《電氣測試技術(shù)第5版》 課件 6.0第6章 抗干擾技術(shù)

02December2024第6章抗干擾技術(shù)02December2024第6章抗干擾技術(shù)抗干擾技術(shù)在電子測量及自動(dòng)控制系統(tǒng)中是一個(gè)不容忽視的重要問題。因?yàn)楦蓴_不僅會(huì)影響測量精度，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)箖x表無法正常工作；在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，干擾輕則影響控制精度,降低產(chǎn)品質(zhì)量,重則使系統(tǒng)控制失靈,損壞設(shè)備造成事故,因此,采用適當(dāng)?shù)目垢蓴_措施,消除或削弱各種干擾就顯得非常必要。為了有效地抑制和排除干擾，必須清楚地了解干擾的來源及其傳輸?shù)耐緩?，以便采取有效的措施加以防護(hù)。02December20246.1干擾源與干擾耦合方式所謂干擾，就是指影響測量結(jié)果或作用于控制系統(tǒng)的各種無用信號(hào)。產(chǎn)生干擾信號(hào)的干擾源一般可分為外部干擾和內(nèi)部干兩種。02December20246.1.1干擾的來源6.1.1.1外部干擾外部干擾主要來自自然界的干擾以及各種電氣設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的干擾。1.自然干擾各種自然現(xiàn)象,如閃電、雷擊、宇宙射線、環(huán)境（溫度、濕度等）變化均可產(chǎn)生自然干擾。2.各種電氣設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生干擾各種電氣設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的干擾是電磁干擾。6.1.1.2內(nèi)部干擾內(nèi)部干擾主要是指測量電路內(nèi)部各種元器件的噪聲所引起的干擾。02December20246.1.2干擾的耦合方式各種干擾源所產(chǎn)生的干擾，必然要經(jīng)過各種耦合通道進(jìn)入測量電路而影響測量結(jié)果。換句話說，就是形成干擾影響必須具備三個(gè)要素：干擾源、干擾的耦合通道、被干擾對(duì)象。因此研究和分析干擾的傳輸途徑，對(duì)于抑制和消除干擾的重要的，而切斷干擾傳輸?shù)耐緩绞且种啤⑾魅醺蓴_的重要手段之一。02December2024靜電耦合（電容性耦合）由于兩個(gè)電路之間存在著分布電容，當(dāng)其中一個(gè)電路的電位發(fā)生變化時(shí)，該電路的電荷會(huì)通過分布電容傳送到另一個(gè)電路，稱為靜電耦合，其示意圖見圖6-1。圖6-1靜電耦合示意圖02December2024磁場耦合（互感性耦合）當(dāng)兩個(gè)電路之間有互感存在時(shí)，一個(gè)電路中的電流產(chǎn)生變化會(huì)通過磁場耦合到另一個(gè)電路。例如，檢測信號(hào)線處于強(qiáng)磁場或通過大電流電網(wǎng)附近時(shí)，會(huì)產(chǎn)生磁場耦合而出現(xiàn)干擾信號(hào)。電氣設(shè)備中變壓器線圈的漏磁是一種常見的磁場干擾。磁場耦合見圖6-2。圖6-2磁場耦合示意圖02December2024漏電流耦合由于測量電路內(nèi)部的元件支架、接線柱、印制電路板或外殼絕緣不良而存在漏電阻產(chǎn)生漏電流引起的干擾，稱漏是電流耦合，見圖6-3a。圖6-3漏電流耦合示意圖02December2024共阻抗耦合共阻抗耦合干擾的產(chǎn)生是由于兩個(gè)以上的電路有共阻抗。當(dāng)一個(gè)電路中的電流流經(jīng)共阻抗生產(chǎn)電壓降時(shí)，就成為其它電路的干擾電壓，其大小與阻抗的阻值及干擾源的電流大小成正比。通過電源內(nèi)阻的共阻抗耦合干擾多級(jí)放大器或多個(gè)單元測量電路共用一個(gè)電源時(shí)，會(huì)產(chǎn)生共阻抗干擾。通過公共地線的共阻抗耦合干擾在測量電路中，各單元電路都有各自的地線，如果這些地線不是一點(diǎn)接地，各級(jí)電流流經(jīng)公共地線時(shí)，在地線電阻上產(chǎn)生電壓降，該電壓就成為其它單元電路的干擾電壓。解決的辦法是采用一點(diǎn)接地，即將每一單元電路接地點(diǎn)匯成一點(diǎn)，然后再將各接地點(diǎn)接到公共地線上去。02December20246.1.3儀表內(nèi)部的干擾儀表內(nèi)部的所有電子元件都存在固有噪聲。最重要的固有噪聲有熱噪聲、散粒噪聲和接觸噪聲。當(dāng)噪聲電壓使電路和不能正常工作時(shí)，該噪聲電壓稱為干擾電壓。熱噪聲（電阻噪聲）任何電阻即使不與電源相接，在它的兩端也有一定的電壓。散粒噪聲在半導(dǎo)體元件內(nèi)，散粒噪聲是通過晶體管某區(qū)的載流子的隨機(jī)擴(kuò)散以及電于一空穴對(duì)隨機(jī)產(chǎn)生和復(fù)合而形成的。接觸噪聲接觸噪聲是由于兩種材料之間的不完全接觸，從而形成電導(dǎo)率的起伏而產(chǎn)生的。02December20246.2干擾抑制技術(shù)工程測量中，可能會(huì)碰到各種各樣的干擾，根據(jù)干擾在測量電路輸入端的作用方式及其與信號(hào)電壓的關(guān)系，可以將干擾信號(hào)分為差模干擾和共模干擾兩種，見圖6-4。圖中，

