1、第十章 信号传输中的抗干扰技术 作为生产第一线的工程技术人员，我们经常会遇到这样一些现象：采购来的测量仪表安装到机器上时，仪表数码管显示的数字有时会忽大忽小地乱跳，但有时又显得很正常；在实验室调试好的检测、控制系统，安装到车间里，时不时发生动作失常，数据失实；带计算机的仪表偶尔还发生“死机”现象，我们可能需要花费许多时间来寻找这些现象的原因。最后也许我们会发现，在其中作祟的是一些小小的疏忽：可能是一根地线忘了接，也可能是为了美观而将信号线与电源线捆扎在一起也许我们发现只要在信号线输入端并联一只电容器，数据就不乱跳了；也许当我们换上一个带滤波器的电源插座时，设备的动作就变得规矩了。可是这已经浪费
2、了许多宝贵的时间、拖延了工程的进展。这一切都源自我们对车间或工作现场存在的各式各样的干扰预计不足，或不予重视，或不知道该采取什么措施来克服这些干扰。所以我们很有必要花一些时间来了解各种干扰的来源、学习从工程设计开始到方案实施整个过程中控制干扰的方法，掌握信号传输中的抗干扰技术。 10.1 干扰源及防护干扰源及防护 在非电量测量过程中，往往会发现总是有一些无用的背景信号与被测信号叠加在一起，称之为干扰，有时也采用噪声这一习惯用语。 噪声对检测装置的影响必须与有用信号共同分析才有意义。衡量噪声对有用信号的影响常用信噪比(SN)来表示，它是指信号通道中，有用信号功率PS与噪声功率PN之比，或指有用信
3、号电压US与噪声电压UN之比。信噪比常用对数形式来表示，单位为dB(分贝)。这个单位最早出现在物理学科的声学领域，沿用到控制系统、检测系统等涉及信号分析的各领域。NSNSUUPPNSlg20lg10 在测量过程中应尽量提高信噪比，以减少噪声对测量结果的影响。试图用增加放大倍数的方法来减少干扰是徒劳的。因为放大器不能区分有用信号和干扰信号，只能一起放大。一机械干扰一机械干扰 机械干扰是指机械振动或冲击使电子检测装置中的元件发生振动，改变了系统的电气参数，造成可逆或不可逆的影响。 例如，若将检测仪表直接固定在剧烈振动的机器上或安装于汽车上时，可能引起焊点脱焊、已调整好的电位器滑动臂位置改变、电感线
4、圈电感量变化等等；并可能使电缆接插件滑脱，开关、继电器、插头及各种紧固螺丝松动，印制电路板从插座中跳出等，造成接触不良或短路。 在振动环境中，当零件的固有频率与振动频率一致时，还会引起共振。振动强烈时某些电子器件的引脚在长期交变力作用下，会引起疲劳断裂。 对机械干扰，可选用专用减振弹簧一橡胶垫脚或吸振海绵垫来降低系统的谐振频率，吸收振动的能量，从而减小系统的振幅，如图10-1所示。图10-l两种减振方法a)用减振弹簧一橡胶垫脚(可移动方式)； b)用橡胶或海绵垫吸收振动能量(永久固定方式)； c)减振等效机械图l一橡胶垫脚；2一减振弹簧；3一固定螺丝；4一吸振橡胶(海绵)垫；5一橡胶套管(起隔
5、振作用)m一质量块；k一弹簧；r一阻尼器二湿度及化学干扰二湿度及化学干扰 当环境相对湿度大于65时，物体表面就会附着一层厚度为0.010.1m的水膜，当相对湿度进一步提高时，水膜的厚度将进一步增加，并渗入材料内部。不仅降低了绝缘强度，还会造成漏电、击穿和短路现象；潮湿还会加速金属材料的腐蚀，并产生原电池电化学干扰；在较高的温度下，潮湿还会促使霉菌的生长，并引起有机材料的霉烂。 在化工厂或化工车间的空气中难免含有某些化学物品如酸、碱、盐、各种腐蚀性气体，沿海地区由海风带到岸上的盐雾也会造成与潮湿类似的漏电腐蚀现象。在上述环境中工作的检测装置必须采取以下措施来加以保护：1) 将变压器等易漏电或击穿
6、的元器件用绝缘漆或环氧树脂浸渍，将整个印制电路板用防水硅胶密封(如洗衣机中那样)。2) 对设备定期通电加热驱潮，或保持机箱内的微热状态。3) 将易受潮的电子线路安装在不透气的机箱中，箱盖用橡胶圈密封。 三热干扰三热干扰 我们可以做如下实验：将一只lM电阻的两根引脚接到直流毫伏表输入端，再用电烙铁加热电阻的一根引脚，就会发现，即使将电烙铁移开，毫伏表仍有读数。如果该电阻处于放大器的输入端，则放大器的输出端就有较可观的输出电压。用电烙铁加热晶体管时也会发现类似的现象。 热量，特别是温度波动以及不均匀温度场对检测装置的干扰主要体现在以下三个方面：1) 各种电子元件均有一定的温度系数，温度升高，电路参
