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本文簡要介紹了稱重顯示控制器地線阻抗隨頻率升高而增大的特性，分析了地線環(huán)路及公共阻抗干擾機(jī)理及其抑制解決方法。

對于稱重顯示控制器而言，接地是控制干擾的重要方法。設(shè)計良好的地線既能提高抗擾度，又能減小電磁發(fā)射。在稱重顯示控制器設(shè)計的初始階段同時進(jìn)行地線設(shè)計，把大部分問題解決在設(shè)計定型之前可得到最高的效費比，地線的定義什么是地線？一個比較通用的定義是“接地是電流返回其源的低阻抗通道”。這里要求的是“低阻抗”和“通路”。這個定義中突出了地線中電流的流動。按照這個定義，很容易理解地線中電位差的產(chǎn)生原因。因為地線的阻抗總不會是零，當(dāng)一個電流通過有限阻抗時，就會產(chǎn)生電壓降。2地線的阻抗地線的阻抗指的是交流狀態(tài)下導(dǎo)線對電流的阻抗，這個阻抗主要是由導(dǎo)線的電感引起的，而非直流狀態(tài)下導(dǎo)線對電流呈現(xiàn)的電阻。任何導(dǎo)線都有電感，當(dāng)頻率較高時，導(dǎo)線的阻抗遠(yuǎn)大于直流電阻，表1的數(shù)據(jù)說明了這個問題。在實際電路中，造成電磁干擾的信號往往是脈沖信號，包含豐富的高頻成分，因此會在地線上產(chǎn)生較大的電壓。數(shù)字電路的工作頻率是很高的，因此地線阻抗對數(shù)字電路的影響是十分可觀的。

將10Hz時的阻抗近似認(rèn)為是直流電阻，可以看出當(dāng)頻率達(dá)到10MHz時，1m長導(dǎo)線的阻抗是直流電阻的1000倍至10萬倍。因此射頻電流流過地線時的電壓降是很大的。由表1還可以看出，增加導(dǎo)線的直徑對減小直流電阻是有效的，但對減小交流阻抗的作用很有限。在電磁兼容中人們最關(guān)心的交流阻抗。為了減小交流阻抗，一個有效的辦法是多根導(dǎo)線并聯(lián)。當(dāng)兩根導(dǎo)線并聯(lián)時，其總電感L為L=(L1+M)/2式中，L1是單根導(dǎo)線的電感，M是兩根導(dǎo)線之間的互感。從式中可以看出，當(dāng)兩根導(dǎo)線相距較遠(yuǎn)時，它們之間的互感很小，總電感相當(dāng)于單根導(dǎo)線電感的一半，因此可以通過多條接地線來減小接地阻抗。但要注意的是，多根導(dǎo)線之間的距離不能過近。3地線干擾機(jī)理及其解決方法3.1地環(huán)路干擾如前所述，任何地線都有阻抗，當(dāng)有電流通過時地線上必然產(chǎn)生壓降，即兩個不同的接地點之間必然存在地電壓。當(dāng)電路多點接地、而各電路間又有信號聯(lián)系時，即構(gòu)成地環(huán)路。由于電路的不平衡性，每根導(dǎo)線上的電流不同，因此會產(chǎn)生差模電壓對電路造成影響。地環(huán)路中的電流還可以由外界電磁場感應(yīng)出來。

地環(huán)路抗干擾解決方法：

地環(huán)路

解決地環(huán)路干擾的基本思路有：一是減小地線阻抗，從而減小干擾電壓。另一個是增加地環(huán)路的阻抗，從而減小地環(huán)路電流。當(dāng)阻抗無窮大時，實際是切斷了地環(huán)路。也可采用平衡電路。3.2.1減小地線阻抗減小地線阻抗的核心問題是減小地線的電感。這包括使用扁平導(dǎo)體作地線和用多條相距較遠(yuǎn)的并聯(lián)導(dǎo)體作接地線。印刷線路板雙層板上布地線網(wǎng)格能夠有效地減小地線阻抗；在多層板中專門用一層做地線雖然具有很小的阻抗，但這會增加線路板的成本。

