第八章 抗干擾技術(shù)2003

1、電氣測(cè)量中的抗干擾技術(shù)電氣測(cè)量中的抗干擾技術(shù)幾種典型的電氣干擾幾種典型的電氣干擾第一節(jié)第一節(jié) 電容耦合及其抗干擾對(duì)策電容耦合及其抗干擾對(duì)策電場(chǎng)分析方法電場(chǎng)分析方法-靜電場(chǎng)耦合靜電場(chǎng)耦合首先從空間電場(chǎng)的角度來分析交流電系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)的耦合。通常，交流高壓線在對(duì)地電壓為U,在高壓線和大地間建立了電場(chǎng)E，定性分析時(shí)，認(rèn)為E等于電壓U和高壓線距離地面的高度h的比值，即E=U/d。處于該電場(chǎng)中的導(dǎo)體的電位Ux正比于電場(chǎng)E和地面間距離的乘積。電路分析方法電路分析方法-電容耦合電容耦合再?gòu)碾娐返慕嵌葋矸治鰞蓚€(gè)系統(tǒng)的電容耦合效應(yīng)。處于不同電位的交流電導(dǎo)體和測(cè)量?jī)x器導(dǎo)體以及它們之間的空氣介質(zhì)就構(gòu)成了分布式的雜散

2、電容，當(dāng)兩個(gè)導(dǎo)體間的電壓發(fā)生變化時(shí)，從電路上理解，就是在電容的兩個(gè)電極間出現(xiàn)了電容電流。所以，嚴(yán)格地講，電氣測(cè)量系統(tǒng)本身并非是一個(gè)孤立的電系統(tǒng)。在強(qiáng)電環(huán)境下，工頻交流電壓對(duì)測(cè)量?jī)x器的電路間存在電場(chǎng)或電容耦合，這種耦合有時(shí)即便在市電環(huán)境下也不容忽視，特別是當(dāng)交流電壓很高時(shí)，這種耦合作用就更強(qiáng)。電場(chǎng)或電容耦合對(duì)實(shí)際測(cè)量造成的影響電場(chǎng)或電容耦合對(duì)實(shí)際測(cè)量造成的影響雜散電容CAH、CBH、CAL、CBL以及Ce一般在幾個(gè)到幾十pF，這些電容的容抗約為105數(shù)量級(jí)。差動(dòng)運(yùn)放輸入電阻Ri1一般在109以上，忽略差動(dòng)運(yùn)放的輸入對(duì)地阻抗，并假設(shè)信號(hào)源輸出為零，可得到：UCCUCCCUAHALALAHAHA11

3、UCCUCCCUBHBLBLBHBHB11輸入到測(cè)量差分放大電路的差分電壓為UAB=UA-UB：UCCCCUBHBLAHALAB)1111(BHBLAHALCCCC只有 時(shí)，UAB=02AHALCC假如：01. 2BHBLCCUUAB9031采用靜電屏蔽層來隔離電場(chǎng)耦合的干擾采用靜電屏蔽層來隔離電場(chǎng)耦合的干擾采用導(dǎo)電性能好的導(dǎo)體作為信號(hào)電纜的屏蔽層，如銅網(wǎng)或鋁網(wǎng)。雖然信號(hào)線與接地屏蔽層之間有分布電容，但整個(gè)屏蔽層通過固定接地成為一個(gè)等電位（零電位）體，電纜內(nèi)部就與外電場(chǎng)隔離。注意圖中信號(hào)電纜的屏蔽層只在測(cè)量?jī)x器一端接地，而傳感器不接地，防止由于兩點(diǎn)接地引入額外的接地電位差耦合到測(cè)量?jī)x器。第二節(jié)

4、第二節(jié) 磁場(chǎng)耦合及其抗干擾對(duì)策磁場(chǎng)耦合及其抗干擾對(duì)策圖中測(cè)量?jī)x表的輸入回路由傳感器、連接導(dǎo)線A、B和放大電路的輸入阻抗構(gòu)成一個(gè)閉合回路，附近的交流電流 產(chǎn)生的交變的磁場(chǎng)穿過該閉合回路而發(fā)生交鏈，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，回路中將有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e產(chǎn)生。dtdBSdtde)(2)(tirrBdtdiMdtdirSe2tItimsin)(trISemcos2設(shè)防磁場(chǎng)（互感）耦合的措施防磁場(chǎng)（互感）耦合的措施盡可能減小感應(yīng)回路的面積S（最容易辦到） 具體措施有：信號(hào)源盡可能靠近測(cè)量?jī)x表，導(dǎo)線A、B盡可能短并且靠近，如雙絞線輸入，使用雙絞線輸入另外的好處則可以使相反交鏈的磁通量相互抵消增加耦合距離r采用磁屏

