地线干扰和设计

工程部工程师们在实际的工程案例中遇到过地线设计问提,特别是电磁兼容设计问题特别需要注意,首先我们应该先了解地线造成的干扰问题的原理,这样可以帮助我们设计一个明确的方案,完成我们想要的设计效果。
1 什么是地线？
　　地线有安全地和信号地两种。前者是为了保证人身安全、设备安全而设置的地线，后者是为了保证电路正确工作所设置的地线。造成电路干扰现象的主要是信号地，因此这里仅讨论信号地的问题。
信号地的一般定义是：电路的电位参考点。
　　更恰当地说，这个定义是我们设计电路时的一个假设。从这个定义是无法分析和理解一些地线干扰问题的。从现在开始，我们在分析电磁兼容问题时，使用下面的定义。
　　地线是信号电流流回信号源的地阻抗路径。
　　既然地线是电流的一个路径，那么根据欧姆定律，地线上是有电压的；既然地线上有电压，说明地线不是一个等电位体。这样，我们在设计电路时，关于地线电位一定的假设就不再成立，因此电路会出现各种错误。这就是地线干扰的实质。

2 地线的阻抗有多大？
　　一个难以理解的问题是，我们在设计地线时，都使地线的电阻很小，那么地线上的电位差怎么会大到导致电路出错的程度。理解这个问题，要理解地线阻抗的组成。
　　地线的阻抗Z由电阻部分和感抗部分两部分组成，即：Z = RAC + jωL。

　　电阻成分：导体的电阻分为直流电阻RDC和交流电阻RAC。对于交流电流，由于趋肤效应，电流集中在导体的表面，导致实际电流截面减小，电阻增加，直流电阻和交流电阻的关系如下：
　　RAC= 0.076rf1/2RDC
式中：r=导线的半径，单位cm，f=流过导线的电流频率，单位Hz， RDC= 导线的直流电阻，单位Ω。

　　电感成分：任何导体都有内电感（这区别于通常讲的外电感，外电感是导体所包围的面积的函数），内电感与导体所包围的面积无关。对于圆截面导体如下：
　　L=0.2S[ln(4.5/d) -1] （μH）
式中S=导体长度(m)，d=导体直径(m)
　　表1说明了直流电阻与交流阻抗的巨大差异。频率很低时的阻抗可以认为是导体的电阻，从表中可以看出，随着频率升高，阻抗增加很快，当频率达到100MHz以上时，直径6.5mm长度仅为10cm的导线也有数十欧姆的阻抗。

表1 不同直径、长度的导线的阻抗

3 地环路干扰及对策
　　地环路干扰是一种较常见的干扰现象,常常发生在通过较长电缆连接的相距较远的设备之间。其产生的内在原因是设备之间的地线电位差。地线电压导致了地环路电流，由于电路的非平衡性，地环路电流导致对电路造成影响的差模干扰电压（图1）。
　　由于地环路干扰是由地环路电流导致的，因此在实践中，有时会发现，当将一个设备的地线断开时，干扰现象消失，这是因为地线断开时，切断了地环路。这种现象往往发生在干扰频率较低的场合，当干扰频率高时，短开地线与否关系不大。

　　地环路干扰形成的原因1：两个设备的地电位不同，形成地电压，在这个电压的驱动下，“设备1-互联电缆-设备2- 地”形成的环路之间有电流流动。由于电路的不平衡性，每根导线上的电流不同，因此会产生差模电压，对电路造成干扰。地线上的电压是由于其他功率较大的设备也用这段地线，在地线中引起较强电流，而地线又有较大阻抗产生的。

　　地环路干扰形成的原因2：由于互联设备处在较强的电磁场中，电磁场在“设备1 - 互联电缆 - 设备2 - 地”形成的环路中感应出环路电流，与原因1的过程一样导致干扰。

　　解决地环路干扰的方法：解决地环路干扰的基本思路有三个：一个是减小地线的阻抗，从而减小干扰电压，但是这对第二种原因导致的地环路没有效果。另一个是增加地环路的阻抗，从而减小地环路电流。当阻抗无限大时，实际是将地环路切断，即xx了地环路。例如将一端的设备浮地、或将线路板与机箱断开等是直接的方法。但出于静电防护或安全的考虑，这种直接的方法在实践中往往是不允许的。更实用的方法是使用隔离变压器、光耦合器件、共模扼流圈、平衡电路等方法。第三个方法是改变接地结构，将一个机箱的地线连接到另一个机箱上，通过另一个机箱接地，这就是单点接地的概念。

