《自动检测技术》课件第3章

第3章检测信号的干扰及其抑制技术3.1电子测量系统的干扰与抑制

3.2噪声源与噪声耦合方式

3.3形成干扰的三要素及抑制干扰的措施

3.4差模干扰与共模干扰

3.5屏蔽、接地、浮置与其他干扰抑制技术

3.6电源变压器与工频干扰3.7软件抗干扰技术

思考与练习题

3.1电子测量系统的干扰与抑制

3.1.1干扰与防护的概念电子测量系统在工作过程中，可能会出现某些不正常现象，例如输出不稳定、零点漂移、严重失真或超差等。产生这些现象的原因，可能是电子测量系统本身电路结构、器件质量、制造工艺等存在问题，也可能是电子测量系统受外部的工作环境，如电源电压波动、环境温度变化或其他电气设备的影响等。这些来自内部和外部、影响电子测量装置正常工作的各种因素，

统称为“干扰”。

3.1.2各种常见干扰及其抑制方法

1.机械的干扰及抑制机械的干扰是指由于机械振动或冲击，使电子测量系统中的电气或电子元件发生振动、变形，从而改变了系统的电气参数，造成了可逆或不可逆的影响。对于机械的干扰主要采取减振措施来解决，

例如使用减振弹簧或减振橡皮垫等。

2.热的干扰及抑制

电子测量系统在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，都会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，从而影响系统的正常工作，这就是热的干扰。对于热的干扰，工程上通常采取热屏蔽、恒温设备、对称平衡结构、温度补偿元件等措施来进行抑制。

3.光的干扰及抑制

在电子测量系统中广泛使用着各种半导体元器件，这些半导体材料在光线的作用下，会激发出电子—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，这就是光的干扰。因此，半导体元器件应封装在不透光的壳体内。对于具有光敏作用的元件，尤其应该注意光的屏蔽问题。

4.湿度变化的干扰及抑制

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。因此，湿度变化必然会影响电子测量系统的正常工作。在设计电子测量系统时，应当采取一些必要的防潮措施。例如，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。

5.电和磁的干扰及抑制电和磁可以通过电路和磁路对电子测量系统产生干扰作用，在电子线路中只要有电场或磁场存在，就会产生电磁干扰。电磁干扰对于电子测量系统而言，是最为普遍和影响最严重的干扰，

因此一定要认真处理这种干扰。

6.射线辐射的干扰及抑制射线会使气体电离、半导体激发出电子—空穴对，会使金属逸出电子等，从而影响电子测量系统的正常工作。但是射线的防护是一门专业技术，主要用于原子能工业、核武器生产等方面，

所以本书不作介绍。

7.化学的干扰及抑制某些化学物品，如酸、碱、盐及腐蚀性气体等，一方面会通过化学腐蚀作用损坏电子测量系统元件和部件，另一方面会与金属导体形成化学电势。例如使用检流计时，手指上的脏物（含有酸、碱、盐等）被弄湿后，将与导线形成化学电势，使检流计偏转。因此，良好的密封和及时的清洁对仪表是十分必要的防护化学干扰的措施。

3.2噪声源与噪声耦合方式

3.2.1噪声与信噪比

1.噪声电子测量系统在工作时，除了有用信号之外，往往还附带着一些无用的信号。这些无用的、变化不规则的信号会影响测量结果，严重时会使有用信号失真或被淹没掉，使测量工作无法进行。这种在电子测量系统中出现的、不希望有的无用信号称为“噪声”。通常所说的干扰就是指噪声造成的不良效应。噪声一般属于随机信号，

必须用描述随机信号的方法来描述。

2.信噪比在测量过程中，不希望有噪声，但是也无法完全消除噪声，实际上只能要求噪声尽可能小一些。究竟允许多大的噪声存在，则必须与有用信号联系在一起考虑。显然，当有用信号很强时，可允许较大的噪声存在；当有用信号很微弱时，则只能允许很小的噪声存在。于是，很自然就产生了“信噪比”这一概念。信噪比指的是在信号通道中，有用信号功率与伴随的噪声功率之比。它表示噪声对有用信号影响的大小。设有用信号功率为Ps、电压为Us，噪声功率为Pn、电压为Un，则用贝尔（B）为单位表示的信噪比S/N为（3-1）

由于贝尔单位太大，所以常用分贝（dB）为单位表示信噪比，其表达式为

（3-2）

由上式可知，

信噪比越大，

表示噪声对有用信号的影响越小。

3.2.2噪声源

1.放电噪声源由各种放电现象产生的噪声称为放电噪声。在放电过程中，放电噪声会向周围辐射出从低频到高频的电磁波，而且还会传播很远的距离。它是对电子仪表影响最严重的一种噪声干扰。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）电晕放电噪声电晕放电具有间歇性质，会产生脉冲电流，而且随着电晕放电过程还会出现高频振荡，这些都是产生噪声的原因。电晕放电噪声主要来自高压输电线，它与距离的平方成反比。因此，对于一般的检测仪表来说，其影响不大。