5、蔽切斷磁耦合路徑 屏蔽磁場(chǎng)的基本原理是利用導(dǎo)磁率高的磁性材料制成封閉的屏蔽罩，屏蔽罩為外部磁場(chǎng)（或磁力線）提供低阻通道，使外部磁場(chǎng)基本被屏蔽罩收集而不通過屏蔽罩的內(nèi)部空間。測(cè)量?jī)x器放置在磁場(chǎng)較弱的區(qū)域 電流進(jìn)線和回線所圍成的區(qū)域之外，由于相反方向電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)有部分相互抵消，而電流進(jìn)線和回線所圍成的區(qū)域內(nèi)部的磁場(chǎng)同向疊加而被加強(qiáng)。第三節(jié)第三節(jié) 共阻抗耦合及抗干擾對(duì)策共阻抗耦合及抗干擾對(duì)策沖擊負(fù)載電流通過電源內(nèi)阻抗沖擊負(fù)載電流通過電源內(nèi)阻抗影響測(cè)量?jī)x器的供電質(zhì)量影響測(cè)量?jī)x器的供電質(zhì)量交流供電電源（例如配電變壓器）可用下圖中的戴維南等效電路來表示，UAC為交流電壓源，ZK代表交流電壓源的內(nèi)阻抗，包

6、括交流配電變壓器的短路阻抗和線路阻抗, 假設(shè)ZK=5%。圖中除采用交流供電的測(cè)量?jī)x器外，只畫有一臺(tái)電動(dòng)機(jī)M，當(dāng)電動(dòng)機(jī)M的額定容量達(dá)到供電變壓器容量的20%以上時(shí)，在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)瞬間，假設(shè)其啟動(dòng)電流為額定電流的10倍，此時(shí)電動(dòng)機(jī)可近視看成一個(gè)沖擊性負(fù)載，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)刻的沖擊電流將使得電源內(nèi)阻抗上的壓降增大到1020% ZK=10%，輸出電壓Uo下降約10%。其它負(fù)載包括測(cè)量?jī)x器的供電電壓將出現(xiàn)10%的短時(shí)電壓降落，如果這種情況頻繁出現(xiàn)，對(duì)其它用電設(shè)備將造成供電質(zhì)量的下降。圖中所描述的用電設(shè)備之間的耦合是通過變壓器的短路阻抗耦合的，這個(gè)阻抗可以看成是該供電電源范圍內(nèi)所有用電設(shè)備的公共阻抗，所以這類耦

7、合也稱共阻抗耦合。使用設(shè)計(jì)完善的穩(wěn)壓電源，減小交流電源電壓波動(dòng)對(duì)測(cè)量?jī)x器造成干擾。對(duì)大功率的電動(dòng)機(jī)，加裝軟啟動(dòng)裝置，減小啟動(dòng)電流對(duì)配電系統(tǒng)的沖擊。測(cè)量?jī)x器內(nèi)部不同電路環(huán)節(jié)間測(cè)量?jī)x器內(nèi)部不同電路環(huán)節(jié)間通過直流穩(wěn)壓電源內(nèi)阻抗的耦合通過直流穩(wěn)壓電源內(nèi)阻抗的耦合共阻抗耦合說明共阻抗耦合說明圖中代表了由直流穩(wěn)壓電源供電的數(shù)字測(cè)量?jī)x器的一般構(gòu)成，運(yùn)放代表測(cè)量?jī)x器的模擬電路部分，MCU代表測(cè)量?jī)x器的數(shù)字部分，4-bit的A/D作為模擬和數(shù)字電路的中間環(huán)節(jié)。這三部分電路由一個(gè)直流穩(wěn)壓電源供電，電源的內(nèi)阻為Rs。模擬電路和數(shù)字電路集成電路中，最基本的元件是晶體管或MOS管。模擬電路中晶體管工作在線性放大區(qū)域，而

8、數(shù)字電路中的晶體管工作飽和導(dǎo)通或截止兩者之一。由于MCU中的數(shù)字時(shí)序邏輯電路總在一定的高頻時(shí)鐘同步下輸出不斷翻轉(zhuǎn)，其工作電流也就會(huì)出現(xiàn)與時(shí)鐘頻率同步的高頻紋波。這個(gè)高頻紋波電流流過系統(tǒng)的公共阻抗Rs，電源的輸出Uo就會(huì)含有高頻紋波成分，數(shù)字邏輯電路對(duì)這種小的紋波電壓并不敏感，但模擬電路卻不同。放大電路的直流電源電壓出現(xiàn)高頻的波動(dòng)，會(huì)直接在輸出中有所反映，從而造成測(cè)量誤差。共阻抗耦合的去耦共阻抗耦合的去耦一般數(shù)字集成電路產(chǎn)生的高頻紋波電流幅值一般不超過mA級(jí)，針對(duì)這一特點(diǎn)，常用的簡(jiǎn)易辦法是使用電容退耦或去耦。其原理是在數(shù)字集成電路的電源和地之間并聯(lián)10uF的電解電容和0.1uF的無感電容，由這些

