檢測信號的干擾及其抑制技術(shù)

1、 第第3 3章章 檢測信號的干擾及其抑制技術(shù)檢測信號的干擾及其抑制技術(shù) 3.1 3.1 電子測量系統(tǒng)的干擾與抑制電子測量系統(tǒng)的干擾與抑制 3.2 3.2 噪聲源與噪聲耦合方式噪聲源與噪聲耦合方式 3.3 3.3 形成干擾的三要素及抑制干擾的措施形成干擾的三要素及抑制干擾的措施 3.1 3.1 電子測量系統(tǒng)的干擾與抑制電子測量系統(tǒng)的干擾與抑制 3.1.1 干擾與防護的概念干擾與防護的概念 干擾：干擾：來自于電子測量系統(tǒng)內(nèi)部和外部并且對系統(tǒng) 正常工作產(chǎn)生影響的因素。 防護：防護：各種抗干擾的技術(shù)措施。 防護的任務：防護的任務：消除或減弱各種干擾對電子測 量 系統(tǒng)正常工作的影響。 防護的手段：防護的

2、手段：設(shè)法割斷或減弱電子測量系統(tǒng)與外界 有害的聯(lián)系，而同時不影響進行測量所需要的聯(lián)系。 3.1.2 各種常見干擾及其抑制方法各種常見干擾及其抑制方法 機械干擾：機械干擾：由于機械振動或沖擊，造成電氣或電子 元件振動、變形，而改變了系統(tǒng)的電氣參數(shù)。 措施：措施：減振，如使用減震彈簧或減振橡皮墊等。 橡膠海綿軟墊 橡膠墊及彈簧 熱的干擾：熱的干擾：電子測量系統(tǒng)工作時產(chǎn)生的熱量所引起的 溫度波動和環(huán)境溫度的變化等，導致電路元器件參數(shù) 發(fā)生變化（溫度漂移）或產(chǎn)生附加的熱電勢等。 措施：措施：采取熱屏蔽、恒溫設(shè)備、對稱平衡結(jié)構(gòu)、溫度 補償元件等。 光的干擾：光的干擾：由于在測量系統(tǒng)中廣泛使用各種半導體元

3、 器件，而這些半導體材料在光線的作用下會激發(fā)出電 子空穴對，使半導體元器件產(chǎn)生電勢或引起阻值的 變化，從而影響電子測量系統(tǒng)的正常工作。 措施：措施：對于具體光敏作用的元件，多注意光的屏蔽問 題。 散熱實例散熱實例 散熱風扇散熱風扇 濕度干擾：濕度干擾：濕度增加會使絕緣體的絕緣電阻下降、漏電 流增加，會使高值電阻的阻值下降，會使電介質(zhì)的介電 常數(shù)增加等等，固濕度的變化必然影響電子測量系統(tǒng)的 正常工作。 防潮措施：防潮措施：如電氣元件和印刷電路板的浸漆、環(huán)氧樹脂 封灌和硅橡膠封灌等。 化學干擾：化學干擾：某些化學物品如酸、堿、鹽、各種腐蝕性氣 體以及沿海地區(qū)由海風帶到岸上的鹽霧也會造成與潮濕 類似

4、的漏電腐蝕現(xiàn)象，會損壞電子測量系統(tǒng)元件和部件。 防護措施：防護措施：浸漆、密封、定期通電加熱驅(qū)潮等。 用絕緣漆浸用絕緣漆浸 漬過的控制漬過的控制 變壓器變壓器 浸漆可防止水分浸漆可防止水分 進入線圈內(nèi)部進入線圈內(nèi)部 儀器設(shè)備的防潮試驗儀器設(shè)備的防潮試驗 噴淋試驗噴淋試驗 儀器設(shè)備的防潮試驗儀器設(shè)備的防潮試驗 “步入式步入式”恒溫恒濕房恒溫恒濕房（參考（參考江蘇省計量測試技術(shù)研究所江蘇省計量測試技術(shù)研究所資料資料 ） 體積：體積：25m3 3 ，溫度調(diào)節(jié)范圍：（，溫度調(diào)節(jié)范圍：（-40+80）， 濕度調(diào)節(jié)范圍：（濕度調(diào)節(jié)范圍：（3090）%RH 可用于進行大型儀器設(shè)備的高低溫、恒定濕熱、可用于進

