測(cè)控電路（第7版）課件：測(cè)控電路中的抗干擾技術(shù)

測(cè)控電路中的抗干擾技術(shù)10.1噪聲和干擾10.2干擾抑制方式10.3電源干擾的抑制本章知識(shí)點(diǎn)干擾和噪聲的耦合途徑干擾的擬制方法電網(wǎng)干擾抑制技術(shù)和電源穩(wěn)定凈化技術(shù)10.1噪聲和干擾10.1.1干擾與噪聲源10.1.2干擾與噪聲的耦合途徑10.1.3敏感設(shè)備10.1噪聲和干擾噪聲：電路中的除去預(yù)期信號(hào)外的任意電信號(hào)。干擾被認(rèn)為是由于噪聲原因?qū)﹄娐吩斐傻囊环N不良反應(yīng)形成干擾的要素一是向外發(fā)送干擾的源-噪聲源；二是傳播電磁干擾的途徑—噪聲的耦合和輻射；三是承受電磁干擾的客體—受擾設(shè)備。抑制措施：抑制噪聲源，直接消除干擾原因；消除噪聲源和受擾設(shè)備之間的噪聲耦合和輻射；加強(qiáng)受擾設(shè)備抵抗電磁干擾的能力，降低其對(duì)噪聲的敏感度。10.1.1干擾與噪聲源內(nèi)部噪聲：在電子裝置和設(shè)備內(nèi)部的電路或器件產(chǎn)生的噪聲。外來(lái)噪聲：從外部侵入電子裝置和設(shè)備的噪聲。主要有自然噪聲和來(lái)自其其它設(shè)備的人為噪聲。自然噪聲主要指自然界雷電產(chǎn)生的噪聲。人為噪聲是指其它機(jī)器和設(shè)備產(chǎn)生的噪聲，包括有觸點(diǎn)電器、放電管、工業(yè)用高頻設(shè)備、電力輸送線、機(jī)動(dòng)車(chē)、大功率發(fā)射裝置、超聲波設(shè)備等產(chǎn)生的噪聲。10.1.2干擾與噪聲的耦合途徑從各種電磁干擾源傳輸電磁干擾至敏感設(shè)備的通路或媒介，即耦合途徑，有兩種方式：一種是傳導(dǎo)耦合方式，另一種是輻射耦合方式。傳導(dǎo)耦合必須在干擾源與敏感設(shè)備之間存在有完整的電路連接。包括互連導(dǎo)線、電源線、信號(hào)線、接地導(dǎo)體、設(shè)備的導(dǎo)電構(gòu)件、公共阻抗、電路元器件等。輻射耦合是電磁干擾通過(guò)其周?chē)拿浇橐噪姶疟坏男问较蛲鈧鞑ィ蓴_電磁能量按電磁場(chǎng)的規(guī)律向周?chē)臻g發(fā)射。輻射耦合輻射耦合分為近場(chǎng)感應(yīng)耦合和遠(yuǎn)場(chǎng)輻射耦合。近場(chǎng)感應(yīng)耦合又可分為電容性耦合和電感性耦合。遠(yuǎn)場(chǎng)輻射耦合的途徑主要有天線、電纜(導(dǎo)線)、機(jī)殼的發(fā)射對(duì)組合。通常劃分為三種：天線與天線的耦合，指的是天線A發(fā)射的電磁波被另一天線B無(wú)意接收，從而導(dǎo)致天線A對(duì)天線B產(chǎn)生功能性電磁干擾；場(chǎng)與線的耦合，指的是空間電磁場(chǎng)對(duì)存在于其中的導(dǎo)線實(shí)施感應(yīng)耦合，從而在導(dǎo)線上形成分布電磁干擾源；線與線的感應(yīng)耦合，指的是導(dǎo)線之間以及某些部件之間的高頻感應(yīng)耦合。1、傳導(dǎo)耦合公共阻抗耦合：當(dāng)兩個(gè)電路的電流流經(jīng)一個(gè)公共阻抗時(shí)，一個(gè)電路的電流在該公共阻抗上形成的電壓就會(huì)影響到另一個(gè)電路，這就是共阻抗耦合。形成共阻抗耦合干擾的有：電源輸出阻抗(包括電源內(nèi)阻、電源與電路間連接的公共導(dǎo)線)、接地線的公共阻抗等。消除的方法是接地線盡量縮短并加粗，以降低公共地線阻抗。2、電容性耦合導(dǎo)體2上產(chǎn)生的噪聲電壓U2等于如果ω>ω0，U2最大噪聲電壓U2正比于U1大小及頻率，電路間的寄生電容C12受擾電路等效輸入阻抗R。減小電容性耦合的參數(shù)C12課減小電容性耦合減小耦合電容C12的方法：分隔導(dǎo)體（增加導(dǎo)體間的距離）或屏蔽導(dǎo)體。