第八章 抗干扰技术2003

1、电气测量中的抗干扰技术电气测量中的抗干扰技术 几种典型的电气干扰几种典型的电气干扰 第一节第一节 电容耦合及其抗干扰对策电容耦合及其抗干扰对策 电场分析方法电场分析方法-静电场耦合静电场耦合 首先从空间电场的角度来分析交流电系统和测量系统的耦合。 通常，交流高压线在对地电压为U,在高压线和大地间建立了电 场E，定性分析时，认为E等于电压U和高压线距离地面的高度 h的比值，即E=U/d。处于该电场中的导体的电位Ux正比于电 场E和地面间距离的乘积。 电路分析方法电路分析方法-电容耦合电容耦合 再从电路的角度来分析两个系统的电容耦合效应 。处于不同电位的交流电导体和测量仪器导体以 及它们之间的空气

2、介质就构成了分布式的杂散电 容，当两个导体间的电压发生变化时，从电路上 理解，就是在电容的两个电极间出现了电容电流 。 所以，严格地讲，电气测量系统本身并非是一个 孤立的电系统。在强电环境下，工频交流电压对 测量仪器的电路间存在电场或电容耦合，这种耦 合有时即便在市电环境下也不容忽视，特别是当 交流电压很高时，这种耦合作用就更强。 电场或电容耦合对实际测量造成的影响电场或电容耦合对实际测量造成的影响 杂散电容CAH、CBH、CAL、CBL以及Ce一般在几个到几十pF， 这些电容的容抗约为105数量级。差动运放输入电阻Ri1一般 在109以上，忽略差动运放的输入对地阻抗，并假设信号源 输出为零，

3、可得到： U C C U CC C U AH AL ALAH AH A 1 1 U C C U CC C U BH BL BLBH BH B 1 1 输入到测量差分放大电路的差分电压为UAB=UA-UB： U C C C C U BH BL AH AL AB) 1 1 1 1 ( BH BL AH AL C C C C 只有 时，UAB=0 2 AH AL C C 假如： 01. 2 BH BL C C UUAB 903 1 采用静电屏蔽层来隔离电场耦合的干扰采用静电屏蔽层来隔离电场耦合的干扰 采用导电性能好的导体作为信号电缆的屏蔽层， 如铜网或铝网。虽然信号线与接地屏蔽层之间有 分布电容，但

4、整个屏蔽层通过固定接地成为一个 等电位（零电位）体，电缆内部就与外电场隔离 。 注意图中信号电缆的屏蔽层 只在测量仪器一端接地，而 传感器不接地，防止由于两 点接地引入额外的接地电位 差耦合到测量仪器。 第二节第二节 磁场耦合及其抗干扰对策磁场耦合及其抗干扰对策 图中测量仪表的输入回路由传感器、连接导线A、B 和放大电路的输入阻抗构成一个闭合回路，附近的 交流电流 产生的交变的磁场穿过该闭合回路而发生 交链，根据法拉第电磁感应定律，回路中将有感应 电动势e产生。 dt dB S dt d e )( 2 )(ti r rB dt di M dt di r S e 2 tIti m sin)( t

5、 r IS e m cos 2 设 防磁场（互感）耦合的措施防磁场（互感）耦合的措施 尽可能减小感应回路的面积S（最容易办到） 具体措施有：信号源尽可能靠近测量仪表，导线A、B尽可能 短并且靠近，如双绞线输入，使用双绞线输入另外的好处则可 以使相反交链的磁通量相互抵消 增加耦合距离r 采用磁屏蔽切断磁耦合路径 屏蔽磁场的基本原理是利用导磁率高的磁性材料制成封闭的屏 蔽罩，屏蔽罩为外部磁场（或磁力线）提供低阻通道，使外部 磁场基本被屏蔽罩收集而不通过屏蔽罩的内部空间。 测量仪器放置在磁场较弱的区域 电流进线和回线所围成的区域之外，由于相反方向电流产生的 磁场有部分相互抵消，而电流进线和回线所围成

