顯示系統(tǒng)設(shè)備接地與地回路干擾抑制

張春林，楊 樂(lè)，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(wèn)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(jué)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(jué)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(gè)普遍存在的問(wèn)題。

在顯示系統(tǒng)建設(shè)使用過(guò)程中，往往存在著這樣的現(xiàn)象，初期規(guī)模不大、信號(hào)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(kuò)展，系統(tǒng)規(guī)模越來(lái)越大，系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備連接和信號(hào)種類越來(lái)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(lái)越嚴(yán)重。如果對(duì)系統(tǒng)設(shè)備接地沒(méi)有充分的理論認(rèn)識(shí)，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(lái)的地回路干擾問(wèn)題。

因此，研究顯示系統(tǒng)設(shè)備接地問(wèn)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(hù)，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(gè)作為參考電位面的良導(dǎo)體的技術(shù)行為，其中一點(diǎn)通常是系統(tǒng)的一個(gè)電氣或電子元件、組件，而另一點(diǎn)則是稱之為“地”的參考點(diǎn)，譬如系統(tǒng)組件是設(shè)備中的一個(gè)電路，設(shè)備的外殼或接地平面就是“地”的參考點(diǎn)。

理想的接地有如下4點(diǎn)要求:

1)為了避免使電路、設(shè)備受到磁場(chǎng)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(gè)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(guò)接地導(dǎo)體的任何電流都不產(chǎn)生電壓降，即各接地點(diǎn)之間沒(méi)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(jì)，理論上的接地導(dǎo)體或?qū)щ娖矫鎽?yīng)是零阻抗的實(shí)體。

3)作為系統(tǒng)中各電路任何位置的所有電信號(hào)的公共電位參考點(diǎn)，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(zhǎng)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(hào)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(hù)接地;而信號(hào)接地又分為單點(diǎn)、多點(diǎn)、混合以及懸浮接地等。對(duì)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(duì)設(shè)備性能的發(fā)揮產(chǎn)生影響，同時(shí)對(duì)于電視或視頻信號(hào)的質(zhì)量以及人身安全也會(huì)產(chǎn)生潛在的危險(xiǎn)[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(jī)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(jī)殼帶電。因此，為了保證人、機(jī)安全，電子信息或監(jiān)控顯示系統(tǒng)的機(jī)柜應(yīng)首先保證安全接地，即機(jī)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(chǎng)強(qiáng)度基本上處處相等，電子設(shè)備中的電子線路就不會(huì)感應(yīng)帶電，也不會(huì)產(chǎn)生位移電流。因此，電子設(shè)備的外殼接地還對(duì)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(hào)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(wú)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(shí)，也給設(shè)備內(nèi)部各種電路的信號(hào)電壓提供一個(gè)零電位的公共參考點(diǎn)或面，這對(duì)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(jī)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(huì)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(hào)接地的連接對(duì)象是種類繁多的電路，在復(fù)雜系統(tǒng)中，各種頻率的信號(hào)匯集，強(qiáng)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(duì)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(wèn)題，避免因接地問(wèn)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(gè)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(hào)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(hào)源與放大器連接構(gòu)成電路時(shí)，簡(jiǎn)化原理圖如圖2所示。由于實(shí)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(shí)體，所以，流過(guò)接地導(dǎo)體的電流難免會(huì)產(chǎn)生電壓降，即各接地點(diǎn)之間會(huì)有電壓差，從而產(chǎn)生人們通常簡(jiǎn)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(guò)，而在金屬接地板兩點(diǎn)之間不可能是理想的零阻抗導(dǎo)體，其間總會(huì)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(shí)，就對(duì)信號(hào)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(huì)在電路的輸入端產(chǎn)生干擾電壓，從而對(duì)正常輸入信號(hào)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(hào)源在M點(diǎn)接地，放大器在N點(diǎn)接地，則兩接地點(diǎn)之間存在地電位差Ed，Z1和Z2為信號(hào)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(diǎn)之間存在的地阻抗Zd更小，通常取Zd≤0.01 Ω;信號(hào)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(diǎn)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(duì)放大器輸入端的干擾電壓值為

