第八章 抗干扰技术2003

电气测量中的抗干扰技术几种典型的电气干扰第一节

电容耦合及其抗干扰对策

电场分析方法-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，可得到：输入到测量差分放大电路的差分电压为UAB=UA-UB：只有时，UAB=0假如：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

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。设防磁场（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的区域内部的磁场同向叠加而被加强。第三节

共阻抗耦合及抗干扰对策冲击负载电流通过电源内阻抗

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使得电源内阻抗上的压降增大到10×20%×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

通过直流稳压电源内阻抗的耦合

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

共模干扰及其对策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：考虑Z<<Z0，VC和VD可化简为：C、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。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。则，运放输出仍然与VCD成正比，不会含有共模分量。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

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

测量系统输入级的两点接地

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

滤波器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。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：

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（<10Hz）声频射频（>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只用一个电阻器进行调整容易做到Q≥100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)：其中：得到：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：其中：EMC（EMI+EMS）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干扰和差模干扰.（IEC标准传导EMC测试频率范围150kHz～30MHz）。单级EMC滤波器典型电路

图中A、N间为电源的相电压，G为电源的接地线。Cc1、Cc2和Lc构成的低通滤波器用来抑制共模干扰信号。由Cd1、Ld

组成低通滤波器来抑制差模干扰信号通常，单级EMC滤波器不能覆盖150K-30MHz的标准频率范围共模扼流圈共模电感(CommonmodeChoke)/共模扼流圈共模扼流圈，是在一个闭合磁环上对称绕制方向相反、匝数相同的线圈。理想的共模扼流圈对L（或N）与E之间的共模干扰具有抑制作用，而对