FAQ: Цепи заземления в измерительной системе на основе ПК

В данной статье будут рассматриваться разные случаи подключения цепей заземления при построении измерительных систем в разных ПК на основе стандартного системного блока, моноблока, а также автономного ноутбука или нетбука. Будут рассмотрены три характерных случая широко используемых интерфейсов ПК (PCI/PCIe, USB, Ethernet) для подключения различных устройств сбора данных.

Начнём с того, что все перечисленные ПК при использовании питания от сети ~220 В  на сетевой вилке имеют цепь защитного заземления. Обязательность подключения цепи защитного заземления со стороны розетки не подлежит сомнению, если в конструкции подключаемых устройств предусмотрено такое заземление.

Но при подключениях различных устройств сбора данных и управления возникает вопрос об организации цепи сигнального заземления подключаемых устройств. Рассмотрим далее этот вопрос подробно для разных конфигураций систем. Оговоримся сразу: требования по подключению конкретных устройств, приведённых в их документации, имеют более высокий приоритет, по сравнению с общими рекомендациями настоящей статьи.

Если подключаемые к ПК устройства сбора данных обеспечивают гальваническую изоляцию сигнальных цепей, то заземление в измерительной системе может рассматриваться отдельно для каждой изолированной секции сигналов, и особых противоречий здесь не возникает. Но ситуация усложняется, если гальваническая изоляция отсутствует, поэтому далее будем рассматривать именно этот непростой случай.  

Стационарный системный блок с питанием от сети ~220 V.

В конструкции такого системного блока уже предусмотрено соединение цепи защитного заземления (со стороны сетевой вилки) с корпусом системного блока и, соответственно, со всеми цепями, имеющими электрический контакт с корпусом: с цифровой землёй материнской платы,  с цифровой землёй  интерфейсов USB, PCI, PCIe, c цепью общего провода помехоподавляющего фильтра интерфейса Ethernet. В данной конфигурации возможной точкой подключения цепи сигнального заземления в системе является винт крепления источника питания на корпусе системного блока.

При использовании  PCI/PCIe  плат сбора данных без гальванической изоляции корпус системного блока будет непосредственно связан с цифровой землёй цифровых TTL-линий ввода-вывода этих плат. А цифровая земля USB устройств без гальванической изоляции  оказывается связанной с корпусом системного блока через общий провод  USB. В этих характерных случаях для исключения сквозных токов по общим проводам со стороны источников сигналов провода сигнального заземления от источников сигналов сводят в одну точку на корпусе системного блока, и данную точку считают точкой сигнального заземления измерительной системы.    

При подключении системы сбора данных через Ethernet компьютер и система сбора данных может не иметь общей точки заземления, что, безусловно, является большим "плюсом" Ethernet. Но это не означает, что удалённое Ethernet устройство не должно быть заземлено, если заземление предусмотрено.

Моноблок, ноутбук или нетбук с внешним блоком питания от сети ~220 В.

При использовании Ethernet всё вышесказанное по поводу подключения Ethernet-устройства остаётся в силе. Но при подключении  USB-устройства без гальванической изоляции возникают важные дополнительные особенности, поскольку эти устройства через кабель USB связаны с землёй материнской платы этих компьютеров.  

В конструкции этих компьютеров импульсный блок питания является внешним и его цепь защитного заземления на сетевой вилке  ~220V является удалённой по отношению к компьютеру. Ситуация усложняется тем, что для этих гаджетов не существует единого устоявшегося технического решения по вопросу соединения внутренней цифровой земли материнских плат с цепью защитного заземления. В таблице ниже приведены  примеры сопротивления цепи заземления материнской платы, измеренного относительно контакта заземления сетевой вилки, для разных компьютеров:

Как видите, в рамках даже одного бренда Аcer Aspire, техническое решение соединения сигнального заземления материнской платы этих компьютеров не устоялось, кроме того, практическое подключение к земле материнской платы у этих устройств малореально. Таким образом, для такого рода компьютеров (в общем случае) будет неизвестна электрическая взаимосвязь подключаемого  USB-устройства без гальваноразвязки  с цепью заземления компьютера.

Вывод: при использовании USB устройства сбора данных без гальванической изоляции совместно с моноблоком, ноутбуком или нетбуком с внешним блоком питания от сети ~220 В  допускается подключение только изолированных (незаземлённых) источников сигналов.  В противном случае, при заземлённом источнике сигналов, возможны сквозные токи по общим проводам непредсказуемой величины. Для улучшения ЭМС в такой конфигурации рекомендуется применять экранирование сигнальных цепей с заземлением экрана в точке защитного заземления компьютера, при этом, сигнальные цепи должны быть изолированы от экрана. Внимание! В рассматриваемой конфигурации недопустимо подключение сигнального заземления (общих проводов) источников сигналов к цепи заземления сетевой вилки компьютера, поскольку, тогда через кабель USB и через USB-устройство потечёт ток заземления компьютера, что может явиться причиной сбоев и помех в работе системы.

Ноутбук или нетбук с аккумуляторным питанием.

В данном случае, цепь защитного заземления отсутствует в принципе, а цепь сигнального заземления можно устраивать, исходя из самой задачи измерения при данных условиях.

В любых рассмотренных выше вариантах: 

• Сквозные токи по общим проводам должны быть минимизированы.
• При подключении к ПК нескольких устройств без гальваноразвязки следует учитывать, что общие провода  сигнальных цепей оказываются соединёнными через землю материнской платы ПК.