數(shù)字化測量儀 第七章

1、 第七章第七章 數(shù)字化測量儀器中干擾的抑制數(shù)字化測量儀器中干擾的抑制 及防護技術(shù)及防護技術(shù)7.1 串模干擾及其抑制串模干擾及其抑制 串模干擾串模干擾n定義：定義：在儀器輸入端疊加在儀器輸入端疊加了被測電壓上的那部分不了被測電壓上的那部分不需要的輸入電壓需要的輸入電壓 n原因：原因：要完全避免串模干要完全避免串模干擾是不可能的。它的來源擾是不可能的。它的來源很多如：空間的電磁輻射很多如：空間的電磁輻射波，測量儀器供電系統(tǒng)中波，測量儀器供電系統(tǒng)中瞬時擾動產(chǎn)生的脈沖干擾，瞬時擾動產(chǎn)生的脈沖干擾，經(jīng)過變壓器繞組間寄生電經(jīng)過變壓器繞組間寄生電容串入的工頻電壓干擾，容串入的工頻電壓干擾，穩(wěn)壓電源紋波干擾等

2、。穩(wěn)壓電源紋波干擾等。n串模干擾抑制比串模干擾抑制比SMRSMR： 測 量儀 表UnUx)(lg20dBUSMRnnm7.1 串模干擾及其抑制串模干擾及其抑制SMR與采樣時問與采樣時問T的關(guān)系的關(guān)系 （7-2） 其中 為干擾電壓的角頻率。在采樣時間T內(nèi)得到的積分平均值為 干擾造成的誤差為 )sin(11tUUunmxi112TTiidtuTU01TxTixindtUTdtuTUU0011TxidtUuT0)(17.1 串模干擾及其抑制串模干擾及其抑制 將式（7-2）代入上式，經(jīng)整理得： 在特定的條件下 、T及 都是常數(shù)，而采樣始點所對應(yīng)的干擾初相位 都是隨機的，如果考慮n的最大可能值，取則 由

3、式(7-5)可見，若采樣時間T是 的整倍數(shù)，則sin(T/ )=0于是n0。只要設(shè)法取采樣時間T=k ，k=1，2，就可使串模干擾的影響完全消失。 22sin2sin211111TTTUnmn1nmU1122sin11T111111)sin(2sin2TTTTUTTUnmnmnm1T1T1T7.1 串模干擾及其抑制串模干擾及其抑制根據(jù)定義，串模干擾抑制比為 )sin(lg20lg20111TTTTUSMRnmnm7.1 串模干擾及其抑制串模干擾及其抑制7.1 串模干擾及其抑制串模干擾及其抑制 按照前面的理論，只要T=kT1 就可以完全消除串模干擾。 例如：50Hz的干擾，采用T20ms*N 的

4、采樣周期 但是，電網(wǎng)頻率允許產(chǎn)生2%的范圍波動 因此無論那種辦法，要試圖保持TT1N（在波動情況下）7.1 串模干擾及其抑制串模干擾及其抑制固定的采樣時間固定的采樣時間T=k 法法 1T7.1 串模干擾及其抑制串模干擾及其抑制 設(shè)干擾電壓基波為 令為周期T1的相對變化量，即 ，在采樣時間T內(nèi)干擾電壓的平均值為而 （77）將式（7-7）代入上式，得tUunmn111sinTT10sin11011011TnmTnnntdtUTdtuTU)1 ()(1111111TTkTTTkTkkTT)1 (1 kTtdtUkTkTnmn1)1(011sin)1 (11)1 (cos1)1 (11111kTkTU

5、nm7.1 串模干擾及其抑制串模干擾及其抑制由于 則 （78）由式（7-8）可求得在任一 值下對干擾電壓基波的抑制比為 （79）由式(7-9)可知， =0時分母為零，SMR 。 如：k=1,r=0.02, SMR=58dB (k=5,SMR=44.2)112T)1 (2cos1)1 (21kkUnmn)2cos1()1(21kkUnmkkUSMRnnm2cos1)1 (2lg20lg2017.1 串模干擾及其抑制串模干擾及其抑制 結(jié)論： 1.因 若有的波動，k越大時，積累的誤差越多，可見采樣時間固定時最好還是取k=1。由此也可推論此法對基波以外的高次諧波成分的抑制能力將更差。 2.固定時間采樣

6、，對電網(wǎng)頻率波動很敏感 1T7.1 串模干擾及其抑制串模干擾及其抑制采樣始點與過零點同步，相隔半周期兩次采樣法采樣始點與過零點同步，相隔半周期兩次采樣法 主要為了克服對電壓波動的引起的誤差。7.1 串模干擾及其抑制串模干擾及其抑制n原理：如圖所示，畫出了兩次采樣時間 ，其間隔約0.5 ，每次采樣起始點與干擾電壓的過零點同步，一次與正向過零點同步，第二次與負(fù)向過零點同步。由圖可見，在第一次采樣時間內(nèi) 由于 帶來的誤差(第三個正半波的陰影部分)與第二次采樣同樣原因帶來的誤差大小相等，符號相反。若將兩次采樣值相加， 應(yīng)等于零，亦即實現(xiàn)SMR= 。 n難點：采樣起始點不可能完全與過零點同步 1TTT1

