1、第八章第八章 测量系统的抗干扰技术测量系统的抗干扰技术 1电磁兼容电磁兼容（1）电磁兼容含义）电磁兼容含义 电磁兼容（简称 EMC）是指电子装置能在规定的电磁环境 中，既不受周围电磁场的影响能正常工作，也不对该环境或其它 设备造成不允许的扰动的能力。（2）电磁兼容设计的主要内容）电磁兼容设计的主要内容 2研究抗干扰技术的基本方法研究抗干扰技术的基本方法（1）形成）形成“干扰干扰”的必要条件（三要素）的必要条件（三要素）干扰源干扰源 敏感元件敏感元件（测量对象、测量仪表）（测量对象、测量仪表）图图8.1 8.1 形成干扰的示意图形成干扰的示意图 干扰源；被干扰对象;干扰传播途径.（2）基本方法）
2、基本方法 发现干扰发现干扰分析分析测量测量找出干扰源找出干扰源干扰特点干扰特点电路及其电路及其工作环境工作环境 抑制干扰抑制干扰屏蔽屏蔽滤波滤波隔离隔离建立电路模型建立电路模型分析干扰分析干扰电路理论电路理论图图8.2 8.2 抗干扰技术研究简化图抗干扰技术研究简化图（3）基本内容）基本内容 对测量系统周围存在的可能对测量系统形成干扰的干扰源的特性和 干扰传播途径，进行估算与测定；根据仪表的功能和应用场合，采取适当的方法抑制干扰。对测量系统低抗干扰的能力以及感受干扰的敏感度，进行分析计 算或试验测定；3 3干扰的来源干扰的来源 3.1 3.1 外部干扰外部干扰 3.2 3.2 内部干扰内部干扰
3、 放电干扰放电干扰 高频干扰高频干扰 浪涌干扰浪涌干扰 振动干扰振动干扰 环境干扰环境干扰 数字电路干扰数字电路干扰 元器件干扰元器件干扰信号回路干扰信号回路干扰负载回路干扰负载回路干扰电源电路干扰电源电路干扰4 4干扰的耦合方式和传导模式干扰的耦合方式和传导模式 4.1 4.1 干扰的耦合（传递）方式干扰的耦合（传递）方式 静电耦合静电耦合 电磁感应耦合电磁感应耦合 公共阻抗耦合公共阻抗耦合 辐射耦合辐射耦合 漏电流耦合漏电流耦合工程中研究干扰传递的方法工程中研究干扰传递的方法用集中参数电容C、电感 L 及互感 M 表示耦合通道简化电路模型（1 1）静电耦合）静电耦合干扰电压通过分布电容使其
4、它导体上的电位受到影响.UU2CZ2图8.3 静电耦合等效电路21121222jZCUUZZUZZZUCCU1干扰电压C分布电容Z2仪表的等效阻抗U2静电感应干扰电压U1的角频率MIZ2U2图8.4 电磁感应耦合等效电路（2 2）电磁感应耦合）电磁感应耦合12jMIUI1干扰电流I1的角频率M两导体间互感（3 3）公共阻抗耦合）公共阻抗耦合UZ2GZ1RC图图8.5 公共阻抗耦合等效电路公共阻抗耦合等效电路ESRSZ1Z2电源内阻对电路的影响电源内阻对电路的影响（4 4）辐射耦合）辐射耦合 电能变换频繁的地方；电能变换频繁的地方；高频电能变换装置；高频电能变换装置；脉冲电源；脉冲电源；电源线、
5、信号线。电源线、信号线。E电场强度（电场强度（V/cm）H产生辐射干扰的产生辐射干扰的“天线天线”的长度的长度 由辐射产生的干扰电压为由辐射产生的干扰电压为 U=EH易产生辐射干扰场合易产生辐射干扰场合（5 5）漏电流耦合）漏电流耦合U1U2RZ2图图8.6 漏电流耦合等效电路漏电流耦合等效电路1222URZZUU1干扰电压R绝缘电阻Z2仪表的等效阻抗U2干扰耦合电压信号线分布电容的静电耦合；信号线传输距离较长引起的互感；空间电磁场的电磁感应等。（1）串模干扰）串模干扰干扰串联于信号回路，往返于两条线路间，使两条传输线路之间存在一个电位差;干扰电流 IN 和信号电流 IS 的路径往返两条线上是
