检测信号的干扰及其抑制技术

1、 第第3 3章章 检测信号的干扰及其抑制技术检测信号的干扰及其抑制技术3.1 3.1 电子测量系统的干扰与抑制电子测量系统的干扰与抑制3.2 3.2 噪声源与噪声耦合方式噪声源与噪声耦合方式 3.3 3.3 形成干扰的三要素及抑制干扰的措施形成干扰的三要素及抑制干扰的措施 3.1 3.1 电子测量系统的干扰与抑制电子测量系统的干扰与抑制3.1.1 干扰与防护的概念干扰与防护的概念干扰：干扰：来自于电子测量系统内部和外部并且对系统正常工作产生影响的因素。防护：防护：各种抗干扰的技术措施。防护的任务：防护的任务：消除或减弱各种干扰对电子测量系统正常工作的影响。防护的手段：防护的手段：设法割断或减弱

2、电子测量系统与外界有害的联系，而同时不影响进行测量所需要的联系。3.1.2 各种常见干扰及其抑制方法各种常见干扰及其抑制方法机械干扰：机械干扰：由于机械振动或冲击，造成电气或电子元件振动、变形，而改变了系统的电气参数。措施：措施：减振，如使用减震弹簧或减振橡皮垫等。橡胶海绵软垫橡胶垫及弹簧热的干扰：热的干扰：电子测量系统工作时产生的热量所引起的温度波动和环境温度的变化等，导致电路元器件参数发生变化（温度漂移）或产生附加的热电势等。措施：措施：采取热屏蔽、恒温设备、对称平衡结构、温度补偿元件等。光的干扰：光的干扰：由于在测量系统中广泛使用各种半导体元器件，而这些半导体材料在光线的作用下会激发出电

3、子空穴对，使半导体元器件产生电势或引起阻值的变化，从而影响电子测量系统的正常工作。措施：措施：对于具体光敏作用的元件，多注意光的屏蔽问题。散热实例散热实例 散热风扇散热风扇湿度干扰：湿度干扰：湿度增加会使绝缘体的绝缘电阻下降、漏电流增加，会使高值电阻的阻值下降，会使电介质的介电常数增加等等，固湿度的变化必然影响电子测量系统的正常工作。防潮措施：防潮措施：如电气元件和印刷电路板的浸漆、环氧树脂封灌和硅橡胶封灌等。化学干扰：化学干扰：某些化学物品如酸、碱、盐、各种腐蚀性气体以及沿海地区由海风带到岸上的盐雾也会造成与潮湿类似的漏电腐蚀现象，会损坏电子测量系统元件和部件。防护措施：防护措施：浸漆、密封

4、、定期通电加热驱潮等。用绝缘漆浸用绝缘漆浸渍过的控制渍过的控制变压器变压器浸漆可防止水分浸漆可防止水分进入线圈内部进入线圈内部仪器设备的防潮试验仪器设备的防潮试验喷淋试验喷淋试验仪器设备的防潮试验仪器设备的防潮试验“步入式步入式”恒温恒湿房恒温恒湿房（参考（参考江苏省计量测试技术研究所江苏省计量测试技术研究所资料资料） 体积：体积：25m3 3 ，温度调节范围：（，温度调节范围：（-40+80）， 湿度调节范围：（湿度调节范围：（3090）%RH 可用于进行大型仪器设备的高低温、恒定湿热、可用于进行大型仪器设备的高低温、恒定湿热、交变湿热试验。交变湿热试验。电、磁的干扰电、磁的干扰 电和磁可以

5、通过电路和磁路对电子测量系统产生干扰作用，在电子线路设计中只要有电场或磁场存在，就会产生电磁干扰。而电磁干扰对于电子测量系统而言，是最为普遍和影响最为严重的干扰，必须要采取多种措施来防护。（在以后我们自己做研究的过程中，这也是（在以后我们自己做研究的过程中，这也是我们需要面对的一个比较难处理的问题）我们需要面对的一个比较难处理的问题）3.2 3.2 噪声源与噪声耦合方噪声源与噪声耦合方式式3.2.1 3.2.1 噪声与信噪噪声与信噪比比噪声：噪声：只在电子测量系统工作时，除了有用信号之外还存在着无用的、变化不规则的信号会影响测量结果，这种不希望出现的无用信号称为“噪声”。信噪比：信噪比：指的是

