《傳感器與信號調(diào)理技術(shù)》課件第10章

第10章抗干擾技術(shù)10.1干擾的來源及干擾的耦合方式10.2差模干擾和共模干擾10.3干擾抑制技術(shù)

10.1干擾的來源及干擾的耦合方式

10.1.1干擾的來源

1.外部干擾

外部干擾主要來自于自然界以及檢測裝置周圍的電氣設備，是由使用條件和外部環(huán)境決定的，與系統(tǒng)裝置本身的結(jié)構(gòu)無關。

2.內(nèi)部干擾

內(nèi)部干擾是由裝置內(nèi)部的各種元器件引起的，它包括固定干擾和過渡干擾。過渡干擾是電路在動態(tài)工作時引起的干擾。固定干擾包括電阻中隨機性電子熱運動產(chǎn)生的熱噪聲；半導體及電子管內(nèi)載流子隨機運動引起的散粒噪聲；由于兩種導電材料之間不完全接觸時，接觸面電導率的不一致而產(chǎn)生的接觸噪聲，如繼電器的動靜觸頭接觸時發(fā)生的噪聲等；因布線不合理，寄生振蕩引起的干擾；熱騷動的噪聲等。

3.噪聲與信噪比

噪聲就是電路系統(tǒng)中混進去的無用信號。通常所說的干擾就是噪聲造成的不良效應。噪聲和有用信號的區(qū)別在于，有用信號可以用確定的時間函數(shù)來描述，而噪聲則不可以用預先確定的時間函數(shù)來描述。噪聲屬于隨機過程，必須用描述隨機過程的方法來描述，分析方法亦應采取隨機過程的方法來分析。所謂信噪比，是指在通道中有用信號成分與噪聲信號成分之比。設有用信號功率為PS，有用信號電壓為US；噪聲功率為PN，噪聲電壓為UN，則有

(10-1)

上式表明，信噪比越大，表示噪聲的影響越小。因此，在檢測系統(tǒng)應盡量提高電路的信噪比。10.1.2干擾的耦合方式及傳輸途徑

干擾必須通過一定的耦合通道或傳輸途徑才能對檢測裝置的正常工作造成不良影響。也就是說，造成對檢測系統(tǒng)正常工作影響的干擾必須具備3個條件：

(1)一般要具備產(chǎn)生噪聲或干擾的源；

(2)對噪聲或干擾敏感的受擾設備；

(3)從噪聲或干擾源到受擾設備之間的耦合或輻射通道。耦合或輻射通道的表現(xiàn)形式一般包括靜電耦合、電磁耦合、共阻抗耦合和漏電流耦合等。

1.靜電耦合

靜電耦合是由于兩個電路之間存在著寄生電容，使一個電路的電荷影響到另一個電路。靜電耦合傳輸干擾可用圖

10-1所示的等效電路來表示。圖中，En為干擾源電壓；Zi為

被干擾電路的輸入阻抗；Cm為造成靜電耦合的寄生電容。圖10-1靜電耦合等效電路根據(jù)圖10-1所示的等效電路，很容易寫出在Zi上干擾電壓的表達式

(10-2)

式中，ω為干擾源En的角頻率?？紤]到，在一般情況下有

|jωCmZi|<<1，故上式可以簡化為

(10-3)圖10-2所示為儀表測量線路受靜電耦合而產(chǎn)生干擾的示意圖及等效電路。圖中，A導體為對地具有電壓En的干擾源，B為受干擾的輸入測量電路導體，Cm為A與B之間的寄生電容，Zi為放大器輸入阻抗，Unc為測量電路輸出的干擾電壓。設Cm=0.01pF，Zi=0.1MΩ，k=100，En=5V，f=1MHz，則有

Uni=5×2π×106×0.01×10－12×105V=31.4mV

而經(jīng)放大器后的干擾電壓為

Unc=kUni=3.14V

顯而易見，這樣大的干擾電壓是不能容忍的。圖10-2靜電耦合對測量電路的干擾

2.電磁耦合

電磁耦合產(chǎn)生的干擾可用圖10-3所示的電路來表示。圖中，In為電路A中的干擾電流源，M為干擾源電路和受干擾電路間的等效互感，Unc為電路B中受干擾后引起的感應干擾電壓。根據(jù)交流電路理論和等效電路可知

Unc=jωMIn

(10-4)

由此可見，受干擾電路所感受到的干擾電壓Unc正比于干擾源的電流In、干擾源的角頻率ω和互感M。圖10-3電磁耦合及等效電路圖10-4是交流電橋測量電路受電磁耦合干擾的示意圖。