6、一致的；难以消除.常使运放饱和、灵敏度下降和零点漂移.特特 点：点：原原 因：因：影影 响：响：RNUSUNISINISIN图图8.7(a)(a)串模干扰串模干扰4.1 4.1 干扰的传导模式干扰的传导模式（2 2）共模干扰）共模干扰 特特 点点:影影 响响:原原 因因:干扰侵入传输线路和地线间，两条传输线路上共同存在着对地干扰电压;干扰电流在两条线上各流过一部分，以地为公共回路，而信号电流只在往返两条线路中流过。从本质上讲，这种干扰能够消除.由于线路和器件的不平衡性，共模干扰串模干扰。信号源的“地”与信号放大电路的“地”之间存在一个电位差；电场或磁场耦合等。IN图图8.7(b)共模干扰共模干
7、扰RNUSUNISIN/2ISIN/2N干扰源干扰源ZL为负载阻抗为负载阻抗Z1导线导线1对地阻抗对地阻抗Z2导线导线2对地阻抗对地阻抗NUN1UN2UNZLZ1Z2IN1IN2IN12图图8.7(c)共模干扰转化为常模干扰共模干扰转化为常模干扰当当Z1=Z2时时IN=0当当Z1Z2时时IN0J1-2AD1R1K1GO1-1D2J1-1RWJ1R2T1U1R3D3C1图图 8.12 高压接地保护电路高压接地保护电路GO1-1一种一种 高压接地保护装置高压接地保护装置（ZL 94228640.5）安全接地方式J1-3J1-2220V220VK2J2C3J2-1IC1U1R9J1-3C2LED图图
8、 8.13 高压接地保护的语音报警电路高压接地保护的语音报警电路12638542196315C4C5IC2R4R5R6R7R8R10 一种具有接地保护功能的半导体开关模块一种具有接地保护功能的半导体开关模块三个功能电路三个功能电路：检测电路：检测电路+驱动电路驱动电路+开关电路开关电路 （ZL 03284623.1）ADCB电力电子集成模块的封装外形金属底板金属底板绝缘层绝缘层功率开关元件功率开关元件检测及驱动检测及驱动电路元件电路元件电力电子集成模块封装结构电力电子集成模块封装结构 电力电子集成模块的应用电力电子集成模块的应用BADC220VRL外壳电气设备 工作接地方式a.a.一点接地一点
9、接地 一点接地、多点接地一点接地、多点接地 按按各功能电路的地与系统地连接形式 浮地方式、直接接地方式、电容接地方式浮地方式、直接接地方式、电容接地方式 按系统地与大地的连接关系 放射式接地电路A电路B电路C 母线式接地电路A电路B电路C适用于低频线路适用于低频线路b.b.多点接地多点接地（平面式接地）（平面式接地）平面式接地电路A电路B电路Cc.c.浮地方式浮地方式 适用于高频线路适用于高频线路适用于浮地系统对地分布电容很小适用于浮地系统对地分布电容很小 d.d.直接接地方式直接接地方式e.e.电容接地方式电容接地方式适用于系统有很大的对地分布电容适用于系统有很大的对地分布电容 适用于工作地
10、与大地间存在直流或低频电位差适用于工作地与大地间存在直流或低频电位差 屏蔽接地方式屏蔽接地方式 测测 控控装装 置置屏蔽层屏蔽层工作地工作地信信号号源源图图8.10 8.10 屏蔽层接地点在信号源侧屏蔽层接地点在信号源侧现场地现场地UCM充电电流充电电流分布电容分布电容图图8.11 8.11 屏蔽层接地点在信号接收侧屏蔽层接地点在信号接收侧测测 控控装装 置置屏蔽层屏蔽层工作地工作地信信号号源源分布电容分布电容a.电缆屏蔽层的接地方式电缆屏蔽层的接地方式 原始（无干扰）信号原始（无干扰）信号信号源侧接地时信号源侧接地时测量仪表侧接地时测量仪表侧接地时b.变压器的屏蔽层接地变压器的屏蔽层接地接地