7、数会随之改变一引起误差。2) 接触热电势：由于电子元件多由不同金属构成，当它们相互连接组成电路时，如果各点温度不均匀就不可避免地产生热电势，它叠加在有用信号上必然引起测量误差。3) 元器件长期在高温下工作时。将降低使用寿命、降低耐压等级，甚至烧毁。克服热干扰的防护措施有： 1) 在设计检测电路时，尽量选用低温漂元件。2) 在电路中考虑采取软、硬件温度补偿措施；3) 尽量采用低功耗、低发热元件。电源变压器采用高效率、低空载电流系列。4) 选用的元器件规格要有一定的余量。其成本并不与额定值成比例增加，但可靠性却大为提高。在电路设计中，可靠性应放在第一位。5) 仪器的前置级(通常指输入级)应尽量远离
8、发热元件。因为前置级的温漂可能逐级得到放大，到末级时，已超出指标范围。6) 加强散热。空气的导热系数比金属小几千倍，应给发热元件安装金属散热片；如果发热量较大，应考虑强迫对流；有条件时，将检测仪器放在空调房间里。7) 采用热屏蔽。所谓热屏蔽就是用导热性能良好的金属材料做成屏蔽罩，将敏感元件、前置级电路包围起来，使罩内的温度场趋于均匀，有效地防止热电势的产生。四固有噪声干扰四固有噪声干扰 在电路中，电子元件本身产生的、具有随机性、宽频带的噪声称为固有噪声。最重要的固有噪声源是电阻热噪声、半导体散粒噪声和接触噪声。例如，电视机未接收到信号时屏幕上表现出的雪花干扰就是由固有噪声引起的。 电路中常出现
9、的固有噪声源有电阻热噪声；半导体器件产生的散粒噪声；开关、继电器触点、电位器触点、接线端子电阻、晶体管内部的不良接触等产生的接触噪声等。 选用低噪声元器件、减小流过器件的电流、减小电路的带宽等，均能减小固有噪声干扰。 五电、磁噪声干扰五电、磁噪声干扰 在工业生产中有大量的用电设备产生火花放电，在放电过程中，会向周围辐射出从低频到甚高频大功率的电磁波。无线电台、雷电等也会发射出功率强大的电磁波。上述这些电磁波可以通过电网、甚至直接辐射的形式传播到离这些噪声源很远的检测装置中。在工频输电线附近也存在强大的交变电场和磁场，将对十分灵敏的检测装置造成干扰。由于这些干扰源功率强大，要消除它们的影响较为困
10、难，必须采取多种措施来防护检测系统，隔离这些干扰源对测量的影响。10.2 电磁干扰及对策电磁干扰及对策一电磁干扰的来源一电磁干扰的来源 下雷阵雨时，在电视机屏幕上会看到一条条明亮的条纹，这时我们会不由自主地望望天空，那里正是干扰的发源地! 一般来说，电磁干扰源分为两大类：自然界干扰源和人为干扰源，后者是检测系统的主要干扰源。1自然界干扰源 自然界干扰源包括地球外层空间的宇宙射电噪声、太阳耀斑辐射噪声以及大气层的天电噪声。后者的能量频谱主要集中在30MHz以下，对检测系统的影响较大。2人为干扰源 人为干扰源又可分为有意发射干扰源和无意发射干扰源。前者如广播、电视、通讯雷达和导航等无线设备，它们有
11、专门的发射天线，所以空间电磁场能量很强，特别是离这些设备很近时，干扰能量是很大的。后者是各种工业、交通、医疗、家电、办公设备在完成自身任务的同时，附带产生的电磁能量的辐射。如工业设备中的电焊机、高频炉、大功率机床启停电火花、高压输电线路的电晕放电，交通工具中的汽车、摩托车点火装置、电力牵引机车的电火花，医疗设备中高压X光机、高频治疗仪器，家电中的吸尘器、冲击电钻火花、变频空调、微波炉，办公设备中的复印机、计算机开关电源等电气设备，它们有的产生电火花，有的造成电源电压畸变；有的产生大功率的高次谐波，当它们距离检测系统较近时，均会干扰检测系统的工作。我们在日常生活中也经常能感受到它们的影响，比如这
12、些设备一开动、收音机里就会发出刺耳的噪声，所以有时也能利用便携式半导体收音机来寻找干扰噪声的来源。 二电磁干扰的传播路径二电磁干扰的传播路径 电磁干扰的形成必须同时具备三项因素，即干扰源、干扰途径以及对电磁干扰敏感性较高的接受电路检测装置的前置级电路。三者的关系示于图10-2中。干扰源干扰途径敏感接收电路图10-2电磁干扰三要素之间的联系 消除或减弱电磁干扰的方法是针对这三项因素，采取三方面措施：(1) 消除或抑制干扰源 积极、主动的措施是消除干扰源，例如使产生干扰的电气设备远离检测装置。(2) 破坏干扰传输途径 对于以“电路”的形式侵入的干扰，可采取诸如提高绝缘性能；采用隔离变压器等切断干扰
13、途径。对于以“辐射”的形式侵入的干扰，采取各种屏蔽措施。 (3) 削弱接受电路对干扰的敏感性 一个设计良好的检测系统应该具备对有用信号敏感，对干扰信号尽量不敏感的特性。 日常生活中我们会发现，当电吹风机靠近电视机时，电视机屏幕上将产生雪花干扰，喇叭中传出“噼噼、啪啪”的干扰声，并伴随有50Hz的嗡嗡声。 我们来看看图10-3中，电吹风机是通过哪些路径来干扰电视机的。 图10-3 电吹风对电视机的干扰途径 电吹风机是干扰源。电磁波干扰来源于电吹风机内的电动机换向器和电刷之间的电火花，它产生高频电磁波，以两种途径影响电视机：一是通过公用的电源插座，从电源线侵入电视机的开关电源，从而到达电视机的高频