圖中，Uo為電橋輸出的不平衡電壓，交流供電電源頻率為

10kHz，導線A在電橋附近產(chǎn)生干擾磁場，并耦合到電橋測

量電路上，若In=10mA，M=0.1mH，干擾源的頻率與交流供電電源頻率相同，則由式(10-4)可得

Unc=ωMIn=2π×104×0.1×10－6×10×10－3V

=62.8mV

可見，電磁耦合還是很嚴重的。圖10-4電磁耦合對交流電橋的干擾

3.共阻耦合

共阻耦合干擾是由于兩個以上電路有公共阻抗，當一

個電路中的電流流經(jīng)公共阻抗產(chǎn)生壓降時，就會形成對其

他電路的干擾電壓。共阻耦合等效電路可用圖10-5表示，

Zc表示兩個電路之間的共有阻抗，In表示干擾源的電流，

Unc表示受干擾電路的干擾電壓。很容易求出受干擾電路的干擾電壓為

Unc=InZc

(10-5)圖10-5共阻耦合等效電路圖共阻耦合干擾在測量儀表的放大器中是很常見的干擾，下面以電源內(nèi)阻的共阻耦合干擾為例來分析其影響。圖10-6

表示兩組3級放大器電路由同一直流電源E供電，由于電源具

有內(nèi)阻抗Zc，當上面的放大器輸出電流i1流過Zc時，就會在

Zc上產(chǎn)生Unc=i1Zc的電壓，此電壓通過電源線傳到下面的

放大器，從而對下面的放大器產(chǎn)生干擾。圖10-6電源內(nèi)部產(chǎn)生的共阻抗干擾

4.漏電流耦合

漏電流耦合干擾是由于絕緣不良，流經(jīng)電路間的漏電阻Rn的漏電流所引起的干擾。圖10-7所示為漏電流引起干擾的等效電路。圖中，En表示噪聲電動勢，Rn為漏電阻，Zi為漏電流流入電路的輸入阻抗，Unc為干擾電壓。很容易求出受干擾電路的干擾電壓為

(10-6)

圖10-7漏電流干擾等效電路例如，直流放大器的輸入阻抗Zi=108Ω，干擾源電動勢En=15V，絕緣電阻Rn=1010Ω，則由于漏電阻耦合產(chǎn)生的干擾電壓為

從上面的計算可知，對于高輸入阻抗放大器，即使有微弱的漏電流干擾，也會造成比較嚴重的后果，所以，必須提高與輸入端有關電路的絕緣水平。

10.2差模干擾和共模干擾

10.2.1差模干擾

差模干擾又稱串模干擾、正態(tài)干擾、常態(tài)干擾或橫向干擾等，是指干擾電壓與有用信號串聯(lián)疊加后作用到檢測裝置的輸入端，差模干擾的等效電路如圖10-8所示。圖10-8差模干擾等效電路圖10-9所示是一種常見的外來交變磁通對傳感器的一端進行電磁耦合而產(chǎn)生差模干擾的典型例子。外交變磁通Φ穿過一條傳輸線，產(chǎn)生的感應干擾電動勢Unm便與熱電耦電動勢

eT相串聯(lián)。圖10-9產(chǎn)生差模干擾的范例10.2.2共模干擾

共模干擾又稱縱向干擾、對地干擾、同相干擾或共態(tài)干擾等，是指檢測裝置的兩個輸入端對地共有的干擾電壓。這種干擾可以是直流電壓，也可以是交流電壓，其幅值可達毫伏甚至更高。造成共模干擾的主要原因是被測信號的參考接地點和檢測裝置輸入信號的參考接地點不同，從而在兩接地點形成共模干擾電壓Ucm，如圖10-10(a)所示。當信號輸入電路不對稱時，此共模干擾會轉(zhuǎn)化為差模干擾，從而影響測量結(jié)果，其等效電路如圖10-10(b)所示

。圖10-10共模干擾的形成在圖10-10(b)中，共模干擾電壓Ucm對兩個輸入端A、B形成兩個電流回路，每個輸入端的共模電壓分量為

因此在兩個輸入端之間受到的共模干擾電壓影響的大小為

(10-7)

