《電氣測試技術(shù)第5版》 教案 第6章 抗干擾技術(shù)

PAGE5第6章抗干擾技術(shù)教學(xué)要求1．干擾源與干擾耦合方式。2．干擾抑制技術(shù)。教學(xué)手段多媒體課件教學(xué)課時2學(xué)時教學(xué)內(nèi)容6.1干擾源與干擾耦合方式所謂干擾,就是指影響測量結(jié)果或作用于控制系統(tǒng)的各種無用信號.產(chǎn)生干擾信號的干擾源一般可分為外部干擾和內(nèi)部干兩種。6.1.16.1.1.1外部干擾主要來自自然界的干擾以及各種電氣設(shè)備運行產(chǎn)生的干擾。6.1.1.2內(nèi)部干擾內(nèi)部干擾主要是指測量電路內(nèi)部各種元器件的噪聲所引起的干擾.6.1.2干擾的耦合方式各種干擾源所產(chǎn)生的干擾，必然要經(jīng)過各種耦合通道進入測量電路而影響測量結(jié)果。換句話說，就是形成干擾影響必須具備三個要素：干擾源、干擾的耦合通道、被干擾對象。6.1.2.6.1.2.2磁場耦合（互感性耦合）當(dāng)兩個電路之間有互感存在時，一個電路中的電流產(chǎn)生變化會通過磁場耦合到另一個電路。6.1.2.由于測量電路內(nèi)部的元件支架、接線柱、印制電路板或外殼絕緣不良而存在漏電阻產(chǎn)生漏電流引起的干擾，稱漏是電流耦合，6.1.2.共阻抗耦合干擾的產(chǎn)生是由于兩個以上的電路有共阻抗。當(dāng)一個電路中的電流流經(jīng)共阻抗生產(chǎn)電壓降時，為其它電路的干擾電壓，其大小與阻抗的阻值及干擾源的電流大小成正比。6.1.3儀表內(nèi)部的干擾儀表內(nèi)部的所有電子元件都存在固有噪聲。最重要的固有噪聲有熱噪聲、散粒噪聲和接觸噪聲。當(dāng)噪聲電壓使電路和不能正常工作時，該噪聲電壓稱為干擾電壓。6.2干擾抑制技術(shù)6.2.1串模干擾及其抑制技術(shù)6.2.1串模干擾又稱為差模干擾、常態(tài)干擾、模向干擾，它是疊加在有用信號之上的一種干擾。這種疊加可以是電壓疊加，也可以是電流疊加，見圖6-5。圖中，和為干擾源的電壓和電流，為干擾源的內(nèi)阻抗。6.2.1.2串模干擾的抑制由于串模干擾疊加在被測信號之上，它一旦產(chǎn)生，其有害作用往往不大容易消除。因此，首先應(yīng)防止它的產(chǎn)生。1.信號導(dǎo)線扭絞由于把信號導(dǎo)線扭絞在一起能使信號回路所包圍的面積大為減少，而且使兩根信號導(dǎo)線到干擾源的距離大致相等。分布電容也能大致相同，所以能使由磁場和靜電耦合進入信號回路的串模干擾大為減小。若把雙絞信號導(dǎo)線屏蔽起來并將屏蔽層接地,將起到更好的抑制串模干擾的效果,見圖6-6。2.屏蔽技術(shù)屏蔽技術(shù)是抑制電場、磁場耦合干擾的重要措施.根據(jù)干擾源的不同可采用不同的屏蔽措施。（1）靜電屏蔽為防止靜電耦合干擾，可用一層金屬網(wǎng)將信號導(dǎo)線包圍起來,這層金屬網(wǎng)即屏蔽層,見圖6-7。圖中，導(dǎo)線1為干擾源；導(dǎo)線2為被屏蔽的電路，導(dǎo)線2對地電阻可認為是無窮大。為導(dǎo)線1與屏蔽層之間的分布電容；為屏蔽層與地之間的分布電容。由圖可見，若屏蔽層不接地，耦合至屏蔽層的干擾電壓為: 由于屏蔽層與導(dǎo)線2之間有分布電容，則仍然會通過耦合至導(dǎo)線2造成干擾。