14、头；二是以电吹风机为中心，向空间辐射电磁波的能量，以电磁场传输的方式到达电视机的天线。 通常认为电磁干扰的传输路径有两种方式，即“路”的干扰和“场”的干扰。路的干扰又称传导传输干扰，场的干扰又称辐射传输干扰。 路的干扰必定在干扰源和被干扰对象之间有完整的电路连接，干扰沿着这个通路到达被干扰对象。例如通过电源线、变压器引入的干扰，通过共用一段接地线引入的共阻抗干扰、通过印制电路板、接线端子的漏电阻引入的干扰等都属于路的干扰。 场的干扰不需要沿着电路传输，而是以电磁场辐射的方式进行。例如，当传感器的信号线与电磁干扰源的电源线平行时，高频干扰或50Hz电场就通过两段导线的分布电容，将干扰耦合到信号线
15、上。又如信号线与电焊机或电动机的电源线平行时，这些大功率设备的电源线周围存在大电流产生的强大磁场，通过互感的形式将50Hz电磁干扰耦合到信号线上。下面举例说明常见的路和场的干扰，以及如何切断这些干扰途径。1通过路的干扰通过路的干扰(1) 由泄漏电阻引起的干扰 当仪器的信号输入端子与220V电源进线端子之间产生漏电、印制电路板上前置级输入端与整流电路存在漏电等情况下，噪声源(可以是高频干扰、也可以是50Hz干扰或直流电压干扰)得以通过这些漏电电阻作用于有关电路而造成干扰。被干扰点的等效阻抗越高，由泄漏电阻而产生的干扰影响越大。图10-4是通过泄漏电阻干扰的示意图。 图10-4 通过泄漏电阻引起的
16、干扰 从电子学的角度看，上述这种干扰属于差模干扰(又称串模干扰)。差模干扰的等效电路如图10-5所示。从图10-5可以看出，差模干扰电压UNi叠加在有用信号上。要消除差模干扰，可在回路中插入“低通滤波器”，见后述。 要减小印制板漏电引起的干扰，就要采用高质量的玻璃纤维环氧层压板，并在表面制作不吸潮的阻焊层。还可以在高输入阻抗电路周围制作接地的印制铜箔，形成如图10-6所示的“接地保护环”，使漏电流入公共参考端，电路铜箔地图10-6 接地保护环而不致影响到高输入阻抗电路；要减小信号输入端子漏电引入的电源干扰，就应使它远离220V电源进线端子，并在它的四周设置接地保护端子；要减小电源变压器的漏电引
17、起的干扰，就要将变压器真空浸漆或用环氧树脂灌封等等。(2) 由共阻抗耦合引起的干扰 它是指当两个或两个以上的电路共同享有或使用一段公共的线路，而这段线路又具有一定的阻抗时，这个阻抗成为这两个电路的共阻抗。第二个电路的电流流过这个共阻抗所产生的压降就成为第一个电路的干扰电压。常见的例子是通过接地线阻抗引入的共阻抗耦合干扰，如图10-7 。图10-7 共阻抗耦合干扰a)负载与输入电路共阻抗的情况； b)等效电路1有用信号源； 2负载； 3接地线共阻抗 在高频情况下，地线的共阻抗不但要考虑直流电阻，还要考虑集肤效应和感抗。在上例中，若=1MHz，则Z3=200，其阻抗之大可能是大家所预料不到的。 (
18、3) 由电源配电回路引入的干扰 交流供配电线路在工业现场的分布相当于一个吸收各种干扰的网络，而且十分方便地以电路传导的形式传遍各处，并经检测装置的电源线进入仪器内部造成干扰。最明显的是电压突跳和交流电源波形畸变使工频的高次谐波(从低频延伸至高频)经电源线进入仪器的前级电路。 例如，晶闸管电路在导通角较小时，电压平均值很小。而电流有效值却很大，使电源电压在其导通期间有较大的跌落，50Hz电源波形不再为正弦波，其高次谐波分量在100KHz时还有很可观的幅值。 又如现在许多仪表都使用开关电源，电磁兼容性不好的开关电源会经电源线往外泄漏出几百千赫兹的尖脉冲干扰信号。干扰的频率越高，越容易通过检测仪表电
19、源回路的分布电容，耦合到检测仪表的放大电路中去。2通过场的干扰通过场的干扰 工业现场各种线路上的电压、电流的变化必然反映在其对应的电场、磁场的变化上，而处在这些“场”内的导体将受到感应而产生感应电动势和感应电流。各种噪声源常常通过这种“场”的途径将噪声源的部分能量传递给检测电路，从而造成干扰。(1) 由电场耦合引起的干扰 电场耦合实质上是电容性耦合。图10-8为两根导线1、2之间通过电容性耦合的例子。设导线1上的噪声电压为UNi，导线1与导线2之间的分布电容为C12，导线1对地电容为C1，导线2对地电容、电阻分别为C2、R2，在导线2上产生干扰电压UNo。图10-8 两平行导线之间的电场耦合a