10.2.3共模干擾抑制比

由于共模干擾只有轉(zhuǎn)換成差模干擾才會對檢測裝置產(chǎn)生影響，為了衡量系統(tǒng)共模干擾轉(zhuǎn)換成差模干擾的大小及抑制共模干擾的能力，引入了共模抑制比的概念。共模抑制比定義為作用于檢測系統(tǒng)的共模信號與將此共模信號轉(zhuǎn)換成對系統(tǒng)有影響的差模信號值之比。通常用對數(shù)形式表示為

(10-8)

10.3干擾抑制技術(shù)

10.3.1屏蔽技術(shù)

1.屏蔽的原理

屏蔽的抗干擾功能基于屏蔽容器殼體對干擾信號的反射與吸收作用。如圖10-11所示，P1為干擾的入射能量，R1為干擾在第一邊界上的反射能量，R2為干擾在第二邊界面上被反射與在屏蔽層內(nèi)被吸收的能量，P2為干擾透過第二邊界面后的剩余能量。如果屏蔽形式與材料選擇得好，可使由屏蔽容器外部進入其內(nèi)部的干擾能量P2明顯小于P1，或者使從屏蔽內(nèi)部干擾源逸出到容器外面的干擾能量顯著減小。圖10-11電磁屏蔽原理

2.屏蔽的結(jié)構(gòu)形式與材料

屏蔽結(jié)構(gòu)形式主要有屏蔽罩、屏蔽柵網(wǎng)、屏蔽銅箔、隔離倉和導電涂料等。屏蔽罩一般用無孔隙的金屬薄板制成。屏蔽柵網(wǎng)一般用金屬編制網(wǎng)或有孔金屬薄板制成。屏蔽銅箔一般是利用多層印制電路板的一個銅箔面作為屏蔽板。隔離倉是將整機金屬箱體用金屬板分隔成多個獨立的隔倉，從而將各部分電路分別置于各個隔倉之內(nèi)，用以避免各個電路部分之間的電磁干擾與影響。導電涂料是在非金屬的箱體內(nèi)、外表面上噴一層金屬涂層。

3.屏蔽的方式

1)靜電屏蔽

在靜電場的作用下，導體內(nèi)部無電力線，即各點等電位。通常采用導電性能良好的金屬作屏蔽盒，一般情況下接大地，使其內(nèi)部的電力線不外傳，同時也不使外部的電力線影響其內(nèi)部。靜電屏蔽能防止靜電場的影響，用它可以消除或削弱兩電路之間由于寄生分布電容耦合而產(chǎn)生的干擾。

2)電磁屏蔽

電磁屏蔽采用導電良好的金屬材料做成屏蔽層，利用高頻干擾電磁場在屏蔽體內(nèi)產(chǎn)生渦流，再利用渦流消耗高頻干擾磁場的能量，從而削弱高頻電磁場的影響。若將電磁屏蔽層接地，同時兼有靜電屏蔽的作用。也就是說，用導電良好的金屬材料做成的接地電磁屏蔽層，可同時起到靜電屏蔽和電磁屏蔽兩種效果。

3)低頻磁屏蔽

電磁屏蔽對低頻磁場干擾的屏蔽效果是很差的，因此對低頻磁場的屏蔽要用高導磁材料作屏蔽層，以便將干擾磁通限制在磁阻很小的磁屏蔽體的內(nèi)部，防止其干擾。同時，高導磁材料的屏蔽層要有一定的厚度，以減少磁阻。

4)驅(qū)動屏蔽

驅(qū)動屏蔽的目的是通過電路的手段使被屏蔽導體的電位與屏蔽導體的電位相等。其原理如圖10-12所示。圖10-12驅(qū)動屏蔽示意圖10.3.2接地技術(shù)

1.“地線”的種類

1)信號地線

2)功率地線

3)交流電源地線

4)系統(tǒng)基準地線

2.接地的方式

1)直接接地

直接接地指電路系統(tǒng)的零信號電位公共線直接與大地相連，它適用于大規(guī)模的或高速高頻的電路系統(tǒng)，因為大規(guī)模的電路系統(tǒng)對地分布電容較大，只要合理地選擇接地位置，直接接地可消除分布電容構(gòu)成的公共阻抗耦合，有效地抑制噪聲，并同時起到安全接地的作用。

2)懸浮接地(簡稱浮地)

懸浮接地即各個電路部分零信號電位公共線通過低電阻導體與電氣設備的金屬底板或金屬外殼實施連接，電氣設備的金屬底板或金屬外殼是各回路工作的參考電位即零電平電位，但不連接到大地，懸浮接地的優(yōu)點是不受大地電流的影響。