2）火花放电噪声自然界的雷电，电机整流子炭刷上的火花，接触器、短路器、继电器接点在闭合和断开瞬间产生的火花，电蚀加工过程中产生的火花，汽车发动机的点火装置以及高压器件由于绝缘不良引起的闪烁放电等都是火花放电的噪声源。火花放电噪声可以通过直接辐射和电源电路向外传播，对低频至高频电路造成干扰。

3）放电管噪声放电管属于辉光或弧光放电。通常放电管具有负阻特性，所以，当它与外电路连接时，很容易引起振荡。交流供电的荧光灯，在半个周期内，由于其起始和终了时放电电流变小，也会产生再点火振荡和灭火振荡。近年来大量使用的霓虹灯，也成为一种较为严重的噪声源。

2.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有一段距离与高压输电线平行，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表来说，也是很大的干扰源。另外，在电子装置的内部，由于工频感应，也会产生交流噪声。如果工频电源的电压波形失真较大（如供电系统接有大容量的可控硅设备），由于高次谐波分量的增多，它产生的干扰更大。

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表带来干扰。

3）电子开关电子开关虽然在通断时不产生火花，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，从而形成噪声干扰源。在一定电路参数条件下，电子开关的通断还会带来相应的阻尼振荡，从而形成高频干扰源。使用可控硅的电压调整电路，对其他电子装置的干扰就是典型例子。这种电路在可控硅的控制下，周期性地通断，形成前沿陡峭的电压和电流，并使电源波形畸变，从而影响到由该电源系统供电的其他电子设备。

3.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。3.2.3噪声的叠加噪声电压或噪声电流的产生若是彼此独立的，即互不相关的，则总噪声功率等于各个噪声功率之和。把几个噪声电压U1、U2…，Un按功率相加时，得

(3-3)总噪声电压可表示为

(3-4)噪声电压或噪声电流的产生若不是彼此独立的，即互为相关的，则噪声电压可用下式叠加：

(3-5)式中γ为相关系数，0<γ<1。

3.2.4噪声耦合方式

1.静电耦合静电耦合又称电容耦合，噪声源与被干扰电路之间存在着电容通路。显然，这种电容一般不是人为加上的，而是二者之间的分布电容。干扰脉冲或其他高频干扰会经过分布电容耦合到电子线路中，

如图3-1所示。

图3-1噪声的静电耦合(a)示意图；

(b)等效电路

2.电磁耦合

电磁耦合又称互感耦合，它是由于两电路之间存在互感而产生的，一个电路中电流的改变引起磁交链而耦合到另一电路。若某一电路有干扰，则同样可以通过互感而耦合到另一电路中。

其等效电路如图3-2所示。

图3-2电磁耦合等效电路

根据图3-2，若干扰源的电流为I，频率为ω，而两电路的互感系数为M，则该干扰在电路负载Rz上产生的干扰为（设Rz远远大于电感的阻抗）

(3-6)可见，干扰电压的大小正比于干扰电流I、互感系数M和干扰的频率ω。同时，需注意的是任何两个电路的任何两条导线之间，

必定存在互感，

只是互感系数的大小不同而已。

3.公共阻抗耦合

公共阻抗耦合就是多个电路通过共有阻抗造成的耦合。当某一电路的电流流过共有阻抗时，会在共有阻抗上产生电压，该电压就可能成为其他电路的干扰。在电子设备中，各电子元器件都需要接地，而公共地线上会流过各个电子元器件的频率不同、大小不同的电流。同时，公共地线不可能没有阻抗，只要有阻抗就一定会产生耦合。在高频情况下，接地线的电感不能被忽略，因为这一公共电感会引起公共阻抗耦合。当电路的工作频率比较高时，必须予以注意。此外，当几个电路共用一个电源时，电源内阻上的压降也会产生干扰。3.3形成干扰的三要素及抑制干扰的措施3.3.1形成干扰的三要素噪声源产生的噪声必须经过一定的耦合通道，才能够对电子测量系统的正常工作造成不良影响。换句话说，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图3-3所示。

图3-3形成干扰的三要素之间的联系

3.3.2消除干扰源抑制干扰积极、主动的措施是消除干扰源。要消除干扰源，必须首先确定何处是干扰源。在无法消除干扰源时，可采取抑制措施，在越靠近干扰源的地方采取措施，干扰抑制效果就越好。一般来说，电流或电压剧变的地方就是干扰源，具体地说，继电器通断、电容充电、电机运转、集成电路开关工作等都可能成为干扰源。另外，市电电源也并非理想的50Hz正弦波，而是含有各种频率的噪声，

是不可忽略的噪声源。

3.3.3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，一般采取各种屏蔽措施，如静电屏蔽、电磁屏蔽、磁屏蔽等。

3.3.4提高抗干扰能力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。

3.4差模干扰与共模干扰

3.4.1差模干扰

差模干扰又称横向干扰、正态干扰或串模干扰等。它使电子测量系统的两个信号输入端子的电位差发生变化，即干扰信号与有用信号是按电势源形式串联起来作用于输入端的。由于它和有用信号叠加起来直接作用于输入端，因此它直接影响测量结果。差模干扰可用图3-4所示的两种方式表示。

