一本銷售長(zhǎng)達(dá)50年且有6個(gè)版本的書(shū)肯定是獨(dú)一無(wú)二的。我要感謝John Wiley & Sons陪我度過(guò)了這么多年。我要感謝我的新編輯Brett Kurzman為我找到了一份合同。我要感謝我的妻子伊麗莎白一直以來(lái)的支持。我要感謝所有這些年來(lái)一直支持我的讀者。如果沒(méi)有NXP半導(dǎo)體公司的丹·比克的催促,就不會(huì)有第5版,更不會(huì)使第6版成為可能。為此,我欠他一個(gè)“謝謝”。我一直在想如何使這個(gè)版本更有效,我覺(jué)得我的開(kāi)場(chǎng)白是關(guān)鍵。我需要講述這個(gè)故事,這樣讀者才會(huì)明白我的做法。
“接地(grounding)”和“屏蔽(shielding)”有許多含義。對(duì)于以英語(yǔ)為母語(yǔ)的人來(lái)說(shuō),ground這個(gè)詞可以包括多種含義,如磨碎咖啡(coffee grounds)、解雇理由(grounds for dismissal)、游樂(lè)場(chǎng)(play grounds)、碎牛肉餡(ground round)或地面(ground floor)。shield這個(gè)詞可以包括諸如擋風(fēng)玻璃(windshield)、警徽(police badge)、金屬盔甲(metal armor)或防護(hù)服(protective clothing)等含義。在電學(xué)上,接地可以指接大地、電池的負(fù)極、電路板上的導(dǎo)電平面、中性電導(dǎo)體或金屬柜。人們經(jīng)常把這些詞與防止電干擾聯(lián)系起來(lái)。書(shū)名旨在傳達(dá)這一意義。本書(shū)的每位讀者都將從與這些詞相關(guān)的獨(dú)特體驗(yàn)開(kāi)始,這也是我寫(xiě)作此書(shū)的用意。
我參與電氣接地和屏蔽領(lǐng)域的研究工作已經(jīng)超過(guò)50年了。我對(duì)該領(lǐng)域的理解來(lái)自于我的經(jīng)歷、興趣和教育。1967年以來(lái),由于電子技術(shù)的不斷變化,我每10年就重寫(xiě)這本書(shū)。此外,我一直在學(xué)習(xí)相關(guān)暢銷書(shū)的寫(xiě)作方式。接地和屏蔽是一個(gè)重要的課題,因?yàn)樗鼛缀跎婕艾F(xiàn)代電氣技術(shù)的方方面面。
首先,相對(duì)于電路容量來(lái)說(shuō),接地與屏蔽與導(dǎo)體的幾何形狀關(guān)系密切。進(jìn)一步地講,通過(guò)慣例傳遞的很多信息只是簡(jiǎn)單的知識(shí),甚至有些是錯(cuò)誤的或誤導(dǎo)性的。這意味著工程師常常有先入為主的想法,并且需要做一些工作把事情弄清楚。在某些情況下,用戶必須遵循的基本規(guī)則被印在紙上時(shí),很容易假定它們是有效的。不幸的是,并非所有的規(guī)則都是有效的或?qū)嵱玫。如果這些規(guī)則是錯(cuò)誤的,那么反對(duì)權(quán)威會(huì)是非常令人沮喪的。
學(xué)校并不開(kāi)設(shè)社會(huì)需要的科目,工程師常常需要自己尋找答案。我還發(fā)現(xiàn),質(zhì)量控制人員將會(huì)遵循書(shū)面的規(guī)則,而不是一個(gè)外部工程師或作者的意見(jiàn)。他們尊重權(quán)威,這也是他們被期望做的。我有一些持續(xù)多年的爭(zhēng)論仍受到質(zhì)疑。僅憑這個(gè)事實(shí),我就知道有些觀點(diǎn)是根深蒂固的。
