测控电路 第八章 抗干扰

1、第八章第八章 测控电路测控电路中的抗干扰技术中的抗干扰技术概述概述 在检测装置中，测量的信息往往是以电压或电流电压或电流形式传送的。 由于检测装置内部和外部因素的影响，使信号在传输过程的各个环节中，不可避免地要受到各种噪声的干扰，而使信号产生不同程度的畸变，即为失真失真。 噪声噪声是限制检测系统性能的决定因素。 大多数测控设备中的元器件和电子线路具有工作信号工作信号电平低、速度快、元器件安装密度高等电平低、速度快、元器件安装密度高等特点，因而对电磁干扰比较敏感。电磁干扰v自然界的各种充放电现象和人类的各种用电活动，都会使空间电场和磁场产生有序或无序的变化。v电磁环境及其变化过程对处于该环境的各

2、种电气设备产生各种形式的电磁干扰。v抗电磁干扰技术 “电磁兼容性技术电磁兼容性技术”。装置或系统在其设置的预定场所投入实际运行时，既不受周围电磁环境的影响，又不影响周围的环境，也不发生性能恶化和误动作，而能按设计要求正常工作的能力。形成电磁干扰的要素v噪声源噪声源向外发送干扰的源。（措施：抑制噪声源，直接消除干扰原因）v噪声的耦合和辐射噪声的耦合和辐射传播电磁干扰的途径。（措施：消除噪声源和受扰设备之间的噪声耦合和辐射）v受扰设备受扰设备承受电磁干扰的客体。（措施：加强受扰设备抵抗电磁干扰的能力，降低其对噪声的敏感度。电磁兼容不等式v噪声发送量耦合因素噪声敏感阈值 如果电子设备所有所有噪声入口

3、处都达到这一条件并有足够裕量，则设备达到抗干扰要求;如果电子设备的某个或某些某个或某些噪声入口,不满足上述不等式要求，或者虽能勉强满足但裕量太小，则该电子设备达不到抗干扰要求。一、干扰和噪声源一、干扰和噪声源v外部噪声外部噪声自然界噪声源自然界噪声源( (主要指自然界雷电产生的噪声，如电离层主要指自然界雷电产生的噪声，如电离层的电磁现象产生的噪声的电磁现象产生的噪声) )和人为噪声源和人为噪声源( (如电气设备、电如电气设备、电台干扰等台干扰等) )；v内部噪声内部噪声又名固有噪声，它是由检测装置的各种元件内部产生的，又名固有噪声，它是由检测装置的各种元件内部产生的，如热噪声、如热噪声、散粒噪

4、声散粒噪声等。等。v噪声与一般的电信号不同噪声与一般的电信号不同一般的一般的电信号电信号可以用可以用确定的时间函数确定的时间函数来描述来描述( (如正弦信号、如正弦信号、脉冲信号脉冲信号) )噪声噪声是是不能用不能用预先确定的时间函数来描述的。预先确定的时间函数来描述的。 v表征一个系统干扰的主要指标表征一个系统干扰的主要指标“信噪比信噪比S SN”N”在信号通道中，有用信号成分与噪声信号成分之比。在信号通道中，有用信号成分与噪声信号成分之比。内部噪声内部噪声v 由于检测装置内部元件的由于检测装置内部元件的物理性的无规则波动物理性的无规则波动所形成的固有所形成的固有噪声源有三种：热噪声、散粒噪

5、声和接触噪声。噪声源有三种：热噪声、散粒噪声和接触噪声。 v热噪声热噪声 v又称电阻噪声，是由于电阻中电子的热运动所形成的。又称电阻噪声，是由于电阻中电子的热运动所形成的。v电阻两端的噪声电压也是无规则的电阻两端的噪声电压也是无规则的v所包含的频率成分是十分复杂的所包含的频率成分是十分复杂的v热噪声电压的有效值与电阻值的平方根成正比热噪声电压的有效值与电阻值的平方根成正比v减小电阻、带宽和降低温度有利于降低热噪声减小电阻、带宽和降低温度有利于降低热噪声v散粒噪声散粒噪声 v存在于电子管和晶体管中，是通过晶体管基区的载流子存在于电子管和晶体管中，是通过晶体管基区的载流子的无规则扩散以及电子空穴对

6、的无规则运动和复合形成的无规则扩散以及电子空穴对的无规则运动和复合形成的。的。v接触噪声接触噪声 v由于两种材料之间不完全接触，从而形成电导率的起伏由于两种材料之间不完全接触，从而形成电导率的起伏而产生的而产生的v发生在两个导体连接的地方，如继电器的接点、电位器发生在两个导体连接的地方，如继电器的接点、电位器的滑动接点等的滑动接点等v接触噪声正比于直流电流的大小接触噪声正比于直流电流的大小v接触噪声通常是低频电路中最重要的噪声源接触噪声通常是低频电路中最重要的噪声源外部噪声外部噪声1 1放电噪声放电噪声 在放电过程中会向周围空间辐射出从低频到高频的电磁波，在放电过程中会向周围空间辐射出从低频到