11、方式接地方式:一般情况下接保护地一般情况下接保护地(接大地接大地)保护地屏蔽地5 52 2屏蔽技术屏蔽技术（1 1）基本原理）基本原理 （2 2）方法和材料）方法和材料 方法方法 在电容耦合通道上插入一个接地良好的金属屏蔽导体。在电容耦合通道上插入一个接地良好的金属屏蔽导体。电场屏蔽电场屏蔽材料材料 导电率良好的材料。导电率良好的材料。方法方法 用高导电率材料做成屏蔽壳，将仪表或感扰源置于其用高导电率材料做成屏蔽壳，将仪表或感扰源置于其内。内。电磁屏蔽电磁屏蔽材料材料 高导电率材料。高导电率材料。磁场屏蔽磁场屏蔽 高频磁场屏蔽高频磁场屏蔽 低频磁场屏蔽低频磁场屏蔽 材料材料 高导电率的良导电材
12、料。高导电率的良导电材料。方法方法 用高导电率的良导电材料做成薄屏蔽壳，将仪表置于其内。用高导电率的良导电材料做成薄屏蔽壳，将仪表置于其内。材料材料 高导磁率材料。高导磁率材料。方法方法 用高导磁率材料做成屏蔽壳，将仪表或感扰源置于其内。用高导磁率材料做成屏蔽壳，将仪表或感扰源置于其内。屏蔽罩屏蔽罩 一般用无孔金属板制成；一般用无孔金属板制成；屏蔽栅网屏蔽栅网 一般用金属编制网或有孔金属薄板制成；一般用金属编制网或有孔金属薄板制成；屏蔽铜箔屏蔽铜箔 一般是利用多层线路板的一个铜箔面作为屏蔽板；一般是利用多层线路板的一个铜箔面作为屏蔽板；隔离仓隔离仓 是将整机金属箱体用金属板分隔成多个独立的单是
13、将整机金属箱体用金属板分隔成多个独立的单 元，从而屏蔽各部分之间的电磁干扰；元，从而屏蔽各部分之间的电磁干扰；导电涂料导电涂料 是在非金属的箱体内、外表面喷漆一层金属涂层。是在非金属的箱体内、外表面喷漆一层金属涂层。（3）屏蔽的结构形式）屏蔽的结构形式5 53 3 双绞线技术双绞线技术（1）双绞线类型）双绞线类型 无无屏蔽网双绞线；有屏蔽网双绞线；有屏蔽网的单芯或多芯导线。（2）双绞线抗干扰原理）双绞线抗干扰原理R1R2R3R2R3R ii cIiS1iS212图8.9 双绞线间电磁感应干扰情况M双绞线的节距与噪声衰减率双绞线的节距与噪声衰减率导线导线节距节距(cm)(cm)噪声噪声衰减率衰减
14、率抑制噪声效果抑制噪声效果(dB)(dB)空气中平行导线空气中平行导线 1：10双绞线双绞线1014：123双绞线双绞线7.571：137双绞线双绞线5112：141双绞线双绞线2.5141：143钢管中平行导线钢管中平行导线 22：127（3）双绞线的使用）双绞线的使用 抑制静电感应干扰应选用屏蔽网双绞线；抑制静电感应干扰应选用屏蔽网双绞线；抑制电磁感应干扰可选用无屏蔽网双绞线。抑制电磁感应干扰可选用无屏蔽网双绞线。屏蔽层起静电屏蔽的作用，它必须正确接地。屏蔽层起静电屏蔽的作用，它必须正确接地。测测 控控装装 置置屏蔽层屏蔽层工作地工作地信信号号源源图图8.10 8.10 屏蔽层接地点在信号
15、源侧屏蔽层接地点在信号源侧现场地现场地UCM充电电流充电电流分布电容分布电容图图8.11 8.11 屏蔽层接地点在信号接收侧屏蔽层接地点在信号接收侧测测 控控装装 置置屏蔽层屏蔽层工作地工作地信信号号源源分布电容分布电容仪表使用的环境温度划分仪表使用的环境温度划分5个级别个级别电子器件使用温度适用范围的划分电子器件使用温度适用范围的划分 图 脉冲电源的屏蔽与接地示意图脉 冲输 出辅助电源（隔离）控 制电 路高 频变压器机 壳屏蔽层屏蔽层交 流输 入功率地控制地浮地屏蔽层功率变换电路 浮地屏蔽方式浮地屏蔽方式基本思想：增大共模回路阻抗；静电保护 双绞线的接地双绞线的接地接地方式接地方式用作屏蔽线
