《电气测试技术第5版》 教案 第6章 抗干扰技术

PAGE5第6章抗干扰技术教学要求1．干扰源与干扰耦合方式。2．干扰抑制技术。教学手段多媒体课件教学课时2学时教学内容6.1干扰源与干扰耦合方式所谓干扰,就是指影响测量结果或作用于控制系统的各种无用信号.产生干扰信号的干扰源一般可分为外部干扰和内部干两种。6.1.16.1.1.1外部干扰主要来自自然界的干扰以及各种电气设备运行产生的干扰。6.1.1.2内部干扰内部干扰主要是指测量电路内部各种元器件的噪声所引起的干扰.6.1.2干扰的耦合方式各种干扰源所产生的干扰，必然要经过各种耦合通道进入测量电路而影响测量结果。换句话说，就是形成干扰影响必须具备三个要素：干扰源、干扰的耦合通道、被干扰对象。6.1.2.6.1.2.2磁场耦合（互感性耦合）当两个电路之间有互感存在时，一个电路中的电流产生变化会通过磁场耦合到另一个电路。6.1.2.由于测量电路内部的元件支架、接线柱、印制电路板或外壳绝缘不良而存在漏电阻产生漏电流引起的干扰，称漏是电流耦合，6.1.2.共阻抗耦合干扰的产生是由于两个以上的电路有共阻抗。当一个电路中的电流流经共阻抗生产电压降时，为其它电路的干扰电压，其大小与阻抗的阻值及干扰源的电流大小成正比。6.1.3仪表内部的干扰仪表内部的所有电子元件都存在固有噪声。最重要的固有噪声有热噪声、散粒噪声和接触噪声。当噪声电压使电路和不能正常工作时，该噪声电压称为干扰电压。6.2干扰抑制技术6.2.1串模干扰及其抑制技术6.2.1串模干扰又称为差模干扰、常态干扰、模向干扰，它是叠加在有用信号之上的一种干扰。这种叠加可以是电压叠加，也可以是电流叠加，见图6-5。图中，和为干扰源的电压和电流，为干扰源的内阻抗。6.2.1.2串模干扰的抑制由于串模干扰叠加在被测信号之上，它一旦产生，其有害作用往往不大容易消除。因此，首先应防止它的产生。1.信号导线扭绞由于把信号导线扭绞在一起能使信号回路所包围的面积大为减少，而且使两根信号导线到干扰源的距离大致相等。分布电容也能大致相同，所以能使由磁场和静电耦合进入信号回路的串模干扰大为减小。若把双绞信号导线屏蔽起来并将屏蔽层接地,将起到更好的抑制串模干扰的效果,见图6-6。2.屏蔽技术屏蔽技术是抑制电场、磁场耦合干扰的重要措施.根据干扰源的不同可采用不同的屏蔽措施。（1）静电屏蔽为防止静电耦合干扰，可用一层金属网将信号导线包围起来,这层金属网即屏蔽层,见图6-7。图中，导线1为干扰源；导线2为被屏蔽的电路，导线2对地电阻可认为是无穷大。为导线1与屏蔽层之间的分布电容；为屏蔽层与地之间的分布电容。由图可见，若屏蔽层不接地，耦合至屏蔽层的干扰电压为: 由于屏蔽层与导线2之间有分布电容，则仍然会通过耦合至导线2造成干扰。由此可见，若屏蔽层不接地，对减小静电耦合干扰是没有效果的。若屏蔽层接地，则，即使存在，导线2的耦合电压接近于零。（2）高频磁屏蔽高频磁屏蔽是利用导电性良好的金属箔将被屏蔽的电路包围起来，其作用是抑制高频电磁场的干扰。其作用原理是利用高频电磁场在屏蔽导体内产生电涡流，在屏蔽导体内建立高频涡流磁场而抵消高频干扰磁场，从而达到高频磁屏蔽的目的，详见4.3.3.1节。若屏蔽层接地，则同时具有静电屏蔽作用。（3）低频磁屏蔽导电性良好的金属箔对低频磁场干扰的抑制效果很差。这是由于低频磁场具有较强的穿透能力的缘故，详见4.3.3.2节。对低频干扰磁场的屏蔽宜采用高导磁率的材料(如坡莫合金等)作为屏蔽层，使干扰磁力线在屏蔽层内构成回路，阻断磁力线向外扩散，从而抑制低频磁场干扰。必须指出，屏蔽层要有一定的厚度，以减少磁阻，提高屏蔽效果。