接地和屏蔽技術(shù)應(yīng)用在大多數(shù)設(shè)計(jì)中。因?yàn)檫@不是一門(mén)精確的科學(xué),所以對(duì)于在什么地方連接屏蔽和參考信號(hào)可能有多種方法。有的方法是很好的,通過(guò)復(fù)制以前的設(shè)計(jì)或口頭講授即可實(shí)現(xiàn)。在大多數(shù)情況下,不能通過(guò)簡(jiǎn)單的測(cè)試說(shuō)明某種方法是否有效。我們可能知道如何測(cè)試一塊電子硬件,但如何測(cè)試一幢建筑物卻是另一回事。
必須問(wèn)自己: 想做些什么測(cè)量?把電壓探頭放在哪里?即使可以進(jìn)行測(cè)試,對(duì)大型系統(tǒng)來(lái)說(shuō)改動(dòng)也是非常困難的。在許多情況下,設(shè)計(jì)中的想法在某些范圍下是有效的。一個(gè)對(duì)某事有誤解的人可能會(huì)發(fā)現(xiàn)很難接受不同的解釋,當(dāng)許多不同的意見(jiàn)被提出時(shí)尤其如此。我發(fā)現(xiàn),工程師對(duì)于新觀點(diǎn)持懷疑態(tài)度,他們不知道相信什么或相信誰(shuí)。另一個(gè)問(wèn)題是,工程術(shù)語(yǔ)是不斷變化的,有時(shí)有效的解釋卻達(dá)不到溝通的目的。
接地和屏蔽這個(gè)主題介于貿(mào)易實(shí)踐與物理學(xué)之間,內(nèi)容廣泛,這是一個(gè)不適合學(xué)術(shù)界的學(xué)科領(lǐng)域。對(duì)一些經(jīng)理來(lái)說(shuō),接地技術(shù)似乎是一個(gè)技術(shù)人員的工作。在現(xiàn)實(shí)中,它往往是非常復(fù)雜的。由于這些原因,現(xiàn)在我想改寫(xiě)第6版,為今天的設(shè)計(jì)師傳達(dá)一些信息,盡可能地將重點(diǎn)放在與主題相關(guān)的基本原理上來(lái)。我想用物理學(xué)作為解釋的基礎(chǔ)而不是讓解釋過(guò)于數(shù)學(xué)化。
我自認(rèn)為在接地和屏蔽技術(shù)方面的見(jiàn)解是獨(dú)到的。電路原理已經(jīng)明確表明導(dǎo)體攜帶信號(hào)。事實(shí)上,導(dǎo)體引導(dǎo)能量場(chǎng)的流動(dòng),而能量場(chǎng)能夠攜帶信號(hào)、干擾和操作部件。自然界并不區(qū)分這三種功能。我們確實(shí)需要電路來(lái)描述我們的想法,需要電路理論分析這些電路。當(dāng)電路理論不夠用時(shí),我們需要應(yīng)用基礎(chǔ)物理學(xué)。我們必須把電源、信號(hào)和干擾區(qū)分開(kāi)。我們需要認(rèn)識(shí)到,幾乎所有的電活動(dòng)都發(fā)生在導(dǎo)體之間的空間中。
本書(shū)的目的就是明確指出這個(gè)非常關(guān)鍵的想法是如何解決問(wèn)題的。場(chǎng)傳遞的想法已經(jīng)涵蓋在物理學(xué)課程中。這些想法與實(shí)際設(shè)計(jì)之間的聯(lián)系,在教材中和課堂上經(jīng)常被忽略。導(dǎo)體之間的空間排列可以保持各個(gè)場(chǎng)的分離。導(dǎo)體幾何的控制是設(shè)計(jì)者的工作,這是本書(shū)的核心。
本書(shū)不是對(duì)電路理論的介紹(假定讀者已熟悉電路是如何工作的),也不是應(yīng)用物理學(xué)導(dǎo)論,而是理論與實(shí)踐相結(jié)合的一本書(shū)。教科書(shū)中所解決的問(wèn)題與從事設(shè)計(jì)工作的新手所面臨的問(wèn)題完全不同。畢業(yè)后,周?chē)鷽](méi)有老師可以求助。
