1、第7章 抗干扰技术第7章 抗干扰技术 抗干扰技术在电子测量及自动控制系统中是一个不容忽视的重要问题。因为干扰不仅会影响测量精度，严重时甚至会使仪表无法正常工作；在自动控制系统中，干扰轻则影响控制精度,降低产品质量,重则使系统控制失灵,损坏设备造成事故,因此,采用适当的抗干扰措施,消除或削弱各种干扰就显得非常必要。为了有效地抑制和排除干扰，必须清楚地了解干扰的来源及其传输的途径，以便采取有效的措施加以防护。7.1 干扰源与干扰耦合方式 所谓干扰，就是指影响测量结果或作用于控制系统的各种无用信号。产生干扰信号的干扰源一般可分为外部干扰和内部干两种。7.1.1 干扰的来源7.1.1.1 外部干扰外部
2、干扰外部干扰主要来自自然界的干扰以及各种电气设备运行产生的干扰。1.自然干扰自然干扰 各种自然现象,如闪电、雷击、宇宙射线、环境（温度、湿度等）变化均可产生自然干扰。2.各种电气设备运行产生干扰各种电气设备运行产生干扰 各种电气设备运行产生的干扰是电磁干扰。7.1.1.2 内部干扰内部干扰 内部干扰主要是指测量电路内部各种元器件的噪声所引起的干扰。7.1.2 干扰的耦合方式 各种干扰源所产生的干扰，必然要经过各种耦合通道进入测量电路而影响测量结果。换句话说，就是形成干扰影响必须具备三个要素：干扰源、干扰的耦合通道、被干扰对象。因此研究和分析干扰的传输途径，对于抑制和消除干扰的重要的，而切断干扰
3、传输的途径是抑制、削弱干扰的重要手段之一。静电耦合（电容性耦合）由于两个电路之间存在着分布电容，当其中一个电路的电位发生变化时，该电路的电荷会通过分布电容传送到另一个电路，称为静电耦合，其示意图见图7-1。图7-1静电耦合示意图磁场耦合（互感性耦合）磁场耦合（互感性耦合）当两个电路之间有互感存在时，一个电路中的电流产生变化会通过磁场耦合到另一个电路。例如，检测信号线处于强磁场或通过大电流电网附近时，会产生磁场耦合而出现干扰信号。电气设备中变压器线圈的漏磁是一种常见的磁场干扰。磁场耦合见图7-2。图7-2 磁场耦合示意图漏电流耦合 由于测量电路内部的元件支架、接线柱、印制电路板或外壳绝缘不良而存
4、在漏电阻产生漏电流引起的干扰，称漏是电流耦合，见图7-3a。图7-3 漏电流耦合示意图共阻抗耦合 共阻抗耦合干扰的产生是由于两个以上的电路有共阻抗。当一个电路中的电流流经共阻抗生产电压降时，就成为其它电路的干扰电压，其大小与阻抗的阻值及干扰源的电流大小成正比。1.通过电源内阻的共阻抗耦合干扰通过电源内阻的共阻抗耦合干扰 多级放大器或多个单元测量电路共用一个电源时，会产生共阻抗干扰。2.通过公共地线的共阻抗耦合干扰通过公共地线的共阻抗耦合干扰 在测量电路中，各单元电路都有各自的地线，如果这些地线不是一点接地，各级电流流经公共地线时，在地线电阻上产生电压降，该电压就成为其它单元电路的干扰电压。解决
5、的办法是采用一点接地，即将每一单元电路接地点汇成一点，然后再将各接地点接到公共地线上去。7.1.3 仪表内部的干扰 仪表内部的所有电子元件都存在固有噪声。最重要的固有噪声有热噪声、散粒噪声和接触噪声。当噪声电压使电路和不能正常工作时，该噪声电压称为干扰电压。1.热噪声（电阻噪声）热噪声（电阻噪声）任何电阻即使不与电源相接，在它的两端也有一定的电压。2.散粒噪声散粒噪声 在半导体元件内，散粒噪声是通过晶体管某区的载流子的随机扩散以及电于一空穴对随机产生和复合而形成的。3.接触噪声接触噪声 接触噪声是由于两种材料之间的不完全接触，从而形成 电导率的起伏而产生的。7.2 干扰抑制技术 工程测量中，可
