显示系统设备接地与地回路干扰抑制

张春林，杨 乐，康向东，余黄河

(北京航天飞行控制中心，北京 100094)

各类电子、通信、数据处理系统都需要妥善解决设备良好接地问题，这样才能使系统安全、稳定、有效地工作[1]。由于人眼视觉的直观性、敏感性，显示系统设备接地较之其他电子系统要求更高。显示系统设备接地稍微处理不当，极易造成地回路干扰，影响图形图像显示效果，让人视觉难以接受。由接地不当引发的干扰[2]，不同程度存在于各类显示系统中，这是一个普遍存在的问题。

在显示系统建设使用过程中，往往存在着这样的现象，初期规模不大、信号不太多、设备之间距离不远，通常按照标准统一接地，基本上就可以满足正常显示质量要求。但是，随着后期逐步扩展，系统规模越来越大，系统内部设备连接和信号种类越来越复杂。由于初期在接地网络上缺乏前瞻性考虑，导致地回路干扰也越来越严重。如果对系统设备接地没有充分的理论认识，缺少综合处理的技术措施，就不可能系统而有效地解决设备接地伴随而来的地回路干扰问题。

因此，研究显示系统设备接地问题，采取科学的综合技术措施，有效抑制地回路干扰是十分必要的。

1 接地要求

接地的本意是指与真正的大地连接以提供雷击放电的通路，例如将避雷针的一端埋入大地，为用电设备提供漏电保护，即提供放电通路的技术手段[3]。通常的接地概念一般指为了使电路、设备或系统与“地”之间建立低阻抗通路，而将电路、设备或系统连接到一个作为参考电位面的良导体的技术行为，其中一点通常是系统的一个电气或电子元件、组件，而另一点则是称之为“地”的参考点，譬如系统组件是设备中的一个电路，设备的外壳或接地平面就是“地”的参考点。

理想的接地有如下4点要求:

1)为了避免使电路、设备受到磁场和地电位差的影响，理论上的接地应使流经地线的各个电路、设备的电流互不影响，即不使其形成地电流回路。

2)为了使流过接地导体的任何电流都不产生电压降，即各接地点之间没有电压差，或者略有，但与电路中任何功能部分的电位比较均可忽略不计，理论上的接地导体或导电平面应是零阻抗的实体。

3)作为系统中各电路任何位置的所有电信号的公共电位参考点，接地平面应当是零电位。

4)接地平面应采用低阻抗材料制成，并且有足够的长度、宽度和厚度，以保证在所有频率上它的两边之间均呈现低阻抗。接地平面与布线间将有大的分布电容，而其本身的引线电感将很小。安装固定式设备的接地平面，应选用整块铜板或由铜网组成。

2 设备接地作用

电子设备接地，通常按其作用可分为安全接地和信号接地。安全接地又分为防雷接地、设备安全接地和接零保护接地;而信号接地又分为单点、多点、混合以及悬浮接地等。对显示系统或电视工程而言，如果接地系统不够完善，不仅对设备性能的发挥产生影响，同时对于电视或视频信号的质量以及人身安全也会产生潜在的危险[4]。

设备安全接地是安全接地之一。任何高压电气设备、电子设备的机壳，底座均需要安全接地，以避免高电压直接接触设备外壳，或者避免由于设备内部绝缘损坏造成漏电使机壳带电。因此，为了保证人、机安全，电子信息或监控显示系统的机柜应首先保证安全接地，即机柜连接大地。从内部防感应雷角度出发，设备也必须接地。当电子设备的外壳接地，由于外壳与大地等电位，在外壳内部电场强度基本上处处相等，电子设备中的电子线路就不会感应带电，也不会产生位移电流。因此，电子设备的外壳接地还对雷电有屏蔽作用，可以避免仪器设备中的线路或电子器件被雷电击穿损坏。

信号接地则是为了抑制电磁干扰，保障设备工作稳定。接地是抑制干扰的有效手段，系统有无接地，其电磁辐射的数值相差很大[5]。因此，将电子设备底座或外壳接地，在保障设备安全接地的同时，也给设备内部各种电路的信号电压提供一个零电位的公共参考点或面，这对于保障电子设备工作稳定十分重要。接地后的设备机壳或底座就成为电子设备内部电位基准的导体，被称为接地面。设备的底座或外壳采用接地导线连接至大地，如果接地回路中串入干扰，就会使接地面电位不稳定，从而导致电子设备工作不稳定。信号接地的连接对象是种类繁多的电路，在复杂系统中，各种频率的信号汇集，强电和弱电电路同在、模拟电路与数字电路并存。因此必须在对系统充分了解的基础上，妥善处理系统设备接地问题，避免因接地问题而使各种设备之间或分系统之间相互产生影响。

图1 地回路干扰

二者可看作如图1中的设备M与设备N的连接，两个分系统均已接地，其连接构成地回路。其中视频源分系统可以看成信号源设备，而终端显示分系统可以看作是接收放大器。信号源与放大器连接构成电路时，简化原理图如图2所示。由于实际的地线不可能达到真正理想的接地导体成为零阻抗的实体，所以，流过接地导体的电流难免会产生电压降，即各接地点之间会有电压差，从而产生人们通常简称的“电源滚道干扰”[6]。

图2 系统传输原理图

3 地回路干扰分析

通常电子设备采用具有一定面积的金属板作为接地面，由于各种原因在接地面上总有接地电流通过，而在金属接地板两点之间不可能是理想的零阻抗导体，其间总会存在一定的阻抗，接地电流流经传输线与接地面形成导电回路时，就对信号的输入端产生接地干扰电压，即形成了地回路干扰，在屏幕上表现为由下而上爬行的“滚道干扰”，其叠加在画面上严重影响显示质量。