Un為串模干擾，它是疊加在被測信號(hào)電壓Us上的干擾。Uc為共模干擾，它是加在儀表任一輸入端與地之間的干擾。圖6-4干擾的形式02December20246.2.1串模干擾及其抑制技術(shù)6.2.1.1串模干擾串模干擾又稱為差模干擾、常態(tài)干擾、模向干擾，它是疊加在有用信號(hào)之上的一種干擾。這種疊加可以是電壓疊加，也可以是電流疊加，見圖6-5。圖6-5串模干擾的作用方式02December20246.2.1.2串模干擾的抑制由于串模干擾疊加在被測信號(hào)之上，它一旦產(chǎn)生，其有害作用往往不大容易消除。因此，首先應(yīng)防止它的產(chǎn)生。信號(hào)導(dǎo)線扭絞圖6-6信號(hào)線絞接、屏蔽和接地由于把信號(hào)導(dǎo)線扭絞在一起能使信號(hào)回路所包圍的面積大為減少，而且使兩根信號(hào)導(dǎo)線到干擾源的距離大致相等。分布電容也能大致相同，所以能使由磁場和靜電耦合進(jìn)入信號(hào)回路的串模干擾大為減小。若把雙絞信號(hào)導(dǎo)線屏蔽起來并將屏蔽層接地,將起到更好的抑制串模干擾的效果，

見圖6-6。02December2024屏蔽技術(shù)屏蔽技術(shù)是抑制電場、磁場耦合干擾的重要措施。根據(jù)干擾源的不同可采用不同的屏蔽措施。圖6-7靜電屏蔽原理靜電屏蔽為防止靜電耦合干擾，可用一層金屬網(wǎng)將信號(hào)導(dǎo)線包圍起來,這層金屬網(wǎng)即屏蔽層,見圖6-7。高頻磁屏蔽高頻磁屏蔽是利用導(dǎo)電性良好的金屬箔將被屏蔽的電路包圍起來，其作用是抑制高頻電磁場的干擾。低頻磁屏蔽導(dǎo)電性良好的金屬箔對(duì)低頻磁場干擾的抑制效果很差。驅(qū)動(dòng)靜電屏蔽02December2024濾波技術(shù)在工程測量中，串模干擾主要是50Hz的工頻干擾。常用的R-C無源濾波器的內(nèi)阻較大和有一定的損耗，因此并不適用。對(duì)消方法利用雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器，因?yàn)樗菍?duì)輸入信號(hào)的平均值