6、的区域内部的 磁场同向叠加而被加强。 第三节第三节 共阻抗耦合及抗干扰对策共阻抗耦合及抗干扰对策 冲击负载电流通过电源内阻抗冲击负载电流通过电源内阻抗 影响测量仪器的供电质量影响测量仪器的供电质量 交流供电电源（例如配电变压器）可用下图中的戴维南等效电 路来表示，UAC为交流电压源，ZK代表交流电压源的内阻抗， 包括交流配电变压器的短路阻抗和线路阻抗, 假设ZK=5%。图 中除采用交流供电的测量仪器外，只画有一台电动机M，当电 动机M的额定容量达到供电变压器容量的20%以上时，在电动 机启动瞬间，假设其启动电流为额定电流的10倍，此时电动机 可近视看成一个冲击性负载，电动机启动时刻的冲击电流将

7、使 得电源内阻抗上的压降增大到1020% ZK=10%，输出电压 Uo下降约10%。其它负载包括测量仪器的供电电压将出现10% 的短时电压降落，如果这种情况频繁出现，对其它用电设备将 造成供电质量的下降。 图中所描述的用电设备之间的耦合是通过变压器的短路阻抗耦 合的，这个阻抗可以看成是该供电电源范围内所有用电设备的 公共阻抗，所以这类耦合也称共阻抗耦合。 使用设计完善的稳压电源，减小交流电源电压波 动对测量仪器造成干扰。 对大功率的电动机，加装软启动装置，减小启动 电流对配电系统的冲击。 测量仪器内部不同电路环节间测量仪器内部不同电路环节间 通过直流稳压电源内阻抗的耦合通过直流稳压电源内阻抗的

8、耦合 共阻抗耦合说明共阻抗耦合说明 图中代表了由直流稳压电源供电的数字测量仪器的一般构成 ，运放代表测量仪器的模拟电路部分，MCU代表测量仪器的 数字部分，4-bit的A/D作为模拟和数字电路的中间环节。这 三部分电路由一个直流稳压电源供电，电源的内阻为Rs。模 拟电路和数字电路集成电路中，最基本的元件是晶体管或 MOS管。模拟电路中晶体管工作在线性放大区域，而数字电 路中的晶体管工作饱和导通或截止两者之一。由于MCU中的 数字时序逻辑电路总在一定的高频时钟同步下输出不断翻转 ，其工作电流也就会出现与时钟频率同步的高频纹波。这个 高频纹波电流流过系统的公共阻抗Rs，电源的输出Uo就会 含有高频

9、纹波成分，数字逻辑电路对这种小的纹波电压并不 敏感，但模拟电路却不同。放大电路的直流电源电压出现高 频的波动，会直接在输出中有所反映，从而造成测量误差。 共阻抗耦合的去耦共阻抗耦合的去耦 一般数字集成电路产生的高频纹波电流幅值一般不超过mA 级，针对这一特点，常用的简易办法是使用电容退耦或去耦 。其原理是在数字集成电路的电源和地之间并联10uF的电 解电容和0.1uF的无感电容，由这些电容提供数字集成电路 内门电路翻转时所需的部分电流，减小对电源的依赖，从而 削弱与其它电路的耦和。 更好的办法是数字电路和模拟电路分别使用独立的直流稳压 电源供电，模拟地和数字地分开。A/D作为模拟电路和数字 电