地回路干扰会在电路的输入端产生干扰电压，从而对正常输入信号产生影响。如图1所示，地回路干扰的大小与两设备的接地方法直接相关。下面以显示系统中视频源分系统与终端显示分系统的连接情况为例具体分析。

1)若信号源在M点接地，放大器在N点接地，则两接地点之间存在地电位差Ed，Z1和Z2为信号源与放大器连接导线的阻抗。由图2可知，加至放大器输入端的电压为En=ES+Ed。

导线阻抗Z1和Z2很小，在1 Ω以下;两接地点之间存在的地阻抗Zd更小，通常取Zd≤0.01 Ω;信号源内阻ZS通常为500 Ω左右，放大器的输入阻抗ZL约为10 kΩ。由于Z2≪ZS+Z1+ZL，从等效电路图3可得C点到地的电压为

图3 等效电路图

因此，放大器输入端的干扰电压为

将式(1)代入式(2)，接地干扰电压对放大器输入端的干扰电压值为

2)将信号源与放大器接地端隔离，相当于在信号源与地之间接入一个很大的阻抗Zsd(加在图3中的C点与M点之间)。接地干扰电压Ed通过回路分压施加在放大器输入端，其干扰电压值为

由此可知，视频信号源与显示终端放大器连接构成回路时，采用信号源与地隔离的一点接地方式，可抑制接地干扰电压对(显示终端)放大器输入端产生的干扰。相反，如果采用M点接地而N点不接地，即显示终端放大器所用的电源不接地，这种情况下终端则需要使用差分放大器[7]。

4 接地回路干扰抑制

通过上述理论分析推导，可以提出综合处理显示系统地回路干扰策略。这些技术方法是理论与实际相结合的产物，已经在大型显示系统工程建设、改造实践中得到检验。

1)在与显示相关的各分系统中，尽可能争取电源三相负载平衡，从而使得三相电流、电压基本平衡，避免通过地线形成三相电流相互串扰。

2)从信号源到终端显示，全系统最好用同一相电源供电，既可抑制相电流串扰，又有利于缩短地线距离，减少接地阻抗。至少要做到各分系统统一接地，确保各分系统内部不存在接地回路串扰电流。

3)尽量减小公共接地阻抗，从而减小地回路干扰对电路正常信号的影响。主要是按照电阻与材料导电率、横截面积及长度关系的公式，合理确定铜条或铜板的型号，留足冗余。通常将系统设备最远两端的地线阻抗限制在0.01 Ω以下。设备至公共地线的连接线选择:短距离设备用标准的花色地线;长距离设备用铜缆，为了确保人机安全，在铜缆外部套上标准的绝缘套管。

4)如果信号源分系统与终端显示分系统两端距离较近，在不影响系统安全的前提下，可采取一点接地方法，这对抑制地回路干扰是行之有效的。一点接地实质是将地回路断开，所以两端不再形成接地回路。

5)若信号源分系统与终端显示分系统两端距离较远，可采取专门的信号传输技术手段解决地回路干扰。

(1)采用光电耦合器方式传输数字视频信号。光电耦合器在信号传输过程中使用光信号，因此切断了两电路之间的地回路，这样即使两个电路的地电位不同，也不会造成干扰。光电耦合对数字电路特别适用，但在模拟电路中，由于电流与光强的线性关系较差，在传输模拟信号时会产生较大的非线性失真。

(2)采用差分信号方式传输模拟视频信号。差分平衡电路有助于抑制接地回路干扰的影响。因为差分器件是按照加在电路两输入端的电压差值工作的。如图4所示，地电压Ed同时加于两输入端，相应的噪声电流等量地加于放大器两输入端a与b。由于电路是平衡的，每一输入端对地具有完全相同的阻抗。因此，输入到a，b两端的噪声电流大小相等、方向相反，总的输入干扰恰好相互抵消，即差分器件对地回路信号不发生响应。从理论上讲，假定信号源的内阻为0，地回路干扰电压可以被抵消掉。

图4 差分平衡电路

即使信号源与接收端都接地，采用差分平衡电路也能有效抑制接地回路的干扰。在工程实践中，采用差分信号传输模拟视频信号的技术措施效果很好。该装置是使用超五类双绞线作为传输介质的长线驱动器，首先将视频模拟信号转换为差分信号传输，在信号接收端，通过接收器再将差分信号转换为普通视频模拟信号。该装置连入系统后，消除了电源地回路造成的滚道干扰现象，其效果令人满意。

5 结论

本文阐释了接地要求、设备接地重要作用，详细分析了地回路干扰的成因，结合工程实践成功经验，提出了行之有效的综合处理策略。

综上所述，本文得出以下主要结论:

1)显示设备的安全接地和信号接地是设备安全稳定运行的基础。

2)显示系统设备接地必然导致地回路干扰形成。

3)根据每个系统的具体情况，灵活地采取综合处理的技术措施，可以有效抑制显示系统地回路干扰，确保系统的显示质量。

4)这些结论和技术措施可以为其他电子信息系统建设、改造提供有益的参考。

[1]区健昌.电子设备的电磁兼容性设计[M].北京:电子工业出版社，2003.

[2]张德敬，吴晓.彩色电视机电磁兼容设计重点[J].电视技术，2010，34(12):61－63.

[3]林国荣.电磁干扰及控制[M].北京:电子工业出版社，2003.

[4]文志斌.浅析电视工程的接地技术[J].中国科技投资，2012(21):233.

[5]尤文坚，戴励.复杂电磁环境下超长显示屏的设计与实现[J].电视技术，2012，36(3):51－54.

[6]路宏敏.工程电磁兼容[M].西安:西安电子科技大学出版社，2003.

[7]杨克俊.电磁兼容原理与设计技术[M].2版.北京:人民邮电出版社，2011.