2、電容性耦合3、電感性耦合一個(gè)磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)隨時(shí)間呈正弦變化，在面積為A的閉合環(huán)路中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓為如果磁場(chǎng)是由電流I1通過(guò)導(dǎo)體1所產(chǎn)生的3、電感性耦合為減小UN可采用的方法導(dǎo)體2必須與噪聲源導(dǎo)體分隔開(kāi)磁場(chǎng)強(qiáng)度B和面積A之間的夾角為θ，調(diào)整接收導(dǎo)體的方向使cosθ降低。將導(dǎo)體2放置在距離地面近的地方，以使接收回路面積盡量小。該方法只有在地平面與回路電流垂直的情況如果雙絞線中其中一條的返回電流在地中接收導(dǎo)體采用絞合線方式是一個(gè)非常有效的方式。該情況能使用的最高頻率為100kHz。對(duì)于高于1GHz的頻率情況必須用同軸電纜。10.1.3敏感設(shè)備受電磁干擾影響的電路、設(shè)備或系統(tǒng)稱(chēng)為敏感設(shè)備。敏感設(shè)備受電磁干擾的程度用敏感度來(lái)表示。敏感度指敏感設(shè)備對(duì)電磁干擾所呈現(xiàn)的不希望有的響應(yīng)程度，其量化指標(biāo)是敏感度門(mén)限。敏感度門(mén)限指敏感設(shè)備最小可分辨的不希望有的響應(yīng)信號(hào)電平，也就是敏感電平的最小值。敏感設(shè)備的敏感度越離，則其敏感電平越低，抗干擾能力越差。一般認(rèn)為電子設(shè)備的敏感度與靈敏度成反比，與頻帶度成正比。電磁干擾安全系數(shù)(安全裕量)電磁干擾安全系數(shù)M定義為敏感度門(mén)限N與出現(xiàn)在關(guān)鍵試驗(yàn)點(diǎn)或信號(hào)線上的干擾電平I之比。當(dāng)I>N時(shí)，M<1，表示存在潛在的電磁干擾；當(dāng)I<N時(shí)，M>1，表示處于臨界狀態(tài)。模擬電路敏感度SU數(shù)字電路的敏感度Sd10.1.3敏感設(shè)備10.2干擾抑制方式10.2.1屏蔽技術(shù)10.2.2接地技術(shù)10.2.3平衡電路10.2.4隔離技術(shù)10.2.5布線技術(shù)10.2.6滅弧技術(shù)10.2干擾抑制方式對(duì)干擾與噪聲的抑制，主要有三個(gè)方面：一是直接抑制、減弱或消除干擾與噪聲源的對(duì)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；三是使測(cè)量系統(tǒng)對(duì)噪聲不敏感。通過(guò)屏蔽、接地、濾波、隔離、平衡電路、電源去耦可以消除噪聲耦合。10.2.1屏蔽技術(shù)電磁屏蔽：用電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率高的材料制成封閉的容器，將受擾的電路置于該容器之中，從而抑制該容器外的干擾與噪聲對(duì)容器內(nèi)電路的影響。也可以將產(chǎn)生干擾與噪聲的電路置于該容器之中，從而減弱或消除其對(duì)外部電路的影響。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(shè)計(jì)中被廣泛采用。1、屏蔽的原理屏蔽的抗干擾功能基于屏蔽容器殼體對(duì)干擾與噪聲信號(hào)的反射與吸收作用。2、屏蔽的結(jié)構(gòu)形式與材料屏蔽結(jié)構(gòu)形式主要有屏蔽罩、屏蔽柵網(wǎng)、屏蔽銅箔、隔離倉(cāng)和導(dǎo)電涂料等。屏蔽罩一般用無(wú)孔隙的金屬薄板制成。屏蔽柵網(wǎng)一般采用金屬編制網(wǎng)或有孔金屬薄板制成。屏蔽銅箔一般是利用多層印制電路板的一個(gè)銅箔面作為屏蔽板。