第七章數(shù)字化測(cè)量?jī)x器中干擾抑制及防護(hù)技術(shù)

1、 第七章第七章 數(shù)字化測(cè)量?jī)x器中干擾的抑制數(shù)字化測(cè)量?jī)x器中干擾的抑制 及防護(hù)技術(shù)及防護(hù)技術(shù)7.1 串模干擾及其抑制串模干擾及其抑制 串模干擾串模干擾n定義：定義：在儀器輸入端疊加在儀器輸入端疊加了被測(cè)電壓上的那部分不了被測(cè)電壓上的那部分不需要的輸入電壓需要的輸入電壓 n原因：原因：要完全避免串模干要完全避免串模干擾是不可能的。它的來(lái)源擾是不可能的。它的來(lái)源很多如：空間的電磁輻射很多如：空間的電磁輻射波，測(cè)量?jī)x器供電系統(tǒng)中波，測(cè)量?jī)x器供電系統(tǒng)中瞬時(shí)擾動(dòng)產(chǎn)生的脈沖干擾，瞬時(shí)擾動(dòng)產(chǎn)生的脈沖干擾，經(jīng)過(guò)變壓器繞組間寄生電經(jīng)過(guò)變壓器繞組間寄生電容串入的工頻電壓干擾，容串入的工頻電壓干擾，穩(wěn)壓電源紋波干擾等

2、。穩(wěn)壓電源紋波干擾等。n串模干擾抑制比串模干擾抑制比SMRSMR： 測(cè) 量?jī)x 表UnUx)(lg20dBUSMRnnm7.1 串模干擾及其抑制串模干擾及其抑制SMR與采樣時(shí)問(wèn)與采樣時(shí)問(wèn)T的關(guān)系的關(guān)系 （7-2） 其中 為干擾電壓的角頻率。在采樣時(shí)間T內(nèi)得到的積分平均值為 干擾造成的誤差為 )sin(11tUUunmxi112TTiidtuTU01TxTixindtUTdtuTUU0011TxidtUuT0)(17.1 串模干擾及其抑制串模干擾及其抑制 將式（7-2）代入上式，經(jīng)整理得： 在特定的條件下 、T及 都是常數(shù)，而采樣始點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的干擾初相位 都是隨機(jī)的，如果考慮n的最大可能值，取則 由

3、式(7-5)可見(jiàn)，若采樣時(shí)間T是 的整倍數(shù)，則sin(T/ )=0于是n0。只要設(shè)法取采樣時(shí)間T=k ，k=1，2，就可使串模干擾的影響完全消失。 22sin2sin211111TTTUnmn1nmU1122sin11T111111)sin(2sin2TTTTUTTUnmnmnm1T1T1T7.1 串模干擾及其抑制串模干擾及其抑制根據(jù)定義，串模干擾抑制比為 )sin(lg20lg20111TTTTUSMRnmnm7.1 串模干擾及其抑制串模干擾及其抑制7.1 串模干擾及其抑制串模干擾及其抑制 按照前面的理論，只要T=kT1 就可以完全消除串模干擾。 例如：50Hz的干擾，采用T20ms*N 的

4、采樣周期 但是，電網(wǎng)頻率允許產(chǎn)生2%的范圍波動(dòng) 因此無(wú)論那種辦法，要試圖保持TT1N（在波動(dòng)情況下）7.1 串模干擾及其抑制串模干擾及其抑制固定的采樣時(shí)間固定的采樣時(shí)間T=k 法法 1T7.1 串模干擾及其抑制串模干擾及其抑制 設(shè)干擾電壓基波為 令為周期T1的相對(duì)變化量，即 ，在采樣時(shí)間T內(nèi)干擾電壓的平均值為而 （77）將式（7-7）代入上式，得tUunmn111sinTT10sin11011011TnmTnnntdtUTdtuTU)1 ()(1111111TTkTTTkTkkTT)1 (1 kTtdtUkTkTnmn1)1(011sin)1 (11)1 (cos1)1 (11111kTkTU

