在測(cè)量系統(tǒng)中，習(xí)慣上將地分成三類(lèi)：
電氣接地”原本是電路與大地之間的導(dǎo)電連接。但是，在電子設(shè)備制造業(yè)中，這個(gè)詞的意義已經(jīng)放寬成用作零電壓參考的一個(gè)點(diǎn)或幾個(gè)點(diǎn)。
- 電源地---------提供儀器工作所需電源的電流的返回路徑。
- 信號(hào)地---------所有信號(hào)電流的參考點(diǎn)和返回路徑。
- 底盤(pán)和屏蔽地----------通常是儀器的底盤(pán)和金屬外殼以及電纜的屏蔽。
基本接地準(zhǔn)則是要求整個(gè)系統(tǒng)中每類(lèi)的地都具有相同電位。然而，在任何實(shí)際系統(tǒng)中，這個(gè)要求很少完全滿(mǎn)足。
電氣接地原理與測(cè)試方法一、交流電源接地
交流配電系統(tǒng)是*嚴(yán)重的電干擾源之一。為此，適當(dāng)了解這類(lèi)配電系統(tǒng)中的一些實(shí)際接地作法是十分重要的。
交流配電系統(tǒng)通常分為三類(lèi)：
- 以高壓，即34kV以上電壓遠(yuǎn)距離傳送電力的輸電線(xiàn)。
- 向測(cè)試設(shè)備或范圍不大的城鎮(zhèn)傳送電力的主配電線(xiàn)路，電壓范圍為2.4～25kV。
- 通常工作在120～240V的設(shè)備配電線(xiàn)路。
在所有這些情況下，電力線(xiàn)都以大地作為參考。這樣作是為了防止由各個(gè)接地之間的跳火引起的瞬時(shí)電壓，允許使用較低的絕緣電平以及幫助保護(hù)啟動(dòng)。
由于上述電力線(xiàn)全都有大地作為參考，故電流均流入大地。流入大地的電流將找到一條電阻*小的路徑并沿其流動(dòng)，因而，在大地中產(chǎn)生電位降并產(chǎn)生磁通。這種電位降使與處在兩個(gè)不同位置的兩地相連，并假定它們?nèi)匀惶幱谙嗤娢怀蔀椴豢赡?。所產(chǎn)生的磁通因變壓器的作用而耦合進(jìn)遠(yuǎn)距離的電力線(xiàn)或電力線(xiàn)環(huán)路，從而產(chǎn)生很難消除的低阻抗環(huán)流。
在正常情況下，高壓輸電線(xiàn)只在發(fā)電機(jī)一端接地。然而，在遠(yuǎn)距離輸電線(xiàn)情況下，輸電線(xiàn)的對(duì)地電容可以使很大的電流流經(jīng)大地。對(duì)于主配電線(xiàn)路，國(guó)家電氣**規(guī)范要求中線(xiàn)導(dǎo)線(xiàn)每英里至少與大地連接四次。
在配電設(shè)備中，中線(xiàn)在電源接地而不應(yīng)在負(fù)載接地。除非某處有故障，否則由配電設(shè)備引起的地電流應(yīng)很小。因?yàn)槿澜绱嬖诖罅康碾娏ο到y(tǒng)，故一般可以認(rèn)為，幾乎處處都有地電流。這就是人的手指接觸示波器的輸入端觀(guān)察到的市電頻率（50Hz或60Hz）信號(hào)或人的耳朵靠近音頻放大器聽(tīng)到的哼聲。由于這個(gè)信號(hào)無(wú)處不在，故在所有互連系統(tǒng)中，特別是在十分靈敏或相隔較遠(yuǎn)的系統(tǒng)中必須予以考慮。
電氣接地原理與測(cè)試方法二、儀器的電源輸入
1、交流供電的儀器