7、高频的电磁波，而且会传播得很远。而且会传播得很远。v例如在一个大气压的空气中，对曲率半径较小的两电极间施例如在一个大气压的空气中，对曲率半径较小的两电极间施加电压，电压慢慢升高时，最初几乎无电流流过，当电压升加电压，电压慢慢升高时，最初几乎无电流流过，当电压升高到一定数值时，如果电极中介质完全被电离时高到一定数值时，如果电极中介质完全被电离时(称为电晕称为电晕)，电极尖端引起局部破坏，电流急剧增加，形成电极尖端引起局部破坏，电流急剧增加，形成电晕放电电晕放电；如；如果继续升高电压，将会经过果继续升高电压，将会经过火花放电火花放电过渡到过渡到弧光放电弧光放电，此时，此时空气击穿，同时向周围辐射出

8、各种频率的电磁波。几乎对各空气击穿，同时向周围辐射出各种频率的电磁波。几乎对各种电子设备都有影响。种电子设备都有影响。 1)电晕放电噪声电晕放电噪声 主要来源于高压输电线; 间隙性，产生脉冲电流，伴随高频振荡; 主要对电力线载波电话、低频航空无线电台及调幅广播等产生影响，对电视和调频广播则影响不大 2)放电管放电管(如日光灯、霓虹灯如日光灯、霓虹灯)放电噪声放电噪声 属于辉光放电和弧光放电 放电管负阻抗特性，与外电路连接时引起高频振荡，对电视有影响3)火花放电噪声火花放电噪声 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

9、机的点火装置等 只要电流断续，则在触点间引起的火花放电都是噪声源2 2电气干扰源电气干扰源 电气噪声干扰包括工频、射频、电子开关的感应干扰等。 (1)工频干扰工频干扰 来源于大功率输电线。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。一般室内的交流电源线，对于输入阻抗和灵敏度很高的检测仪器都会产生很大的干扰。电子装置内部，工频感应会产生交流噪声。 (2)射频干扰射频干扰 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 电子开关通断速度极快，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

10、声干扰源。二、干扰与噪声的耦合方式二、干扰与噪声的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。检测装置受到噪声源干扰的途径叫做噪声的耦合方式。1. .静电耦合静电耦合由于两个电路之间存在着寄生电容，使一个电路的电荷影响到另一个电路。等效电路如图所示。U1是噪声源产生的噪声电动势；C表示造成静电耦合的寄生电容；Z2是被干扰电路的等效输入阻抗。根据图示电路，可以写出在Z2上的干扰电压表达式由此可以看出；接收电路Z2上的干扰电压正比于噪声源频率 、噪声源的噪声电动势U1 、寄生电容C和接收电路的输入阻抗Z2 。2121UU1 1/ j CZ2互感耦合互感耦合 又称电磁耦合，它是由于两个电

11、路之间存在有互感，使一个电路的电流变化，通过磁交链影响到另一个电路。 I1表示噪声干扰的噪声电流源M表示两个电路之间的互感系数U2表示通过电磁耦合在被干扰电路中感应出的噪声电压。 根据交流电路理论，按图可将干扰电压U2写成下式式中， 为噪声源电流的角频率。 分析上式可以得出：干扰电压U2正比于噪声源电流角频率 、互感系数M和噪声电流I1。21Uj MI3共阻抗耦合共阻抗耦合 由于两个电路共有阻抗，使一个电路的电流在另一个电路上产生干扰电压。Z1表示两个电路之间的共有阻抗，I1表示噪声源的噪声电流，U2表示被干扰电路的干扰电压。根据共阻抗耦合等效电路图，很容易写出被干扰电路的干扰电压U2的表达式

12、 可见共阻抗耦合干扰电压U2正比于共阻抗值和噪声源电流I1。显然，若要消除共阻抗耦合干扰，首先要消除两个或几个电路之间的共阻抗。211UI Z4漏电流耦合漏电流耦合 由于绝缘不良，流经绝缘电阻R的漏电流所引起的噪声干扰叫做漏电流耦合。U1表示噪声电动势，R表示漏电阻，Z2表示被干扰电路的输入阻抗，U2表示干扰电压。 21211/UUR Z 漏电流耦合经常发生在：用仪表测量较高的直流电压时；在检测装置附近有较高的直流电压源时，在高输入阻抗的直流放大器中。设直流放大器的输入阻抗Z2=108，干扰源电动势U1=15V，绝缘电阻R=1010。下面估算漏电干扰对此放大器的影响。根据上述给出的数据可以得出