隔離倉(cāng)是將整機(jī)金屬箱體用金屬板分隔成多個(gè)獨(dú)立的隔倉(cāng)，從而將各部分電路分別置于各個(gè)隔倉(cāng)之內(nèi)，用以避免各個(gè)電路部分之間的電磁干擾與噪聲影響。導(dǎo)電涂料是在非金屬的箱體內(nèi)、外表面上噴一層金屬涂層。屏蔽材料有電場(chǎng)屏蔽材料和磁場(chǎng)屏蔽材料兩類(lèi)。電場(chǎng)屏蔽一般采用電導(dǎo)率較高的銅或鋁材料。當(dāng)干擾與噪聲的頻率較高時(shí)，采用價(jià)格較貴的銀材料效果更好些。電場(chǎng)屏蔽的作用以反射衰減為主。磁場(chǎng)屏蔽一般采用磁導(dǎo)率較高的磁材料。磁場(chǎng)屏蔽的作用以透射時(shí)的吸收衰減為主，其特點(diǎn)是干擾與噪聲頻率升高時(shí)，磁導(dǎo)率下降，屏蔽作用減弱。在一些要求比較高的場(chǎng)合，可同時(shí)采用電場(chǎng)屏蔽和磁場(chǎng)屏蔽兩種方式，以達(dá)到充分抑制干擾與噪聲的目的。2、屏蔽的結(jié)構(gòu)形式與材料10.2.2接地技術(shù)接地的概念所謂“地”，一般定義為電路或系統(tǒng)的零電位參考點(diǎn)，直流電壓的零電位點(diǎn)或者零電位面，它不一定為實(shí)際的大地(建筑地面)，可以是設(shè)備的外殼或其它金屬線?！敖拥亍币话阒笧榱耸闺娐?、設(shè)備或系統(tǒng)與“地”之間建立低阻抗通路，而將電路、設(shè)備或系統(tǒng)連接到一個(gè)作為參考電位點(diǎn)或參考電位面的良導(dǎo)體的技術(shù)行為。10.2.2接地技術(shù)接地通常有兩種含意，一是連接到系統(tǒng)基準(zhǔn)地，二是連接到大地。連接到系統(tǒng)基準(zhǔn)地是指各個(gè)電路部分通過(guò)低電阻導(dǎo)體與電氣設(shè)備的金屬底板或金屬外殼實(shí)施的連接，而電氣設(shè)備的金屬底板或金屬外殼并不連接到大地。連接到大地是指將電氣設(shè)備的金屬底板或金屬外殼通過(guò)低電阻導(dǎo)體與大地實(shí)施的連接。針對(duì)不同情況和目的，可采用公共基準(zhǔn)電位接地、抑制干擾接地、安全保護(hù)接地等方式。1、接地的要求(1)理想的接地應(yīng)使流經(jīng)地線的各個(gè)電路、設(shè)備的電流互不影響，即不使其形成地電流環(huán)路，避免使電路、設(shè)備受磁場(chǎng)和地電位差的影響。(2)理想的接地導(dǎo)體(導(dǎo)線或?qū)щ娖矫?應(yīng)是零阻抗的實(shí)體，流過(guò)接地導(dǎo)體的任何電流都不應(yīng)該產(chǎn)生電壓降，即各接地點(diǎn)之間沒(méi)有電位差，或者說(shuō)各接地點(diǎn)間的電壓與電路中任何功能部分的電位比較均可忽略不計(jì)。(3)接地平面應(yīng)是零電位，它作為系統(tǒng)中各電路任何位置所有電信號(hào)的公共電位參考點(diǎn)。(4)良好的接地平面與布線間將有大的分布電容，而接地平面本身的引線電感將很小。理論上，它必須能吸收所有信號(hào)，使設(shè)備穩(wěn)定地工作。接地平面應(yīng)采用低阻抗材料制成，并且有足夠的長(zhǎng)度、寬度和厚度，以保證在所有頻率上它的兩邊之間均呈現(xiàn)低阻抗。用于安裝固定式設(shè)備的接地平面，應(yīng)由整塊銅板或者銅網(wǎng)組成。2、接地的分類(lèi)通常，電路、用電設(shè)備按其作用可分為安全接地和信號(hào)接地。其中安全接地又有設(shè)備安全接地、接零保護(hù)接地和防雷接地，信號(hào)接地又分類(lèi)為單點(diǎn)接地、多點(diǎn)接地、混合接地和懸浮接地。安全接地安全接地就是采用低阻抗的導(dǎo)體將用電設(shè)備的外殼連接到大地上，使操作人員不致因設(shè)備外殼漏電或靜電放電而發(fā)生觸電危險(xiǎn)。