6、能会碰到各种各样的干扰，根据干扰在测量电路输入端的作用方式及其与信号电压的关系，可以将干扰信号分为差模干扰和共模干扰两种，见图7-4。图中，Un为串模干扰，它是叠加在被测信号电压Us上的干扰。Uc为共模干扰，它是加在仪表任一输入端与地之间的干扰。7.2.1 串模干扰及其抑制技术7.2.1.1 串模干扰 串模干扰又称为差模干扰、常态干扰、模向干扰，它是叠加在有用信号之上的一种干扰。这种叠加可以是电压叠加，也可以是电流叠加，见图7-5。图7-5 串模干扰的作用方式7.2.1.2 串模干扰的抑制串模干扰的抑制 由于串模干扰叠加在被测信号之上，它一旦产生，其有害作用往往不大容易消除。因此，首先应防止它
7、的产生。1.信号导线扭绞信号导线扭绞 图7-6 信号线绞接、屏蔽和接地 由于把信号导线扭绞在一起能使信号回路所包围的面积大为减少，而且使两根信号导线到干扰源的距离大致相等。分布电容也能大致相同，所以能使由磁场和静电耦合进入信号回路的串模干扰大为减小。若把双绞信号导线屏蔽起来并将屏蔽层接地,将起到更好的抑制串模干扰的效果，见图7-6。2.屏蔽技术屏蔽技术 屏蔽技术是抑制电场、磁场耦合干扰的重要措施。根据干扰源的不同可采用不同的屏蔽措施。图7-7 静电屏蔽原理a)静电屏蔽静电屏蔽 为防止静电耦合干扰，可用一层金属网将信号导线包围起来,这层金属网即屏蔽层,见图7-7。b)高频磁屏蔽高频磁屏蔽 高频磁
8、屏蔽是利用导电性良好的金属箔将被屏蔽的电路包围起来，其作用是抑制高频电磁场的干扰。c)低频磁屏蔽低频磁屏蔽 导电性良好的金属箔对低频磁场干扰的抑制效果很差。d)驱动静电屏蔽驱动静电屏蔽3.滤波技术滤波技术 在工程测量中，串模干扰主要是50Hz的工频干扰。常用的R-C无源滤波器的内阻较大和有一定的损耗，因此并不适用。4.对消方法对消方法 利用双积分式A/D转换器，因为它是对输入信号的平均值 而不是瞬时值进行A/D转换的，只要采样时间T1是工频周期的整数倍，从理论上来说对工频干扰具有无穷的抑制能力。5.注意信号导线远离动力线注意信号导线远离动力线 特别不允许信号导线与动力线平行敷设，从根源上消除磁
9、场耦合干扰。7.2.2 共模干扰及其抑制技术7.2.2.1 共模干扰共模干扰 共模干扰又称为同相干扰或纵向干扰。共模干扰是相对于公共的电位基准地（接地点），在信号接收器的两输入端同时出现的干扰。共模干扰只有在转化为差模干扰后，才对测量电路起干扰作用。共模干扰等效电路见图7-9。图7-9 共模干扰的等效电路7.2.2.2 共模干扰抑制比及其计算共模干扰抑制比及其计算 在测量电路和仪表受共模干扰作用后，只有当共模干扰转换为差模干扰时，才会对测量电路或仪表产生有害的影响。即测量电路或仪表受共模干扰影响的大小，取决于共模干扰转换为差模干扰的转换率。为了表征测量电路或仪表对共模干扰的抑制能力，常用共模干
10、扰抑制比表示，即：式中，Ucd 为共模干扰电压（V）；Ucm为在测量电路输入端转换成差模干扰电压（V）；见图7-9。7.2.2.3 共模干扰抑制技术共模干扰抑制技术1.接地技术接地技术 在抗干扰措施中接地是与屏蔽紧密相关的，无论是电缆屏蔽还是屏蔽罩都必须有一个适当的接地点，才能有效地抑制干扰。a)一点接地准则 如果一个测量系统分别设有信号地线（信号公共基准零电位），又有交流地线和安全保护地线时，则需将三种地线连在一起，再通过一点接地。这就是一点接地的准则，其原理见图7-10。图7-10 一点接地准则b)测量系统一点接地 图7-11为同一测量系统采用两点接地和一点接地示意图，图a为两点接地；图b
11、为一点接地。图7-11 测量系统接地示意图c)信号导线屏蔽层一点接地 如前所述，信号导线必须屏蔽和屏蔽层接地，否则没有抑制串模干扰的效果，而且屏蔽层也应一点接地。那么，屏蔽层又该接到哪一点才适合呢？应该遵循下列两个原则：当有一个不接地的信号源与一个接地的放大器相连接时，信号导线屏蔽层应接放大器的公共端，见图7-12 a。当一个接地的信号源与不接地的放大器连接时，即使信号源接的不是大地，信号导线屏蔽层也应接至信号源的公共端，见图7-12b。图7-12 信号导线屏蔽层一点接地2.双层屏蔽浮置技术双层屏蔽浮置技术 所谓浮置是指利用绝缘物体（黄腊绸、云母等）将仪表内的放大器、印刷电路板等与导电的外壳、