9、電容提供數(shù)字集成電路內(nèi)門電路翻轉(zhuǎn)時(shí)所需的部分電流，減小對(duì)電源的依賴，從而削弱與其它電路的耦和。更好的辦法是數(shù)字電路和模擬電路分別使用獨(dú)立的直流穩(wěn)壓電源供電，模擬地和數(shù)字地分開。A/D作為模擬電路和數(shù)字電路的中間連接環(huán)節(jié)，一般都設(shè)有獨(dú)立的模擬電源和數(shù)字電源管腳，模擬電路和數(shù)字電路的公共端只在A/D的模擬地和數(shù)字地相連。采用獨(dú)立的模擬和數(shù)字電源去耦第三節(jié)第三節(jié)共模干擾及其對(duì)策共模干擾及其對(duì)策共模信號(hào)如何轉(zhuǎn)變成差模干擾？共模信號(hào)如何轉(zhuǎn)變成差模干擾？2.如果將圖中的輸入阻抗ZA、ZB及對(duì)地阻抗ZAE、ZBE也考慮起來，則差分放大器的輸入電壓將為VAB：U200ZZZZVCU200ZZZZVD考慮ZZ0

10、，VC和VD可化簡(jiǎn)為：U2U21U2000CZZZZZVU2U21U2000ZZZZZVDC、D兩點(diǎn)都有共同的對(duì)地分量 U/2，即共模分量UCM。UCM的大小就是當(dāng)電橋平衡時(shí)C、D兩點(diǎn)的對(duì)地電壓。1.如前置放大電路為理想的差分放大器（暫不考慮圖中的ZA、ZAE、ZB、ZBE），則差分放大器只會(huì)放大C、D兩點(diǎn)的電位差VCD。BEBDACDBBEBECAAEAEABZZVZZVVZZZVZZZV11AE2.如果將圖中的輸入阻抗ZA、ZB及對(duì)地阻抗ZAE、ZBE也考慮起來，則差分放大器的輸入電壓將為VAB： 如果如果 ，并假設(shè)電橋平衡，即VC =VD =U/2，如下圖。BEBDACDBBEBECAA

11、EAEABZZVZZVVZZZVZZZV11AEkZZZZBEBAEACDDCABVkVVkV11)(11則 ，運(yùn)放輸出仍然與VCD 成正比，不會(huì)含有共模分量。BEBAEAZZZZ011112UAE）（BEBAABZZZZV電橋平衡時(shí)，運(yùn)放卻有非零的輸出，且與共模分量大小和輸入阻抗不平衡度成正比。二共模干擾的抑制二共模干擾的抑制 輸入電纜屏蔽層采用共模驅(qū)動(dòng)技術(shù)。見儀表運(yùn)放Dataguard部分說明。第五節(jié)第五節(jié) 測(cè)量系統(tǒng)輸入級(jí)的兩點(diǎn)接地測(cè)量系統(tǒng)輸入級(jí)的兩點(diǎn)接地傳感器和前置放大電路都分別接地，兩個(gè)接地點(diǎn)之間的阻抗不可能為零，不同接地點(diǎn)之間就會(huì)出現(xiàn)一定的電位差Ug。當(dāng)這個(gè)電位差與被測(cè)量的小信號(hào)相比

12、，在大小幅度上不能忽略時(shí)，它就會(huì)以共模信號(hào)的形式表現(xiàn)出來，并耦合到前置放大電路的輸入端，這時(shí)就又得考驗(yàn)前置放大電路的共模抑制能力。差分運(yùn)算放大器的兩個(gè)輸入端A、B對(duì)地的電位都包含Ug。如果僅考慮接地電位差Ug的影響，可以假設(shè)Us=0。這樣，問題又變成了Page20中的情形。解決措施：為了避免因兩點(diǎn)接地而造成不必要的共模輸入，傳感器和前置放大電路一般都只在一側(cè)接地。如果前置放大電路的輸入信號(hào)線采用帶屏蔽層的電纜連接，屏蔽層也應(yīng)隨傳感器或前置放大電路只在一側(cè)接地，這也是圖7-2中為什么只在測(cè)量?jī)x器側(cè)接地的原因。兩點(diǎn)接地時(shí)屏蔽電纜的接地兩點(diǎn)接地時(shí)屏蔽電纜的接地如果由于測(cè)量的需要，傳感器和前置放大電路