2)將信號(hào)源與放大器接地端隔離，相當(dāng)于在信號(hào)源與地之間接入一個(gè)很大的阻抗Zsd(加在圖3中的C點(diǎn)與M點(diǎn)之間)。接地干擾電壓Ed通過(guò)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(hào)源與顯示終端放大器連接構(gòu)成回路時(shí)，采用信號(hào)源與地隔離的一點(diǎn)接地方式，可抑制接地干擾電壓對(duì)(顯示終端)放大器輸入端產(chǎn)生的干擾。相反，如果采用M點(diǎn)接地而N點(diǎn)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(guò)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(shí)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(shí)踐中得到檢驗(yàn)。

1)在與顯示相關(guān)的各分系統(tǒng)中，盡可能爭(zhēng)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(guò)地線形成三相電流相互串?dāng)_。

2)從信號(hào)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(duì)電路正常信號(hào)的影響。主要是按照電阻與材料導(dǎo)電率、橫截面積及長(zhǎng)度關(guān)系的公式，合理確定銅條或銅板的型號(hào)，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(zhǎng)距離設(shè)備用銅纜，為了確保人機(jī)安全，在銅纜外部套上標(biāo)準(zhǔn)的絕緣套管。

4)如果信號(hào)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(diǎn)接地方法，這對(duì)抑制地回路干擾是行之有效的。一點(diǎn)接地實(shí)質(zhì)是將地回路斷開(kāi)，所以兩端不再形成接地回路。

5)若信號(hào)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(hào)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(hào)。光電耦合器在信號(hào)傳輸過(guò)程中使用光信號(hào)，因此切斷了兩電路之間的地回路，這樣即使兩個(gè)電路的地電位不同，也不會(huì)造成干擾。光電耦合對(duì)數(shù)字電路特別適用，但在模擬電路中，由于電流與光強(qiáng)的線性關(guān)系較差，在傳輸模擬信號(hào)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的非線性失真。

(2)采用差分信號(hào)方式傳輸模擬視頻信號(hào)。差分平衡電路有助于抑制接地回路干擾的影響。因?yàn)椴罘制骷前凑占釉陔娐穬奢斎攵说碾妷翰钪倒ぷ鞯摹Ｈ鐖D4所示，地電壓Ed同時(shí)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(duì)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(duì)地回路信號(hào)不發(fā)生響應(yīng)。從理論上講，假定信號(hào)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(hào)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(shí)踐中，采用差分信號(hào)傳輸模擬視頻信號(hào)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(zhǎng)線驅(qū)動(dòng)器，首先將視頻模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)傳輸，在信號(hào)接收端，通過(guò)接收器再將差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為普通視頻模擬信號(hào)。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(shí)踐成功經(jīng)驗(yàn)，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(hào)接地是設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)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(gè)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。

[1]區(qū)健昌.電子設(shè)備的電磁兼容性設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出版社，2003.

[2]張德敬，吳曉.彩色電視機(jī)電磁兼容設(shè)計(jì)重點(diǎn)[J].電視技術(shù)，2010，34(12):61－63.

[3]林國(guó)榮.電磁干擾及控制[M].北京:電子工業(yè)出版社，2003.

[4]文志斌.淺析電視工程的接地技術(shù)[J].中國(guó)科技投資，2012(21):233.

[5]尤文堅(jiān)，戴勵(lì).復(fù)雜電磁環(huán)境下超長(zhǎng)顯示屏的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電視技術(shù)，2012，36(3):51－54.

[6]路宏敏.工程電磁兼容[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2003.

[7]楊克俊.電磁兼容原理與設(shè)計(jì)技術(shù)[M].2版.北京:人民郵電出版社，2011.