图3-4差模干扰等效电路(a)串联电压源形式；

(b)并联电流源形式

图3-5产生差模干扰的典型例子(a)温度测量系统的差模干扰；

(b)动圈式检流计的差模干扰

3.4.2共模干扰共模干扰又称纵向干扰、对地干扰、同相干扰、共态干扰等。它是相对于公共的电位基准地（接地点），在电子测量系统的两个输入端子上同时出现的干扰。虽然它不直接影响测量结果，但是，当信号输入电路参数不对称时，它会转化为差模干扰，对测量产生影响。在实际测量过程中，由于共模干扰的电压一般都比较大，而且它的耦合机理和耦合电路不易搞清楚，因此共模干扰对测量的影响更为严重。

共模干扰通常用等效电压源表示。图3-6给出了一般情况下的共模干扰电压源等效电路。图中Un表示干扰电压源，Zcm1、Zcm2表示干扰源阻抗，Z1、Z2表示信号传输线阻抗，Zs1、Zs2表示信号传输线对地的漏阻抗，Ri表示仪表输入电阻，

Rs表示信号源内阻。

图3-6共模干扰等效电路

常见的共模干扰耦合有下面几种：（1）在测量系统附近有大功率电气设备，因绝缘不良漏电，或三相动力电网负载不平衡，零线有较大电流时，都存在着较大的地电流和地电位差。这时，若测量系统有两个以上接地点，则地电位差就会造成共模干扰。（2）当电气设备的绝缘性能不良时，动力电源会通过漏电阻耦合到测量系统的信号回路，形成干扰。（3）在交流供电的电子测量仪表中，动力电源会通过电源变压器的原边、副边绕组间的杂散电容，整流滤波电路，信号电路与地之间的杂散电容与地构成回路，形成工频共模干扰。

3.4.3共模干扰抑制比由上述可知，共模干扰只有转换成差模干扰才能对检测仪表产生干扰作用，所以共模干扰对检测仪表的影响大小取决于共模干扰转换成差模干扰的大小。为了衡量检测仪表对共模干扰的抑制能力，就自然提出了“共模干扰抑制比”这一重要概念。共模干扰抑制比定义为：作用于检测仪表的共模干扰信号与使仪表产生同样输出所需的差模信号之比。通常以对数形式表示为

（3-7）

式中：Ucm为作用于仪表的实际共模干扰信号；Ucd为使仪表产生同样输出所需的差模信号。

共模干扰抑制比也可以定义为检测仪表的差模增益Kd与共模增益Kc之比，即

（3-8）

此式特别适用于放大器的共模抑制比计算。上面对共模抑制比的两种定义都说明，它是电子测量系统对共模干扰抑制能力的度量。CMRR值越高，说明系统对共模干扰的抑制能力越强。图3-7是一个差动输入运算放大器受共模干扰的等效电路。图中Ecm为共模干扰电压，Z1、Z2为共模干扰源阻抗，R1、R2为信号传输线路电阻，Es为信号源电压。图3-7差动运算放大器受共模干扰的等效电路

设差动放大器输入阻抗为无穷大，由图3-7很容易得出，在Ecm作用下出现在放大器两个输入端子之间的差模干扰电压为

（3-9）

从而可求得差动运算放大器的共模抑制比为

（3-10）

从上式可以看出，若ZlR2＝Z2R1，则CMRR趋于无穷大，但实际上很难做到这一点。一般|Z1|>>R1，|Z2|>>R2，并且Z1≈Z2＝Z，则上式可简化为

（3-11）

3.5屏蔽、接地、浮置与其他干扰抑制技术

3.5.1屏蔽技术

1.静电屏蔽由静电学可知，处于静电平衡状态下的导体内部无电力线，即各点等电位。利用金属导体的这一性质，并加上接地措施，则静电场的电力线就在接地金属导体处中断，从而起到隔离电场的作用。静电屏蔽可以防止静电耦合干扰，用它可消除或削弱两电路之间由于寄生分布电容耦合而产生的干扰。在电源变压器的原边与副边绕组之间，插入一个梳齿形导体，并将其接地，以此来防止两绕组之间的静电耦合，这是静电屏蔽的典型应用之一。

2.电磁屏蔽电磁屏蔽的基本原理是采用导电良好的金属材料做成屏蔽罩、屏蔽盒等不同的外形，将被保护的电路包围在其中，利用高频电磁场对屏蔽金属的电磁感应作用，在屏蔽金属内产生涡流，用涡流产生的磁场抵消或减弱干扰磁场的影响，从而得到屏蔽的效果。它主要用来防止高频电磁场的影响，对于低频磁场干扰的屏蔽效果很小。

图3-8是电磁屏蔽示意图。

图3-8电磁屏蔽

下面用实例来分析电磁屏蔽的效果。图3-9是屏蔽盒的电磁屏蔽作用示意图。屏蔽导体中的电流方向与线圈中的电流方向相反。因此，在屏蔽盒的外部，屏蔽导体涡流产生的磁场与线圈产生的磁场抵消，从而抑制了泄露到屏蔽盒外部的磁力线，起到了电磁屏蔽的

作用。若将电磁屏蔽导体看作是匝数的线圈，其电阻、电感分别为rs、Ls，流过的电流为is；线圈的匝数为Wc，电感为Lc，流过的电流为ic；线圈与屏蔽导体的互感为M，则

