测控电路（第7版）课件：测控电路中的抗干扰技术

测控电路中的抗干扰技术10.1噪声和干扰10.2干扰抑制方式10.3电源干扰的抑制本章知识点干扰和噪声的耦合途径干扰的拟制方法电网干扰抑制技术和电源稳定净化技术10.1噪声和干扰10.1.1干扰与噪声源10.1.2干扰与噪声的耦合途径10.1.3敏感设备10.1噪声和干扰噪声：电路中的除去预期信号外的任意电信号。干扰被认为是由于噪声原因对电路造成的一种不良反应形成干扰的要素一是向外发送干扰的源-噪声源；二是传播电磁干扰的途径—噪声的耦合和辐射；三是承受电磁干扰的客体—受扰设备。抑制措施：抑制噪声源，直接消除干扰原因；消除噪声源和受扰设备之间的噪声耦合和辐射；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。10.1.1干扰与噪声源内部噪声：在电子装置和设备内部的电路或器件产生的噪声。外来噪声：从外部侵入电子装置和设备的噪声。主要有自然噪声和来自其其它设备的人为噪声。自然噪声主要指自然界雷电产生的噪声。人为噪声是指其它机器和设备产生的噪声，包括有触点电器、放电管、工业用高频设备、电力输送线、机动车、大功率发射装置、超声波设备等产生的噪声。10.1.2干扰与噪声的耦合途径从各种电磁干扰源传输电磁干扰至敏感设备的通路或媒介，即耦合途径，有两种方式：一种是传导耦合方式，另一种是辐射耦合方式。传导耦合必须在干扰源与敏感设备之间存在有完整的电路连接。包括互连导线、电源线、信号线、接地导体、设备的导电构件、公共阻抗、电路元器件等。辐射耦合是电磁干扰通过其周围的媒介以电磁被的形式向外传播，干扰电磁能量按电磁场的规律向周围空间发射。辐射耦合辐射耦合分为近场感应耦合和远场辐射耦合。近场感应耦合又可分为电容性耦合和电感性耦合。远场辐射耦合的途径主要有天线、电缆(导线)、机壳的发射对组合。通常划分为三种：天线与天线的耦合，指的是天线A发射的电磁波被另一天线B无意接收，从而导致天线A对天线B产生功能性电磁干扰；场与线的耦合，指的是空间电磁场对存在于其中的导线实施感应耦合，从而在导线上形成分布电磁干扰源；线与线的感应耦合，指的是导线之间以及某些部件之间的高频感应耦合。1、传导耦合公共阻抗耦合：当两个电路的电流流经一个公共阻抗时，一个电路的电流在该公共阻抗上形成的电压就会影响到另一个电路，这就是共阻抗耦合。形成共阻抗耦合干扰的有：电源输出阻抗(包括电源内阻、电源与电路间连接的公共导线)、接地线的公共阻抗等。消除的方法是接地线尽量缩短并加粗，以降低公共地线阻抗。2、电容性耦合导体2上产生的噪声电压U2等于如果ω>ω0，U2最大噪声电压U2正比于U1大小及频率，电路间的寄生电容C12受扰电路等效输入阻抗R。减小电容性耦合的参数C12课减小电容性耦合减小耦合电容C12的方法：分隔导体（增加导体间的距离）或屏蔽导体。2、电容性耦合3、电感性耦合一个磁感应强度为B的磁场随时间呈正弦变化，在面积为A的闭合环路中产生的感应电压为如果磁场是由电流I1通过导体1所产生的3、电感性耦合为减小UN可采用的方法导体2必须与噪声源导体分隔开磁场强度B和面积A之间的夹角为θ，调整接收导体的方向使cosθ降低。将导体2放置在距离地面近的地方，以使接收回路面积尽量小。该方法只有在地平面与回路电流垂直的情况如果双绞线中其中一条的返回电流在地中接收导体采用绞合线方式是一个非常有效的方式。