20、)导线走向示意 b)等效电路1导线1（干扰传输线）； 2导线2（干扰接收电路）； 3噪声源 电场偶合干扰的一个例子是动力输电线路对热电偶传输线的干扰，如图10-9所示。如果C1=C2。Zi1=Zi2，则UNi对两根信号传输线的干扰大小相等、相位相同，因此属于共模干扰。由于仪用放大器的共模抑制比KCMR一般均可达到100dB以上，所以UNi对检测装置的影响不大。但当系统两个输入端出现很难避免的不平衡时，共模电压的一部分将转换为串模干扰，就较难消除了。因此必须尽量保持电路的对地平衡。例如在实际布线时，信号线多采用双绞扭导线，如图10-11所示。它能保证两根信号线与干扰源的距离保持一致，也就保证了C
21、1=C2。克服电场干扰更好的办法是采用静电屏蔽技术，我们将在后面的内容中介绍。图10-9 热电偶引线引起的电场耦合干扰(2)由磁场耦合引起的干扰 磁场耦合干扰的实质是互感性耦合干扰。图10-10是热电偶的一根引线与存在强电流的工频输电线靠得太近时，引入磁场耦合干扰的示意图。设为噪声源的角频率，Ii为干扰源电流，M为两导线间的互感，根据交流电路理论可知，这时检测电路引入的噪声电压与噪声源的角频率、两导线间的互感量以及干扰源电流成正比。图10-10 磁场耦合干扰示意图a)热电偶引线与工频强电流输电线路互感耦合； b)等效电路 在工业现场的工控柜中，常常看到那些长度过余的导线被盘成一卷卷的放在那里，
22、为了美观，还排列得很整齐。这种情况下互感量更大，磁场耦合更严重。 从图10-10可知，这种情况下的干扰属于差模干扰。防止磁场耦合干扰途径的办法有：使信号源引线远离强电流干扰源，从而减小互感量M；采用低频磁屏蔽；采用绞扭导线等。采用绞扭导线可以使引入信号处理电路两端的干扰电压大小相等、相位相同，从而使图10-10所示的差模干扰转变成共模干扰，如图10-11所示。图10-11 双绞扭导线将磁场耦合干扰转换成共模电压的示意图a)抗干扰原理图； b)带低频磁屏蔽的双绞扭屏蔽线1低频磁屏蔽软铁管； 2PVC塑料保护外套； 3铜网屏蔽层； 4双绞扭电缆； 5多股铜芯线10.3 工业现场的抗干扰技术工业现场
23、的抗干扰技术 抗电磁干扰技术有时又称为电磁兼容控制技术。下面针对“破坏干扰传输途径”和“削弱检测系统电路对干扰的敏感性”两个目标，介绍几种常用的抗干扰措施，如屏蔽、接地、浮置、滤波、光电隔离等技术。一屏蔽技术一屏蔽技术 将收音机放在用铜网或不锈钢(网眼密度与纱窗相似)包围起来的空间中，并将铜网接大地时，可以发现，原来收得到电台的收音机变成寂静无声了。我们可以说：广播电台发射的电磁波被接地的铜网屏蔽掉了，或者说被吸收掉了。这种现象在汽车、火车、电梯以及地铁、矿山坑道里都会发生。这种利用金属材料制成容器，将需要防护的电路包围在其中，可以防止电场或磁场耦合干扰的方法称为屏蔽。屏蔽可分为静电屏蔽、低频
24、磁屏蔽和电磁屏蔽等几种。下面我们分别论述它们屏蔽的对象；使用的方法和所起到的效果。1静电屏蔽 根据电磁学原理，在静电场中，密闭的空心导体内部无电力线，亦即内部各点等电位。静电屏蔽就是利用这个原理，用铜或铝等导电性良好的金属为材料制作成封闭的金属容器，并与地线连接，把需要屏蔽的电路置于其中，使外部干扰电场的电力场不影响其内部的电路，反过来，内部电路产生的电力线也无法外逸去影响外电路。工业现场（特别是自动化程度高的工业现场）采用许多种类的满足静电屏蔽要求的屏蔽电缆如图10-12所示。a)铜箔包覆的动力设备用电缆； b)测控系统用的信号电缆图10-12 工业现场的电缆举例 图10-12中图a）是用铜
25、箔包覆的动力电缆，用于阻止动力电缆的对外干扰。图b）的信号电缆不仅外部用铜网包覆，对整个电缆提供静电屏蔽；而且每对绞扭的信号线还用镀铝塑料膜包扎，提供第二层屏蔽。外层铜网附有一根裸线，用于与仪表机壳一起接地（注意：只准一端接地）；内层铝膜所附的裸线用于与测控电路的地相接。对于三运放结构的仪表放大器，接GUARD引脚（见图9-47，图9-49）。 必须说明的是，作为静电屏蔽的容器器壁上允许有较小的孔洞(作为引线孔或调试孔)，它对屏蔽的影响不大。在电源变压器的一次侧和二次侧之间插人一个留有缝隙的导体，并将它接地也属于静电屏蔽，它可以防止两只绕组间的静电耦合干扰。 静电屏蔽不但能够防止静电干扰，也一