通過(guò)直覺(jué)和過(guò)去的經(jīng)驗(yàn),我解決了很多實(shí)際問(wèn)題。漸漸地,我的理解力增強(qiáng)了。隨著時(shí)間的推移,很明顯,我應(yīng)該更多地使用我的經(jīng)驗(yàn),而不是我的直覺(jué)。這很容易說(shuō)到卻不容易做到。在現(xiàn)實(shí)世界中,問(wèn)題必須被解決而不只是被研究。大多數(shù)問(wèn)題是多維的,并不僅僅適合一個(gè)學(xué)科。在迷宮中找到一條路可能不是很有效的方法,但是人們并不能夠經(jīng)常做到用迷宮試驗(yàn)學(xué)習(xí)更多的知識(shí)。這需要時(shí)間,需要耗費(fèi)資源。
我在大學(xué)里了解到了位移電流。直到我開(kāi)始寫(xiě)“數(shù)字電路”這節(jié)內(nèi)容之前,我才意識(shí)到這個(gè)概念的價(jià)值。然后我發(fā)現(xiàn)一種解釋電流是如何流入傳輸線里分布電容的方法。在閱讀相關(guān)文獻(xiàn)時(shí),我從未見(jiàn)過(guò)有關(guān)解釋。我在本書(shū)中提出這個(gè)方法,希望它有助于讀者解釋真實(shí)世界。
現(xiàn)在看來(lái)本書(shū)第5版的第1章過(guò)于嚴(yán)肅,讀者閱讀起來(lái)有點(diǎn)吃力。即使我的初衷是好的,并且興奮地進(jìn)行了講述,但是內(nèi)容并不吸引人。為了改進(jìn),我決定結(jié)合我的一些經(jīng)驗(yàn)開(kāi)始寫(xiě)作第6版,說(shuō)明為什么這個(gè)基本物理知識(shí)對(duì)于理解接地和屏蔽是至關(guān)重要的。
我認(rèn)為歷史既有趣又有洞察力。
拉爾夫·莫里森于加利福尼亞州圣布魯諾
[美]拉爾夫·莫里森(Ralph Morrison) 電子工程和干擾控制領(lǐng)域知名專家。擁有三十多年的設(shè)計(jì)實(shí)踐和技術(shù)顧問(wèn)經(jīng)驗(yàn)。在John Wily & Sons公司出版了暢銷圖書(shū)Noise and Other Interfering Signals, Grounding and Shielding in Facilities和Solving Interference Problems in Electronics。
目錄
譯者序1
前言3
接地與屏蔽的研究歷史7
第1章電壓與電容
1.1引言
1.2電荷與電子
1.3電力場(chǎng)
1.4場(chǎng)的表述
1.5電壓定義
1.6等勢(shì)面
1.7兩平行板導(dǎo)體間的電力場(chǎng)
1.8電場(chǎng)分布圖
1.9電場(chǎng)中的儲(chǔ)能
1.10電介質(zhì)
1.11D場(chǎng)
1.12電容
1.13互容
1.14位移電流
1.15電容器中儲(chǔ)存的能量
1.16電場(chǎng)中的力
1.17電容器
1.18電介質(zhì)吸收
1.19平面導(dǎo)體電阻
第2章磁學(xué)
2.1磁場(chǎng)
2.2安培定律
2.3螺線管
2.4法拉第定律與感應(yīng)場(chǎng)
2.5電感
2.6電感中的儲(chǔ)能
2.7空間中的磁場(chǎng)能量
2.8電子漂移
2.9磁路
2.10帶氣隙的磁路
2.11小電感器
2.12自感和互感
2.13變壓器的作用
2.14磁滯和磁導(dǎo)率
2.15渦流
第3章數(shù)字電子技術(shù)
3.1引言
3.2電能的傳輸
3.3傳輸線
3.4傳輸線的運(yùn)行
3.5傳輸線場(chǎng)形式
3.6端接傳輸線
3.7未端接的傳輸線
3.8短路終止
3.9現(xiàn)實(shí)情況