大多數(shù)高質(zhì)量?jī)x器都有一根三芯電源線(xiàn)。在這根交流電源線(xiàn)中，一根是火線(xiàn)，**根是公共線(xiàn)或電源回線(xiàn)，而第三根是接地線(xiàn)。在一起內(nèi)部，火線(xiàn)或公共線(xiàn)接到電源變壓器，而接地線(xiàn)則直接連接金屬外殼。第三根線(xiàn)通過(guò)使儀器外殼維持在地電位而確保人身**，故這根線(xiàn)不應(yīng)當(dāng)撤掉。盡管第三根線(xiàn)或接地線(xiàn)對(duì)防止電擊和提供總接地屏蔽的**性是必要的，但當(dāng)幾臺(tái)儀器全都插入電源線(xiàn)，然后將儀器外殼全部連接在一起形成一個(gè)大環(huán)路時(shí)，便可能引發(fā)出問(wèn)題。那時(shí)，環(huán)路變成一匝短路線(xiàn)圈，對(duì)地電流的磁耦合可能產(chǎn)生很大的環(huán)流。通常稱(chēng)這個(gè)環(huán)路為“接地環(huán)路”。
2、用電池工作的儀器
可再充電電池和低功耗的固態(tài)電路允許儀器設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)完全隔離的便攜式儀器。由于進(jìn)行了隔離，所以，這類(lèi)儀器在消除接地引起的許多問(wèn)題方面有若干優(yōu)點(diǎn)。例如，由于對(duì)信號(hào)測(cè)量的參考點(diǎn)不在大地，故很容易消除接地環(huán)路。
電氣接地原理與測(cè)試方法三、儀器接地
1、正常輸入地
信號(hào)地的路徑依據(jù)儀器類(lèi)型而有所不同。然而，十分重要的是沒(méi)有外部電流在儀器上流動(dòng)。常使用的儀器都是測(cè)量?jī)x器，如電壓表、示波器或圖表記錄器。這些儀器拾取某個(gè)輸入量并將其對(duì)操作者顯示，這類(lèi)儀器通常都有完整的接地系統(tǒng)。
應(yīng)當(dāng)注意，這些儀器的輸入是以機(jī)殼的地作為參考，儀器機(jī)殼的地又通過(guò)交流電源的第三根線(xiàn)與地連接。只要插入第三根線(xiàn)，輸入地就不應(yīng)當(dāng)與相對(duì)于大地具有電位的任何點(diǎn)連接，否則便可能產(chǎn)生災(zāi)難性的后果。
測(cè)量?jī)x器*普通的輸入地和電源地
2、差分輸入
如下圖所示，某些測(cè)量?jī)x器具有差分（懸?。┹斎耄ㄐ盘?hào)回路與儀器機(jī)殼隔離），這類(lèi)儀器中，顯示的信號(hào)是兩路信號(hào)之間的電壓差。例如，若5V信號(hào)加到相對(duì)于機(jī)殼地為正的輸入端，而3V信號(hào)加到負(fù)輸入端，則可以檢測(cè)到的**部分是電壓差（差分電壓）2V。對(duì)兩個(gè)輸入端共同的電壓部分叫做“共模電壓”，理想情況下，這部分電壓是檢測(cè)不到的。由于兩個(gè)輸入端被隔離，所以，任一個(gè)輸入端都可以看作是信號(hào)地。只要不超過(guò)儀器的額定電壓，這個(gè)參考輸入端對(duì)于儀器的機(jī)殼地便可以處于任意電壓。
差分輸入設(shè)備的接地系統(tǒng)
3、輸出型儀器的正常接地
輸出型儀器是信號(hào)源，如待連接到另外儀器上的電源或信號(hào)源。如下圖所示，對(duì)于直流輸出或低頻輸出，一般都有正、負(fù)兩個(gè)輸出端，以及需要時(shí)可以連接的獨(dú)立機(jī)殼接線(xiàn)端。對(duì)于射頻發(fā)生器或有高頻分量的情況，輸出將通過(guò)一個(gè)射頻連接器，連接器的外部或接地側(cè)面連接到機(jī)殼上。