16、的一根应采用，为 感应电流提供流动回路.5 54 4 隔离技术隔离技术 （1）空间隔离）空间隔离（2）器件性隔离）器件性隔离 功能电路之间的合理布局。功能电路之间的合理布局。光电隔离光电隔离继电器隔离继电器隔离放大器隔离放大器隔离变压器隔离变压器隔离R1R2 U in(out)AC插头电源变压器机 壳图图 仪器浮地输出（输入）仪器浮地输出（输入）电 子线 路+接地端接地端 U in(out)AC插头电源变压器机 壳图图 仪器接地输出（输入）仪器接地输出（输入）电 子线 路+接地端接地端VCC隔离变压器 U in(out)AC插头电源变压器机 壳图图 仪器接地输出（输入）仪器接地输出（输入）电
17、子线 路+接地端接地端输入输入220V5.5 5.5 滤波技术滤波技术 (1)(1)滤波器的作用滤波器的作用(2)(2)滤波器的分类滤波器的分类 选出有用的频率信号，抑制杂散无用的频率信号，使一定范围内的 信号通过，且衰减很小；而在此范围以外的信号衰减很大，从而提 高系统的信噪比.抑制串模干扰的常用方法之一 只阻止规定的某频段信号通过，但允许高于或低于该频段的信号通过 低通滤波器 高通滤波器 带通滤波器 带阻滤波器允许低频信号通过，但阻止高频信号通过允许高频信号通过，但阻止低频信号通过允许规定的某频段信号通过，但阻止高于或低于该频段的信号通过A（f）Ofc1f(b)高通滤波器A（f）Ofc2f
18、(a)低通滤波器A（f）Ofc2f(c)带通滤波器fc1f0A（f）Ofc2f(d)带阻滤波器fc1f0图图 常用滤波器的幅频特性常用滤波器的幅频特性CR输入输入Vi输出输出Vo1 阶阶RC滤波器滤波器截止频率：截止频率：fc=1/(2RC)图图 实际使用的滤波器实际使用的滤波器ESRSRCCLRLLLSLSc21CCRRRRRRf（-20dB/dec的衰减陡度）的衰减陡度）-100-20-30-40-50-60100Hz10kHz100kHz1.0MHz20kHz增益增益/VdB6dB20dB图图 1 阶阶RC滤波器的幅频特性滤波器的幅频特性图图 滤波器的串联滤波器的串联E ES SR RS
19、 S 1.3k1.3k0.560.56R RL L13k13k5600p5600p130k130k560p560pR RS S1.3k130k130k一级三级级56 仪表电路的设计与制作仪表电路的设计与制作（1）元器件的选择）元器件的选择（2）电路的设计）电路的设计（3）印刷线路板的制作）印刷线路板的制作（1）掌握电磁兼容的含义和产生电磁干扰的）掌握电磁兼容的含义和产生电磁干扰的“三要素三要素”；（2）掌握干扰的耦和方式；）掌握干扰的耦和方式；（3）理解串模干扰和共模干扰的特点；）理解串模干扰和共模干扰的特点；（4）掌握接地目的、接地类型，屏蔽技术采用的材料，）掌握接地目的、接地类型，屏蔽技术
20、采用的材料，隔离技术采用的器件；隔离技术采用的器件；（5）掌握提高测量系统抗干扰的主要措施。）掌握提高测量系统抗干扰的主要措施。6本章要求本章要求1、研究电磁干扰问题主要应从抓住三个基本要素，它们是、研究电磁干扰问题主要应从抓住三个基本要素，它们是（）、（）、（）和（）和（）。）。思考题思考题2、电器系统接地的目的主要有（为了安全）、（为电路工作提、电器系统接地的目的主要有（为了安全）、（为电路工作提供公共基准电位）、（为了抑制干扰）。供公共基准电位）、（为了抑制干扰）。3、（导电率高）的材料，用于静电屏蔽的效果好，（导磁率高）、（导电率高）的材料，用于静电屏蔽的效果好，（导磁率高）的材料，用于磁屏蔽的效果好。的材料，用于磁屏蔽的效果好。4 4、干扰的耦合方式主要有（、干扰的耦合方式主要有（）、（）、（）、）、（）、（）、（）等。）等。