（3-12）

在高频情况下，可以认为rs<<ωLs，所以

（3-13）

但在低频时，

rs>>ωLs，所以

（3-14）

由式（3-14）可知，在低频时ω值很小，故Is值也很小，这样一来对低频的屏蔽效果就很小，所以电磁屏蔽只适用于防止高频电磁场的影响。

图3-9

屏蔽盒的电磁屏蔽作用示意图

3.低频磁屏蔽

低频磁屏蔽是用来隔离低频(主要指50Hz)磁场或固定磁场(也称静磁场，其幅度、方向不随时间变化，如永久磁铁产生的磁场)耦合干扰的有效措施。任何通过电流的导线或线圈周围都存在磁场，它们可能对检测仪器的信号线或仪器造成磁场耦合干扰。电磁屏蔽对这种低频磁通干扰的屏蔽效果是很差的，这时必须采用高导磁材料作屏蔽层，以便让低频干扰磁力线从磁阻很小的磁屏蔽层中通过，使内部电路免受低频磁场耦合干扰的影响。

为了有效地进行低频磁屏蔽，屏蔽层材料要选用诸如坡莫合金之类对低磁通密度有高导磁率的铁磁材料，同时要有一定的厚度以减小磁阻。由铁氧体压制成的罐形磁芯可作为磁屏蔽使用，并可以把它和电磁屏蔽导体一同使用。为提高屏蔽效果可采用多层屏蔽。第一层用低导磁率的铁磁材料，作用是使场强降低；第二层用高导磁率的铁磁材料，以充分发挥其屏蔽作用。某些高导磁材料，如坡莫合金经机械加工后，其导磁性能会降低。因此用这类材料制成的屏蔽体在加工后应进行热处理。

4.驱动屏蔽

驱动屏蔽又称“电位跟踪屏蔽”，就是用被屏蔽导体的电位通过1∶1电压跟随器来驱动屏蔽导体的电位，其原理如图3-10所示。若1∶1电压跟随器是理想的，则导体B与屏蔽层C二者等电位，于是在二者之间无电力线，各点等电位。这说明，噪声源导体A的电场影响不到导体B。尽管导体B与屏蔽层C之间有寄生电容存在，但因B与C等电位，故此寄生电容不起作用。因此驱动屏蔽能有效地抑制通过寄生电容的耦合干扰。应指出的是，在驱动屏蔽中所应用的1∶1电压跟随器不仅要求其输出电压与输入电压的幅值相同，而且要求两者之间的相移为零。另一方面，此电压跟随器的输入阻抗与Zi相并联，为减小其并联作用，则要求电压跟随器的输入阻抗值应当足够高。实际上这些要求只能在一定程度上得到满足。驱动屏蔽属于有源屏蔽，只有当线性集成电路出现以后，才有实用价值，目前它已在工程中得到了越来越广泛的应用。

图3-10驱动屏蔽

驱动屏蔽的实用例子很多，图3-11是对电容传感器接收信号的驱动屏蔽示意图。这实际上是一种等电位屏蔽法。由于传输电缆的芯线与内层屏蔽等电位，从而消除了芯线对内层屏蔽的容性漏电，也就消除了寄生电容的影响。此时，内、外层屏蔽之间的电容便成了电缆驱动放大器的负载，因此，驱动放大器是一个输入阻抗很高、具有容性负载、放大倍数为1的同相放大器。

图3-11驱动屏蔽法实例

3.5.2接地技术

1.接地的概念和目的在电子测量系统中，地的含义包括两种。一是代表一个系统或一个电路的等电位参考点，接地的目的是为系统或电路的各部分提供一个稳定的基准电位，并以低的阻抗为信号电流回流到信号源提供通路。这种地又称为信号地。显然，没有信号地，系统或电路是无法工作的。二是指地球的大地。系统或电路的某些部分需要与该地连接，接地的目的是为电气设备提供一个保护接地，或者是满足静电屏蔽的需要。

2.电子测量系统中的多种地线

1）保护地线为了安全起见，作为三相四线制电源电网的零线、电气设备的机壳、底盘以及避雷针等都需要接大地。对于单相电，为了保证用电的安全性，也应采用具有保护接地线的单相三线制配电方式。图3-12是220V三线制交流配电原理图。“火线”上装有熔断丝，保护地线应与设备外壳相连。当电流超过容限时，熔断丝切断电源，但不管漏电流大小或熔断丝是否熔断，

用电设备外壳始终保持地电位，

从而保障了人身安全。

图3-12单相三线制配电原理图

2）信号地线电子测量系统中的地线除特别说明是接大地的以外，一般都是指作为电信号的基准电位的信号地线。信号地线又可分为两种：模拟地和数字地。模拟地是模拟信号的零电位公共线。因为模拟信号一般较弱，所以对模拟地要求较高。数字地是数字信号的零电位公共线。由于数字信号一般较强，故对数字地要求可低些。但由于数字信号处于脉冲工作状态，动态脉冲电流在杂散的接地阻抗上产生的干扰电压，即使尚未达到足以影响数字电路正常工作的程度，但对于微弱的模拟信号来说，往往已成为严重的干扰源。为了避免模拟地与数字地之间的相互干扰，二者应分别设置。