13、 从上述估算可知，对于高输入阻抗放大器来说，即使是微弱的漏电流干扰，也将造成严重的后果。所以必须严密注意与输入端有关的绝缘水平，以及它周围的电路安排。82211082Z10UU15V0.149VRZ1010三、干扰与噪声抑制的一般措施三、干扰与噪声抑制的一般措施 v一是直接抑制、减弱或消除干扰与噪声源的对外作用；v二是切断或减弱从干扰与噪声源到受扰电路的耦合通道。v主要措施有屏蔽、接地、隔离、合理布线、灭弧、净化、滤波和采用专门电路与器件等。一、屏蔽技术一、屏蔽技术 利用铜或铝等低阻材料制成的容器，将需要防护的部分包起来或者是用导磁性良好的铁磁性材料制成的容器将要防护的部分包起来，此种方法主要

14、是防止静电或电磁干扰，称之为屏蔽屏蔽。 屏蔽可以显著地减小静电(电容性)耦合和互感(电感性)耦合的作用，降低受扰电路的干扰与噪声的敏感度，因而在电路设计中被广泛采用。 第二节第二节 抗干扰措施抗干扰措施(一)屏蔽的原理屏蔽的抗干扰功能基于屏蔽容器壳体对干扰与噪声信号的反射与吸收反射与吸收作用。 vPl为干扰与噪声的入射能量，Rl为干扰与噪声在第一边界面上的反射能量，R2为干扰与噪声在第二边界面上被反射与在屏蔽层内被吸收的能量，P2为干扰与噪声透过第二边界面后的剩余能量。如果屏蔽形式与材料选择得好，可使由屏蔽容器外部进入其内部的干扰能量P2明显小于P1，或者使从屏蔽内部干扰源逸出到容器外面的干扰

15、能量显著减小。二、接地技术二、接地技术接地有两种含义，一是连接到系统基准地，二是连接到大地。1、公共基准电位与大地的连接方式：（1）直接接地 适用于大规模的高速高频电路。消除分布电容构成的公共阻抗耦合，有效抑制噪声，并同时起到安全接地作用。（分布电容分布电容是指由非电容形态形成的一种分布参数。一般是指在印制板或其他形态的电路形式，在线与线之间、印制板的上下层之间形成的电容。）（2）悬浮接地 电气设备的金属外壳不连接到大地，系统不受大地电流的影响，内部器件不会因高电压感应而击穿。（3）一点接地 有串联式和并联式。（4）多点接地 降低接地线长度。既能实现各部分的统一基准电位，又可避免接地回路闭合而

16、引入高频干扰。2、抑制干扰接地上面讲到的接地方式，均具有抑制干扰与噪声的作用。从具体连接方式上讲，有部分接地和全部接地、一点接地与多点接地、直接接地与悬浮接地等类型。因分布与寄生参数难以确定，无法从理论上分析估计，所以要通过做模拟实验来确定选择哪种接地方式，有时可能需要同时采用几种接地方式。3、安全保护接地消除触电危险。要保证较小的接地电阻和可靠的连接方式。三、隔离技术（自学）三、隔离技术（自学）四、布线技术（留待以后自学）四、布线技术（留待以后自学）1、印刷电路板的布线技术尽量缩短引线，减小其电感值，尽量加粗电源线和地线，降低其直流电阻。尽量避免相互平行的长信号线，防止寄生电容。尽量将相互有

17、关的器件相对集中。2、连接导线的选用单股导线选用时只要考虑其允许电流值和导线阻抗。扁平电缆用于数字信号的并行传输。屏蔽线使用注意遵守屏蔽层一点接地的原则。双绞线能消除电磁干扰，但不能保证两根线的长度严格相等，导致线路阻抗不同而无法完全抑制干扰与噪声。3、电气设备柜内外的布线电气设备柜应采用铁或铁铜叠合的材料构成，达到较好的电磁屏蔽效果。柜身的各个部分要保证严格良好接地，对因表面喷漆，锈蚀、柜门铰链等造成的接触不良，应采用专门连线将这些部分可靠的连接在一起。电气设备柜的布局应遵循强电、弱电分开隔离的原则。从机柜连接到外部设备的导线与电缆，应注意将动力电源、强信号线与若信号线分别布设，采用相互隔离的走线槽布线，尽量采用金属走线槽。五、灭弧技术五、灭弧技术(自学自学) 当接通或断开电动机绕组、继电器线圈、电磁阀线圈、空载变压器等感性负载时，由于磁场能量的突然释放会在电路中产生比正常