26、样能防止交变电场的干扰，所以许多仪器的外壳用导电材料制作并且接地。现在虽然有越来越多的仪器用工程塑料(ABS)制作外壳，但当你打开外壳后，仍然会看到在机壳的内壁粘贴有一层接地的金属薄膜，它起到与金属外壳一样的静电屏蔽作用。2低频磁屏蔽 低频磁屏蔽是用来隔离低频(主要指50Hz)磁场和固定磁场(也称静磁场，其幅度、方向不随时间变化，如永久磁铁产生的磁场)耦合干扰的有效措施。我们知道，任何通过电流的导线或线圈周围都存在磁场，它们可能对检测仪器的信号线或者仪器造成磁场耦合干扰。静电屏蔽线或静电屏蔽盒对低频磁场不起隔离作用。 这时必须采用高导磁材料作屏蔽层，以便让低频干扰磁力线从磁阻很小的磁屏蔽层上通
27、过，使低频磁屏蔽层内部的电路免受低频磁场耦合干扰的影响。例如，仪器的铁皮外壳就起到低频磁屏蔽的作用。若进一步将其接地，又同时起静电磁屏蔽作用。在干扰严重的地方常使用复合屏蔽电缆，其最外层是低磁导率、高饱和的铁磁材料，内层是高磁导率、低饱和铁磁材料，最里层是铜质电磁屏蔽层，以便一步步地消耗干扰磁场的能量。在工业中常用的办法是将屏蔽线穿在铁质蛇皮管或普通铁管内，达到双重屏蔽的目的。 阻挡磁场对信号线的入侵是一种方式，阻止磁力线逸出到空间是另一种方式。当不得不将导线盘成圈时，让导线绕过一个磁环（注意：自身没有磁性，是低磁阻材料制成），如图10-13。使线圈产生的磁力线全部约束在磁环内，而不逸出，也就
28、阻止了对其它导线的磁耦合干扰。在没有磁环的情况下，可以用镀锌软铁丝进行缠绕捆扎，也能起到磁屏蔽的作用。磁环盘成圈的导线图10-13 磁环屏蔽方式3电磁屏蔽 电磁屏蔽也是采用导电良好的金属材料做成屏蔽罩、屏蔽盒等不同的外形，将被保护的电路包围在其中。它屏蔽的干扰对象不是电场，而是高频(40kHz以上)磁场。干扰源产生的高频磁场遇到导电良好的电磁屏蔽层时，就在其外表面感应出同频率的电涡流，从而消耗了高频干扰源磁场的能量。其次，电涡流也将产生一个新的磁场，根据楞次定律，其方向恰好与干扰磁场的方向相反，又抵消了一部分干扰磁场的能量，从而使电磁屏蔽层内部的电路免受高频干扰磁场的影响。 由于无线电广播的本
29、质是电磁波，所以电磁屏蔽也能吸收掉它们的能量，这就是我们在汽车(钢板车身，但并未接地)里收不到电台，而必须将收音机天线拉出车外的原因。 若将电磁屏蔽层接地，它就同时兼有静电屏蔽作用，对电磁波的屏蔽效果就更好。通常作为信号传输线使用的铜质网状屏蔽电缆接地时就能同时起电磁屏蔽和静电屏蔽作用。二接地技术二接地技术(一) 地线的种类接地起源于强电技术，它的本意是接大地，主要着眼于安全。这种地线也称为“保安地线”。它的接地电阻值必须小于规定的数值。图10-14是电气设备接大地的示意图。对于仪器、通讯、计算机等电子技术来说，“地线”多是指电信号的基准电位，也称为“公共参考端”。它除了作为各级电路的电流通道
30、外，还是保证电路工作稳定、抑制干扰的重要环节。它可以是接大地的，也可以是与大地隔绝的，例如飞机、卫星上的仪器地线。因此通常将仪器设备中的公共参考端称为信号地线。图10-14 单相三线交流配电接地保护原理图信号地线又可分为以下几种：1模拟信号地线 模拟信号地线是模拟信号的零信号电位公共钱。因为模拟信号电压多数情况下均较弱，易受干扰，易形成级间不希望的反馈，所以模拟信号地线的横截面积应尽量大些。2数字信号地线 数字信号地线是数字信号的零电平公共线。由于数字信号处于脉冲工作状态，动态脉冲电流在接地阻抗上产生的压降往往成为微弱模拟信号的干扰源，为了避免数字信号对模拟信号的干扰，两者的地线应分别设置为宜
31、。 图10-15，是数字电路干扰模拟电路的例子。图中的数字面板表为3位电压表，“满度值为1.999V，最低位为1mV。该数字面板表内部包含了高分辨率的AD转换器和LED数码管及驱动电路。前者为模拟电路，而后者为数字电路，且工作电流较大。图10-15 数字电路对模拟电路的干扰a)错误的接法； b)正确的接法（模、数地线分开设置） 图10-15a为错误的接法。它将数字面板表的电源负极(有较大的数字脉冲电流)与被测电压(易受干扰的模拟信号)的负极在数字面板表的接插件上用同一根地线连接到印制电路板上。由于数码管的电流在这段共用地线上产生压降，使传输到数字面板表接插件上的被测电压信号受到干扰。 只要有几