（4）驱动静电屏蔽前述的静电屏蔽，即使屏蔽层接地，也不能完全阻断屏蔽层与被屏蔽导线2之间通过分布电容的静电耦合干扰（见图6-7），这是由于屏蔽层与被屏蔽导线之间存在着电位差的缘故。为此,可采用驱动静电屏蔽（又称有源屏蔽），其原理见图6-8。3.滤波技术在工程测量中，串模干扰主要是50Hz的工频干扰。常用的无源滤波器的内阻较大和有一定的损耗，因此并不适用。常用有源双T滤波器和50Hz陷波器，见图6-5和图6-6（见6.2.4节），这样可将50Hz的串模干扰衰减至最小。4.对消方法利用双积分式A/D转换器，因为它是对输入信号的平均值而不是瞬时值进行A/D转换的，只要采样时间是工频周期的整数倍，从理论上来说对工频干扰具有无穷的抑制能力。5.注意信号导线远离动力线特别不允许信号导线与动力线平行敷设，从根源上消除磁场耦合干扰。6.2.26.2.2.1共模干扰又称为同相干扰或纵向干扰。共模干扰是相对于公共的电位基准地（接地点），在信号接收器的两输入端同时出现的干扰。共模干扰只有在转化为差模干扰后，才对测量电路起干扰作用。产生共模干扰的原因很多。例如，在远距离测量中，使用长电缆时由于地电流的原因，使传感器端的地电位与测量仪表的地电位之间存在电位差引起共模干扰，又如,变压器一次侧电压，会通过一、二次侧间分布电容以及整流信号电路与地之间的分布电容形成电流回路而干扰测量仪器工作，这就是常见的所谓工频干扰；漏电流也是共模干扰的一种形式。6.2.2.2在测量电路和仪表受共模干扰作用后，只有当共模干扰转换为差模干扰时，才会对测量电路或仪表产生有害的影响。即测量电路或仪表受共模干扰影响的大小，取决于共模干扰转换为差模干扰的转换率。6.2.2.31.接地技术在抗干扰措施中接地是与屏蔽紧密相关的，无论是电缆屏蔽还是屏蔽罩都必须有一个适当的接地点，才能有效地抑制干扰。如果接地点选择不当，不但不能抑制干扰，反而会引起干扰，而使系统无法正常工作。可见接地技术不容忽视。（1）一点接地准则如果一个测量系统分别设有信号地线（信号公共基准零电位），又有交流地线和安全保护地线时，则需将三种地线连在一起，再通过一点接地。这就是一点接地的准则。（2）测量系统一点接地图6-11为同一测量系统采用两点接地和一点接地示意图，图a为两点接地；图b为一点接地。图中,和为信号源及其等效内阻；和为信号导线的等效电阻，为测量系统的输入电阻；和为A与B间的电位差和等效地电阻（即为加于测量系统输入端的共模干扰电压）；为信号源对A点的绝缘电阻。下面以实例计算由转换成串模干扰电压来说明图a与图b的区别。（3）信号导线屏蔽层一点接地如前所述，信号导线必须屏蔽和屏蔽层接地，否则没有抑制串模干扰的效果，而且屏蔽层也应一点接地。那么，屏蔽层又该接到哪一点才适合呢？应该遵循下列两个原则：1）当有一个不接地的信号源与一个接地的放大器相连接时，信号导线屏蔽层应接放大器的公共端，见图6-12a。2）当一个接地的信号源与不接地的放大器连接时，即使信号源接的不是大地，信号导线屏蔽层也应接至信号源的公共端，见图6-12b。 由于低电平仪表放大器通常都是”浮置”的，所以测量系统中把信号导线的屏蔽层接至信号源公共端最为经常。2.双层屏蔽浮置技术所谓浮置是指利用绝缘物体（黄腊绸、云母等）将仪表内的放大器、印刷电路板等与导电的外壳、底板等隔离起来。仪表内的放大器经浮置后放大器的电位参考点(或公共地)不接外壳，也不接大地，因此浮置也称为浮地、浮空或浮接。为提高测量仪表共模干扰能力，最广泛应用的是采用双层屏蔽浮置技术，其原理见图6-13。3.应用平衡电路为提高测量系统的抗共模干扰能力，采用平衡措施也是重要手段之一。