5、行大型儀器設(shè)備的高低溫、恒定濕熱、 交變濕熱試驗。交變濕熱試驗。 電、磁的干擾電、磁的干擾 電和磁可以通過電路和磁路對電子測量系統(tǒng)產(chǎn)生干 擾作用，在電子線路設(shè)計中只要有電場或磁場存在，就 會產(chǎn)生電磁干擾。而電磁干擾對于電子測量系統(tǒng)而言， 是最為普遍和影響最為嚴重的干擾，必須要采取多種措 施來防護。（在以后我們自己做研究的過程中，這也是（在以后我們自己做研究的過程中，這也是 我們需要面對的一個比較難處理的問題）我們需要面對的一個比較難處理的問題） 3.2 3.2 噪聲源與噪聲耦合方噪聲源與噪聲耦合方 式式 3.2.1 3.2.1 噪聲與信噪噪聲與信噪 比比 噪聲：噪聲：只在電子測量系統(tǒng)工作時，除

6、了有用信號之 外還存在著無用的、變化不規(guī)則的信號會影響測量 結(jié)果，這種不希望出現(xiàn)的無用信號稱為“噪聲”。 信噪比：信噪比：指的是在信號通道中，有用信號功率與伴 隨的噪聲功率之比。 dB U U B P P NS n s n s lglg20d10 注：S/N表示信噪比，Ps為信號功率、信號電壓為Us， 噪聲功率為Pn、噪聲電壓為Un，dB為單位。 由上式可知，信噪比越大，表示噪聲對有用信號的影響越小。信噪比越大，表示噪聲對有用信號的影響越小。 信噪比信噪比S/NS/N的計算舉的計算舉 例例 在擴音機輸入端測得：話筒輸出的做報告者聲 音的平均電壓為50mV，50Hz干擾“嗡嗡”聲的電壓 為0.5

7、mV，求信噪比。 解：S/N=20lg(50/0.5)dB=40dB 3.2.2 3.2.2 噪聲源噪聲源 常見噪聲源：常見噪聲源：放電噪聲源、電氣設(shè)備噪聲源和固有噪聲源。 一、放電噪聲源一、放電噪聲源 由各種放電現(xiàn)象產(chǎn)生的噪聲稱為放電噪聲。在放電現(xiàn) 象中屬于持續(xù)放電的有電暈放電、輝光放電和弧光放電； 屬于過渡現(xiàn)象的有火花放電。 1）電暈放電噪聲主要來源于高壓輸電線，它具有間隙性， 并產(chǎn)生脈沖電流，從而成為一種干擾噪聲。對于一般的檢 測儀表來說，其影響不大。 2）火花放電噪聲。例如雷電、電氣設(shè)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

8、發(fā)動機的點火裝置等。只要 在哪里電流是斷續(xù)的，則此時在觸點間引起的火花放電都 將成為噪聲源。 3）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。通常放電管具有負阻抗特性，所以與外電路 連接時容易引起高頻振蕩，有時可達很高的頻段，對電 視也有影響。 二、電氣設(shè)備噪聲源二、電氣設(shè)備噪聲源 1）工頻噪聲 大功率輸電線是典型的工頻噪聲源低電平的信號線只 要一段距離與輸電線相平行，就會受到明顯的干擾。即使 是室內(nèi)的一般交流電源線，對于輸入阻抗和靈敏度很高的 檢測儀器來說也是威力很大的干擾源。另外，在電子裝置 的內(nèi)部，由于工頻感應也會產(chǎn)生交流噪聲。 2）射頻噪聲 高頻感應加熱、高頻焊接等工業(yè)

