称重显示控制器的地线阻抗干扰与抑制方法

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对于称重显示控制器而言,接地是控制干扰的重要方法。设计良好的地线既能提高抗扰度,又能减小电磁发射。在称重显示控制器设计的初始阶段同时进行地线设计,把大部分问题解决在设计定型 之前可得到最高的效费比 1 地线的定义 什么是地线?一个比较通用的定义是“接地是电流返回其源的低阻抗通道”。这里要求 的是“低阻抗”和“通路”。这个定义中突出了地线中电流的流动。按照这个定义,很容易 理解地线中电位差的产生原因。因为地线的阻抗总不会是零,当一个电流通过有限阻抗时, 就会产生电压降。 2 地线的阻抗 地线的阻抗指的是交流状态下导线对电流的阻抗,这个阻抗主要是由导线的电感引起 的,而非直流状态下导线对电流呈现的电阻。任何导线都有电感,当频率较高时,导线的阻 抗远大于直流电阻,表 1 的数据说明了这个问题。在实际电路中,造成电磁干扰的信号往往 是脉冲信号,包含丰富的高频成分,因此会在地线上产生较大的电压。数字电路的工作频率 是很高的,因此地线阻抗对数字电路的影响是十分可观的。
 
将 10Hz 时的阻抗近似认为是直流电阻,可以看出当频率达到 10MHz 时,1m 长导线的阻 抗是直流电阻的 1000 倍至 10 万倍。因此射频电流流过地线时的电压降是很大的。 由表 1 还可以看出,增加导线的直径对减小直流电阻是有效的,但对减小交流阻抗的作 用很有限。在电磁兼容中人们最关心的交流阻抗。为了减小交流阻抗,一个有效的办法是多 根导线并联。当两根导线并联时,其总电感 L 为1
 
L=(L1+M)/2 式中,L1是单根导线的电感,M 是两根导线之间的互感。 从式中可以看出,当两根导线相距较远时,它们之间的互感很小,总电感相当于单根导 线电感的一半,因此可以通过多条接地线来减小接地阻抗。但要注意的是,多根导线之间的 距离不能过近。 3 地线干扰机理及其解决方法 3.1 地环路干扰 如前所述,任何地线都有阻抗,当有电流通过时地线上必然产生压降,即两个不同的接 地点之间必然存在地电压。当电路多点接地、而各电路间又有信号联系时,即构成地环路, 如图 1 所示。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 成影响。地环路中的电流还可以由外界电磁场感应出来。
 
3.2 地环路抗干扰解决方法
 
地环路
解决地环路干扰的基本思路有:一是减小地线阻抗,从而减小干扰电压。另一个是增加 地环路的阻抗,从而减小地环路电流。当阻抗无穷大时,实际是切断了地环路。也可采用平 衡电路。 3.2.1 减小地线阻抗 减小地线阻抗的核心问题是减小地线的电感。这包括使用扁平导体作地线和用多条相距 较远的并联导体作接地线。印刷线路板双层板上布地线网格能够有效地减小地线阻抗;在多 层板中专门用一层做地线虽然具有很小的阻抗,但这会增加线路板的成本。
 
3.2.2 增加地环路阻抗
增加地环路阻抗有以下几种方式可供参考. ① 将一端设备浮地 如果将一端电路浮地,就切断了地环路,因此可以消除地环路电流。但有两个问题需要 注意:一个是出于安全的考虑,往往不允许电路浮地,这时可以将设备通过一个电感接地。 这样对于 50Hz 的交流电流设备而言接地阻抗很小,而对于频率较高的干扰信号则设备接地 阻抗较大,减小了地环路电流。但这样做只能减小高频干扰的地环路干扰;另一个问题是, 尽管设备浮地,但设备与地之间还是有寄生电容,在频率较高时会提供较低的阻抗,因此并 不能有效地减小高频地环路电流。 ② 使用变压器实现设备之间的连接 利用磁路将两个设备连接起来,可以切断地环路电流。但要注意,变压器初次级之间的 寄生电容仍然能够为频率较高的地环路电流提供通路,因此变压器隔离的方法对高频地环路2电流的抑制效果较差。提高变压器高频隔离效果的一个办法是在变压器的初次级之间设置屏 蔽层。但一定要注意隔离变压器屏蔽层的接地端必须是在接受电路一端,否则,不仅不能改 善高频隔离效果,还可能使高频耦合更加严重。因此,变压器要安装在信号接收设备的一侧。 经过良好屏蔽的变压器可以对 1MHz 以下的频率提供有效的隔离。 ③ 使用光隔离器 另一个切断地环路的方法是用光实现信号的传输。这是解决地环路干扰问题最理想的方 法。光连接有两种方法:一种是光耦器件;另一种是用光纤连接。光耦的寄生电容一般为 2pf, 能够对很高的频率提供良好的隔离。光纤几乎没有寄生电容,但安装、维护、成本等方面都 不如光耦器件。 ④ 使用共模扼流圈 在连接电缆上使用共模扼流圈相当于增加了地环路的阻抗,在一定的地线电压作用下地 环路电流会减小。但要注意控制共模扼流圈的寄生电容,否则对高频干扰的隔离效果很差。 共模扼流圈的匝数越多,则寄生电容越大,高频隔离的效果越差。
 
3.2.3 平衡电路
两导体及与之相连的电路相对于地线或其他参照物具有相同的阻抗。典型的平衡电路是 差分放大器。但是由于分布参数的影响,在高频时很难保证两导体的阻抗完全相同。这意味 着平衡电路对高频的地环路干扰抑制效果较差。
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