7、TkT n7.1 串模干擾及其抑制串模干擾及其抑制 設(shè)兩次采集存在 與 兩個相位差，且一般地 。由于 而使兩次采樣所得的誤差不相等。即 0 。 下面分析時 帶來的誤差。仍然采用 ， 則 。利用式(73)，代入得 111222n1211TT)1 (1kTT111111cos)cos(TTUnmn)sin()sin()1(11kkkUnm11111cos)1 (2cos)1 (2kTTkUnm此式表示，=0，則sink=0，n1=0。但有意義的是若k= ，也能得到n1=0，因此時sin(k- )=0 117.1 串模干擾及其抑制串模干擾及其抑制 同理二次采樣時，初始點相位由于隔了半周期而成為(+

8、)，仍代入式(7-3)得 將兩次采樣值相加，得最后的干擾誤差為 相應(yīng)地 2)sin()sin()1(212kkkUnmn21nnn)2cos()2sin()sin()1 (21121kkkUnmnnmUSMR1lg20)2cos()2sin()sin(2)1(lg202112kkk)2cos()2sin()sin(2)1 (lg202112kkkSMR分析： 7.1 串模干擾及其抑制串模干擾及其抑制1.相隔半周期兩次采樣法比前面的固定采樣時間法效果好。2.相隔半周期兩次采樣法的缺點是必須進行兩次采樣，降低了采樣速度。 3.對于高次諧波中的偶次諧波來說，兩次采樣所產(chǎn)生的兩個誤差符號相同，因而不能

9、抵消。 7.1 串模干擾及其抑制串模干擾及其抑制=0法法 前面兩種方法仍然受頻偏的影響，因此，近年來趨向于采用使=0的方法，即盡量使T=kT1的條件在電網(wǎng)頻率有波動時仍能得到保證的方法。方法之一是將工頻電壓精確地整形成方波，如果方波的周期TS與工頻周期T1完全相等，并用TS作采樣時間，則永遠(yuǎn)等于零，使SMR 。 串模干擾電壓與經(jīng)變壓器來的工頻電壓(即38V電壓)之間一般說來是有相位差1存在的。但只要1是定值，仍可保證TS=T1。但由于噪聲影響，方波邊緣會發(fā)生抖動，以及整形方波控制后面的采樣門電路時，門電路輸出的采樣方波持續(xù)時間受門電路翻轉(zhuǎn)延遲時間的影響，不可避免地使TS不完全等于T1，即TS=

10、T1 T7.1 串模干擾及其抑制串模干擾及其抑制一般情況下，TS不完全等于T1，即TS=T1T。下面計算由于T的存在造成的誤差。利用式(7-10)可寫出 （7-14）由于這里TS=T1(1-)(假定T1是正的)，則 （7-15）一般情況下，采取工頻電壓整形法后，電網(wǎng)頻率波動引起的值已不存在，這里的是整形電路不夠完善而引起的，其值自然要比電網(wǎng)頻率波動的要小得多，因而可望獲得很高的SMR值。 )sin()sin()1 (lg201kkkSMR)sin()sin()1 (lg201SMR7.1 串模干擾及其抑制串模干擾及其抑制鎖相頻率跟蹤法鎖相頻率跟蹤法 (對r=0 的改進) 采用了鎖相頻率跟蹤技術(shù)

11、，可實現(xiàn)f0自動跟蹤Ts變化。 7.1 串模干擾及其抑制串模干擾及其抑制數(shù)字濾波原理的應(yīng)用數(shù)字濾波原理的應(yīng)用 數(shù)字濾波器并不是具體的裝置，而是一種算法。 若在有用信號上疊加了干擾信號，則可以用一固定的采樣頻率(例如每2ms采樣一次)將該信號轉(zhuǎn)換成一列離散數(shù)字值(在時間上依次排列的數(shù)字信號)，然后按照針對干擾頻率而設(shè)計的算法，對這列數(shù)字信號進行運算, 使運算結(jié)果輸出的數(shù)列中不再含有于擾信號。 7.1 串模干擾及其抑制串模干擾及其抑制SMR的測定的測定 測試時先在輸入端加一直流電壓，然后再疊加交流電壓并逐漸增大之，使被測表的示值發(fā)生變化，分別記下這時的交流電壓峰值 及被試表的輸出值 ，按下式計算串

12、模干擾抑制比。 標(biāo)準(zhǔn)直流電壓源被試數(shù)字電壓表串模電壓源mUUUUSMRmlg207.2 共模干擾及其抑制共模干擾及其抑制 共模干擾電壓是指儀器兩輸入端和地之間存在的電壓。共模干擾電壓峰值 與其引起的測量誤差，即模/數(shù)轉(zhuǎn)換示值的變化 之間的比值稱為共模干擾抑制比，其表示符號為 (db) (7-20)cmUc式中 共模干擾電壓峰值； 由共模干擾電壓引起的儀器讀數(shù)的變化。 cmUcccmUCMRlg207.2 共模干擾及其抑制共模干擾及其抑制共模干擾電壓的產(chǎn)生原因共模干擾電壓的產(chǎn)生原因n由被測信號源的特點產(chǎn)生：如具有雙端輸出的差分放大器和不平衡電橋等 ；n電磁場干擾：當(dāng)高壓設(shè)備的電場同時通過分布電容耦合到無屏蔽的雙輸入線而使之具有對地電位時，或者交流大電流設(shè)備的磁場通過與雙輸入線的互感在雙輸入線中感應(yīng)出相同大小的電動勢時，都可能產(chǎn)生共模電壓施加在儀器的輸入端 ；n由