測控電路 第八章 抗干擾

第八章測控電路中的抗干擾技術概述在檢測裝置中，測量的信息往往是以電壓或電流形式傳送的。由于檢測裝置內(nèi)部和外部因素的影響，使信號在傳輸過程的各個環(huán)節(jié)中，不可避免地要受到各種噪聲的干擾，而使信號產(chǎn)生不同程度的畸變，即為失真。噪聲是限制檢測系統(tǒng)性能的決定因素。大多數(shù)測控設備中的元器件和電子線路具有工作信號電平低、速度快、元器件安裝密度高等特點，因而對電磁干擾比較敏感。電磁干擾自然界的各種充放電現(xiàn)象和人類的各種用電活動，都會使空間電場和磁場產(chǎn)生有序或無序的變化。電磁環(huán)境及其變化過程對處于該環(huán)境的各種電氣設備產(chǎn)生各種形式的電磁干擾?？闺姶鸥蓴_技術——“電磁兼容性技術”。裝置或系統(tǒng)在其設置的預定場所投入實際運行時，既不受周圍電磁環(huán)境的影響，又不影響周圍的環(huán)境，也不發(fā)生性能惡化和誤動作，而能按設計要求正常工作的能力。形成電磁干擾的要素噪聲源－－向外發(fā)送干擾的源。（措施：抑制噪聲源，直接消除干擾原因）噪聲的耦合和輻射－－傳播電磁干擾的途徑。（措施：消除噪聲源和受擾設備之間的噪聲耦合和輻射）受擾設備－－承受電磁干擾的客體。（措施：加強受擾設備抵抗電磁干擾的能力，降低其對噪聲的敏感度。電磁兼容不等式噪聲發(fā)送量×耦合因素<噪聲敏感閾值

如果電子設備所有噪聲入口處都達到這一條件并有足夠裕量，則設備達到抗干擾要求;如果電子設備的某個或某些噪聲入口,不滿足上述不等式要求，或者雖能勉強滿足但裕量太小，則該電子設備達不到抗干擾要求。一、干擾和噪聲源外部噪聲自然界噪聲源(主要指自然界雷電產(chǎn)生的噪聲，如電離層的電磁現(xiàn)象產(chǎn)生的噪聲)和人為噪聲源(如電氣設備、電臺干擾等)；內(nèi)部噪聲又名固有噪聲，它是由檢測裝置的各種元件內(nèi)部產(chǎn)生的，如熱噪聲、散粒噪聲等。噪聲與一般的電信號不同一般的電信號可以用確定的時間函數(shù)來描述(如正弦信號、脈沖信號)噪聲是不能用預先確定的時間函數(shù)來描述的。表征一個系統(tǒng)干擾的主要指標——“信噪比S／N”在信號通道中，有用信號成分與噪聲信號成分之比。內(nèi)部噪聲由于檢測裝置內(nèi)部元件的物理性的無規(guī)則波動所形成的固有噪聲源有三種：熱噪聲、散粒噪聲和接觸噪聲。熱噪聲又稱電阻噪聲，是由于電阻中電子的熱運動所形成的。電阻兩端的噪聲電壓也是無規(guī)則的所包含的頻率成分是十分復雜的熱噪聲電壓的有效值與電阻值的平方根成正比減小電阻、帶寬和降低溫度有利于降低熱噪聲散粒噪聲存在于電子管和晶體管中，是通過晶體管基區(qū)的載流子的無規(guī)則擴散以及電子空穴對的無規(guī)則運動和復合形成的。接觸噪聲由于兩種材料之間不完全接觸，從而形成電導率的起伏而產(chǎn)生的發(fā)生在兩個導體連接的地方，如繼電器的接點、電位器的滑動接點等接觸噪聲正比于直流電流的大小接觸噪聲通常是低頻電路中最重要的噪聲源外部噪聲1．放電噪聲在放電過程中會向周圍空間輻射出從低頻到高頻的電磁波，而且會傳播得很遠。例如在一個大氣壓的空氣中，對曲率半徑較小的兩電極間施加電壓，電壓慢慢升高時，最初幾乎無電流流過，當電壓升高到一定數(shù)值時，如果電極中介質(zhì)完全被電離時(稱為電暈)，電極尖端引起局部破壞，電流急劇增加，形成電暈放電；如果繼續(xù)升高電壓，將會經(jīng)過火花放電過渡到弧光放電，此時空氣擊穿，同時向周圍輻射出各種頻率的電磁波。幾乎對各種電子設備都有影響。1)電暈放電噪聲主要來源于高壓輸電線;間隙性，產(chǎn)生脈沖電流，伴隨高頻振蕩;主要對電力線載波電話、低頻航空無線電臺及調(diào)幅廣播等產(chǎn)生影響，對電視和調(diào)頻廣播則影響不大2)放電管(如日光燈、霓虹燈)放電噪聲屬于輝光放電和弧光放電放電管負阻抗特性，與外電路連接時引起高頻振蕩，對電視有影響3)火花放電噪聲例如雷電、電氣設備中電刷和整流子間周期性放電、火花式高頻焊機、繼電器觸點的通斷(電流很大時則會產(chǎn)生弧光放電)、汽車發(fā)動機的點火裝置等只要電流斷續(xù)，則在觸點間引起的火花放電都是噪聲源2．電氣干擾源電氣噪聲干擾包括工頻、射頻、電子開關的感應干擾等。