低頻和直流輸出儀器的接地系統(tǒng)（b）射頻輸出儀器的接地系統(tǒng)
輸出型儀器的典型接地系統(tǒng)電氣接地原理與測(cè)試方法4、測(cè)量系統(tǒng)的接地連接
將儀器地正確連接在一起并不存在一個(gè)**通用的方法。根據(jù)環(huán)境的不同，可有若干能給出滿(mǎn)意結(jié)果的方法。接地互連的一般準(zhǔn)則是：
- 連接所有的地，使屏蔽地、電源地和信號(hào)地的電流不能相混，而只能在它們各自的回流途徑中流動(dòng)。
- 盡量使接地路徑縮短，并且使用粗導(dǎo)體以將接地點(diǎn)之間的阻抗減至*小。
- 避免地電流流經(jīng)多重路徑。
- 設(shè)計(jì)每個(gè)單獨(dú)的接地電路，使高電平地電流不能流入低電平的輸入回路。
在大多數(shù)情況下，同時(shí)嚴(yán)格遵守上述所有規(guī)則是不切實(shí)際的。例如，為了**起見(jiàn)，應(yīng)當(dāng)將所有儀器連接到地，而這個(gè)要求往往與多個(gè)接地路徑的規(guī)則相矛盾。在實(shí)踐中，上述規(guī)則只用作指南，進(jìn)行所有接地時(shí)應(yīng)使折中考慮四條規(guī)則所帶來(lái)的影響*小。
下圖示出一個(gè)典型的儀器內(nèi)部連接接地系統(tǒng)的例子。在這個(gè)系統(tǒng)中，電源地與信號(hào)地是不隔離的。然而應(yīng)當(dāng)小心采取適當(dāng)?shù)慕拥卦O(shè)計(jì)將問(wèn)題減至*少。該接地系統(tǒng)的地電流在一個(gè)連續(xù)的線(xiàn)路流動(dòng)，依次從高電平級(jí)流向低電平級(jí)而不往回流動(dòng)。即使指定一根導(dǎo)線(xiàn)或底盤(pán)作為地，也不能過(guò)分強(qiáng)調(diào)在底盤(pán)所有的點(diǎn)不可能存在同樣的電位，特別是高頻上更是如此。這一點(diǎn)可以用等效阻抗Z1、Z2和Z3來(lái)說(shuō)明。
儀器的內(nèi)部接地系統(tǒng)
三個(gè)等效阻抗是互連導(dǎo)線(xiàn)的電感和電阻。雖然必須通過(guò)選擇短的電流途徑與粗導(dǎo)體將Z1、Z2和Z3減至*小，但是流經(jīng)它們的電流仍然可能產(chǎn)生顯著的壓降，從而導(dǎo)致各個(gè)接地點(diǎn)有不同電位。因此，**電路或一臺(tái)儀器不能與被認(rèn)為是地的任何點(diǎn)任意連接。為了說(shuō)明隨意接地的后果，假定將第3級(jí)連接到A點(diǎn)而非D點(diǎn)，如上圖虛線(xiàn)所示，這時(shí)，流到第3級(jí)的任何信號(hào)電流與電源電流都必須通過(guò)Z1、Z2和Z3。第3級(jí)通常是支取在變化的大電流的高電平級(jí)。這些電流將在直接與第**的輸入相串連的Z1上產(chǎn)生壓降，而第**通常是靈敏的低電平放大器。在同第2級(jí)、第3級(jí)相串連的Z2和Z3兩端也將出現(xiàn)電位降。輸入端上的這些外來(lái)信號(hào)可以引起許多嚴(yán)重問(wèn)題。根據(jù)儀器的不同，系統(tǒng)可能產(chǎn)生振蕩、形成直流偏移、出現(xiàn)尖峰信號(hào)或其它虛假響應(yīng)。