3）信号源地线信号源地线是传感器本身的零电位基准公共线。传感器可看做是测量装置的信号源。通常传感器安装在生产现场，而显示、记录等测量装置则安装在离现场有一定距离的控制室内，

在接地要求上二者不同。

4）负载地线负载的电流一般较前级信号大得多，负载地线上的电流在地线中产生的干扰作用也大，因此负载地线和测量放大器的信号地线也有不同的要求。有时二者在电气上是相互绝缘的，它们之间通过磁耦合或光耦合传输信号。在电子测量系统中，上述四种地线应分别设置。在电位需要连通时，可选择合适位置做一点相连，以消除各地线之间的干扰。

3.电路一点接地原则

1）单级放大电路的一点接地如图3-13（a）所示，单级选频放大器的原理电路上有7个线端需要接地。如果只从原理图的要求进行接线，则这7个线端可以接在接地母线任意不同位置。这样，不同接地点间的电位差就有可能成为这级电路的干扰信号。因此，应采用图3-13（b）所示的一点接地方式。

图3-13单级电路的一点接地(a)多点接地方式；

(b)一点接地方式

2）

多级电路的一点接地图3-14（a）所示的多级电路利用一段公用地线后，再在一点接地，它虽然避免了多点接地可能产生的干扰，但是在这段公用地线上却存在着A、B、C三点不同的对地电位差，其中UA＝(I1+I2+I3)R1，UB＝UA+(I2+I3)R2

，UC＝UB+I3R3。当各级电平相差不大时，这种接地方式还勉强可以使用。如果各电路的电平相差很大时，就不能使用。因为高电平电路将会产生较大的地电流并干扰到低电平电路。这种利用一段公用地线多级接地方式的优点是布线简便，因此常应用在级数不多，各级电平相差不大以及抗干扰能力较强的数字电路。在使用这种接地方式时还应注意把低电平的电路放在距接地点最近的地方，因为该点最接近于地电位。图3-14多级电路的一点接地(a)一点接地的串联方式；

(b)一点接地的并联方式

3)

放大器与信号源的接地图3-15（a）为放大器与信号源的两点接地方式。其中Us为信号源电压，Rs为信号源内阻，Rc为引线电阻。对于微弱信号的放大电路，信号源地与放大器地之间存在着地电阻RG，当某种干扰电流流过此电阻时，就会形成共模干扰UG。其等效电路如图3-15（b）所示。

图3-15放大器与信号源的接地方式(a)放大器与信号源两点接地；

(b)两点接地等效电路；

(c)一点接地等效电路

3.5.3浮置技术浮置又称浮空、浮接，它指的是电子测量系统的输入信号放大器公共线(即模拟信号地)不接机壳或大地。对于被浮置的测量系统，测量电路与机壳或大地之间无直流联系。图3-16所示的温度测量系统中，其前置放大器通过三个变压器与外界联系。B1是输出变压器，B2是反馈变压器，B3是电源变压器。前置放大器的两个输入端子均不接外壳和屏蔽层，也不接大地。两层屏蔽之间互相绝缘，外层屏蔽接大地，内层屏蔽延伸到信号源处接地。从图中可明显看出，采用浮置后地电位差所造成的干扰电流大大减小，而且该电流为容性漏电流。

图3-16浮置的温度测量系统

3.5.4平衡电路平衡电路又称为对称电路。它是指双线电路中的两根导线与连接到这两根导线的所有电路对地或对其他导线电路结构对称，对应阻抗相等。例如，电桥和差分放大器就属于平衡电路。

采用平衡电路可以使对称电路结构所拾捡的噪声相等，并可以在负载上自行抵消。

图3-17所示电路是最简单的平衡电路。UN1、UN2为噪声电压源，Us1、Us2为信号源，两个噪声源所产生的噪声电流为IN1、IN2，两个信号源产生的信号电流为Is。由电路原理图可求出在负载上产生的总电压为

（3-15）

图3-17最简单的平衡电路

在一个不平衡系统中，电路的信号传输部分可采用两个变压器而使其变得平衡，其原理如图3-18所示。因为长导线最易拾捡噪声，所以这种方法对于信号传输电路在噪声抑制上是很有用的。同时，变压器还能断开地环路，因此能消除负载与信号源之间由于地电位差所造成的噪声干扰。

图3-18用两个变压器使传输线平衡(a)不平衡系统；

(b)平衡传输系统

3.5.5滤波器

1.RC滤波器当信号源为热电偶、应变片等信号变化缓慢的传感器时，利用小体积、低成本的无源RC低通滤波器将对串模干扰有较好的抑制效果。对称的RC低通滤波器电路如图3-19所示。

图3-19串模干扰信号滤波器(a)单级RC滤波器与放大器的连接；

(b)二级RC滤波器

2.直流电源输出端的滤波器

直流供电的仪表，其直流电源往往被几个电路共用。因此，为了减弱经共用电源内阻在各电路之间形成的噪声耦合，对直流电源输出端还需加装滤波器。图3-20(a)、(b)是滤除高、低频成分干扰的两种滤波器。