该情况能使用的最高频率为100kHz。对于高于1GHz的频率情况必须用同轴电缆。10.1.3敏感设备受电磁干扰影响的电路、设备或系统称为敏感设备。敏感设备受电磁干扰的程度用敏感度来表示。敏感度指敏感设备对电磁干扰所呈现的不希望有的响应程度，其量化指标是敏感度门限。敏感度门限指敏感设备最小可分辨的不希望有的响应信号电平，也就是敏感电平的最小值。敏感设备的敏感度越离，则其敏感电平越低，抗干扰能力越差。一般认为电子设备的敏感度与灵敏度成反比，与频带度成正比。电磁干扰安全系数(安全裕量)电磁干扰安全系数M定义为敏感度门限N与出现在关键试验点或信号线上的干扰电平I之比。当I>N时，M<1，表示存在潜在的电磁干扰；当I<N时，M>1，表示处于临界状态。模拟电路敏感度SU数字电路的敏感度Sd10.1.3敏感设备10.2干扰抑制方式10.2.1屏蔽技术10.2.2接地技术10.2.3平衡电路10.2.4隔离技术10.2.5布线技术10.2.6灭弧技术10.2干扰抑制方式对干扰与噪声的抑制，主要有三个方面：一是直接抑制、减弱或消除干扰与噪声源的对外作用；二是切断或减弱从干扰与噪声源到受扰电路的耦合通道；三是使测量系统对噪声不敏感。通过屏蔽、接地、滤波、隔离、平衡电路、电源去耦可以消除噪声耦合。10.2.1屏蔽技术电磁屏蔽：用电导率和磁导率高的材料制成封闭的容器，将受扰的电路置于该容器之中，从而抑制该容器外的干扰与噪声对容器内电路的影响。也可以将产生干扰与噪声的电路置于该容器之中，从而减弱或消除其对外部电路的影响。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。1、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作用。2、屏蔽的结构形式与材料屏蔽结构形式主要有屏蔽罩、屏蔽栅网、屏蔽铜箔、隔离仓和导电涂料等。屏蔽罩一般用无孔隙的金属薄板制成。屏蔽栅网一般采用金属编制网或有孔金属薄板制成。屏蔽铜箔一般是利用多层印制电路板的一个铜箔面作为屏蔽板。隔离仓是将整机金属箱体用金属板分隔成多个独立的隔仓，从而将各部分电路分别置于各个隔仓之内，用以避免各个电路部分之间的电磁干扰与噪声影响。导电涂料是在非金属的箱体内、外表面上喷一层金属涂层。屏蔽材料有电场屏蔽材料和磁场屏蔽材料两类。电场屏蔽一般采用电导率较高的铜或铝材料。当干扰与噪声的频率较高时，采用价格较贵的银材料效果更好些。电场屏蔽的作用以反射衰减为主。磁场屏蔽一般采用磁导率较高的磁材料。磁场屏蔽的作用以透射时的吸收衰减为主，其特点是干扰与噪声频率升高时，磁导率下降，屏蔽作用减弱。在一些要求比较高的场合，可同时采用电场屏蔽和磁场屏蔽两种方式，以达到充分抑制干扰与噪声的目的。2、屏蔽的结构形式与材料10.2.2接地技术接地的概念所谓“地”，一般定义为电路或系统的零电位参考点，直流电压的零电位点或者零电位面，它不一定为实际的大地(建筑地面)，可以是设备的外壳或其它金属线。“接地”一般指为了使电路、设备或系统与“地”之间建立低阻抗通路，而将电路、设备或系统连接到一个作为参考电位点或参考电位面的良导体的技术行为。10.2.2接地技术接地通常有两种含意，一是连接到系统基准地，二是连接到大地。