10、路的中间连接环节，一般都设有独立的模拟电源和数字电 源管脚，模拟电路和数字电路的公共端只在A/D的模拟地和 数字地相连。 采用独立的模拟和数字电源去耦 第三节第三节 共模干扰及其对策共模干扰及其对策 共模信号如何转变成差模干扰？共模信号如何转变成差模干扰？ 2.如果将图中的输入阻抗ZA、ZB及对地阻抗ZAE、ZBE也考虑起来，则差分 放大器的输入电压将为VAB： U 2 0 0 ZZ ZZ VC U 2 0 0 ZZ ZZ VD 考虑ZZ0，VC和VD可化 简为： U 2 U 2 1 U 2 00 0 C Z Z Z ZZ V U 2 U 2 1 U 2 00 0 Z Z Z ZZ VD C、

11、D两点都有共同的对地分量 U/2， 即共模分量UCM。UCM的大小就是当 电桥平衡时C、D两点的对地电压。 1.如前置放大电路为理想的差分放 大器（暂不考虑图中的ZA、ZAE、 ZB、ZBE），则差分放大器只会放大 C、D两点的电位差VCD。 BE B D A C D BBE BE C AAE AE AB Z Z V Z Z V V ZZ Z V ZZ Z V 11 AE 2.如果将图中的输入阻抗ZA、ZB及对地阻抗ZAE、ZBE也考虑起来 ，则差分放大器的输入电压将为VAB： 如果 如果 ，并假设电桥平衡，即VC =VD =U/2，如下图。 BE B D A C D BBE BE C AAE

12、 AE AB Z Z V Z Z V V ZZ Z V ZZ Z V 11 AE k Z Z Z Z BE B AE A CDDCAB V k VV k V 1 1 )( 1 1 则 ， 运放输出仍然与VCD 成正比，不会含有共模分量。 BE B AE A Z Z Z Z 0 1 1 1 1 2 U AE ）（ BE BA AB Z Z Z Z V 电桥平衡时，运放却有非零的输出，且与共模分量大 小和输入阻抗不平衡度成正比。 二共模干扰的抑制二共模干扰的抑制 输入电缆屏蔽层采用共模驱动技术。见仪表运放 Dataguard部分说明。 第五节第五节 测量系统输入级的两点接地测量系统输入级的两点接地

13、 传感器和前置放大电路都分别接地 ，两个接地点之间的阻抗不可能为零 ，不同接地点之间就会出现一定的电 位差Ug。当这个电位差与被测量的 小信号相比，在大小幅度上不能忽略 时，它就会以共模信号的形式表现出 来，并耦合到前置放大电路的输入端 ，这时就又得考验前置放大电路的共 模抑制能力。 差分运算放大器的两个输入端A、B对地的电位都包含Ug。如果仅考虑接 地电位差Ug的影响，可以假设Us=0。这样，问题又变成了Page20中的 情形。 解决措施：为了避免因两点接地而造成不必要的共模输入，传感器和前 置放大电路一般都只在一侧接地。如果前置放大电路的输入信号线采用 带屏蔽层的电缆连接，屏蔽层也应随传感

14、器或前置放大电路只在一侧接 地，这也是图7-2中为什么只在测量仪器侧接地的原因。 两点接地时屏蔽电缆的接地两点接地时屏蔽电缆的接地 如果由于测量的需要，传感器和前置放大电路都必须接地，如图所示， 那么两个接地点间不可避免会出现电位差Ug。图中的RAB代表测量测 量仪器前置放大电路的不平衡输入电阻（包括信号源、输入信号线和输 入运放内部的不平衡电阻），此时屏蔽电缆两端都应接地，这样利用屏 蔽层的低阻通路来分流输入信号电缆上的共模电流，这样可以减小接地 电位差在信号电缆上产生的电流Ig1，也就减小了由该电流在RAB上引入 的电压降，从而减小了共模干扰。 采用浮地设计减小共模干扰采用浮地设计减小共模