图3-20高、

低频干扰电压滤波器

3.退耦滤波器当一个直流电源对几个电路同时供电时，为了避免通过电源内阻造成几个电路之间互相干扰，应在每个电路的直流进线与地线之间加装退耦滤波器。图3-21是RC和LC退耦滤波器的应用方法示意图。应注意，LC滤波器有一个谐振频率，其值为

(3-16)应将这个谐振频率取在电路的通频带之外。在谐振频率时，滤波器的增益与阻尼系数ξ成反比。

LC滤波器的阻尼系数

(3-17)式中,R是电感线圈的等效电阻。

为了将谐振时的增益限制在2dB以下，应取ξ>0.5。

图3-21电源退耦滤波器(a)RC退耦滤波器；

(b)LC退耦滤波器

4.交流电源进线端的对称滤波器

任何使用交流电源的电子测量仪表，经电源线传导耦合到测量电路中的干扰，都会对仪表工作造成影响。为此，在交流电源进线端子间加装滤波器是十分必要的。关于这种滤波器详见3.6节。

3.5.6光电耦合器

光耦合器是由发光二极管和光敏三极管封装在一个管壳内组成的。发光二极管两端为信号输入端，光敏三极管的集电极和发射极作为光耦合器的输出端，它们之间的信号传输是靠发光二极管在信号电压的控制下发光，传送给光敏三极管来完成的。输入信号和输出信号二者之间在电气上是绝缘的。其原理参见图3-22。由于两个电路之间采用光束来耦合，因此能把两个电路的地电位隔离开，两个电路的地电位即使不同也不会造成干扰。光耦合对数字电路很适用，但在模拟电路中需应用光反馈技术，以解决光耦合器特性的非线性问题。

图3-22用于断开地环路的光耦合器3.5.7脉冲电路的噪声抑制技术

1.脉冲电路被干扰的一般情况对于脉冲电路来说，理想的信号波形应具有以下特征：①幅度一定；②重复周期或脉冲宽度一定；③波形无畸变，不寄生其他非工作信号波形；④没有相位偏移；⑤零电平基准线保持不变。

实际电路中，由于各种各样的电路条件及传输过程中各种干扰因素的影响，上述理想条件并不是都能满足。例如，当脉冲信号通过电容时就失去了直流分量，零电平可能要偏离基准线；电路的时间常数不合适将使脉冲波形发生畸变；信号如通过电感将产生相移，且随频率变化；在包含频率极宽的脉冲波形中，其每个频率的相移大小各不相同，故会发生波形畸变。总之，信号的畸变是引起脉冲电路工作异常的重要因素之一，也是区别于模拟电路的重要特征。

图3-23常见的脉冲干扰波形(a)原波形；(b)严重振铃；(c)混入了模拟干扰；(d)高频寄生振荡(e)垂度过大；

(f)共模干扰；

(g)尖峰干扰

2.脉冲电路的噪声抑制技术

1）脉冲干扰隔离门脉冲干扰隔离门利用硅二极管的正向压降对幅度较小的干扰脉冲加以阻挡，而让幅度较大的脉冲信号顺利通过。图3-24给出了脉冲隔离门的原理电路。图中二极管应选用开关管。

图3-24脉冲隔离门

2）削波器当噪声电压低于脉冲的波峰值时，也可使用图3-25所示的削波器。该削波器只让高于电压E的脉冲信号通过，而低于电压E的干扰脉冲则被削掉。

图3-25削波器(a)原理图；

(b)波形图

3）积分电路在脉冲电路中为了抑制窄脉冲型的噪声干扰，使用积分电路是最有效的。当脉冲电路以脉冲前沿的相位作为信息传输时，通常用微分电路取出前沿相位。但是，如果有噪声脉冲存在，其宽度即使很小也会出现在输出端。如果使用积分电路，则脉冲宽度大的信号输出大而脉冲宽度小的噪声脉冲输出小，所以能将噪声脉冲干扰滤除掉。图3-26以波形图的形式说明了用积分电路消除干扰脉冲的原理。

图3-26用积分电路消除干扰脉冲(a)混有干扰的脉冲信号；

(b)微分电路的输出波形；

(c)积分电路的输出波形

3.6电源变压器与工频干扰3．6．1电源变压器的屏蔽措施

1．电源变压器原、副边绕组之间加入单层静电屏蔽后的漏电流分析在电源变压器原、副边绕组之间设置静电屏蔽层的目的是利用静电屏蔽作用切断或减弱原、副边绕组之间的寄生电容耦合。实际上，加上静电屏蔽层以后，屏蔽层与绕组之间仍然存在着分布电容和分布电压，所以绕组对屏蔽层还存在着一定的容性漏电流。其等效电路如图3-27所示。设电源角频率为ω，为简化分析，再设每一匝绕组对静电屏蔽层的寄生电容相同，即