32、毫伏的干扰，就会使数字面板表的示值跳动不止。如果将数字电路的地线与模拟电路的地线分开，即两根地线分别连接，就能有效地消除这种干扰，如图10-15b所示。 3信号源地线 传感器可看作是测量装置的信号源，多数情况下信号较为微弱，通常传感器安装在生产设备现场，而测量装置设在离现场一定距离的控制室内，从测量装置的角度看，可以认为传感器的地线就是信号源地线，它必须与测量装置进行适当的连接才能提高整个检测系统的抗干扰能力。 通常传感器所在的设备与控制室的仪表柜之间存在电位差，这是两处的电磁场环境不同造成的。在接线正确的情况下，仪表柜是单独接地的，传感器的地线与设备机壳有良好的绝缘，传感器的地线可以接到仪表
33、。同时传感器信号电缆的屏蔽层接仪表机壳，经仪表机壳与仪表柜地线相连。否则，传感器的信号线必须接隔离放大器，信号经隔离后再送给测量仪表。4负载地线(L0ad Grolreded wire) 负载的电流一般都比前级信号电流大得多，负载地线上的电流有可能干扰前级微弱的信号，因此负载地线必须与其他信号地线分开。 例如，若误将喇叭的负极(接地线)与扩音机话筒的屏蔽线碰在一起，就相当于负载地线与信号地线合并，可能引起啸叫。又如当负载是继电器时，继电器触点闭合和断开的瞬间经常产生电火花，容易反馈到前级，造成干扰。这时经常让信号通过光耦合器(将在后面论述)来传输，使负载地线与信号地线在电气上处于绝缘状态，彻底
34、切断负载对前级的干扰。(二) 一点接地原则 对于上述四种地线一般应分别设置，在电位需要连通时，也必须仔细选择合适的点，在一个地方相连，才能消除各地线之间的干扰。1单级电路的一点接地原则 现举单调谐选频放大器为例来说明单级电路的一点接地原则。电路如图10-16所示，图中有11个元件的一端需要接地，如果不熟悉单级电路的一点接地原则，从原理图来看，这11个端点可接在接地母线上的任意点上，这几个点可能相距较远，不同点之间的电位差就有可能成为这级电路的干扰信号，因此应采取图10-16b所示的一点接地方式。考虑到加工工艺，在实际的印制电路板设计中，只能做到各接地点尽量靠近、并加大地线的宽度，如图10-16
35、c所示。图中的焊盘及铜箔走线是做在印制板的反面(底层，又称铜箔层或焊接面)。图10-16c中的文字是用丝网印刷的方法用彩色油墨印在印制板的正面(顶层，又称元件面)，便于安装、调试时参考和校对。图10-16 单级电路的一点接地a)电原理图； b)一点接地电路图； c)印刷板实际采用的一点接地方式1接线端子；2印刷板安装孔；3接地母线；4高频变压器金属屏蔽外壳接地点（上下个一个方孔）Top Over layer文字层；Top layer顶层（单面印刷板元件面）；Bottm layer底层（焊盘及走线层）2多级电路的一点接地原则 图10-17a所示的多级电路的地线逐级串联，形成公共地线。在这段地线上
36、存在着A、B、C三点不同的对地电位差，虽然其数值很小，但仍有可能产生共阻抗干扰。只有在数字电路或放大倍数不大的模拟电路中，为布线简便起见，才可以采用上述电路，但也应注意以下两个原则：一是公用地线截面积应尽量大些，以减小地线的内阻，二是应把电流最大的电路放在距电源的接地点最近的地方。 图10-17b采取并联接地方式，这种接法不易产生共阻抗耦合干扰，但需要很多根地线，在低频时效果较好，但在高频时反而会引起各地线间的互感耦合干扰，因此只在频率为1MHz以下时才予以采用。当频率较高时，应采取大面积的地线，这时允许“多点接地”，这是因为接地面积十分大，内阻很低，事实上相当于一点接地，不易产生级与级之间的
37、共阻耦合。 图10-17 多级电路的一点接地a)串联式（错误接法） b)并联式（正确接法）3检测系统的一点接地原则 检测系统通常由传感器(一次仪表)与二次仪表构成，两者之间相距甚远。当我们在实验室用较短的信号线将它们连接起来时，系统能正常工作；但当将它们安装到工作现场，并用很长的信号线连接起来时，可能发现测量数据跳动、误差变大。这里就涉及检测系统的一点接地问题。(1) 大地电位差 当你在工业现场相距十米以上两部设备的接地螺栓之间跨接一只手电筒用的小电珠时，你会发现小电珠时而很亮，时而又暗淡无光。显然在两个接地螺栓之间存在一个变化的电位差，此电位差随工业现场用电设备的启停而随机波动。图10-18
38、 跨步电压及大地电位差(2) 检测系统两点接地将产生大地环流 若将传感器及二次仪表的零电位参考点在安装地点分别接各自的大地，则可能在二次仪表的输入端测到较为可观的50Hz干扰电压。究其原因，是因为由大地电位差UNi在内阻很小的传输线中的一根上产生较大数值的“大地环流”IN，并在传输线的内阻ZS2上产生降压UNo，如图10-19a所示。这个降压对二次仪表而言，相当于差模干扰。(3) 检测系统一点接地方案1(传感器侧接地) 由于许多传感器生产厂商在制造传感器时常将传感器输出信号的零电位端与传感器外壳相连接。又由于传感器外壳一般均通过固定螺丝、支撑构架等与大地连接，所以传感器输出信号线中有一根必然接