(1)工頻干擾

來源于大功率輸電線。低電平的信號線只要一段距離與輸電線相平行，就會受到明顯的干擾。一般室內(nèi)的交流電源線，對于輸入阻抗和靈敏度很高的檢測儀器都會產(chǎn)生很大的干擾。電子裝置內(nèi)部，工頻感應會產(chǎn)生交流噪聲。

(2)射頻干擾

高頻感應加熱、高頻焊接等工業(yè)電子設備以及廣播機、雷達等通過輻射或通過電源線會給附近的電子測量儀器帶來干擾。

(3)電子開關

電子開關通斷速度極快，使電路中的電壓和電流發(fā)生急劇的變化，形成沖擊脈沖，成為噪聲干擾源。二、干擾與噪聲的耦合方式檢測裝置受到噪聲源干擾的途徑叫做噪聲的耦合方式。1.靜電耦合由于兩個電路之間存在著寄生電容，使一個電路的電荷影響到另一個電路。等效電路如圖所示。U1是噪聲源產(chǎn)生的噪聲電動勢；C表示造成靜電耦合的寄生電容；Z2是被干擾電路的等效輸入阻抗。根據(jù)圖示電路，可以寫出在Z2上的干擾電壓表達式由此可以看出；接收電路Z2上的干擾電壓正比于噪聲源頻率ω、噪聲源的噪聲電動勢U1

、寄生電容C和接收電路的輸入阻抗Z2

。2．互感耦合又稱電磁耦合，它是由于兩個電路之間存在有互感，使一個電路的電流變化，通過磁交鏈影響到另一個電路。

I1表示噪聲干擾的噪聲電流源

M表示兩個電路之間的互感系數(shù)

U2表示通過電磁耦合在被干擾電路中感應出的噪聲電壓。根據(jù)交流電路理論，按圖可將干擾電壓U2寫成下式式中，ω為噪聲源電流的角頻率。分析上式可以得出：干擾電壓U2正比于噪聲源電流角頻率ω、互感系數(shù)M和噪聲電流I1。3．共阻抗耦合由于兩個電路共有阻抗，使一個電路的電流在另一個電路上產(chǎn)生干擾電壓。Z1表示兩個電路之間的共有阻抗，I1表示噪聲源的噪聲電流，U2表示被干擾電路的干擾電壓。根據(jù)共阻抗耦合等效電路圖，很容易寫出被干擾電路的干擾電壓U2的表達式可見共阻抗耦合干擾電壓U2正比于共阻抗值和噪聲源電流I1。顯然，若要消除共阻抗耦合干擾，首先要消除兩個或幾個電路之間的共阻抗。4．漏電流耦合由于絕緣不良，流經(jīng)絕緣電阻R的漏電流所引起的噪聲干擾叫做漏電流耦合。U1表示噪聲電動勢，R表示漏電阻，Z2表示被干擾電路的輸入阻抗，U2表示干擾電壓。

漏電流耦合經(jīng)常發(fā)生在：用儀表測量較高的直流電壓時；在檢測裝置附近有較高的直流電壓源時，在高輸入阻抗的直流放大器中。設直流放大器的輸入阻抗Z2=108Ω，干擾源電動勢U1=15V，絕緣電阻R=1010Ω。下面估算漏電干擾對此放大器的影響。根據(jù)上述給出的數(shù)據(jù)可以得出從上述估算可知，對于高輸入阻抗放大器來說，即使是微弱的漏電流干擾，也將造成嚴重的后果。所以必須嚴密注意與輸入端有關的絕緣水平，以及它周圍的電路安排。三、干擾與噪聲抑制的一般措施