，这时流过Cn的容性电流，流过Cm的容性电流 为，故原边绕组对屏蔽层的总容性漏电流为：

（3-18）

式中，为原边绕组对屏蔽层的总寄生电容，Xs为原边绕组对屏蔽层的总容抗。

图3-27带静电屏蔽的变压器等效电路

2．电源变压器原、副边绕组间加入双层屏蔽的接法及漏电分析

1）原边屏蔽接地，副边屏蔽接电路零信号基准。电路及屏蔽接法原理示于图3-28。变压器副边电压经分布电容C34对副边屏蔽层的漏电直接在回路③—C34—④一⑩—③内闭合，该容性漏电流不会流过信号线⑨—②段。原边绕组的漏电通过分布电容C56而达到原边屏蔽⑤，随即进入地⑧，再返回地⑦，基本上不进入仪表屏蔽层。但上述接法仍然存在问题。因地①与地⑧之间存在地电位差，它将形成干扰电流，沿⑧—①—②—⑨—⑩——④—C45—⑤—⑧回路闭合。此电流流过信号线⑨—②段，将造成干扰。C45是两层屏蔽层之间的寄生电容，数值较大，例如，对10W电源变压器C45约为0.001μF；若取地电位差为1OV，频率为50Hz，将造成3μA漏电流，在2Ω信号线⑨—②段上产生6μV干扰，显然不太好。解决此问题的方法，可采用粗导线将副边屏蔽④与地①短接，即将图3-28中开关S合上。

图3-28

电路及屏蔽接法原理⑵原边屏蔽经短路线在信号源处接地，副边屏蔽接电路零信号电位基准。电路及屏蔽接法原理示于图3-29。变压器副边电压沿回路①—C12—②—③—④—①闭合，原边电压及地电位差沿回路⑥—⑦—C78—⑨—⑥闭合，这两路漏电流均不流经信号线，因此不会造成干扰。这说明具有双层屏蔽的电源变压器采用图3-29的屏蔽接法，其效果是较理想的。

图3-29原边屏蔽经短路线在信号源处接地，副边屏蔽接电路零信号基准电位

3.电源变压器原、副边之间采用三层屏蔽的接法及干扰分析为了提高仪表对共模干扰的抑制能力，可在电源变压器中再增加一层屏蔽。这样电源变压器便具有三层屏蔽。通常其屏蔽接地方法为：原边屏蔽接电网地(即大地)；中间屏蔽接仪表金属外壳；副边屏蔽接仪表的防护地(即仪表内层浮置屏蔽罩)。

图3-30所示测量系统，其仪表的金属外壳⑤应包罩住整个仪表，即要求屏蔽具有完整性。仪表的内层屏蔽⑧除了在关键的输入点等部位以外不必是完整的。副边屏蔽层②本身的疏密程度直接影响寄生电容C17的数值，因此副边屏蔽层的质量很关键。图3-30所示系统的主要干扰是副边电压产生的漏电流沿回路⑦—C17—①—③—R—⑧—⑦流过，在R上产生干扰电压。如C17=1pF，⑦到⑧的电位差为5V，频率为50Hz，取R=1kΩ，则在R上产生的干扰电压为1.5µV。可见寄生电容C17的大小影响很大。

图3-30具有三层屏蔽的电源变压器及测量系统

综合上面的分析，可概括出电源变压器静电屏蔽的功能如下：一是使仪表的静电屏蔽恢复完整性；二是通过屏蔽层的合适接法，控制原、副边电压漏电流的流向，使其不流经信号线；三是通过屏蔽层的合适接法，还可为外部干扰电流提供低阻通路，使其不流经信号线。从上面的分析还可以看出，在分析含变压器在内的电子线路漏电流干扰时，应搞清楚三条漏电回路：①变压器副边绕组电压的容性漏电回路；②变压器原边绕组电压的容性漏电回路；③地电位差所造成的容性漏电回路。在分析每一条容性漏电回路时，要从每一个零信号基准电位导体开始，对每一个噪声源电压确定可能的寄生分布电容，以及由此电容的另一端点所有可能回到零信号基准电位导体的返回通道。应注意，不同的接大地点之间存在着地电位差。

3．6．2电源滤波器的构造及抗干扰特性任何使用交流电源的电子测量系统，经电源线传导耦合到测量电路中的干扰，都会对系统工作造成影响。为此，在交流电源进线端子间加装滤波器是十分必要的。在电源和负载之间插入交流电源滤波器之后可以将几千赫兹至几十兆赫兹范围内的电磁干扰衰减到几十分之一。交流电源滤波器有不同的构造，因此也有不同的抗干扰特性。

图3-31是几种常用的电源滤波器的结构原理图。图（a）是高频旁路电容滤波器，可以滤除电源中的高频串模干扰。图（b）是并接在电源输入两端的两个串联旁路电容，电容间的连接点接地。这种滤波器可以滤除电源的共模干扰。图（c）所示的滤波器电路中，C1、C2对滤除共模干扰起作用，而C3对滤除串模干扰起作用。图（d）是滤除电源串模干扰的滤波器，L1、L2对于高频干扰源来说是高阻抗，C为低阻抗。图（e）是滤出共模干扰的滤波器。