還要注意，電源接地應(yīng)像上圖中所示那樣首先連接到高電平級(jí)。如果像虛線(xiàn)和Z4表示的那樣將電源連接到A點(diǎn)，那么第3級(jí)的高電平電流會(huì)再次被迫流過(guò)Z1，從而產(chǎn)生虛假響應(yīng)。在正確連接的情況下，來(lái)自第1級(jí)的低電平電流將流過(guò)Z2和Z3，然而，這個(gè)電流的幅度很小，以致在第2級(jí)和第3級(jí)引起的信號(hào)多半都無(wú)關(guān)緊要。
一種誤解認(rèn)為，在哪里接地都相同。如下圖所示，這在一個(gè)簡(jiǎn)單直流電源的設(shè)計(jì)中就會(huì)遇到麻煩。正常情況下，一個(gè)精心設(shè)計(jì)和精心制作的直流電源在A(yíng)和B之間輸出的紋波與噪聲都非常小。然而，由于某種原因若將C點(diǎn)而不是D點(diǎn)用作地參考更為方便，則輸出將出現(xiàn)顯著紋波。發(fā)生這個(gè)情況是由于流過(guò)整流器對(duì)濾波電容充電的電流僅僅在一個(gè)周期的很小的部分流通，結(jié)果產(chǎn)生了幅度比直接輸出電流大許多倍的端電流脈沖。由于這些電流脈沖一般至少為幾安培，所以，為了產(chǎn)生與輸出相串聯(lián)的相當(dāng)大的電壓脈沖，在C和D之間要使用很小的電阻。
簡(jiǎn)單直流電源的參考地應(yīng)用
與測(cè)量系統(tǒng)相聯(lián)系的許多問(wèn)題都是由接地環(huán)路引起的結(jié)果。接地環(huán)路的*佳定義是不能在兩個(gè)不同的接地點(diǎn)提供相同的電位。這可能歸因于多點(diǎn)接地、在大導(dǎo)線(xiàn)環(huán)路上的磁感應(yīng)或長(zhǎng)導(dǎo)線(xiàn)上的電耦合。每當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)市電頻率（50Hz或60Hz）哼聲，往往都是由接地環(huán)路造成。
為了說(shuō)明與接地環(huán)路相關(guān)的問(wèn)題，參考下圖所示系統(tǒng)。
儀器內(nèi)部的接地環(huán)路
正確的工藝規(guī)程規(guī)定：電源的回接應(yīng)當(dāng)只連接B點(diǎn)。如果不是這樣，而是回接到A和B兩點(diǎn)（虛線(xiàn)），那么，來(lái)自第3級(jí)的電流會(huì)從B點(diǎn)分成兩路流過(guò)。流過(guò)每條路徑的電流大小與各路徑的電導(dǎo)率成正比。此外，兩條路徑的相對(duì)電導(dǎo)率大小又可能使系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩或錯(cuò)誤的結(jié)果。在存在變化磁場(chǎng)的情況下，因接地環(huán)路中的感應(yīng)環(huán)流而使接地環(huán)路產(chǎn)生附加干擾。出現(xiàn)這種干擾時(shí)，由于電纜長(zhǎng)和接地間隔遠(yuǎn)，很可能同時(shí)在信號(hào)接地處和在信號(hào)輸入電平上出現(xiàn)干擾。這種干擾稱(chēng)之為“共模干擾”，并需特別注意。
下圖示出所謂“單點(diǎn)接地”的接地方法，在這個(gè)例子中，為任何**所共有的**接地電阻是包括連接公共點(diǎn)的導(dǎo)體在內(nèi)的電源輸出阻抗。通常，這個(gè)阻抗可以做得足夠小而可忽略不計(jì)。
儀器的各級(jí)連接公共電源，再單點(diǎn)接地