12、底板等隔离起来。仪表内的放大器经浮置后放大器的电位参考点(或公共地)不接外壳，也不接大地，因此浮置也称为浮地、浮空或浮接。为提高测量仪表共模干扰能力，最广泛应用的是采用双层屏蔽浮置技术，其原理见图7-13。图7-13 双层屏蔽浮置原理示意图3.应用平衡电路应用平衡电路 为提高测量系统的抗共模干扰能力，采用平衡措施也是重要手段之一。一个测量系统的平衡程度取决于信号源、信号导线以及负载的平衡。a)负载平衡 为使负载平衡可应用平衡输入放大器，例如差分放大器、测量放大器、AD521、AD624等。图7-14为平衡输入放大器原理示意图。b)信号源平衡 见图7-16。c)信号导线平衡 一对扭绞 的信号导线
13、，它对电和 磁的耦合都能起到较好 的防护作用。图7-16 信号源平衡与负载平衡，Ucd07.2.3 电源引入干扰的抑制 在仪表内部，一种主要的干扰是来自小功率变压器产生的漏电流。它是由电网的相电压通过变压器一、二次侧间存在的分布电容的静电耦合进入二次侧绕组的，进而到仪表电路中，甚至进入信号源再到地产生泄漏电流，见图7-17a。这往往产生50Hz且与信号电压叠加的工频干扰。图7-17 电源变压器引入的干扰a)无屏蔽变压器 b)、c)单层屏蔽变压器 为了防止这种干扰，可将电源变压器一次侧绕组放在屏蔽层内，并将屏蔽层接地。此时，变压器一次侧的相电压通过对屏蔽层的分布电容，使漏电流直接流入地，而不再流
14、入放大器和信号源中产生干扰。但是有了接地的屏蔽层后，变压器二次侧绕组的电压也会产生干扰，见图7-17b 和c。为避免由电源引入的干扰，应将电源变压器采用双层屏蔽。除变压器一次侧屏蔽层外，给二次侧绕组也用一单独的屏蔽层，并将屏蔽层接至电源负端，见图7-18。这时电源电压不会在仪表的测量电路中产生漏电流。为了提高仪表对共模干扰的抑制能力,电源变压器往往采用三层屏蔽。其各屏蔽层的接法如下：一次侧绕组屏蔽层接电网地(即大地)；中间屏蔽层接仪表金属外壳；二次侧绕组屏蔽层接电源负端。图7-18 双层屏蔽的电源变压器7.2.4 其他抑制干扰的措施 为了切断共模干扰的电流回路，可采用各种隔离器件，如光耦合器、
15、耦合变压器等。对于脉冲电路中的噪声抑制，可以采用稳压管或二极管组成的脉冲干扰隔离门，阻断幅值较小的干扰脉冲。对于幅值和宽度都大于正常脉冲信号的干扰，则需采取相关量法来解决。相关量法的基本思路是，找出脉冲信号相关量，相关量与脉冲信号同时作用到与门上，仅当两输入皆有信号时，才能使与门打开送出脉冲信号，这样就抑制了干扰脉冲。为了能有效地抑制干扰一般应遵循以下原则：a)电路元件的安装位置应尽量根据信号的传输顺序排成一直线的走向，即按输入级、放大级、信号转换级、输出级的次序安排。不要相互交叉和混合安排，防止引起寄生耦合，避免造成互相干扰或产生自激振荡。b)对于电磁感应耦合元件（如变压器、扼流圈、振荡线圈
16、等)）的安装位置应远离输入级。c)高输入阻抗放大器输入级的印刷电路板走线应设计屏蔽保护环，防止漏电流经线路绝缘电阻流入输入端。d)低电平测量电路中的电源变压器和输入变压器除相互远离外，还必须加屏蔽罩。e)电路较复杂、单元电路较多的仪表,可将有关单元电路分块装配，必要时将输入级与高频振荡级均用屏蔽层隔离。f)仪表内的布线原则：输入级的弱信号线与输出级的强信号线以及电源线应尽量远离。直流信号线与交流信号线应远离。输入级与其它可能引起寄生耦合的线,严禁平行走线,彼此应尽量远离。低电平信号地线、交流电源地线和金属机壳地线应分开设置,最后集中一点接地。输入电缆的屏蔽层应选择适当的接地点。注意：以上所述只是一种基本考虑原则，实施时要根据实际情况，对具体问题进行具体分析，合理调整,切不可生搬硬套。Do you have made a progress today?
