《電氣測試技術第5版》 課件 6.0第6章 抗干擾技術

02December2024第6章抗干擾技術02December2024第6章抗干擾技術抗干擾技術在電子測量及自動控制系統(tǒng)中是一個不容忽視的重要問題。因為干擾不僅會影響測量精度，嚴重時甚至會使儀表無法正常工作；在自動控制系統(tǒng)中，干擾輕則影響控制精度,降低產品質量,重則使系統(tǒng)控制失靈,損壞設備造成事故,因此,采用適當的抗干擾措施,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的途徑，以便采取有效的措施加以防護。02December20246.1干擾源與干擾耦合方式所謂干擾，就是指影響測量結果或作用于控制系統(tǒng)的各種無用信號。產生干擾信號的干擾源一般可分為外部干擾和內部干兩種。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備運行產生的干擾。1.自然干擾各種自然現象,如閃電、雷擊、宇宙射線、環(huán)境（溫度、濕度等）變化均可產生自然干擾。2.各種電氣設備運行產生干擾各種電氣設備運行產生的干擾是電磁干擾。6.1.1.2內部干擾內部干擾主要是指測量電路內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生的干擾，必然要經過各種耦合通道進入測量電路而影響測量結果。換句話說，就是形成干擾影響必須具備三個要素：干擾源、干擾的耦合通道、被干擾對象。因此研究和分析干擾的傳輸途徑，對于抑制和消除干擾的重要的，而切斷干擾傳輸的途徑是抑制、削弱干擾的重要手段之一。02December2024靜電耦合（電容性耦合）由于兩個電路之間存在著分布電容，當其中一個電路的電位發(fā)生變化時，該電路的電荷會通過分布電容傳送到另一個電路，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）當兩個電路之間有互感存在時，一個電路中的電流產生變化會通過磁場耦合到另一個電路。例如，檢測信號線處于強磁場或通過大電流電網附近時，會產生磁場耦合而出現干擾信號。電氣設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生是由于兩個以上的電路有共阻抗。當一個電路中的電流流經共阻抗生產電壓降時，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。通過電源內阻的共阻抗耦合干擾多級放大器或多個單元測量電路共用一個電源時，會產生共阻抗干擾。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接地，各級電流流經公共地線時，在地線電阻上產生電壓降，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接地，即將每一單元電路接地點匯成一點，然后再將各接地點接到公共地線上去。02December20246.1.3儀表內部的干擾儀表內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。當噪聲電壓使電路和不能正常工作時，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。散粒噪聲在半導體元件內，散粒噪聲是通過晶體管某區(qū)的載流子的隨機擴散以及電于一空穴對隨機產生和復合而形成的。接觸噪聲接觸噪聲是由于兩種材料之間的不完全接觸，從而形成電導率的起伏而產生的。02December20246.2干擾抑制技術工程測量中，可能會碰到各種各樣的干擾，根據干擾在測量電路輸入端的作用方式及其與信號電壓的關系，可以將干擾信號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之上，它一旦產生，其有害作用往往不大容易消除。因此，首先應防止它的產生。信號導線扭絞圖6-6信號線絞接、屏蔽和接地由于把信號導線扭絞在一起能使信號回路所包圍的面積大為減少，而且使兩根信號導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入信號回路的串模干擾大為減小。若把雙絞信號導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屏蔽技術屏蔽技術是抑制電場、磁場耦合干擾的重要措施。根據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，可用一層金屬網將信號導線包圍起來,這層金屬網即屏蔽層,見圖6-7。高頻磁屏蔽高頻磁屏蔽是利用導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。低頻磁屏蔽導電性良好的金屬箔對低頻磁場干擾的抑制效果很差。驅動靜電屏蔽02December2024濾波技術在工程測量中，串模干擾主要是50Hz的工頻干擾。常用的R-C無源濾波器的內阻較大和有一定的損耗，因此并不適用。對消方法利用雙積分式A/D轉換器，因為它是對輸入信號的平均值

而不是瞬時值進行A/D轉換的，只要采樣時間T1是工頻周期的整數倍，從理論上來說對工頻干擾具有無窮的抑制能力。注意信號導線遠離動力線特別不允許信號導線與動力線平行敷設，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。共模干擾是相對于公共的電位基準地（接地點），在信號接收器的兩輸入端同時出現的干擾。共模干擾只有在轉化為差模干擾后，才對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算在測量電路和儀表受共模干擾作用后，只有當共模干擾轉換為差模干擾時，才會對測量電路或儀表產生有害的影響。即測量電路或儀表受共模干擾影響的大小，取決于共模干擾轉換為差模干擾的轉換率。為了表征測量電路或儀表對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共模干擾抑制技術接地技術