由此可見，若屏蔽層不接地，對減小靜電耦合干擾是沒有效果的。若屏蔽層接地，則，即使存在，導(dǎo)線2的耦合電壓接近于零。（2）高頻磁屏蔽高頻磁屏蔽是利用導(dǎo)電性良好的金屬箔將被屏蔽的電路包圍起來，其作用是抑制高頻電磁場的干擾。其作用原理是利用高頻電磁場在屏蔽導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生電渦流，在屏蔽導(dǎo)體內(nèi)建立高頻渦流磁場而抵消高頻干擾磁場，從而達到高頻磁屏蔽的目的，詳見4.3.3.1節(jié)。若屏蔽層接地，則同時具有靜電屏蔽作用。（3）低頻磁屏蔽導(dǎo)電性良好的金屬箔對低頻磁場干擾的抑制效果很差。這是由于低頻磁場具有較強的穿透能力的緣故，詳見4.3.3.2節(jié)。對低頻干擾磁場的屏蔽宜采用高導(dǎo)磁率的材料(如坡莫合金等)作為屏蔽層，使干擾磁力線在屏蔽層內(nèi)構(gòu)成回路，阻斷磁力線向外擴散，從而抑制低頻磁場干擾。必須指出，屏蔽層要有一定的厚度，以減少磁阻，提高屏蔽效果。（4）驅(qū)動靜電屏蔽前述的靜電屏蔽，即使屏蔽層接地，也不能完全阻斷屏蔽層與被屏蔽導(dǎo)線2之間通過分布電容的靜電耦合干擾（見圖6-7），這是由于屏蔽層與被屏蔽導(dǎo)線之間存在著電位差的緣故。為此,可采用驅(qū)動靜電屏蔽（又稱有源屏蔽），其原理見圖6-8。3.濾波技術(shù)在工程測量中，串模干擾主要是50Hz的工頻干擾。常用的無源濾波器的內(nèi)阻較大和有一定的損耗，因此并不適用。常用有源雙T濾波器和50Hz陷波器，見圖6-5和圖6-6（見6.2.4節(jié)），這樣可將50Hz的串模干擾衰減至最小。4.對消方法利用雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器，因為它是對輸入信號的平均值而不是瞬時值進行A/D轉(zhuǎn)換的，只要采樣時間是工頻周期的整數(shù)倍，從理論上來說對工頻干擾具有無窮的抑制能力。5.注意信號導(dǎo)線遠離動力線特別不允許信號導(dǎo)線與動力線平行敷設(shè)，從根源上消除磁場耦合干擾。6.2.26.2.2.1共模干擾又稱為同相干擾或縱向干擾。共模干擾是相對于公共的電位基準地（接地點），在信號接收器的兩輸入端同時出現(xiàn)的干擾。共模干擾只有在轉(zhuǎn)化為差模干擾后，才對測量電路起干擾作用。產(chǎn)生共模干擾的原因很多。例如，在遠距離測量中，使用長電纜時由于地電流的原因，使傳感器端的地電位與測量儀表的地電位之間存在電位差引起共模干擾，又如,變壓器一次側(cè)電壓，會通過一、二次側(cè)間分布電容以及整流信號電路與地之間的分布電容形成電流回路而干擾測量儀器工作，這就是常見的所謂工頻干擾；漏電流也是共模干擾的一種形式。6.2.2.2在測量電路和儀表受共模干擾作用后，只有當(dāng)共模干擾轉(zhuǎn)換為差模干擾時，才會對測量電路或儀表產(chǎn)生有害的影響。即測量電路或儀表受共模干擾影響的大小，取決于共模干擾轉(zhuǎn)換為差模干擾的轉(zhuǎn)換率。6.2.2.31.接地技術(shù)在抗干擾措施中接地是與屏蔽緊密相關(guān)的，無論是電纜屏蔽還是屏蔽罩都必須有一個適當(dāng)?shù)慕拥攸c，才能有效地抑制干擾。