3)一點接地

各個電路或一個電路內(nèi)部各部件的零電位點通過一個(節(jié))點與地相連。一點接地有串聯(lián)式(干線式)接地方式和并聯(lián)式(放射式)接地方式兩種情況。從電路結(jié)構(gòu)來看，有多級電路的

一點接地方式和單級電路的一點接地方式。

圖10-13所示為多級電路的一點接地方式。圖10-13多級電路的一點接地方式圖10-14所示為單級電路的一點接地方式，圖10-14(a)所示為串聯(lián)式接地，圖10-14(b)所示為并聯(lián)式接地。圖10-14單級電路的一點接地方式

4)多點接地

多點接地方式如圖10-15所示，各個電路或一個電路內(nèi)部各部件的零電位點都有獨立的接地連接，連接線的阻抗分別為Z1、Z2、Z3。圖10-15多點接地方式

5)抑制干擾接地

電氣設備中的某些部分與大地連接,可起到抑制干擾的作用。如大功率電路的接地可減小電路對其他電路的電磁沖擊與噪聲干擾，屏蔽殼體、屏蔽網(wǎng)罩或屏蔽隔板的接地可避免電荷積聚引起的靜電效應，提高抑制干擾的效果等。

6)安全保護接地

當電氣設備的絕緣因機械損傷，過電壓等原因被損壞，或無損壞但處于強電磁環(huán)境時，電氣設備的金屬外殼、操作手柄等部分會出現(xiàn)相當高的對地電壓，危及操作維修人員的安全。若將電氣設備的金屬底板或金屬外殼與大地實施連接，可消除觸電危險。在進行安全接地連接時，要保證較小的接地電阻和可靠的連接方式，防止日久失效。另外要堅持獨立接地，即將接地線通過專門的低阻導線與近處的大地實施連接。

3.常見電路及用電設備的接地方式

1)印制電路板內(nèi)的接地方式

在印制板內(nèi)的接地原則是，高頻電路應就近多點接地，低頻電路應一點接地。

2)傳感器電路的接地方式

圖10-16所示為傳感器電路的接地方式。圖10-16傳感器電路的接地方式

3)電纜屏蔽層的接地方式

如果檢測電路是一點接地，電纜屏蔽層也應一點接地。

如果信號源不接地，而測量電路(放大器)接地時，電纜屏蔽

層應接到測量電路的接地端。圖10-17和圖10-18中信號源不

接地，而測量電路接地。圖10-17電纜屏蔽層不正確的接地方式圖10-18電纜屏蔽層正確的接地方式如果信號源接地，而測量電路不接地時，電纜屏蔽層

應接到信號源的接地端。圖10-19和圖10-20所示為信號源接地，而測量電路不接地的檢測系統(tǒng)。在圖10-19中，共模干

擾電壓Ucm在檢測電路輸入端要產(chǎn)生差模干擾電壓U12，而在圖10-20中，差模干擾電壓U12≈0，因而圖10-20是正確的接

地方式。圖10-19電纜屏蔽層不正確的接地方式圖10-20電纜屏蔽層正確的接地方式10.3.3浮空技術(shù)

圖10-21所示為常用的浮空加保護屏蔽的方式。圖中，檢測電路有兩層屏蔽，因檢測電路與內(nèi)保護屏蔽層不相連接，因此屬于浮置輸入。信號屏蔽線外皮A點接保護屏蔽層G點，r3為雙芯屏蔽線外皮電阻，Z3為保護屏蔽層相對機殼的絕緣阻抗，機殼B點接地。圖10-21浮空加保護屏蔽方式共模電壓Ucm先經(jīng)r3、Z3分壓后，再由r1、r2、Z1、Z2分

壓后才形成Unm，即

(10-9)10.3.4隔離技術(shù)

在直流或低頻測量系統(tǒng)中，多采用光電耦合的隔離方法，如圖10-22所示。光耦合由發(fā)光二極管和光敏晶體管組成。若發(fā)光二極管有信號輸入，它就輸出與電流大小成正比的光通量，光敏晶體管把光通量變成相應的電流。由于采用了光的耦合，從而完全隔離了前后兩個電路上的電氣聯(lián)系。圖10-22光電耦合原理框圖10.3.5布線技術(shù)

1.印制電路板上的布線技術(shù)

設計裝配密度很高的印制電路板時應注意降低電源線和地線的阻抗，對公共阻抗、串擾和反射等引起的波形崎變和振蕩現(xiàn)象要采取必