安全接地也包括建筑物、輸電線導(dǎo)線、高壓電力設(shè)備的接地，其目的是為了防止雷電放電造成設(shè)施破壞和人身傷亡。在進(jìn)行安全接地連接時(shí)，要保證較小的接地電阻和可靠的連接方式，防止日久失效。另外要堅(jiān)持獨(dú)立接地．即將接地線通過(guò)專(zhuān)門(mén)的低阻導(dǎo)線與近處的大地實(shí)施連接。信號(hào)接地測(cè)量與控制電路中的基準(zhǔn)電位是各回路工作的參考電位，該參考電位通常選為電路中直流電源(當(dāng)電路系統(tǒng)中有兩個(gè)以上直流電源時(shí)則為其中一個(gè)直流電源)的零電壓端。從具體連接方式上講，有部分接地和全部接地、一點(diǎn)接地與多點(diǎn)接地、直接接地與懸浮接地等類(lèi)型。屏蔽電纜接地頻率低于1MH時(shí)，電纜屏蔽層的接地一般采用一點(diǎn)接地方式，以防止干擾電流流經(jīng)電纜屏蔽層，使信號(hào)電路受到干擾。一端接地還可以避免干擾電流通過(guò)電纜屏蔽層形成地環(huán)路，從而可防止磁揚(yáng)的干擾。電纜屏蔽層的接地點(diǎn)應(yīng)根據(jù)信號(hào)電路的接地方式來(lái)確定。3、電纜屏蔽層的一端接地與兩端接地使屏蔽導(dǎo)線具有防止磁輻射的磁屏蔽作用，屏蔽體必須在兩端都接地，使屏蔽體能夠提供一個(gè)電流回路。10.2.3平衡電路平衡電路又稱(chēng)對(duì)稱(chēng)電路是指雙導(dǎo)線電路中的兩條信號(hào)傳輸線及與之相連的所有電路對(duì)地阻抗或?qū)ζ渌鼘?dǎo)線的阻抗相等，如電橋電路、差分放大器電路均屬于平衡電路。采用平衡電路可以使兩根導(dǎo)線上拾取的噪聲相等。在平衡條件下，兩根導(dǎo)線拾取的噪聲是一個(gè)能夠在負(fù)載中相互抵消的共模信號(hào)。使用平衡技術(shù)抑制噪聲非常經(jīng)濟(jì)，在某些應(yīng)用場(chǎng)合，平衡電路常用來(lái)代替屏蔽而成為主要的噪聲抑制手段。若單獨(dú)使用平衡技術(shù)或屏蔽技術(shù)不能達(dá)到期望的噪聲抑制效果，可以將屏蔽技術(shù)和平衡電路聯(lián)合使用獲得更大的噪聲抑制能力。1、操作原理差分放大器是最簡(jiǎn)單的平衡電路2、輸入阻抗和源阻抗不匹配假設(shè)運(yùn)放CMRR是有限值，輸入阻抗是有限值，則差分輸入電壓假設(shè)假設(shè)3、變壓器平衡電路10.2.4隔離技術(shù)10.2.5布線技術(shù)印制電路板上的布線技術(shù)連接導(dǎo)線的選用電氣設(shè)備柜內(nèi)外的布線1、印制電路板上的布線技術(shù)降低電源線和地線的阻抗，對(duì)公共阻抗、串?dāng)_和反射等引起的波形畸變和振蕩現(xiàn)象要采取必要的措施。由于電源線、地線和其他印制導(dǎo)線都有電感，當(dāng)電源電流變化速率很大時(shí)會(huì)產(chǎn)生顯著的壓降。地線壓降是形成公共阻抗干擾的重要原因，所以要盡量縮短引線，減小其電感值，盡量加粗電源線和地線線條，降低其直流電阻。盡量避免相互平行的長(zhǎng)信號(hào)線，以防止寄生電容。對(duì)印制板上的器件布置，原則上應(yīng)將相互有關(guān)的器件相對(duì)集中。例如，時(shí)鐘發(fā)生器、晶體管振蕩器、CPU時(shí)鐘輸入端子等易產(chǎn)生噪聲的器件，可互相靠近；但與邏輯電路部分應(yīng)盡量遠(yuǎn)離。對(duì)電感性器件要防止它們產(chǎn)生寄生耦合。一般測(cè)控設(shè)備所用的導(dǎo)線有單股導(dǎo)線、扁平電纜、屏蔽線、雙絞線等單股導(dǎo)線選用時(shí)主要考慮其允許電流值和導(dǎo)線阻抗。扁平電纜是由相互絕緣的多根單股導(dǎo)線并排粘接構(gòu)成。