4 公共阻抗耦合及对策
　　当两个电路的地电流流过一个公共阻抗时，就发生了公共阻抗耦合。

　　一个电路的地电位会受到另一个电路工作状态的影响，即一个电路的地电位受另一个电路的地电流的调制，另一个电路的信号就耦合进了前一个电路。
　　放大器级间公共地线耦合问题：中的放大器，由于前置放大电路与功率放大电路共用一段地线，功率放大电路的地线电流很大，因此在地线上产生了较大的地线电压V。这个电压正好在前置放大电路的输入回路中，如果满足一定的相位关系，就形成了正反馈，造成放大器自激。
　　解决办法：可以有两个解决办法，一个是将电源的位置改变一下，使它*近功率放大电路，这样，就不会有较大的地线电压落在前置放大电路的输入回路中了。另一个办法是功率放大电路单独通过一根地线连接到电源，这实际是改成了并联单点接地结构。

5 接地策略

　　信号地有图3所示的几种方式。
　　单点接地：所有电路的地线接到公共地线的同一点，进一步可分为串联单点接地和并联单点接地。{zd0}好处是没有地环路，相对简单。但地线往往过长，导致地线阻抗过大。
　　多点接地：所有电路的地线就近接地，地线很短，适合高频接地。问题是存在地环路。
　　混合接地：在地线系统内使用电感、电容连接，利用电感、电容器件在不同频率下有不同阻抗的特性，使地线系统在不同的频率具有不同的接地结构。
　　串联单点接地容易产生公共阻抗耦合的问题，解决的方法是采用并联单点接地。但是并联单点接地往往由于地线过多，而没有可实现性。因此，灵活的方案是，将电路按照信号特性分组，相互不会产生干扰的电路放在一组，一组内的电路采用串联单点接地，不同组的电路采用并联单点接地。如图4所示。这样，既解决了公共阻抗耦合的问题，又避免了地线过多的问题。
说起视频干扰，要讲一下视频监控信号传输的传统方式视频基带传输。所谓的视频基带传输是指视频信号不经过频率变换等任何处理由图像摄取端通过同轴电缆直接传输到监视端的传输方式，图像在传输时直接利用同轴电缆的0~6MHz来传输，非常容易受到干扰，使图像出现网纹、横纹和噪点影响监视效果。对于基带传输视频干扰，从干扰源角度分为交流声干扰和空间电磁波干扰，从干扰切入方式分为传导式干扰和辐射式干扰。下面分析一下常见视频干扰现象及其原因。
    1、工频干扰

    干扰现象：图像出现雪花噪点、网纹或很宽暗横带持续不断滚动。

    干扰原因：此现象是当摄像端与监控设备端同时接地时，由于地电阻及电缆外皮电阻的存在，在两地之间电力系统各相负载不平衡或接地方式不同引起50Hz电位差，从而产生工频干扰所致。地电位使两接地端存在电压降，电压降加在屏蔽层两端并与大地（地电阻）构成回路产生地电流，地电流经过线缆屏蔽层形成干扰电压，地电流的部分谐波分量落入视频芯线，致使芯线与屏蔽层之间产生干扰电位，使干扰信号加入视频信号中对监控图像形成干扰。

    2、空间电磁波干扰

    干扰现象：图像出现较密的斜形网纹，严重时会淹没图像。

    干扰原因：当监控电缆在空中架设时，空中电磁波干扰信号所产生的空间电场会作用于监控传输线路，使线路两端而产生相当大的电磁干扰电压，其频率约在200Hz~2.3MHz。由于电缆中电位差的存在，使电缆屏蔽层产生干扰电流，而一般情况下摄像端和监控设备端均为接地状态，这就使干扰电流通过线缆两端接地点与大地形成回路，导致终端负载产生干扰电压，干扰信号耦合进视频信号中，产生图像干扰情况。

    3、低频干扰（20Hz-nKHz低频噪声干扰）

    干扰现象：图像出现静止水平条纹。

    现象原因：由于声音、数据等信号属于低频信号，其频带狭窄在传输时只用到20Hz~nKHZ，几乎采用任何种类的电缆都可以传输，一般只受交流声干扰。用于传输视频信号的同轴电缆，其屏蔽层抗干扰曲线特性表明干扰信号频率越高其屏蔽性能越好，对于诸如载波电话、有线电台等低频率信号干扰反而显得苍白无力。低频干扰信号同样会在传输线缆上产生干扰电压，从而影响图像质量。

    4、高频干扰（高频噪声干扰）

    干扰现象：图像出现雪花点或高亮点。

    现象原因：虽然视频传输所用同轴电缆抗高频干扰要比抗低频干扰性能强，但是强高频干扰信号还会对图像的传输产生干扰。大电荷负载启停、变频机及高频机等在工作时除了输出高强度基波外，同时还会产生高强度的二次谐波。虽然谐波强度比基波低很多，但高次谐波频带很宽且成分复杂，所以基波的各次谐波都会对利用视频基带传输（即6MHZ带宽内）的视频信号造成不同程度的干扰。经过多次精度实验，高频干扰信号的基波和谐波频率均在45MHz以内。