图3-31各种电源滤波器的构成

图3-32是对串模干扰和共模干扰均有滤除效果的电源滤波器。100μH电感、0.1μF电容组成高频滤波器，能吸收从电源线传导进来的中短波段的高频噪声干扰。图中两只对称的5mH电感是由绕在同一只铁芯两侧、匝数相等的电感绕组构成的，称为共模电感（或抗共模干扰扼流圈）。由于电源的进线侧至负载的往返电流在铁芯中产生的磁通方向相反、互相抵消，因而不起电感的作用，对50Hz的大负载电流阻抗很小，但对于电源相线和中性线同时存在的大小相等、相位相同的共模噪声干扰来说，是一个较大的电感，它呈高阻抗，所以对共模噪声干扰有良好的抑制作用。图中的10μF电容能吸收因电源波形畸变而产生的谐波干扰；图中的压敏电阻R能吸收因雷击等引起的浪涌电压干扰。

图3-32交流电源滤波器电路

3.6.3铁氧体磁珠滤波器及浪涌吸收器

1.铁氧体磁珠滤波器在稳压电源的直流输出端接一个电源滤波器，能有效地抑制电源干扰，但是当输出直流电流很大时，如数十安培乃至数百安培时，滤波器中的抗共模干扰扼流圈势必要做得很大，特别是线圈的线要粗，铁芯截面积要大，给制作和安装带来很大的麻烦。在这种场合下，铁氧体磁珠可以作为滤波器使用。铁氧体磁珠是一个对高频有很大的损耗，而对低频及直流几乎没有损耗的元件，它对1MHz以上的干扰有显著的衰减作用。磁珠可根据需要做成大型的或小型的。小型的孔径为1mm左右，可以直接穿在铜线、电阻、晶体管等引线上面，起滤波作用。铁氧体磁珠可分为电阻性的和电感性的两种，一般用电感性的磁珠作为滤波器。这种磁珠的等效电路为一个电阻和一个电感的串联，

磁珠的阻抗与频率之间有如下关系：

（3-19）

式中，R为磁珠的等效电阻，L为等效电感。由于磁珠的电阻R使电感的Q值下降，而成为低Q值电路，这对磁珠作为宽频带有效的扼流圈是十分重要的。当用一个磁珠还不足以衰减干扰时，可用几个串联在一起。在直流大电流时要注意选择磁珠的规格，不要引起磁珠的磁饱和。

2.浪涌吸收器在电源电路中用浪涌吸收器，以吸收电源中的各种浪涌脉冲干扰。这也是抑制电源干扰的有效措施之一。浪涌吸收器的主要特点是其电流—电压关系很特殊，电流的增加和减少，使电阻值也发生相应变化。所以，浪涌吸收器也常称为变阻器。其伏安特性曲线如图3-33所示。若一旦击穿，其两端的压降迅速降低，电流迅速增加。浪涌吸收器的主要技术指标有击穿电压、浪涌电流及导通电压。

图3-33浪涌吸收器的伏安特性曲线

3.7软件抗干扰技术

3.7.1数字滤波技术在信号检测系统中均含有各种噪声和干扰，它们来自被测信号本身、传感器、外界干扰等。为了进行准确测量，必须消除被测信号中的噪声和干扰。噪声有两大类：一类为周期性的；另一类为不规则的。前者的典型代表为50Hz的工频干扰，对于这类信号，可以采用前几节介绍的抗干扰措施；对于不规则的随机干扰，可以用数字滤波方法予以削弱或滤除。所谓数字滤波，就是通过一定的计算或判断程序减少干扰在有用信号中的比重，因此它实质上是一种程序滤波。数字滤波克服了模拟滤波器的不足，与模拟滤波器相比，它有以下几个优点：（1）数字滤波是用程序实现的，不需要增加硬件设备，所以可靠性高、稳定性好。（2）数字滤波可以对频率很低(如0.01Hz)的信号实现滤波，克服了模拟滤波器的缺陷。（3）数字滤波器可以根据信号的不同，采用不同的滤波方法或滤波参数，具有灵活、方便、功能强的特点。

1.常用的数字滤波方法

1）算术平均值滤波法算术平均值滤波法是在采样点连续采样数次并相加，然后取算术平均值作为本次采样值的方法。这种方法可以减小系统的随机干扰对采样结果的影响。

采样次数取3~5次即可。

2）限幅滤波法由于大的随机干扰或传感器的不稳定，使得采样数据偏离实际值太远，为此采用上、下限限幅，即

（3-20）

而且采用限速(亦称限制变化率)，即

（3-21）

3）中值滤波法中值滤波法的原理是对被测参数连续采样m（m为大于等于3的奇数）次，并按大小顺序排列，再取中间值作为本次采样的有效数据。中值滤波法和平均值滤波法结合起来使用，滤波效果会更好。即在每个采样周期，先用中值滤波法得到m个滤波值，再对这m个滤波值进行算术平均，得到可用的被测参数。

4）惯性滤波法惯性滤波法实际上是用软件方法代替硬件RC滤波器，也就是利用软件完成低通滤波器的算法。以上讨论了四种数字滤波方法，在实际应用中，究竟选取哪一种数字滤波方法，应视具体情况而定。一般来说，算术平均值滤波法适用于周期性干扰；中值滤波法和限幅滤波法适用于偶然的脉冲干扰；惯性滤波法适用于高频及低频的干扰信号。针对不同的测量对象，有时还会同时采用几种滤波方法，比如先用中值滤波法或限幅滤波法，然后再用算术平均值滤波法。

总之，应用恰当的数字滤波方法，可以有效