用標(biāo)準(zhǔn)的花色地線;長距離設(shè)備用銅纜，為了確保人機安全，在銅纜外部套上標(biāo)準(zhǔn)的絕緣套管。

4)如果信號源分系統(tǒng)與終端顯示分系統(tǒng)兩端距離較近，在不影響系統(tǒng)安全的前提下，可采取一點接地方法，這對抑制地回路干擾是行之有效的。一點接地實質(zhì)是將地回路斷開，所以兩端不再形成接地回路。

5)若信號源分系統(tǒng)與終端顯示分系統(tǒng)兩端距離較遠(yuǎn)，可采取專門的信號傳輸技術(shù)手段解決地回路干擾。

(1)采用光電耦合器方式傳輸數(shù)字視頻信號。光電耦合器在信號傳輸過程中使用光信號，因此切斷了兩電路之間的地回路，這樣即使兩個電路的地電位不同，也不會造成干擾。光電耦合對數(shù)字電路特別適用，但在模擬電路中，由于電流與光強的線性關(guān)系較差，在傳輸模擬信號時會產(chǎn)生較大的非線性失真。

(2)采用差分信號方式傳輸模擬視頻信號。差分平衡電路有助于抑制接地回路干擾的影響。因為差分器件是按照加在電路兩輸入端的電壓差值工作的。如圖4所示，地電壓Ed同時加于兩輸入端，相應(yīng)的噪聲電流等量地加于放大器兩輸入端a與b。由于電路是平衡的，每一輸入端對地具有完全相同的阻抗。因此，輸入到a，b兩端的噪聲電流大小相等、方向相反，總的輸入干擾恰好相互抵消，即差分器件對地回路信號不發(fā)生響應(yīng)。從理論上講，假定信號源的內(nèi)阻為0，地回路干擾電壓可以被抵消掉。

圖4 差分平衡電路

即使信號源與接收端都接地，采用差分平衡電路也能有效抑制接地回路的干擾。在工程實踐中，采用差分信號傳輸模擬視頻信號的技術(shù)措施效果很好。該裝置是使用超五類雙絞線作為傳輸介質(zhì)的長線驅(qū)動器，首先將視頻模擬信號轉(zhuǎn)換為差分信號傳輸，在信號接收端，通過接收器再將差分信號轉(zhuǎn)換為普通視頻模擬信號。該裝置連入系統(tǒng)后，消除了電源地回路造成的滾道干擾現(xiàn)象，其效果令人滿意。

5 結(jié)論

本文闡釋了接地要求、設(shè)備接地重要作用，詳細(xì)分析了地回路干擾的成因，結(jié)合工程實踐成功經(jīng)驗，提出了行之有效的綜合處理策略。

綜上所述，本文得出以下主要結(jié)論:

1)顯示設(shè)備的安全接地和信號接地是設(shè)備安全穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)。

2)顯示系統(tǒng)設(shè)備接地必然導(dǎo)致地回路干擾形成。

3)根據(jù)每個系統(tǒng)的具體情況，靈活地采取綜合處理的技術(shù)措施，可以有效抑制顯示系統(tǒng)地回路干擾，確保系統(tǒng)的顯示質(zhì)量。

4)這些結(jié)論和技術(shù)措施可以為其他電子信息系統(tǒng)建設(shè)、改造提供有益的參考。

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