接地简介:地球接地、公共接地、模拟接地和数字接地

时间:2023-04-26

了解接地、接地和接地符号的基础知识。并非所有理由都是平等的。在本文中,我们将讨论接地、公共接地、模拟接地和数字接地。

什么是地面?

电子和电气工程中,按照惯例我们将电路中的一个点定义为参考点。这个参考点被称为地(或 GND),带有0V 的电压。电压测量是相对测量。也就是说,必须将电压测量值与电路中的另一点进行比较。如果不是,则测量没有意义。

地面参考点通常但不总是(稍后会详细介绍)由标准地面符号表示。参见图 1。

 

图 1.公共接地符号。

 

通常,该参考点是电路中所有其他电压测量的基础。但是,并非所有电压测量值都取自该参考点。例如,如果您要测量电阻分压器中上电阻器两端的电压,您的参考点就不会接地。参见图 2。

 

图 2.并非所有电压测量都以地为参考。

大地

大地就像它听起来的那样。它是通过铜、铝或铝合金等导电材料物理(和电气)接地的接地点。

根据美国国家电气规范 (NEC) 的定义,真正的大地接地由一根导电管或杆组成,以物理方式打入地下,深度至少为 8 英尺。

地球提供了一个电中性体,由于地球几乎是无限的中性状态,它不受电波动的影响。然而,应该指出的是,“地球不受电波动影响”实际上是一种概括。实际上,考虑到构成地球的所有变量和材料,地球地面是一个相当复杂的主题。并且,地球的电势确实会经历一些孤立区域的变化,例如闪电击中等事件。遍布整个社区的电线杆也接地。图 3 显示了连接到电源杆的地线。

 

图 3.电线杆连接有地线。

 

电源插座上的第三个插脚(见图 4)物理接地。

 

图 4。第三个插脚 110VAC 插座。

 

这种与大地的插座连接提供了一种方法,例如,将测试设备连接到大地——电源线的接地(绿色)线连接到设备的内部框架或底盘。当将各种测试设备接地时,它们都连接到一个公共接地点,因此具有公共参考。您可以通过测量任意两台测试设备的接地端子之间的电阻来验证这一点。

该公共参考作为接地引线端子引出给用户。旁注:您的台式计算机机箱也接地。

 

图 5.测试设备为用户提供接地线端子。原始图片由cal-center.us提供。作者添加的注释。

 

不幸的是,接地符号在电子和电气工程的许多应用中都有使用,通常对不同的人有不同的含义,因此对于一些初学者来说可能有点混乱。例如,接地符号也用作公共接地符号或 0V 参考。这有点误导,因为 0V 参考实际上并未接地。图 6 显示了使用公共/接地符号的各种接地连接。

 

图 6.使用接地符号的各种接地连接。

模拟和数字地

当数字信号改变状态时,数字电路会产生电流尖峰。当模拟电路中的负载电流发生变化时,会再次产生电流尖峰。

尽管有多种正确接地的技术,但当谈到混合信号接地时,重要的是——无论采用哪种接地技术——将“噪声较大”的数字返回电流与“噪声较小”的模拟返回电流分开电流。这种接地分离有助于限度地减少或防止由于接地电流而在电路内产生噪声。

这样的接地电流——将它们视为变化的电流——当应用于接地返回路径时,会产生称为噪声的电压变化(回想一下欧姆定律)。您可能听说过“嘈杂的地面”一词。这种噪声会损害本地电路中的敏感信号。接地一直是设计、系统和测试工程师的主要障碍。

一种可能的接地技术使用所谓的“星形”接地,在某些但不是所有情况下都有用。这种理念建立在电路中的所有电压都参考单个接地点的理论之上。

图 7 描绘了用于模拟和数字地的单个接地点连接。

 

图 7.数字和模拟地的单点接地。

 

使用单个接地点(或星形接地点)的方法在纸面上看起来很棒。然而,在实践中,根据设计的复杂性,实施起来可能非常困难。另一种方法是使用接地母线。

但请记住,通常不需要物理分离模拟地和数字地,因为即使设计使用单个(共享)地平面,也可以通过适当的 PCB 布局来管理返回电流。

常见接地错误

三端直流电源,例如图 8 中的电源,初学者可能会有些困惑。该电源有一个正极 (+)、一个负极 (-) 和一个 GND(接地)端子。如前所述,接地端子(大地)物理连接到机箱,机箱又连接到电源线内的地线,通过三孔插座接地。

初学者常犯的一个错误是在正极 (+) 和 GND 端子之间连接负载。这种不正确的连接将不允许电流返回其能量源(电源本身),因此不会有电流流动。正确的连接是将负载连接在正极 (+) 和负极 (-) 端子之间。

 

图 8.带接地连接的直流电源(中间的绿色端子)。图片由GWInstek.com提供。

静电放电 (ESD)

测试设备的接地也有助于消除静电放电(ESD)。当带静电的身体(即您)接触测试设备时,就会发生 ESD。一些测试设备非常敏感,可能非常容易受到 ESD 事件的影响。

集成电路 (IC) 因极易受到 ESD 事件的影响而臭名昭著。接地垫(称为 ESD 垫)、接地椅子和腕带通过接地为您的 IC 提供充分的 ESD 保护——从而在接触任何敏感组件之前释放您身上可能存在的任何静电。大多数工程师和技术人员在处理 PCB 和 IC 时也会穿 ESD 安全夹克,以加强保护,防止可能损坏的组件和设备。

接地符号

以下接地符号是设计中可能出现的一些符号:

 

图 9.一般接地符号,或接地(IEEE Std 315-1975 第 3.9.1 节和IEC 60417-5017)。

 

图 10.低噪声接地或功能性接地(IEEE Std 315-1975 第 3.9.1.1 节和IEC 60417-5018)。

 

图 11.安全或保护接地(IEEE Std 315-1975 第 3.9.1.2 节和IEC 60417-5019)。

 

图 12.底盘或框架连接(IEEE Std 315-1975 第 3.9.2 节和IEC 60417-5020)。

 

图 13.未指定的公共连接/电位水平(IEEE Std 315-1975 第 3.9.3.2 节)
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