15、干扰 测量电路采用与前图直接接地不同的浮地设计，这样可以 加大电流Ig1所经回路的阻抗，进一步减小流过RAB的电流 ，这样并联的屏蔽层的分流作用就会得到加强，而共模电 位差Ug对输入电路的耦合作用就会减小。 第六节第六节 滤波器滤波器 硬件滤波器能滤除什么干扰？硬件滤波器能滤除什么干扰？ 硬件滤波基本原则： 滤波器必须根据有用信号和干扰的存在可识别的特征进行 滤波，否则，干扰无法从合成的信号中滤除。 可被硬件滤波器识别的特征： 1.频率不同的差模：如果有用信号和干扰都为差模信号，根据被测 信号和干扰分布的频率范围不同，可设计低通、高通、带通、 带阻滤波器。二者的频率相差越多则越容易滤除（至少相

16、差多 少？）。 2.滤除无用的共模：有用信号总是差模信号（但差模信号还可以包 含差模的干扰），而不会是共模信号。所以，共模分量（不一 定就是干扰）总是需要被滤除的。 滤波器分类滤波器分类 术语： 通带：可以通过的频率范围； 阻带：不可以通过的频率范围； 截止频率（转折频率）：通带与阻带的界限频率。 其转折特性用Q值来衡量，Q值越高，即灵敏度 越高，频率选择特性越好，通带越窄。 分类： 1. 低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤 波器。 2. 有源滤波器和无源滤波器 一阶滤波器一阶滤波器 图a是一阶无源RC低通滤波器，传递函数为： 图c是一阶有源低通滤波器，传递函数为： 式中 为直流增益。

17、 图b是RC网络接到正输入端的一阶有源滤波器，设 ，其 传递函数为： RCS sH 1 1 )( RCSR R sH F 1 1 )( 1 ) 1 1 )(1 ()( 1 CSRR R sH F F 1 / RR F F RR 无源滤波器与有源滤波器性能比较无源滤波器与有源滤波器性能比较 比较指标无源有源 尺寸、重量和价格 调谐 带宽 频带宽度 次声频（100kHz） 增益 输入和输出的阻抗匹配 多级连接 传递函数的求取 受电感器的限制 必须调整 或 受电感Q的限制 不具有 获得不方便 好 有插入损耗 必须匹配 逐级加载 困难在于电感器的非理想特性和级 间互相影响，求取既麻烦又复杂 无电感器

18、只用一个电阻器进行调 整 容易做到Q100 极好 极好 好 增益1 不需要匹配 没有问题 直接，且很有效 低通有源滤波器的设计低通有源滤波器的设计 让直流到指定截止频率的低频信号通过，而高频分量信号受 到很大的衰减，其通带为 ， 为截止频率。 利用运放组成有限增益可控的有源二阶低通滤波器。 设R1=R2=R；C1=C2=C，利用节点电流法，则该有源滤波器 的幅频特性可通过下面的联立方程求解传递函数H(S)： 0 0 0 0 1 ) 2 ( 1 1 K U R SCUUCS R U R o oi 0) 1 ( 1 1 K U CS R U R o 2 )()3(1 )( RCSRCSK K sH

19、 2 0 0 2 2 0 S Q S K 3 4 1 R R K 其中： 得到： RC 1 0 K Q 3 1 高通有源滤波器的设计高通有源滤波器的设计 让高于指定频率 的信号通过，而使直流到指定 阻带频率的低频分量受到衰减。 取R1=R2=R；C1=C2=C；K=1+R4/R3，则该电路 的传递函数为： 0 2 2 )()3(1 )( )( RCsRCsK RCsK sH 2 0 0 2 2 22 2 )( 3 s Q s Ks RCs RC K s Ks )/(1 0 RC )3/(1KQ 其中： EMC（EMI+EMS）滤波器）滤波器 为了防止开关电源产生的电磁干扰（EMI）进入 电网或者防止电网的噪声进入开关电源内部，干 扰开关电源的正常工作（EMS），必须在开关电 源的输入端施加EMC滤波器，有时又称此滤波器 为电源滤波器，用于滤除电源输入输出中的共模共模 干扰和差模干扰干扰和差模干扰. .（IECIE