一个测量系统的平衡程度取决于信号源、信号导线以及负载的平衡。6.2.3电源引入干扰的抑制在仪表内部，一种主要的干扰是来自小功率变压器产生的漏电流。它是由电网的相电压通过变压器一、二次侧间存在的分布电容的静电耦合进入二次侧绕组的，进而到仪表电路中，甚至进入信号源再到地产生泄漏电流，见图6-17a。这往往产生50Hz且与信号电压叠加的工频干扰。为了防止这种干扰，可将电源变压器一次侧绕组放在屏蔽层内，并将屏蔽层接地。此时，变压器一次侧的相电压通过对屏蔽层的分布电容，使漏电流直接流入地，而不再流入放大器和信号源中产生干扰。但是有了接地的屏蔽层后，变压器二次侧绕组的电压也会产生干扰，见图6-17b和c。由于直流电压的负载始终处于二次侧绕组的最低电位，而绕组两端又通过对屏蔽层的分布电容、形成回路，使屏蔽层（即地）对直流电压负端具有正的电位差。此电位差由仪表接地处(或分布电容)进入测量电路构成回路产生漏电流，其结果产生了100Hz脉动的直流干扰电压。由此可见，具有一层屏蔽的电源变压器防止电源引入的干扰是不完善的。为避免由电源引入的干扰，应将电源变压器采用双层屏蔽。除变压器一次侧屏蔽层外，给二次侧绕组也用一单独的屏蔽层，并将屏蔽层接至电源负端，见图6-18。这时电源电压不会在仪表的测量电路中产生漏电流。为了提高仪表对共模干扰的抑制能力,电源变压器往往采用三层屏蔽。其各屏蔽层的接法如下：一次侧绕组屏蔽层接电网地(即大地)；中间屏蔽层接仪表金属外壳；二次侧绕组屏蔽层接电源负端。6.2.4其他抑制干扰的措施为了切断共模干扰的电流回路，可采用各种隔离器件，如光耦合器、耦合变压器等。对于脉冲电路中的噪声抑制，可以采用稳压管或二极管组成的脉冲干扰隔离门，阻断幅值较小的干扰脉冲。对于幅值和宽度都大于正常脉冲信号的干扰，则需采取相关量法来解决。相关量法的基本思路是，找出脉冲信号相关量，相关量与脉冲信号同时作用到与门上，仅当两输入皆有信号时，才能使与门打开送出脉冲信号，这样就抑制了干扰脉冲。在实际被测信号中，往往含有各种噪声和干扰，其振幅和相位随时间的变化是无改则的，它们影响测量结果，出现随机误差。为了消除和减小测量中的随机误差，在智能化仪表中，利用微处理器的数据处理功能，对测量数据进行软件处理，可消除测量中的随机误差，同时，利用软件程序的灵活性，很容易设计出低通、高通、带通等数字滤波器,使得测量数据更为真实可靠。对于测量电路或仪表内部元件的安排和走线布线、装配等也必须给予充分的注意。在实践中经常发现，同样原理的电路，同样的元件，仅仅使由于元件的安排位置和走线布线的方式不同，结果使电路的技术特性差异很大。由此可见，电路（特别是前置放大级）元件的安排和布线、走线的方式是非常重要的，实质上它也是抗干扰措施的一个重要方面。为了能有效地抑制干扰,在安排仪表内部元部件及设计走线的装配工艺时，一般应遵循以下原则：1）电路元件的安装位置应尽量根据信号的传输顺序排成一直线的走向，即按输入级、放大级、信号转换级、输出级的次序安排。不要相互交叉和混合安排，防止引起寄生耦合，避免造成互相干扰或产生自激振荡。2）对于电磁感应耦合元件（如变压器、扼流圈、振荡线圈等)）的安装位置应远离输入级。它们之间也尽量安排得远一些，使其漏磁通互不影响。3）高输入阻抗放大器输入级的印刷电路板走线应设计屏蔽保护环，防止漏电流经线路绝缘电阻流入输入端。4）低电平测量电路中的电源变压器和输入变压器除相互远离外，还必须加屏蔽罩。5）电路较复杂、单元电路较多的仪表,可将有关单元电路分块装配，必要时将输入级与高频振荡级均用屏蔽层隔离。6）仪表内的布线原则：=1