6、在信号通道中，有用信号功率与伴随的噪声功率之比。dBUUBPPNSnsnslglg20d10注：S/N表示信噪比，Ps为信号功率、信号电压为Us，噪声功率为Pn、噪声电压为Un，dB为单位。由上式可知，信噪比越大，表示噪声对有用信号的影响越小。信噪比越大，表示噪声对有用信号的影响越小。信噪比信噪比S/NS/N的计算举的计算举例例 在扩音机输入端测得：话筒输出的做报告者声音的平均电压为50mV，50Hz干扰“嗡嗡”声的电压为0.5mV，求信噪比。解：S/N=20lg(50/0.5)dB=40dB3.2.2 3.2.2 噪声源噪声源常见噪声源：常见噪声源：放电噪声源、电气设备噪声源和固有噪声源。一

7、、放电噪声源一、放电噪声源 由各种放电现象产生的噪声称为放电噪声。在放电现象中属于持续放电的有电晕放电、辉光放电和弧光放电；属于过渡现象的有火花放电。1）电晕放电噪声主要来源于高压输电线，它具有间隙性，并产生脉冲电流，从而成为一种干扰噪声。对于一般的检测仪表来说，其影响不大。2）火花放电噪声。例如雷电、电气设备中电刷和整流子间周期性放电、火花式高频焊机、继电器触点的通断(电流很大时则会产生弧光放电)、汽车发动机的点火装置等。只要在哪里电流是断续的，则此时在触点间引起的火花放电都将成为噪声源。3）放电管(如日光灯、霓虹灯)放电噪声属于辉光放电和弧光放电。通常放电管具有负阻抗特性，所以与外电路连接

8、时容易引起高频振荡，有时可达很高的频段，对电视也有影响。二、电气设备噪声源二、电气设备噪声源1）工频噪声 大功率输电线是典型的工频噪声源低电平的信号线只要一段距离与输电线相平行，就会受到明显的干扰。即使是室内的一般交流电源线，对于输入阻抗和灵敏度很高的检测仪器来说也是威力很大的干扰源。另外，在电子装置的内部，由于工频感应也会产生交流噪声。2）射频噪声 高频感应加热、高频焊接等工业电子设备以及广播机、雷达等通过辐射或通过电源线会给附近的电子测量仪器带来干扰。3）电子开关 电子开关虽然在通断时并不产生火花，但由于通断的速度极快，使电路中的电压和电流发生急剧的变化，形成冲击脉冲，成为噪声干扰源。在一

9、定电路参数条件下，电子开关的通断还会带来相应的阻尼振荡，从而构成高频干扰源。使用可控硅的调压整流电路对其它电子装置的干扰就是电子开关造成干扰的典型例子。这种电路在晶闹管的控制下，周期性地通断，形成前沿陡峭的电压和电流，并且使供电电源波形畸变,从而干扰由该电源系统供电的其他电子设备。三、固有噪声源三、固有噪声源 在电路中，电子元件本身产生的、具有随机性、宽频带的噪声称为固有噪声。电路中常出现的固有噪声有电阻热噪声、半导体器件产生的散粒噪声，以及开关、继电器触点、电位器触点、接线端子电阻、晶体管内部的不良接触产生的接触噪声等。例如，电视机未接收到信号时，屏幕上表现出的雪花干扰，就是由固有噪声引起的

10、。 选用低噪声元件、减小流过器件的电流及减小电路的带宽等，均能减小固有噪声干扰。3.2.3 噪声的叠加噪声的叠加 噪声电压(或噪声电流)的产生若是彼此独立的，即不相关的，则其总噪声电压可表示为若是两个相关噪声电压，可用下式迭加而成式中，为相关系数，它的取值范围在+1-1间。当 0时，为非相关；当在 0和+1或者0和-1间时，则两电压为部分相关。22221UnUUU 总2122212UUUUU总3.2.4 3.2.4 噪声耦合方式噪声耦合方式 检测装置受到噪声源干扰的途径叫做噪声的耦合方式。通常把噪声耦合方式可归纳为下列四种： 静电耦合：因寄生电容引起的电容耦合 电磁耦合：因两个电路的互感引起的

11、磁链耦合。 共阻抗耦合：不同电路之间存在公共阻抗引起的电压耦合。例如两个电路合用一个电源。 漏电流耦合：因绝缘不良，在绝缘电阻上产生漏电流所引起的干扰。一、静电耦合一、静电耦合静电耦合静电耦合示意图示意图等效电路图等效电路图nimnimimncEZCjEZCjZCjU1寄生电容寄生电容干扰电压干扰电压干扰源电压干扰源电压输入阻抗输入阻抗 结论：结论： （1 1）干扰源的频率越高，静电耦合干扰越强。）干扰源的频率越高，静电耦合干扰越强。 （2 2）减小接收电路阻抗）减小接收电路阻抗ZiZi，有利于抑制静电耦合干扰。，有利于抑制静电耦合干扰。 （3 3）合理布线，减小分布电容）合理布线，减小分布电