將一臺(tái)電子儀器與一個(gè)外電源組成的系統(tǒng)正確接地的方法示于下圖。*好的電源具有三個(gè)接線(xiàn)端子：正端、負(fù)端和屏蔽地（儀器機(jī)殼）。如圖所示，當(dāng)將這個(gè)電源連接到其它儀器上時(shí)，將正輸出和負(fù)輸出連接到相應(yīng)的電源輸入端子，而將屏蔽接地連接到儀器的屏蔽罩上。這樣就提供了一個(gè)延伸的屏蔽系統(tǒng)使外部干擾*小。
連接外部直流電源與單獨(dú)電子儀器連接的正確接地系統(tǒng)
下圖示出一個(gè)典型測(cè)量裝置的完整接地系統(tǒng)的例子。被測(cè)電子電路由一個(gè)直流電源供電，并用一臺(tái)音頻振蕩器激勵(lì)，輸出用一臺(tái)示波器觀(guān)察。多重接地路徑維持到*短，并將所有的屏蔽連接在一起以消除外部干擾。
由音頻振蕩器激勵(lì)并用示波器觀(guān)察的儀器組成的測(cè)量裝置的正確接地系統(tǒng)
由于大部分儀器都具有隔離的輸入與隔離的輸出。只有一個(gè)接地環(huán)路通過(guò)儀器機(jī)殼與電源輸入的大地引腳。在正常環(huán)境下，由于屏蔽同其它地相隔離，故沒(méi)有明顯的電流流動(dòng)，所以，只要接地環(huán)路的環(huán)流不大到足以產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)，接地環(huán)路的影響便可以忽略不計(jì)。
5、射頻地與屏蔽地
由于所使用的任何接地系統(tǒng)都有分布電感，所以射頻接地難以實(shí)現(xiàn)。采用大面積金屬接地和短接地導(dǎo)線(xiàn)的強(qiáng)制法一般都能形成組好的接地系統(tǒng)。大多數(shù)射頻儀器的輸入端子和輸出端子都直接以?xún)x器的金屬外殼（屏蔽地）作為參考。各單獨(dú)的儀器應(yīng)當(dāng)用匹配良好的射頻屏蔽電纜連接在一起，主要是防止傳輸線(xiàn)上形成駐波、電纜發(fā)出輻射和感應(yīng)信號(hào)。
電纜屏蔽本質(zhì)上是連在一起的儀器機(jī)殼之延伸。如果把電源和信號(hào)隔離以及正確接地的其它一切都搞好了，那就不會(huì)有因儀器而引起的電流在屏蔽上流動(dòng)。屏蔽的主要目的在于保護(hù)電纜并將從外部輻射源進(jìn)入電路的傳導(dǎo)干擾減到*小或者防止電纜成為輻射干擾源。
對(duì)接地電纜進(jìn)行屏蔽時(shí)，所需接地類(lèi)型取決于涉及的頻率、電纜的長(zhǎng)度及儀器的靈敏度。然而，除非至少每隔0.15個(gè)相關(guān)信號(hào)的波長(zhǎng)接地，否則，屏蔽一般都沒(méi)有太大的價(jià)值。如果選定的接地點(diǎn)之間阻抗很高，由于在接地環(huán)路中會(huì)感應(yīng)起多重地電流，所以，這種類(lèi)型的接地系統(tǒng)是沒(méi)有效果的。應(yīng)當(dāng)評(píng)估這些多重地電流對(duì)儀器的影響。在許多情況下，采用的儀器對(duì)感應(yīng)頻率都不敏感，因此不存在問(wèn)題。
然而，在諸如視頻電路之類(lèi)的寬帶電路中，常常會(huì)撿拾或強(qiáng)或弱的哼聲。減小這種哼聲有幾個(gè)方法，例如，在電視工業(yè)中應(yīng)用二極管箝位電路恢復(fù)直流電平來(lái)抵消哼聲。這種抵消的機(jī)理是對(duì)系統(tǒng)增加適當(dāng)電平的反相信號(hào)，使盡可能多地抵消干擾哼聲。