5、nm7.1 串模干擾及其抑制串模干擾及其抑制由于 則 （78）由式（7-8）可求得在任一 值下對(duì)干擾電壓基波的抑制比為 （79）由式(7-9)可知， =0時(shí)分母為零，SMR 。 如：k=1,r=0.02, SMR=58dB (k=5,SMR=44.2)112T)1 (2cos1)1 (21kkUnmn)2cos1()1(21kkUnmkkUSMRnnm2cos1)1 (2lg20lg2017.1 串模干擾及其抑制串模干擾及其抑制 結(jié)論： 1.因 若有的波動(dòng)，k越大時(shí)，積累的誤差越多，可見(jiàn)采樣時(shí)間固定時(shí)最好還是取k=1。由此也可推論此法對(duì)基波以外的高次諧波成分的抑制能力將更差。 2.固定時(shí)間采樣

6、，對(duì)電網(wǎng)頻率波動(dòng)很敏感 1T7.1 串模干擾及其抑制串模干擾及其抑制采樣始點(diǎn)與過(guò)零點(diǎn)同步，相隔半周期兩次采樣法采樣始點(diǎn)與過(guò)零點(diǎn)同步，相隔半周期兩次采樣法 主要為了克服對(duì)電壓波動(dòng)的引起的誤差。7.1 串模干擾及其抑制串模干擾及其抑制n原理：如圖所示，畫出了兩次采樣時(shí)間 ，其間隔約0.5 ，每次采樣起始點(diǎn)與干擾電壓的過(guò)零點(diǎn)同步，一次與正向過(guò)零點(diǎn)同步，第二次與負(fù)向過(guò)零點(diǎn)同步。由圖可見(jiàn)，在第一次采樣時(shí)間內(nèi) 由于 帶來(lái)的誤差(第三個(gè)正半波的陰影部分)與第二次采樣同樣原因帶來(lái)的誤差大小相等，符號(hào)相反。若將兩次采樣值相加， 應(yīng)等于零，亦即實(shí)現(xiàn)SMR= 。 n難點(diǎn)：采樣起始點(diǎn)不可能完全與過(guò)零點(diǎn)同步 1TTT1

7、TkT n7.1 串模干擾及其抑制串模干擾及其抑制 設(shè)兩次采集存在 與 兩個(gè)相位差，且一般地 。由于 而使兩次采樣所得的誤差不相等。即 0 。 下面分析時(shí) 帶來(lái)的誤差。仍然采用 ， 則 。利用式(73)，代入得 111222n1211TT)1 (1kTT111111cos)cos(TTUnmn)sin()sin()1(11kkkUnm11111cos)1 (2cos)1 (2kTTkUnm此式表示，=0，則sink=0，n1=0。但有意義的是若k= ，也能得到n1=0，因此時(shí)sin(k- )=0 117.1 串模干擾及其抑制串模干擾及其抑制 同理二次采樣時(shí)，初始點(diǎn)相位由于隔了半周期而成為(+

8、)，仍代入式(7-3)得 將兩次采樣值相加，得最后的干擾誤差為 相應(yīng)地 2)sin()sin()1(212kkkUnmn21nnn)2cos()2sin()sin()1 (21121kkkUnmnnmUSMR1lg20)2cos()2sin()sin(2)1(lg202112kkk)2cos()2sin()sin(2)1 (lg202112kkkSMR分析： 7.1 串模干擾及其抑制串模干擾及其抑制1.相隔半周期兩次采樣法比前面的固定采樣時(shí)間法效果好。2.相隔半周期兩次采樣法的缺點(diǎn)是必須進(jìn)行兩次采樣，降低了采樣速度。 3.對(duì)于高次諧波中的偶次諧波來(lái)說(shuō)，兩次采樣所產(chǎn)生的兩個(gè)誤差符號(hào)相同，因而不能