而不是瞬時(shí)值進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的，只要采樣時(shí)間T1是工頻周期的整數(shù)倍，從理論上來說對(duì)工頻干擾具有無窮的抑制能力。注意信號(hào)導(dǎo)線遠(yuǎn)離動(dòng)力線特別不允許信號(hào)導(dǎo)線與動(dòng)力線平行敷設(shè)，從根源上消除磁場耦合干擾。02December20246.2.2共模干擾及其抑制技術(shù)6.2.2.1共模干擾共模干擾又稱為同相干擾或縱向干擾。共模干擾是相對(duì)于公共的電位基準(zhǔn)地（接地點(diǎn)），在信號(hào)接收器的兩輸入端同時(shí)出現(xiàn)的干擾。共模干擾只有在轉(zhuǎn)化為差模干擾后，才對(duì)測量電路起干擾作用。共模干擾等效電路見圖6-9。圖6-9共模干擾的等效電路02December20246.2.2.2共模干擾抑制比及其計(jì)算在測量電路和儀表受共模干擾作用后，只有當(dāng)共模干擾轉(zhuǎn)換為差模干擾時(shí)，才會(huì)對(duì)測量電路或儀表產(chǎn)生有害的影響。即測量電路或儀表受共模干擾影響的大小，取決于共模干擾轉(zhuǎn)換為差模干擾的轉(zhuǎn)換率。為了表征測量電路或儀表對(duì)共模干擾的抑制能力，常用共模干擾抑制比表示，即：式中，Ucd

為共模干擾電壓（V）；Ucm為在測量電路輸入端轉(zhuǎn)換成差模干擾電壓（V）；見圖6-9。02December20246.2.2.3共模干擾抑制技術(shù)接地技術(shù)

在抗干擾措施中接地是與屏蔽緊密相關(guān)的，無論是電纜屏蔽還是屏蔽罩都必須有一個(gè)適當(dāng)?shù)慕拥攸c(diǎn)，才能有效地抑制干擾。一點(diǎn)接地準(zhǔn)則

如果一個(gè)測量系統(tǒng)分別設(shè)有信號(hào)地線（信號(hào)公共基準(zhǔn)零電位），又有交流地線和安全保護(hù)地線時(shí)，則需將三種地線連在一起，再通過一點(diǎn)接地。這就是一點(diǎn)接地的準(zhǔn)則，其原理見圖6-10。圖6-10一點(diǎn)接地準(zhǔn)則02December2024測量系統(tǒng)一點(diǎn)接地

圖6-11為同一測量系統(tǒng)采用兩點(diǎn)接地和一點(diǎn)接地示意圖，圖a為兩點(diǎn)接地；圖b為一點(diǎn)接地。圖6-11測量系統(tǒng)接地示意圖02December2024信號(hào)導(dǎo)線屏蔽層一點(diǎn)接地

如前所述，信號(hào)導(dǎo)線必須屏蔽和屏蔽層接地，否則沒有抑制串模干擾的效果，而且屏蔽層也應(yīng)一點(diǎn)接地。那么，屏蔽層又該接到哪一點(diǎn)才適合呢？應(yīng)該遵循下列兩個(gè)原則：當(dāng)有一個(gè)不接地的信號(hào)源與一個(gè)接地的放大器相連接時(shí)，信號(hào)導(dǎo)線屏蔽層應(yīng)接放大器的公共端，見圖6-12a。當(dāng)一個(gè)接地的信號(hào)源與不接地的放大器連接時(shí)，即使信號(hào)源接的不是大地，信號(hào)導(dǎo)線屏蔽層也應(yīng)接至信號(hào)源的公共端，見圖6-12b。圖6-12信號(hào)導(dǎo)線屏蔽層一點(diǎn)接地02December2024雙層屏蔽浮置技術(shù)

所謂浮置是指利用絕緣物體（黃臘綢、云母等）將儀表內(nèi)的放大器、印刷電路板等與導(dǎo)電的外殼、底板等隔離起來。儀表內(nèi)的放大器經(jīng)浮置后放大器的電位參考點(diǎn)(或公共地)不接外殼，也不接大地，因此浮置也稱為浮地、浮空或浮接。為提高測量儀表共模干擾能力，最廣泛應(yīng)用的是采用雙層屏蔽浮置技術(shù)，其原理見圖6-13。圖6-13雙層屏蔽浮置原理示意圖02December2024應(yīng)用平衡電路為提高測量系統(tǒng)的抗共模干擾能力，采用平衡措施也是重要手段之一。一個(gè)測量系統(tǒng)的平衡程度取決于信號(hào)源、信號(hào)導(dǎo)線以及負(fù)載的平衡。負(fù)載平衡