如果接地點選擇不當(dāng)，不但不能抑制干擾，反而會引起干擾，而使系統(tǒng)無法正常工作?？梢娊拥丶夹g(shù)不容忽視。（1）一點接地準則如果一個測量系統(tǒng)分別設(shè)有信號地線（信號公共基準零電位），又有交流地線和安全保護地線時，則需將三種地線連在一起，再通過一點接地。這就是一點接地的準則。（2）測量系統(tǒng)一點接地圖6-11為同一測量系統(tǒng)采用兩點接地和一點接地示意圖，圖a為兩點接地；圖b為一點接地。圖中,和為信號源及其等效內(nèi)阻；和為信號導(dǎo)線的等效電阻，為測量系統(tǒng)的輸入電阻；和為A與B間的電位差和等效地電阻（即為加于測量系統(tǒng)輸入端的共模干擾電壓）；為信號源對A點的絕緣電阻。下面以實例計算由轉(zhuǎn)換成串模干擾電壓來說明圖a與圖b的區(qū)別。（3）信號導(dǎo)線屏蔽層一點接地如前所述，信號導(dǎo)線必須屏蔽和屏蔽層接地，否則沒有抑制串模干擾的效果，而且屏蔽層也應(yīng)一點接地。那么，屏蔽層又該接到哪一點才適合呢？應(yīng)該遵循下列兩個原則：1）當(dāng)有一個不接地的信號源與一個接地的放大器相連接時，信號導(dǎo)線屏蔽層應(yīng)接放大器的公共端，見圖6-12a。2）當(dāng)一個接地的信號源與不接地的放大器連接時，即使信號源接的不是大地，信號導(dǎo)線屏蔽層也應(yīng)接至信號源的公共端，見圖6-12b。 由于低電平儀表放大器通常都是”浮置”的，所以測量系統(tǒng)中把信號導(dǎo)線的屏蔽層接至信號源公共端最為經(jīng)常。2.雙層屏蔽浮置技術(shù)所謂浮置是指利用絕緣物體（黃臘綢、云母等）將儀表內(nèi)的放大器、印刷電路板等與導(dǎo)電的外殼、底板等隔離起來。儀表內(nèi)的放大器經(jīng)浮置后放大器的電位參考點(或公共地)不接外殼，也不接大地，因此浮置也稱為浮地、浮空或浮接。為提高測量儀表共模干擾能力，最廣泛應(yīng)用的是采用雙層屏蔽浮置技術(shù)，其原理見圖6-13。3.應(yīng)用平衡電路為提高測量系統(tǒng)的抗共模干擾能力，采用平衡措施也是重要手段之一。一個測量系統(tǒng)的平衡程度取決于信號源、信號導(dǎo)線以及負載的平衡。6.2.3電源引入干擾的抑制在儀表內(nèi)部，一種主要的干擾是來自小功率變壓器產(chǎn)生的漏電流。它是由電網(wǎng)的相電壓通過變壓器一、二次側(cè)間存在的分布電容的靜電耦合進入二次側(cè)繞組的，進而到儀表電路中，甚至進入信號源再到地產(chǎn)生泄漏電流，見圖6-17a。這往往產(chǎn)生50Hz且與信號電壓疊加的工頻干擾。為了防止這種干擾，可將電源變壓器一次側(cè)繞組放在屏蔽層內(nèi)，并將屏蔽層接地。此時，變壓器一次側(cè)的相電壓通過對屏蔽層的分布電容，使漏電流直接流入地，而不再流入放大器和信號源中產(chǎn)生干擾。但是有了接地的屏蔽層后，變壓器二次側(cè)繞組的電壓也會產(chǎn)生干擾，見圖6-17b和c。由于直流電壓的負載始終處于二次側(cè)繞組的最低電位，而繞組兩端又通過對屏蔽層的分布電容、形成回路，使屏蔽層（即地）對直流電壓負端具有正的電位差。