在抗干擾措施中接地是與屏蔽緊密相關的，無論是電纜屏蔽還是屏蔽罩都必須有一個適當的接地點，才能有效地抑制干擾。一點接地準則

如果一個測量系統(tǒng)分別設有信號地線（信號公共基準零電位），又有交流地線和安全保護地線時，則需將三種地線連在一起，再通過一點接地。這就是一點接地的準則，其原理見圖6-10。圖6-10一點接地準則02December2024測量系統(tǒng)一點接地

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

如前所述，信號導線必須屏蔽和屏蔽層接地，否則沒有抑制串模干擾的效果，而且屏蔽層也應一點接地。那么，屏蔽層又該接到哪一點才適合呢？應該遵循下列兩個原則：當有一個不接地的信號源與一個接地的放大器相連接時，信號導線屏蔽層應接放大器的公共端，見圖6-12a。當一個接地的信號源與不接地的放大器連接時，即使信號源接的不是大地，信號導線屏蔽層也應接至信號源的公共端，見圖6-12b。圖6-12信號導線屏蔽層一點接地02December2024雙層屏蔽浮置技術

所謂浮置是指利用絕緣物體（黃臘綢、云母等）將儀表內的放大器、印刷電路板等與導電的外殼、底板等隔離起來。儀表內的放大器經浮置后放大器的電位參考點(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，最廣泛應用的是采用雙層屏蔽浮置技術，其原理見圖6-13。圖6-13雙層屏蔽浮置原理示意圖02December2024應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。一個測量系統(tǒng)的平衡程度取決于信號源、信號導線以及負載的平衡。負載平衡

為使負載平衡可應用平衡輸入放大器，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。信號源平衡

見圖6-16。信號導線平衡一對扭絞

的信號導線，它對電和

磁的耦合都能起到較好

的防護作用。圖6-16信號源平衡與負載平衡，Ucd＝002December20246.2.3電源引入干擾的抑制在儀表內部，一種主要的干擾是來自小功率變壓器產生的漏電流。它是由電網的相電壓通過變壓器一、二次側間存在的分布電容的靜電耦合進入二次側繞組的，進而到儀表電路中，甚至進入信號源再到地產生泄漏電流，見圖6-17a。這往往產生50Hz且與信號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繞組放在屏蔽層內，并將屏蔽層接地。此時，變壓器一次側的相電壓通過對屏蔽層的分布電容，使漏電流直接流入地，而不再流入放大器和信號源中產生干擾。但是有了接地的屏蔽層后，變壓器二次側繞組的電壓也會產生干擾，見圖6-17b和c。為避免由電源引入的干擾，應將電源變壓器采用雙層屏蔽。除變壓器一次側屏蔽層外，給二次側繞組也用一單獨的屏蔽層，并將屏蔽層接至電源負端，見圖6-18。這時電源電壓不會在儀表的測量電路中產生漏電流。為了提高儀表對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：一次側繞組屏蔽層接電網地(即大地)；中間屏蔽層接儀表金屬外殼；二次側繞組屏蔽層接電源負端。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。對于幅值和寬度都大于正常脈沖信號的干擾，則需采取相關量法來解決。相關量法的基本思路是，找出脈沖信號相關量，相關量與脈沖信號同時作用到與門上，僅當兩輸入皆有信號時，才能使與門打開送出脈沖信號，這樣就抑制了干擾脈沖。02December2024為了能有效地抑制干擾一般應遵循以下原則：電路元件的安裝位置應盡量根據信號的傳輸順序排成一直線的走向，即按輸入級、放大級、信號轉換級、輸出級的次序安排。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生自激振蕩。對于電磁感應耦合元件（如變壓器、扼流圈、振蕩線圈等)）的安裝位置應遠離輸入級。高輸入阻抗放大器輸入級的印刷電路板走線應設計屏蔽保護環(huán)，防止漏電流經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離外，還必須加屏蔽罩。電路較復雜、單元電路較多的儀表,可將有關單元電路分塊裝配，必要時