9、電子設(shè)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(guān) 電子開關(guān)雖然在通斷時并不產(chǎn)生火花，但由于通斷 的速度極快，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。在一定電路參數(shù)條件 下，電子開關(guān)的通斷還會帶來相應的阻尼振蕩，從而構(gòu) 成高頻干擾源。使用可控硅的調(diào)壓整流電路對其它電子 裝置的干擾就是電子開關(guān)造成干擾的典型例子。這種電 路在晶鬧管的控制下，周期性地通斷，形成前沿陡峭的 電壓和電流，并且使供電電源波形畸變,從而干擾由該 電源系統(tǒng)供電的其他電子設(shè)備。 三、固有噪聲源三、固有噪聲源 在電路中，電子元件本身產(chǎn)生的、具有隨機性、寬頻

10、帶 的噪聲稱為固有噪聲。電路中常出現(xiàn)的固有噪聲有電阻熱噪 聲、半導體器件產(chǎn)生的散粒噪聲，以及開關(guān)、繼電器觸點、 電位器觸點、接線端子電阻、晶體管內(nèi)部的不良接觸產(chǎn)生的 接觸噪聲等。例如，電視機未接收到信號時，屏幕上表現(xiàn)出 的雪花干擾，就是由固有噪聲引起的。 選用低噪聲元件、減小流過器件的電流及減小電路的帶 寬等，均能減小固有噪聲干擾。 3.2.3 噪聲的疊加噪聲的疊加 噪聲電壓(或噪聲電流)的產(chǎn)生若是彼此獨立的，即不相 關(guān)的，則其總噪聲電壓可表示為 若是兩個相關(guān)噪聲電壓，可用下式迭加而成 式中，為相關(guān)系數(shù)，它的取值范圍在+1-1間。 當 0時，為非相關(guān)； 當在 0和+1或者0和-1間時，則兩電壓

11、為部分相關(guān)。 22 2 2 1 U n UUU 總 21 2 2 2 1 2UUUUU 總 3.2.4 3.2.4 噪聲耦合方式噪聲耦合方式 檢測裝置受到噪聲源干擾的途徑叫做噪聲的耦合方式。 通常把噪聲耦合方式可歸納為下列四種： 靜電耦合：因寄生電容引起的電容耦合 電磁耦合：因兩個電路的互感引起的磁鏈耦合。 共阻抗耦合：不同電路之間存在公共阻抗引起的電 壓耦合。例如兩個電路合用一個電源。 漏電流耦合：因絕緣不良，在絕緣電阻上產(chǎn)生漏電 流所引起的干擾。 一、靜電耦合一、靜電耦合 靜電耦合靜電耦合 示意圖示意圖 等效電路圖等效電路圖 nimn im im nc EZCjE ZCj ZCj U 1

12、寄生電容寄生電容干擾電壓干擾電壓 干擾源電壓干擾源電壓 輸入阻抗輸入阻抗 結(jié)論：結(jié)論： （1 1）干擾源的頻率越高，靜電耦合干擾越強。）干擾源的頻率越高，靜電耦合干擾越強。 （2 2）減小接收電路阻抗）減小接收電路阻抗ZiZi，有利于抑制靜電耦合干擾。，有利于抑制靜電耦合干擾。 （3 3）合理布線，減小分布電容）合理布線，減小分布電容CmCm，有利于抑制靜電耦合干擾。，有利于抑制靜電耦合干擾。 。 靜電耦合靜電耦合 對放大器的干擾對放大器的干擾 等效電路圖等效電路圖 在干擾頻率在干擾頻率1MHz1MHz，干擾源電壓，干擾源電壓5V5V，寄生電容，寄生電容0.1pF0.1pF的情況下，放的情況下

13、，放 大器輸入阻抗大器輸入阻抗100k,100k,干擾輸入電壓為干擾輸入電壓為314mV314mV。 100100倍倍 314mV314mV 二、電磁耦合二、電磁耦合 nnc MIjU 互感系數(shù)互感系數(shù) 干擾電壓干擾電壓 干擾源電流干擾源電流 電磁耦合電磁耦合 示意圖示意圖 等效電路圖等效電路圖 電磁耦合對交流電橋的干擾電磁耦合對交流電橋的干擾 在干擾頻率在干擾頻率10kHz10kHz，干擾源，干擾源 電流電流10mA10mA，互感，互感0.10.1H H的情的情 況下，干擾電壓為況下，干擾電壓為62.862.8V V。 三、共阻抗耦合三、共阻抗耦合 cnnc ZIU 干擾源電流干擾源電流 干