9、抵消。 7.1 串模干擾及其抑制串模干擾及其抑制=0法法 前面兩種方法仍然受頻偏的影響，因此，近年來(lái)趨向于采用使=0的方法，即盡量使T=kT1的條件在電網(wǎng)頻率有波動(dòng)時(shí)仍能得到保證的方法。方法之一是將工頻電壓精確地整形成方波，如果方波的周期TS與工頻周期T1完全相等，并用TS作采樣時(shí)間，則永遠(yuǎn)等于零，使SMR 。 串模干擾電壓與經(jīng)變壓器來(lái)的工頻電壓(即38V電壓)之間一般說(shuō)來(lái)是有相位差1存在的。但只要1是定值，仍可保證TS=T1。但由于噪聲影響，方波邊緣會(huì)發(fā)生抖動(dòng)，以及整形方波控制后面的采樣門電路時(shí)，門電路輸出的采樣方波持續(xù)時(shí)間受門電路翻轉(zhuǎn)延遲時(shí)間的影響，不可避免地使TS不完全等于T1，即TS=

10、T1 T7.1 串模干擾及其抑制串模干擾及其抑制一般情況下，TS不完全等于T1，即TS=T1T。下面計(jì)算由于T的存在造成的誤差。利用式(7-10)可寫出 （7-14）由于這里TS=T1(1-)(假定T1是正的)，則 （7-15）一般情況下，采取工頻電壓整形法后，電網(wǎng)頻率波動(dòng)引起的值已不存在，這里的是整形電路不夠完善而引起的，其值自然要比電網(wǎng)頻率波動(dòng)的要小得多，因而可望獲得很高的SMR值。 )sin()sin()1 (lg201kkkSMR)sin()sin()1 (lg201SMR7.1 串模干擾及其抑制串模干擾及其抑制鎖相頻率跟蹤法鎖相頻率跟蹤法 (對(duì)r=0 的改進(jìn)) 采用了鎖相頻率跟蹤技術(shù)

11、，可實(shí)現(xiàn)f0自動(dòng)跟蹤Ts變化。 7.1 串模干擾及其抑制串模干擾及其抑制數(shù)字濾波原理的應(yīng)用數(shù)字濾波原理的應(yīng)用 數(shù)字濾波器并不是具體的裝置，而是一種算法。 若在有用信號(hào)上疊加了干擾信號(hào)，則可以用一固定的采樣頻率(例如每2ms采樣一次)將該信號(hào)轉(zhuǎn)換成一列離散數(shù)字值(在時(shí)間上依次排列的數(shù)字信號(hào))，然后按照針對(duì)干擾頻率而設(shè)計(jì)的算法，對(duì)這列數(shù)字信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算, 使運(yùn)算結(jié)果輸出的數(shù)列中不再含有于擾信號(hào)。 7.1 串模干擾及其抑制串模干擾及其抑制SMR的測(cè)定的測(cè)定 測(cè)試時(shí)先在輸入端加一直流電壓，然后再疊加交流電壓并逐漸增大之，使被測(cè)表的示值發(fā)生變化，分別記下這時(shí)的交流電壓峰值 及被試表的輸出值 ，按下式計(jì)算串

12、模干擾抑制比。 標(biāo)準(zhǔn)直流電壓源被試數(shù)字電壓表串模電壓源mUUUUSMRmlg207.2 共模干擾及其抑制共模干擾及其抑制 共模干擾電壓是指儀器兩輸入端和地之間存在的電壓。共模干擾電壓峰值 與其引起的測(cè)量誤差，即模/數(shù)轉(zhuǎn)換示值的變化 之間的比值稱為共模干擾抑制比，其表示符號(hào)為 (db) (7-20)cmUc式中 共模干擾電壓峰值； 由共模干擾電壓引起的儀器讀數(shù)的變化。 cmUcccmUCMRlg207.2 共模干擾及其抑制共模干擾及其抑制共模干擾電壓的產(chǎn)生原因共模干擾電壓的產(chǎn)生原因n由被測(cè)信號(hào)源的特點(diǎn)產(chǎn)生：如具有雙端輸出的差分放大器和不平衡電橋等 ；n電磁場(chǎng)干擾：當(dāng)高壓設(shè)備的電場(chǎng)同時(shí)通過(guò)分布電容耦合到無(wú)屏蔽的雙輸入線而使之具有對(duì)地電位時(shí)，或者交流大電流設(shè)備的磁場(chǎng)通過(guò)與雙輸入線的互感在雙輸入線中感應(yīng)出相同大小的電動(dòng)勢(shì)時(shí)，都可能產(chǎn)生共模電壓施加在儀器的輸入端 ；n由