12、容CmCm，有利于抑制静电耦合干扰。，有利于抑制静电耦合干扰。静电耦合静电耦合对放大器的干扰对放大器的干扰等效电路图等效电路图在干扰频率在干扰频率1MHz1MHz，干扰源电压，干扰源电压5V5V，寄生电容，寄生电容0.1pF0.1pF的情况下，放的情况下，放大器输入阻抗大器输入阻抗100k,100k,干扰输入电压为干扰输入电压为314mV314mV。100100倍倍314mV314mV二、电磁耦合二、电磁耦合nncMIjU互感系数互感系数干扰电压干扰电压干扰源电流干扰源电流电磁耦合电磁耦合示意图示意图等效电路图等效电路图电磁耦合对交流电桥的干扰电磁耦合对交流电桥的干扰在干扰频率在干扰频率10k

13、Hz10kHz，干扰源，干扰源电流电流10mA10mA，互感，互感0.10.1H H的情的情况下，干扰电压为况下，干扰电压为62.862.8V V。三、共阻抗耦合三、共阻抗耦合cnncZIU干扰源电流干扰源电流干扰电压干扰电压共有阻抗共有阻抗共阻抗耦合共阻抗耦合等效电路等效电路电源内阻引起的共阻抗干扰电源内阻引起的共阻抗干扰四、漏电流耦合四、漏电流耦合ninincEZRZU干扰源电压干扰源电压干扰电压干扰电压漏电流输入回路的输入阻抗漏电流输入回路的输入阻抗绝缘电阻绝缘电阻漏电流耦合漏电流耦合等效电路等效电路3.3 3.3 形成干扰的三要素及抑制干扰的措施形成干扰的三要素及抑制干扰的措施3.3.

14、1 3.3.1 形成干扰的三要素形成干扰的三要素 噪声形成干扰需要同时具备三要素：干扰源、对噪声敏感的接收电路及噪声源到接收电路之间的耦合通道。三要素之间的联系如下图所示。干扰源 耦合通道 接收电路三条抑制干扰措施：（1）消除干扰源；（2）割断干扰耦合途径；（3）提高接收电路的抗干扰能力，降低其对噪声的敏感性。3.3.2 3.3.2 消除干扰源消除干扰源 在越靠近干扰源的地方采取措施，干扰抑制效果就越好。消除和抑制干扰源的方法可采用低噪声电路、瞬态抑制电路和稳压电路等。器件的选择则尽可能采用低噪声、高频特性好、稳定性高的电子元件。值得注意的是，抑制电路中不恰当的器件选择可能产生新的干扰源。3.

15、3.3 3.3.3 割断干扰耦合途径割断干扰耦合途径 对于以“电路”的形式侵入的干扰，可采取诸如提高绝缘性能，采用隔离变压器、光电耦合器等切断干扰途径；采用退耦、滤波等手段引导干扰信号的转移；改变接地形式切断干扰途径等。对于以“辐射”的形式侵入的干扰，一般采取各钟屏蔽措施，如静电屏蔽、电磁屏蔽等。3.3.3 3.3.3 提高抗干扰能力提高抗干扰能力 如果要削弱接收电路对干扰的敏感性，必须提高检测装置的抗干扰能力。一般来说，高输入阻抗的电路比低输入阻抗的电路易受干扰；模拟电路比数字电路的抗干扰能力差。一个设计良好的检测装置应该具备对有用信号敏感、对干扰信号尽量不敏感的特性。 电磁兼容控制技术电磁兼容控制技术电磁兼容（电磁兼容（EMC,ElectroMagnetic Compatibility） 电子及电气设备在共同的电磁环境中能执行各自功能的共存状态，即要求在同一电磁环境中的上述各种设备都能正常工作又不互相干扰，达到兼容的状态。抗电磁干扰技术有时又称电磁兼容控制技术。常用的抗干扰技术有屏蔽、接地、滤波、隔离等技术。 屏蔽技术：屏蔽技术：可抑制电磁干扰在空间的传播，并切断辐 射干扰的传播途径。 接地技术：接地技术：保护人身和设备安全；提供参考零电位， 阻隔地环路。 滤波技术：滤波技术：根据频