為使負(fù)載平衡可應(yīng)用平衡輸入放大器，例如差分放大器、測量放大器、

AD521、AD624等。圖6-14為平衡輸入放大器原理示意圖。信號(hào)源平衡

見圖6-16。信號(hào)導(dǎo)線平衡一對(duì)扭絞

的信號(hào)導(dǎo)線，它對(duì)電和

磁的耦合都能起到較好

的防護(hù)作用。圖6-16信號(hào)源平衡與負(fù)載平衡，Ucd＝002December20246.2.3電源引入干擾的抑制在儀表內(nèi)部，一種主要的干擾是來自小功率變壓器產(chǎn)生的漏電流。它是由電網(wǎng)的相電壓通過變壓器一、二次側(cè)間存在的分布電容的靜電耦合進(jìn)入二次側(cè)繞組的，進(jìn)而到儀表電路中，甚至進(jìn)入信號(hào)源再到地產(chǎn)生泄漏電流，見圖6-17a。這往往產(chǎn)生50Hz且與信號(hào)電壓疊加的工頻干擾。圖6-17電源變壓器引入的干擾a)無屏蔽變壓器

b)、c)單層屏蔽變壓器02December2024為了防止這種干擾，可將電源變壓器一次側(cè)繞組放在屏蔽層內(nèi)，并將屏蔽層接地。此時(shí)，變壓器一次側(cè)的相電壓通過對(duì)屏蔽層的分布電容，使漏電流直接流入地，而不再流入放大器和信號(hào)源中產(chǎn)生干擾。但是有了接地的屏蔽層后，變壓器二次側(cè)繞組的電壓也會(huì)產(chǎn)生干擾，見圖6-17b和c。為避免由電源引入的干擾，應(yīng)將電源變壓器采用雙層屏蔽。除變壓器一次側(cè)屏蔽層外，給二次側(cè)繞組也用一單獨(dú)的屏蔽層，并將屏蔽層接至電源負(fù)端，見圖6-18。這時(shí)電源電壓不會(huì)在儀表的測量電路中產(chǎn)生漏電流。為了提高儀表對(duì)共模干擾的抑制能力,電源變壓器往往采用三層屏蔽。其各屏蔽層的接法如下：一次側(cè)繞組屏蔽層接電網(wǎng)地(即大地)；中間屏蔽層接儀表金屬外殼；二次側(cè)繞組屏蔽層接電源負(fù)端。圖6-18雙層屏蔽的電源變壓器02December20246.2.4其他抑制干擾的措施為了切斷共模干擾的電流回路，可采用各種隔離器件，如光耦合器、耦合變壓器等。對(duì)于脈沖電路中的噪聲抑制，可以采用穩(wěn)壓管或二極管組成的脈沖干擾隔離門，阻斷幅值較小的干擾脈沖。對(duì)于幅值和寬度都大于正常脈沖信號(hào)的干擾，則需采取相關(guān)量法來解決。相關(guān)量法的基本思路是，找出脈沖信號(hào)相關(guān)量，相關(guān)量與脈沖信號(hào)同時(shí)作用到與門上，僅當(dāng)兩輸入皆有信號(hào)時(shí)，才能使與門打開送出脈沖信號(hào)，這樣就抑制了干擾脈沖。02December2024為了能有效地抑制干擾一般應(yīng)遵循以下原則：電路元件的安裝位置應(yīng)盡量根據(jù)信號(hào)的傳輸順序排成一直線的走向，即按輸入級(jí)、放大級(jí)、信號(hào)轉(zhuǎn)換級(jí)、輸出級(jí)的次序安排。不要相互交叉和混合安排，防止引起寄生耦合，避免造成互相干擾或產(chǎn)生自激振蕩。對(duì)于電磁感應(yīng)耦合元件（如變壓器、扼流圈、振蕩線圈等)）的安裝位置應(yīng)遠(yuǎn)離輸入級(jí)。高輸入阻抗放大器輸入級(jí)的印刷電路板走線應(yīng)設(shè)計(jì)屏蔽保護(hù)環(huán)，防止漏電流經(jīng)線路絕緣電阻流入輸入端。低電平測量電路中的電源變壓器和輸入變壓器除相互遠(yuǎn)離外，還必須加屏蔽罩。電路較復(fù)雜、單元電路較多的儀表,可將有關(guān)單元電路分塊裝配，必要時(shí)