39、大地，这样就迫使二次仪表输入端中的公共参考端(零电位端)不能再接大地，否则就会引起大地环流。 从图10-19b可以看到，大地电位差只能通过二次仪表输入端与外壳之间很小的分布电容Ci1、Ci2(一般约为几百pF)流经信号线和二次仪表的外壳(二次仪表的外壳为安全起见必须接大地)。由于分布电容Ci1、Ci2容量很小，对50Hz电流的阻抗很大，所以大地环流IN比两点接地时小得多。 从图b还可以看到，这很小的大地环流是同时流经两根信号线的，只要Ci1=Ci2则两路环流基本相等(IN1= IN2)，且在ZS1、ZS2上的压降也相等，最终施加在二次仪表A、B两端的只是很小的共模电压。由于放大器的共模抑制比K
40、CMR很大(大于100dB)，所以此共模干扰不会在放大器输出端反映出来。 图10-19 测量系统的接地a)系统两点接地（错误接法） b)系统一点接地方案1（传感器一侧接地）1信号传输线；2传感器信号源；3传感器外壳接地点；4大地电位差；5屏蔽层接地点；6二次仪表外壳(4) 浮置电路在图10-19b中，二次仪表电路在未接信号线之前，与大地之间没有任何导电性的直流电阻联系。这种类型的电路就称为浮置电路。采用干电池的数字表就是浮置的特例。浮置电路基本消除了大地电位差引起的大地环流，抗干扰能力较强。(5) 检测系统一点接地方案2(二次仪表侧接地) 有许多传感器采用两线制电流输出形式，它的两根信号线均不
41、接大地。如果这时二次仪表也采用浮置电路，容易出现静电积累现象，易产生电场干扰。在这种情况下多采用二次仪表侧公共参考端接地的方案。此种情况下，检测系统仍然符合一点接地原则。 在二次仪表与计算机相连接的情况下，由于计算机的公共参考端已被接金属机箱，并通过保安地线接大地，所以这时的二次仪表的零电位端(公共参考端)也就通过计算机接大地了。在这种情况下，传感器的公共参考端绝对不应再接地，否则又会产生大地环流，造成干扰。图10-20 二次仪表一点接地方案2（二次仪表侧接地）1信号传输线；2传感器信号源；3传感器外壳接地点4大地电位差；5屏蔽层接地点；6二次仪表外壳接地点；7计算机接地点 图10-20中，由
42、于传感器的信号线未接地而传感器的外壳是接地的，如将屏蔽线的屏蔽层接到传感器的外壳上时，屏蔽层对信号线而言，存在较大的分布电容，会在两根信号线上感应出较大的共模干扰，所以应将屏蔽线的屏蔽层接到二次仪表的公共参考端(已被接大地)上，效果较好。4印刷电路板上的接地技术 随着数字电路技术在传感器及测量系统中的广泛应用，数字电路与模拟电路器件同时出现在同一块印刷电路板(PCB)上的情况非常多。数字信号电流比较强，而且都是一些高低电平的跳变，而模拟信号电流较弱，因此，数字信号与模拟信号的交叉干扰是系统设计时必须考虑的因素。 首先，电源系统的抗干扰能力非常重要。计算机系统中有许多干扰是来自电源或是由电源回路
43、产生的。尤其是在工业现场，一般的实验室中PC机多采用的开关电源往往无法满足抗干扰要求，需要采用工业控制机或专用电源，以抵抗电网中的干扰。 其次，对仪器内部的数据采集电路板卡的设计，也需要考虑电源的问题。高速采集卡需要的电源一般为5V或3.3V。最好的方式是模拟电源与数字电源分开单独提供。在不能单独供电的场合，模拟电源最好使用二次降压稳压电源。线性稳压器体积小，所需的滤波电容较小，这有利于减小浪涌电流。电压变换效率不是主要矛盾，所以线性稳压器是首选。开关稳压电源在这种降压设计中尽量避免使用，以减小其带来的高频干扰。 总的来说，为了尽可能减少不必要的干扰因素，在电路板布线时应采用如下措施减低电源和
44、地线的影响。(1) 模拟地与数字地分开 为了避免数字电路噪声对模拟电路的干扰，模拟地应与数字地分开。如果能做在不同的层上最好，否则可以用分割带把两者分开。地线的分割会引起分割带之间的传输线特性阻抗不连续，所以分割带不宜过宽，大多数情况下23mm为宜，同时应尽量减少跨越这一间隙的信号线数。(2) 采用双电源供电 AD转换前的模拟电路用一个模拟电源，并且该电源为微机开关电源二次稳压输出。数字电路的电源则采用另一个开关电源二次稳压输出。(3) 采用表面贴装器件 电容与电阻元件尽量采用表面贴装器件，以减小引线电感，提高电源滤波能力。(4) 采用尽量宽的地线 PCB板使用尽量宽的地线或大面积地，PCB板