3.10正弦波與階躍電壓
3.11數(shù)字電路發(fā)展的歷史
3.12理想條件
3.13反射和透射系數(shù)
3.14從理想的能源中獲取能量
3.15電容器傳輸線
3.16去耦電容器與固有頻率
3.17印制電路板
3.18雙面電路板
3.19過(guò)孔
3.20輸電線路終端
3.21接地和電源平面電容中的能量
3.22坡印廷矢量
3.23趨膚效應(yīng)
3.24測(cè)量問(wèn)題: 接地反彈
3.25平衡傳輸
3.26帶狀電纜和連接器
3.27模擬接口與數(shù)字接口
第4章模擬電路
4.1引言
4.2儀器儀表
4.3放大器與變壓器的發(fā)展
4.4基本屏蔽殼
4.5外殼和公用電源
4.6兩地問(wèn)題
4.7設(shè)備和兩地問(wèn)題
4.8應(yīng)變計(jì)
4.9浮動(dòng)應(yīng)變計(jì)
4.10熱電偶
4.11基本低增益差分放大器
4.12電源變壓器屏蔽
4.13校準(zhǔn)和干擾
4.14超過(guò)100kHz的保護(hù)屏蔽
4.15模擬電路中的信號(hào)流動(dòng)路徑
4.16并聯(lián)有源器件
4.17反饋穩(wěn)定性
4.18反饋理論
4.19輸出負(fù)載和電路穩(wěn)定性
4.20功率輸出級(jí)周?chē)姆答?/p>
4.21恒流環(huán)
4.22濾波器和混疊誤差
4.23隔離和DCDC變換器
4.24電荷變換器
4.25直流電源
4.26保護(hù)環(huán)
4.27熱電偶效應(yīng)
4.28關(guān)于儀器儀表的幾點(diǎn)思考
第5章公用電源及設(shè)備地
5.1引言
5.2發(fā)展歷史
5.3術(shù)語(yǔ)
5.4公用電源
5.5大地作為導(dǎo)體
5.6中性線與大地連接
5.7地電勢(shì)差
5.8場(chǎng)耦合到電源導(dǎo)體
5.9中性線導(dǎo)體
5.10變壓器K因子
5.11功率因子校正
5.12非接地電源
5.13電源要求
5.14大地電源電流
5.15線路濾波器
5.16隔離地
5.17設(shè)備地的更多歷史
5.18設(shè)備的接地平面
5.19其他接地平面
5.20遠(yuǎn)程站點(diǎn)接地
5.21延伸接地平面
5.22閃電
5.23閃電和設(shè)施
5.24船舶避雷保護(hù)
5.25停泊的船舶接地
5.26飛機(jī)接地
5.27接地故障中斷
5.28隔離變壓器
5.29接地與電網(wǎng)
5.30太陽(yáng)風(fēng)
第6章輻射
6.1輻射和敏感性
6.2什么是輻射
6.3正弦波與傳輸線
6.4脈沖和方波的近似計(jì)算
6.5元件輻射
6.6偶極子天線
6.7波阻抗
6.8場(chǎng)強(qiáng)和天線增益
6.9環(huán)路產(chǎn)生的輻射
6.10E場(chǎng)耦合到環(huán)路
6.11印制電路板的輻射
6.12嗅探器和天線
6.13微波爐
第7章輻射屏蔽
7.1帶屏蔽的電纜
7.2低噪聲電纜
7.3傳輸阻抗
7.4波導(dǎo)
7.5地平面上方的電磁場(chǎng)
7.6場(chǎng)和導(dǎo)體
7.7導(dǎo)電外殼
7.8感應(yīng)場(chǎng)穿過(guò)外殼壁的耦合
7.9在導(dǎo)體表面的場(chǎng)能量的反射和吸收
7.10獨(dú)立孔
7.11依賴孔
7.12蜂窩
7.13穿透場(chǎng)總結(jié)
7.14電源濾波器
7.15帶后罩連接器
7.16場(chǎng)H耦合
7.17墊圈
7.18金屬簧片屏蔽條
7.19玻璃孔
7.20大型晶體管保護(hù)
7.21表面安裝元件
7.22輻射測(cè)試儀
7.23屏蔽室
附錄A分貝
附錄B參考文獻(xiàn)