此電位差由儀表接地處(或分布電容)進入測量電路構(gòu)成回路產(chǎn)生漏電流，其結(jié)果產(chǎn)生了100Hz脈動的直流干擾電壓。由此可見，具有一層屏蔽的電源變壓器防止電源引入的干擾是不完善的。為避免由電源引入的干擾，應(yīng)將電源變壓器采用雙層屏蔽。除變壓器一次側(cè)屏蔽層外，給二次側(cè)繞組也用一單獨的屏蔽層，并將屏蔽層接至電源負端，見圖6-18。這時電源電壓不會在儀表的測量電路中產(chǎn)生漏電流。為了提高儀表對共模干擾的抑制能力,電源變壓器往往采用三層屏蔽。其各屏蔽層的接法如下：一次側(cè)繞組屏蔽層接電網(wǎng)地(即大地)；中間屏蔽層接儀表金屬外殼；二次側(cè)繞組屏蔽層接電源負端。6.2.4其他抑制干擾的措施為了切斷共模干擾的電流回路，可采用各種隔離器件，如光耦合器、耦合變壓器等。對于脈沖電路中的噪聲抑制，可以采用穩(wěn)壓管或二極管組成的脈沖干擾隔離門，阻斷幅值較小的干擾脈沖。對于幅值和寬度都大于正常脈沖信號的干擾，則需采取相關(guān)量法來解決。相關(guān)量法的基本思路是，找出脈沖信號相關(guān)量，相關(guān)量與脈沖信號同時作用到與門上，僅當(dāng)兩輸入皆有信號時，才能使與門打開送出脈沖信號，這樣就抑制了干擾脈沖。在實際被測信號中，往往含有各種噪聲和干擾，其振幅和相位隨時間的變化是無改則的，它們影響測量結(jié)果，出現(xiàn)隨機誤差。為了消除和減小測量中的隨機誤差，在智能化儀表中，利用微處理器的數(shù)據(jù)處理功能，對測量數(shù)據(jù)進行軟件處理，可消除測量中的隨機誤差，同時，利用軟件程序的靈活性，很容易設(shè)計出低通、高通、帶通等數(shù)字濾波器,使得測量數(shù)據(jù)更為真實可靠。對于測量電路或儀表內(nèi)部元件的安排和走線布線、裝配等也必須給予充分的注意。在實踐中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)，同樣原理的電路，同樣的元件，僅僅使由于元件的安排位置和走線布線的方式不同，結(jié)果使電路的技術(shù)特性差異很大。由此可見，電路（特別是前置放大級）元件的安排和布線、走線的方式是非常重要的，實質(zhì)上它也是抗干擾措施的一個重要方面。為了能有效地抑制干擾,在安排儀表內(nèi)部元部件及設(shè)計走線的裝配工藝時，一般應(yīng)遵循以下原則：1）電路元件的安裝位置應(yīng)盡量根據(jù)信號的傳輸順序排成一直線的走向，即按輸入級、放大級、信號轉(zhuǎn)換級、輸出級的次序安排。不要相互交叉和混合安排，防止引起寄生耦合，避免造成互相干擾或產(chǎn)生自激振蕩。2）對于電磁感應(yīng)耦合元件（如變壓器、扼流圈、振蕩線圈等)）的安裝位置應(yīng)遠離輸入級。它們之間也盡量安排得遠一些，使其漏磁通互不影響。3）高輸入阻抗放大器輸入級的印刷電路板走線應(yīng)設(shè)計屏蔽保護環(huán)，防止漏電流經(jīng)線路絕緣電阻流入輸入端。4）低電平測量電路中的電源變壓器和輸入變壓器除相互遠離外，還必須加屏蔽罩。5）電路較復(fù)雜、單元電路較多的儀表,可將有關(guān)單元電路分塊裝配，必要時將輸入級與高頻振蕩級均用屏蔽層隔離。6）儀表內(nèi)的布線原則：=1