45、的周边构成完整的地线回路。当数字信号前沿很陡、频率较高时，数字信号可通过PCB板线间的分布电容和漏电耦合到模拟信号输入端而引起干扰。PCB布线时应使数字信号和模拟信号远离，或者将模拟信号输入端用地线包围起来，以降低分布电容耦合和隔断漏电通路。(5) 小信号地线与大信号地线分开 将电路中的小信号地线与大信号地线分开，并尽量缩短传输导线长度。器件的接地管脚直接接地，以减小串联感抗。此外，电源线和地线的电流密度不应太大，以减少电源线和地线引入的干扰。PCB板中的导线宽度一般按不高于2Amm来确定。三滤波技术三滤波技术 滤波器是抑制交流差模干扰的有效手段之一。下面分别介绍检测技术中常用的几种滤波电路。
46、1RC滤波器 当信号源为热电偶、应变片等信号变化缓慢的传感器时，利用小体积、低成本的无源RC低通滤波器将对串模干扰有较好的抑制效果。对称的RC低通滤波器电路如图10-21所示。图10-21 串模干扰信号滤波器a)单节RC滤波器与放大器连接；b)双节RC滤波器；c)低通滤波器符号；d)频率特性 所谓低通滤波器就是只允许直流信号或缓慢变化的极低频率的信号通过，而不让较高频率的信号(差模干扰)通过的电路。这里所说的较高频率信号是指50Hz及50Hz以上的信号，对于温度、流量等缓变的物理量而言，它们都不是有用信号，是大地环流、电源畸变、电火花等造成的干扰信号。电容器C并联在二次仪表输入端，它对较高频率
47、的干扰信号容抗较低，可将其旁路。在二次仪表输入端测到的干扰信号比不串联低通滤波器时小许多，所以能提高抗差模干扰能力，但对共模干扰不起作用。图10-21b中，采用两级RC低通滤波器对干扰衰减就更大。 低通滤波器多采用电阻串联、电容并联的方式，但也可以将电感与电阻串联，则对高频干扰的滤波效果更好。 需要指出的是，仪表输入端串接低通滤波器后，会阻碍有用信号的突变信息传输。串接低通滤波器是以牺牲系统响应速度为代价来减小串模干扰的。2交流电源滤波器 电源网络吸收了各种高、低频噪声，对此常用LC滤波器来抑制混入电源的噪声，如图10-22所示。100H电感、0.1F电容组成高频滤波器能吸收从电源线传导进来的
48、中短波段的高频噪声干扰。由于电源的进线侧至负载的往返电流在铁心中产生的磁通方向相反、互相抵消，因而不起电感作用，对50Hz的大负载电流阻抗很小，但对于电源相线和中性线同时存在的大小相等、相位相同的共模噪声干扰来说是一个较大的电感，它呈高阻抗，所以对共模噪声干扰有良好的抑制作用。 在电源和负载之间插入交流源滤波器之后可以将几千赫兹至几十兆赫兹范围内的电磁干扰衰减几十倍以上。 在干扰环境中工作的各种计算机、传感器、二次仪表等电器设备的电源最好都要串接交流电源滤波器。其规格的选择主要考虑两点：一是滤波器的额定电流必须大于该电气设备的工作电流；二是在可预见的频率范围内，对干扰的衰减系数必须符合要求。
49、购买开关电源、UPS、变频器或各种电子调压器时，也必须查询该电源设计时是否串接合格的LC滤波器，是否符合国家规定的电磁兼容标准。图10-22 交流电源滤波器a) 电路； b) 外形因为开关电源以及其他逆变器均是一个对其他电气设备威胁很大的干扰源，它本身产生的电磁干扰信号有很宽的频率范围，又有很大的幅度，会经过电源线向外传送电磁干扰信号。3直流电源滤波器 直流电源往往为几个电路所共用，为了避免通过电源内阻造成几个电路间互相干扰，应在每个电路的直流电源上加上RC或LC退耦滤波器，如图10-23所示。图中的电解电容用来滤除低频噪声。由于电解电容采用卷制工艺而含有一定的电感，在高频时阻抗反而增大，所以
50、需要在电解电容旁边并联一个0.0l0.1 F的磁介电容或独石电容，用来滤除高频噪声。图10-23 直流电源退耦滤波器电路四光电耦合技术四光电耦合技术 目前，检测系统越来越多地采用光耦合器，也俗称作光电耦合器或光耦)来提高系统的抗共模干扰能力。 光耦合器是一种电一光一电耦合器件，它的输人量是电流，输出量也是电流，可是两者之间从电气上看却是绝缘的，图10-24是其结构示意图。发光二极管一般采用砷化镓红外发光二极管，而光敏元件可以是光敏二极管、光敏三极管、达林顿管，甚至可以是光敏双向晶闸管、光敏集成电路等，发光二极管与光敏元件的轴线对准并保持一定的间隙。 当有电流流入发光二极管时，它即发射红外光，光