    5、反射干扰

    干扰现象：图像出现重影。

    干扰原因：视频信号在传输过程中色度、亮度及饱和度都会有相应衰减，当传输视频的同轴网络阻抗不匹配（也称失配）时，视频信号传输到终端会有部分色度、亮度及饱和度产生微反射，反射回来的信号会回到发射处形成再反射，与视频信号叠加经过延时和损耗到达终端。多个反射信号将在接收端产生码间干扰（ISI），ISI会导致监视器收到错误的输入信号幅度和相位并显示出来，这就使传回来的图像看起来好象清楚的图像上又蒙上了一层模糊不清的图像现象，即重影现象。

常见的图像干扰及其解决方法

1. 木纹状的干扰 这种干扰的出现 ，轻微时不会淹没正常图像 ，而严重时图像就无法观看了 (甚 至破坏同步 )。这种故障现象产生的原因较多也较复杂。大致有如下几种原因：

（ 1） 视频传输线的质量不好， 特别是屏蔽性能差 （屏蔽网不是质量很好的铜线 网，或屏 蔽 网过稀而 起 不到屏蔽 作 用 ）。与 此 同时，这 类 视频线的 线 电阻过大， 因而造成信号产生较大衰减也是加重故障的原因 。此外 ，这类视频线的特性阻抗 不是 75Ω 以及参数超出规定也是产生故障的原因之一。由于产生上述的干扰现 象不一定就是视频线不良而产生的故障 ，因此这种故障原因在判断时要准确和慎 重 。只有当排除了其它可能后 ，才能从视频线不良的角度去考虑 。若真是电缆质 量问题，{zh0}的办法当然是把所有的这种电缆全部换掉，换成符合要求的电缆， 这是彻底解决问题的{zh0}办法。

（ 2）由于 供电系统的 电源不 “洁净 ”而引起 的。这里所 指的电源不 “洁净 ”，是 指 在正常的电 源（ 50 周的正弦波 ）上叠加有干扰信号 。而这种电源上的干扰信号， 多来自本电网中使用可控硅的设备 。特别是大电流 、高电压的可控硅设备 ，对电 网的污染非常严重 ，这就导致了同一电网中的电源不 “洁净 ”。比如本电网中有大 功率可控硅调频调速装置 、可控硅整流装置 、可控硅交直流变换装置等等 ，都会 对 电源产生污 染。 这种 情况的解决 方法比较简 单，只要对 整个系统采 用净化 电 源或在线 UPS 供电就基本上可以得到解决。 （ 3） 系统附近有很强的干扰源。 这可以通过调查和了解而加以判断。 如果属于 这种原因 ，解决的办法是加强摄像机的屏蔽 ，以及对视频电缆线的管道进行接地 处理等。

2. 较深较乱的大面积网纹干扰 严重时 图像全部被 破坏，形不 成图像和同 步信号，这 种故障是由 于视频电缆 线的芯线与屏蔽网短路、断路造成的。这种情况多出现在 BNC 接头或其它类型 的视频接头上 。即这种故障现象出现时 ，往往不会是整个系统的各路信号均出问 题 ，而仅仅出现在那些接头不好的路数上 。只要认真逐个检查这些接头 ，就可以 解决。

3. 若干条间距相等的竖条干扰 干扰信 号的频率基 本上是行频 的整数倍， 这是由于视 频传输线的 特性阻抗不 是 75Ω 而导致阻抗失配造成的。也可以说，产生这种干扰现象是由视频电缆的 特性阻抗和 分布参数都 不符合要求 综合引起的 。解决的方 法一般* “始端串接 电 阻 ”或 “终端并接 电阻 ”的方 法去解决。 另外，值得 注意的是， 在视频传输 距离很 短时（ 一般为 150 米以内 ），使用上述 阻抗失配和 分布参数过 大的视频电 缆不 一定会出现上述的干扰现象 。解决上述问题的根本办法是在选购视频电缆时 ，一 定要保证质量。必要时应对电缆进行抽样检测。

4. 由传输线引入的空间辐射干扰 这种干 扰现象的产 生，多数是 因为在传输 系统、系统 前端或中心 控制室附近 有较强的、频率较高的空间辐射源。这种情况的解决办法一个是在系统建立时， 应对周边环境有所了解 ，尽量设法避开或远离辐射源 ；另一个办法是当无法避开 辐射源时，对前端及中心设备加强屏蔽，对传输线的管路采用钢管并良好接地。