一是直接抑制、減弱或消除干擾與噪聲源的對外作用；二是切斷或減弱從干擾與噪聲源到受擾電路的耦合通道。主要措施有屏蔽、接地、隔離、合理布線、滅弧、凈化、濾波和采用專門電路與器件等。一、屏蔽技術

利用銅或鋁等低阻材料制成的容器，將需要防護的部分包起來或者是用導磁性良好的鐵磁性材料制成的容器將要防護的部分包起來，此種方法主要是防止靜電或電磁干擾，稱之為屏蔽。屏蔽可以顯著地減小靜電(電容性)耦合和互感(電感性)耦合的作用，降低受擾電路的干擾與噪聲的敏感度，因而在電路設計中被廣泛采用。

第二節(jié)抗干擾措施(一)屏蔽的原理屏蔽的抗干擾功能基于屏蔽容器殼體對干擾與噪聲信號的反射與吸收作用。Pl為干擾與噪聲的入射能量，Rl為干擾與噪聲在第一邊界面上的反射能量，R2為干擾與噪聲在第二邊界面上被反射與在屏蔽層內(nèi)被吸收的能量，P2為干擾與噪聲透過第二邊界面后的剩余能量。如果屏蔽形式與材料選擇得好，可使由屏蔽容器外部進入其內(nèi)部的干擾能量P2明顯小于P1，或者使從屏蔽內(nèi)部干擾源逸出到容器外面的干擾能量顯著減小。二、接地技術接地有兩種含義，一是連接到系統(tǒng)基準地，二是連接到大地。1、公共基準電位與大地的連接方式：（1）直接接地適用于大規(guī)模的高速高頻電路。消除分布電容構成的公共阻抗耦合，有效抑制噪聲，并同時起到安全接地作用。（分布電容是指由非電容形態(tài)形成的一種分布參數(shù)。一般是指在印制板或其他形態(tài)的電路形式，在線與線之間、印制板的上下層之間形成的電容。）（2）懸浮接地電氣設備的金屬外殼不連接到大地，系統(tǒng)不受大地電流的影響，內(nèi)部器件不會因高電壓感應而擊穿。（3）一點接地有串聯(lián)式和并聯(lián)式。（4）多點接地降低接地線長度。既能實現(xiàn)各部分的統(tǒng)一基準電位，又可避免接地回路閉合而引入高頻干擾。2、抑制干擾接地上面講到的接地方式，均具有抑制干擾與噪聲的作用。從具體連接方式上講，有部分接地和全部接地、一點接地與多點接地、直接接地與懸浮接地等類型。因分布與寄生參數(shù)難以確定，無法從理論上分析估計，所以要通過做模擬實驗來確定選擇哪種接地方式，有時可能需要同時采用幾種接地方式。3、安全保護接地消除觸電危險。要保證較小的接地電阻和可靠的連接方式。三、隔離技術（自學）四、布線技術（留待以后自學）1、印刷電路板的布線技術盡量縮短引線，減小其電感值，盡量加粗電源線和地線，降低其直流電阻。盡量避免相互平行的長信號線，防止寄生電容。盡量將相互有關的器件相對集中。2、連接導線的選用單股導線選用時只要考慮其允許電流值和導線阻抗。扁平電纜用于數(shù)字信號的并行傳輸。屏蔽線使用注意遵守屏蔽層一點接地的原則。雙絞線能消除電磁干擾，但不能保證兩根線的長度嚴格相等，導致線路阻抗不同而無法完全抑制干擾與噪聲。3、電氣設備柜內(nèi)外的布線電氣設備柜應采用鐵或鐵銅疊合的材料構成，達到較好的電磁屏蔽效果。柜身的各個部分要保證嚴格良好接地，對因表面噴漆，銹蝕、柜門鉸鏈等造成的接觸不良，應采用專門連線將這些部分可靠的連接在一起。電氣設備柜的布局應遵循強電、弱電分開隔離的原則。從機柜連接到外部設備的導線與電纜，應注意將動力電源、強信號線與若信號線分別布設，采用相互隔離的走線槽布線，盡量采用金屬走線槽。五、滅弧技術(自學)

當接通或斷開電動機繞組、繼電器線圈、電磁閥線圈、空載變壓器等感性負載時，由于磁場能量的突然釋放會在電路中產(chǎn)生比正常電壓或電流高出好多倍的瞬時電壓或電流，并在切斷處產(chǎn)生電弧或火