连接到系统基准地是指各个电路部分通过低电阻导体与电气设备的金属底板或金属外壳实施的连接，而电气设备的金属底板或金属外壳并不连接到大地。连接到大地是指将电气设备的金属底板或金属外壳通过低电阻导体与大地实施的连接。针对不同情况和目的，可采用公共基准电位接地、抑制干扰接地、安全保护接地等方式。1、接地的要求(1)理想的接地应使流经地线的各个电路、设备的电流互不影响，即不使其形成地电流环路，避免使电路、设备受磁场和地电位差的影响。(2)理想的接地导体(导线或导电平面)应是零阻抗的实体，流过接地导体的任何电流都不应该产生电压降，即各接地点之间没有电位差，或者说各接地点间的电压与电路中任何功能部分的电位比较均可忽略不计。(3)接地平面应是零电位，它作为系统中各电路任何位置所有电信号的公共电位参考点。(4)良好的接地平面与布线间将有大的分布电容，而接地平面本身的引线电感将很小。理论上，它必须能吸收所有信号，使设备稳定地工作。接地平面应采用低阻抗材料制成，并且有足够的长度、宽度和厚度，以保证在所有频率上它的两边之间均呈现低阻抗。用于安装固定式设备的接地平面，应由整块铜板或者铜网组成。2、接地的分类通常，电路、用电设备按其作用可分为安全接地和信号接地。其中安全接地又有设备安全接地、接零保护接地和防雷接地，信号接地又分类为单点接地、多点接地、混合接地和悬浮接地。安全接地安全接地就是采用低阻抗的导体将用电设备的外壳连接到大地上，使操作人员不致因设备外壳漏电或静电放电而发生触电危险。安全接地也包括建筑物、输电线导线、高压电力设备的接地，其目的是为了防止雷电放电造成设施破坏和人身伤亡。在进行安全接地连接时，要保证较小的接地电阻和可靠的连接方式，防止日久失效。另外要坚持独立接地．即将接地线通过专门的低阻导线与近处的大地实施连接。信号接地测量与控制电路中的基准电位是各回路工作的参考电位，该参考电位通常选为电路中直流电源(当电路系统中有两个以上直流电源时则为其中一个直流电源)的零电压端。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。屏蔽电缆接地频率低于1MH时，电缆屏蔽层的接地一般采用一点接地方式，以防止干扰电流流经电缆屏蔽层，使信号电路受到干扰。一端接地还可以避免干扰电流通过电缆屏蔽层形成地环路，从而可防止磁扬的干扰。电缆屏蔽层的接地点应根据信号电路的接地方式来确定。3、电缆屏蔽层的一端接地与两端接地使屏蔽导线具有防止磁辐射的磁屏蔽作用，屏蔽体必须在两端都接地，使屏蔽体能够提供一个电流回路。10.2.3平衡电路平衡电路又称对称电路是指双导线电路中的两条信号传输线及与之相连的所有电路对地阻抗或对其它导线的阻抗相等，如电桥电路、差分放大器电路均属于平衡电路。采用平衡电路可以使两根导线上拾取的噪声相等。在平衡条件下，两根导线拾取的噪声是一个能够在负载中相互抵消的共模信号。使用平衡技术抑制噪声非常经济，在某些应用场合，平衡电路常用来代替屏蔽而成为主要的噪声抑制手段。若单独使用平衡技术或屏蔽技术不能达到期望的噪声抑制效果，可以将屏蔽技术和平衡电路联合使用获得更大的噪声抑制能力。1、操作原理差分放大器是最简单的平衡电路2、输入阻抗和源阻抗不匹配假设运放CMRR是有限值，输入阻抗是有限值，则差分输入电压假设假设3、变压器平衡电路10.2.4隔离技术10.2.5布线技术印制电路板上的布线技术连接导线的选用电气设备柜内外的布线1、印制电路板上的布线技术降低电源线和地线的阻抗，对公共阻抗、串扰和反射等引起的波形畸变和振荡现象要采取必要的措施。