14、擾電壓干擾電壓 共有阻抗共有阻抗 共阻抗耦合共阻抗耦合 等效電路等效電路 電源內(nèi)阻引起的共阻抗干擾電源內(nèi)阻引起的共阻抗干擾 四、漏電流耦合四、漏電流耦合 n in i nc E ZR Z U 干擾源電壓干擾源電壓 干擾電壓干擾電壓 漏電流輸入回路的輸入阻抗漏電流輸入回路的輸入阻抗 絕緣電阻絕緣電阻 漏電流耦合漏電流耦合 等效電路等效電路 3.3 3.3 形成干擾的三要素及抑制干擾的措施形成干擾的三要素及抑制干擾的措施 3.3.1 3.3.1 形成干擾的三要素形成干擾的三要素 噪聲形成干擾需要同時具備三要素：干擾源、對噪聲 敏感的接收電路及噪聲源到接收電路之間的耦合通道。三 要素之間的聯(lián)系如下圖

15、所示。 干擾源 耦合通道 接收電路 三條抑制干擾措施： （1）消除干擾源； （2）割斷干擾耦合途徑； （3）提高接收電路的抗干擾能力，降低其對噪聲的敏感性。 3.3.2 3.3.2 消除干擾源消除干擾源 在越靠近干擾源的地方采取措施，干擾抑制效果就越 好。消除和抑制干擾源的方法可采用低噪聲電路、瞬態(tài)抑 制電路和穩(wěn)壓電路等。器件的選擇則盡可能采用低噪聲、 高頻特性好、穩(wěn)定性高的電子元件。值得注意的是，抑制 電路中不恰當?shù)钠骷x擇可能產(chǎn)生新的干擾源。 3.3.3 3.3.3 割斷干擾耦合途徑割斷干擾耦合途徑 對于以“電路”的形式侵入的干擾，可采取諸如提高 絕緣性能，采用隔離變壓器、光電耦合器等切斷

16、干擾途徑； 采用退耦、濾波等手段引導干擾信號的轉(zhuǎn)移；改變接地形 式切斷干擾途徑等。對于以“輻射”的形式侵入的干擾， 一般采取各鐘屏蔽措施，如靜電屏蔽、電磁屏蔽等。 3.3.3 3.3.3 提高抗干擾能力提高抗干擾能力 如果要削弱接收電路對干擾的敏感性，必須提高檢測 裝置的抗干擾能力。一般來說，高輸入阻抗的電路比低輸 入阻抗的電路易受干擾；模擬電路比數(shù)字電路的抗干擾能 力差。一個設(shè)計良好的檢測裝置應該具備對有用信號敏感、 對干擾信號盡量不敏感的特性。 電磁兼容控制技術(shù)電磁兼容控制技術(shù) 電磁兼容（電磁兼容（EMC,ElectroMagnetic Compatibility） 電子及電氣設(shè)備在共同的電磁環(huán)境中能執(zhí)行各自功能 的共存狀態(tài)，即要求在同一電磁環(huán)境中的上述各種設(shè) 備都能正常工作又不互相干擾，達到兼容的狀態(tài)。 抗電磁干擾技術(shù)有時又稱電磁兼容控制技術(shù)。常用的抗 干擾技術(shù)有屏蔽、接地、濾波、隔離等技術(shù)。 屏蔽技術(shù)：屏蔽技術(shù)：可抑制電磁干擾在空間的傳播，并切斷輻 射干擾的傳播途徑。 接地技術(shù)：接地技術(shù)：保護人身和設(shè)備安全；提供參考零電位， 阻隔地環(huán)路。 濾波技術(shù)：