增加地環(huán)路阻抗：

增加地環(huán)路阻抗有以下幾種方式可供參考.①將一端設(shè)備浮地如果將一端電路浮地，就切斷了地環(huán)路，因此可以消除地環(huán)路電流。但有兩個問題需要注意：一個是出于安全的考慮，往往不允許電路浮地，這時可以將設(shè)備通過一個電感接地。這樣對于50Hz的交流電流設(shè)備而言接地阻抗很小，而對于頻率較高的干擾信號則設(shè)備接地阻抗較大，減小了地環(huán)路電流。但這樣做只能減小高頻干擾的地環(huán)路干擾；另一個問題是，盡管設(shè)備浮地，但設(shè)備與地之間還是有寄生電容，在頻率較高時會提供較低的阻抗，因此并不能有效地減小高頻地環(huán)路電流。②使用變壓器實現(xiàn)設(shè)備之間的連接利用磁路將兩個設(shè)備連接起來，可以切斷地環(huán)路電流。但要注意，變壓器初次級之間的寄生電容仍然能夠為頻率較高的地環(huán)路電流提供通路，因此變壓器隔離的方法對高頻地環(huán)路2電流的抑制效果較差。提高變壓器高頻隔離效果的一個辦法是在變壓器的初次級之間設(shè)置屏蔽層。但一定要注意隔離變壓器屏蔽層的接地端必須是在接受電路一端，否則，不僅不能改善高頻隔離效果，還可能使高頻耦合更加嚴(yán)重。因此，變壓器要安裝在信號接收設(shè)備的一側(cè)。經(jīng)過良好屏蔽的變壓器可以對1MHz以下的頻率提供有效的隔離。③使用光隔離器另一個切斷地環(huán)路的方法是用光實現(xiàn)信號的傳輸。這是解決地環(huán)路干擾問題最理想的方法。光連接有兩種方法：一種是光耦器件；另一種是用光纖連接。光耦的寄生電容一般為2pf，能夠?qū)芨叩念l率提供良好的隔離。光纖幾乎沒有寄生電容，但安裝、維護(hù)、成本等方面都不如光耦器件。④使用共模扼流圈在連接電纜上使用共模扼流圈相當(dāng)于增加了地環(huán)路的阻抗，在一定的地線電壓作用下地環(huán)路電流會減小。但要注意控制共模扼流圈的寄生電容，否則對高頻干擾的隔離效果很差。共模扼流圈的匝數(shù)越多，則寄生電容越大，高頻隔離的效果越差。

平衡電路：

兩導(dǎo)體及與之相連的電路相對于地線或其他參照物具有相同的阻抗。典型的平衡電路是差分放大器。但是由于分布參數(shù)的影響，在高頻時很難保證兩導(dǎo)體的阻抗完全相同。這意味著平衡電路對高頻的地環(huán)路干擾抑制效果較差。

公共阻抗干擾：

當(dāng)兩個電路共用一段地線時，由于地線的阻抗，一個電路的地電位會受另一個電路工作電流的調(diào)制。這樣一個電路中的信號會耦合進(jìn)另一個電路，這種耦合稱為公共阻抗耦合。

在數(shù)字電路中，由于信號的頻率較高，地線往往呈現(xiàn)較大的阻抗。這時，如果存在不同的電路共用一段地線就可能出現(xiàn)公共阻抗耦合的問題。

解決公共阻抗耦合的方法消除公共阻抗耦合的途徑有兩個：一個是減小公共地線部分的阻抗，這樣公共地線上的電壓也隨之減小，從而可控制公共阻抗耦合；另一個方法是通過適當(dāng)?shù)慕拥胤绞奖苊馊菀紫嗷ジ蓴_的電路共用地線。一般要避免強(qiáng)電電路和弱電電路共用地線、數(shù)字電路和模擬電路共用地線。稱重顯示控制器電路有單點接地，多點接地以及混合類型的接地等多種接地方式。在低頻電路中，信號的工作頻率小于1MHz，它的布線和器件間的電感影響較小，而接地電路形成的環(huán)流對干擾影響較大，因而應(yīng)采用一點接地；當(dāng)信號工作頻率大于10MHz時，地線阻抗變得很大，此時應(yīng)盡量降低地線阻抗，宜采用就近多點接地。當(dāng)工作頻率在1～10MHz時，如果采用一點接地，其地線長度不應(yīng)超過波長的1/20，否則應(yīng)采用多點接地法。通常將電路按照強(qiáng)信號、弱信號、模擬信號、數(shù)字信號等分類，然后在同類電路內(nèi)部用串聯(lián)單點接地，不同類型的電路采用并聯(lián)單點接地。

結(jié)束語：

地線造成對稱重儀表的電磁干擾的主要原因是地線存在阻抗，當(dāng)電流流過地線時會在地線上產(chǎn)生電壓－地線噪聲。在這個電壓的驅(qū)動下會產(chǎn)生地線環(huán)路電流，形成地環(huán)路干擾。當(dāng)兩個電路共用一段地線時會形成公共阻抗耦合。解決地環(huán)路干擾的方法有切斷地環(huán)路、增加地環(huán)路的阻抗、使用平衡電路等。解決公共阻抗耦合的方法是減小公共地線部分的阻抗。

文章作者

王樹君沈抗（梅特勒－托利多（常州）稱重設(shè)備有限公司，常州219001）

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