扁平電纜一般應(yīng)用于數(shù)字信號(hào)的并行傳輸，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中尤為多見(jiàn)。扁平電纜的長(zhǎng)度一般不應(yīng)超過(guò)傳輸信號(hào)波長(zhǎng)的1/30，例如對(duì)10MHz的信號(hào)，其波長(zhǎng)為30m，則扁平電纜的長(zhǎng)度應(yīng)控制在1m以?xún)?nèi)。有時(shí)為了減少線間串?dāng)_、常間隔安排信號(hào)線，而將各信號(hào)線之間的導(dǎo)線統(tǒng)一接地。2、連接導(dǎo)線的選用一般測(cè)控設(shè)備所用的導(dǎo)線有單股導(dǎo)線、扁平電纜、屏蔽線、雙絞線等屏蔽線是在單股導(dǎo)線的絕緣層外，再罩以金屬編制網(wǎng)或金屬薄膜構(gòu)成。將屏蔽線的金屬編制網(wǎng)或金屬薄膜接地，其所包含的芯線便不易受到外部電氣干擾噪聲的影響。幾根絕緣導(dǎo)線合成一束，再罩以金屬編制網(wǎng)或金屬薄膜，則構(gòu)成所謂的屏蔽電纜。雙絞線是由電流相等但方向相反的兩根導(dǎo)線互相擰合構(gòu)成。由于外界干擾噪聲在兩根導(dǎo)線中的感應(yīng)電流大小與方向相同，故可相互抵消。雙絞線擰合的節(jié)距越短，對(duì)干擾與噪聲的衰減率越大。實(shí)用中一般取5cm左右，擰合的節(jié)距進(jìn)一步縮短，對(duì)干擾與噪聲衰減率的提高不再顯著。另外，擰合在一起的兩根導(dǎo)線很難保證其長(zhǎng)度嚴(yán)格相等，由此導(dǎo)致線路阻抗不同而無(wú)法完全抑制干擾與噪聲的影響。2、連接導(dǎo)線的選用3、電氣設(shè)備柜內(nèi)外的布線電氣設(shè)備柜內(nèi)外的布線應(yīng)從兩個(gè)方面予以考慮，一是希望對(duì)外來(lái)的干擾與噪聲有較強(qiáng)的抑制能力，二是避免內(nèi)部電路產(chǎn)生有害的干擾與噪聲。柜體的接地不能靠機(jī)柜金屬底腳與地面接觸來(lái)實(shí)現(xiàn)，必須用專(zhuān)門(mén)的導(dǎo)線連接至埋入地的金屬接地件上。電氣設(shè)備柜的布局應(yīng)遵循強(qiáng)電、弱電分開(kāi)并隔離的原則。以避免可能產(chǎn)生的干擾與噪聲影響。對(duì)小信號(hào)高增益的模擬電路，要用專(zhuān)門(mén)的電源供電，并且要采用可靠的內(nèi)部屏蔽措施。對(duì)可能產(chǎn)生對(duì)外干擾與噪聲的部分要加金屬屏蔽罩。從機(jī)柜連接到外部設(shè)備的導(dǎo)線與電纜，應(yīng)注意將動(dòng)力電源、強(qiáng)信號(hào)線與弱信號(hào)線分別布設(shè)，采用相互隔離的走線槽布線等原則。在條件允許情況下，應(yīng)盡量采用金屬走線槽。10.2.6滅弧技術(shù)當(dāng)接通或斷開(kāi)電動(dòng)機(jī)繞組、繼電器線圈、電磁閥線圈、空載變壓器等電感性負(fù)載時(shí)，由于磁場(chǎng)能量的突然釋放會(huì)使電路中產(chǎn)生比正常電壓(或電流)高出許多倍的瞬時(shí)電壓(或電流)，并在切斷處產(chǎn)生電弧或火花放電。這種瞬時(shí)高電壓(或高電流)稱(chēng)為浪涌電壓(或浪涌電流)，會(huì)直接對(duì)電路器件造成損害。另外，同時(shí)出現(xiàn)的電弧或火花放電，產(chǎn)生寬頻譜高幅度的電磁波向外輻射，對(duì)測(cè)控電路造成極其嚴(yán)重的干擾。為消除或減小這種干擾，需在電感性負(fù)載上并聯(lián)各種吸收浪涌電壓(或浪涌電流)并抑制電弧或火花放電的元器件。通常將這些元器件稱(chēng)為滅弧元件，將與此有關(guān)的技術(shù)稱(chēng)為滅弧技術(shù)。常用的滅弧元件有RC電路、泄流二極管、硅堆整流器、充氣放電管、壓敏電阻器、雪崩二極管等。10.2.6滅