由于电源线、地线和其他印制导线都有电感，当电源电流变化速率很大时会产生显著的压降。地线压降是形成公共阻抗干扰的重要原因，所以要尽量缩短引线，减小其电感值，尽量加粗电源线和地线线条，降低其直流电阻。尽量避免相互平行的长信号线，以防止寄生电容。对印制板上的器件布置，原则上应将相互有关的器件相对集中。例如，时钟发生器、晶体管振荡器、CPU时钟输入端子等易产生噪声的器件，可互相靠近；但与逻辑电路部分应尽量远离。对电感性器件要防止它们产生寄生耦合。一般测控设备所用的导线有单股导线、扁平电缆、屏蔽线、双绞线等单股导线选用时主要考虑其允许电流值和导线阻抗。扁平电缆是由相互绝缘的多根单股导线并排粘接构成。扁平电缆一般应用于数字信号的并行传输，在计算机系统中尤为多见。扁平电缆的长度一般不应超过传输信号波长的1/30，例如对10MHz的信号，其波长为30m，则扁平电缆的长度应控制在1m以内。有时为了减少线间串扰、常间隔安排信号线，而将各信号线之间的导线统一接地。2、连接导线的选用一般测控设备所用的导线有单股导线、扁平电缆、屏蔽线、双绞线等屏蔽线是在单股导线的绝缘层外，再罩以金属编制网或金属薄膜构成。将屏蔽线的金属编制网或金属薄膜接地，其所包含的芯线便不易受到外部电气干扰噪声的影响。几根绝缘导线合成一束，再罩以金属编制网或金属薄膜，则构成所谓的屏蔽电缆。双绞线是由电流相等但方向相反的两根导线互相拧合构成。由于外界干扰噪声在两根导线中的感应电流大小与方向相同，故可相互抵消。双绞线拧合的节距越短，对干扰与噪声的衰减率越大。实用中一般取5cm左右，拧合的节距进一步缩短，对干扰与噪声衰减率的提高不再显著。另外，拧合在一起的两根导线很难保证其长度严格相等，由此导致线路阻抗不同而无法完全抑制干扰与噪声的影响。2、连接导线的选用3、电气设备柜内外的布线电气设备柜内外的布线应从两个方面予以考虑，一是希望对外来的干扰与噪声有较强的抑制能力，二是避免内部电路产生有害的干扰与噪声。柜体的接地不能靠机柜金属底脚与地面接触来实现，必须用专门的导线连接至埋入地的金属接地件上。电气设备柜的布局应遵循强电、弱电分开并隔离的原则。以避免可能产生的干扰与噪声影响。对小信号高增益的模拟电路，要用专门的电源供电，并且要采用可靠的内部屏蔽措施。对可能产生对外干扰与噪声的部分要加金属屏蔽罩。从机柜连接到外部设备的导线与电缆，应注意将动力电源、强信号线与弱信号线分别布设，采用相互隔离的走线槽布线等原则。在条件允许情况下，应尽量采用金属走线槽。10.2.6灭弧技术当接通或断开电动机绕组、继电器线圈、电磁阀线圈、空载变压器等电感性负载时，由于磁场能量的突然释放会使电路中产生比正常电压(或电流)高出许多倍的瞬时电压(或电流)，并在切断处产生电弧或火花放电。这种瞬时高电压(或高电流)称为浪涌电压(或浪涌电流)，会直接对电路器件造成损害。另外，同时出现的电弧或火花放电，产生宽频谱高幅度的电磁波向外辐射，对测控电路造成极其严重的干扰。为消除或减小这种干扰，需在电感性负载上并联各种吸收浪涌电压(或浪涌电流)并抑制电弧或火花放电的元器件。通常将这些元器件称为灭弧元件，将与此有关的技术称为灭弧技术。常用的灭弧元件有RC电路、泄流二极管、硅堆整流器、充气放电管、压敏电阻器、雪崩二极管等。10.2.6灭