13、都必須接地，如圖所示，那么兩個(gè)接地點(diǎn)間不可避免會(huì)出現(xiàn)電位差Ug。圖中的RAB代表測(cè)量測(cè)量?jī)x器前置放大電路的不平衡輸入電阻（包括信號(hào)源、輸入信號(hào)線和輸入運(yùn)放內(nèi)部的不平衡電阻），此時(shí)屏蔽電纜兩端都應(yīng)接地，這樣利用屏蔽層的低阻通路來分流輸入信號(hào)電纜上的共模電流，這樣可以減小接地電位差在信號(hào)電纜上產(chǎn)生的電流Ig1，也就減小了由該電流在RAB上引入的電壓降，從而減小了共模干擾。采用浮地設(shè)計(jì)減小共模干擾采用浮地設(shè)計(jì)減小共模干擾測(cè)量電路采用與前圖直接接地不同的浮地設(shè)計(jì)，這樣可以加大電流Ig1所經(jīng)回路的阻抗，進(jìn)一步減小流過RAB的電流，這樣并聯(lián)的屏蔽層的分流作用就會(huì)得到加強(qiáng)，而共模電位差Ug對(duì)輸入電路的耦合作

14、用就會(huì)減小。第六節(jié)第六節(jié)濾波器濾波器硬件濾波器能濾除什么干擾？硬件濾波器能濾除什么干擾？硬件濾波基本原則： 濾波器必須根據(jù)有用信號(hào)和干擾的存在可識(shí)別的特征進(jìn)行濾波，否則，干擾無法從合成的信號(hào)中濾除?？杀挥布V波器識(shí)別的特征：1.頻率不同的差模：如果有用信號(hào)和干擾都為差模信號(hào)，根據(jù)被測(cè)信號(hào)和干擾分布的頻率范圍不同，可設(shè)計(jì)低通、高通、帶通、帶阻濾波器。二者的頻率相差越多則越容易濾除（至少相差多少？）。2.濾除無用的共模：有用信號(hào)總是差模信號(hào)（但差模信號(hào)還可以包含差模的干擾），而不會(huì)是共模信號(hào)。所以，共模分量（不一定就是干擾）總是需要被濾除的。濾波器分類濾波器分類術(shù)語：通帶：可以通過的頻率范圍；阻帶

15、：不可以通過的頻率范圍；截止頻率（轉(zhuǎn)折頻率）：通帶與阻帶的界限頻率。其轉(zhuǎn)折特性用Q值來衡量，Q值越高，即靈敏度越高，頻率選擇特性越好，通帶越窄。分類：1. 低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器。2. 有源濾波器和無源濾波器一階濾波器一階濾波器圖a是一階無源RC低通濾波器，傳遞函數(shù)為： 圖c是一階有源低通濾波器，傳遞函數(shù)為：式中 為直流增益。圖b是RC網(wǎng)絡(luò)接到正輸入端的一階有源濾波器，設(shè) ，其傳遞函數(shù)為：RCSsH11)(RCSRRsHF11)(1)11)(1 ()(1CSRRRsHFF1/ RRFFRR 無源濾波器與有源濾波器性能比較無源濾波器與有源濾波器性能比較比較指標(biāo)無源有源尺寸

16、、重量和價(jià)格調(diào)諧帶寬頻帶寬度次聲頻（100kHz）增益輸入和輸出的阻抗匹配多級(jí)連接傳遞函數(shù)的求取受電感器的限制必須調(diào)整 或 受電感Q的限制不具有獲得不方便好有插入損耗必須匹配逐級(jí)加載困難在于電感器的非理想特性和級(jí)間互相影響，求取既麻煩又復(fù)雜無電感器只用一個(gè)電阻器進(jìn)行調(diào)整容易做到Q100極好極好好增益1不需要匹配沒有問題直接，且很有效低通有源濾波器的設(shè)計(jì)低通有源濾波器的設(shè)計(jì)讓直流到指定截止頻率的低頻信號(hào)通過，而高頻分量信號(hào)受到很大的衰減，其通帶為 ， 為截止頻率。 利用運(yùn)放組成有限增益可控的有源二階低通濾波器。 設(shè)R1=R2=R；C1=C2=C，利用節(jié)點(diǎn)電流法，則該有源濾波器的幅頻特性可通過下面

17、的聯(lián)立方程求解傳遞函數(shù)H(S)：00001)2(11KURSCUUCSRURooi0)1(11KUCSRURo2)()3(1)(RCSRCSKKsH200220SQSK341RRK其中：得到：RC10KQ31高通有源濾波器的設(shè)計(jì)高通有源濾波器的設(shè)計(jì)讓高于指定頻率 的信號(hào)通過，而使直流到指定阻帶頻率的低頻分量受到衰減。取R1=R2=R；C1=C2=C；K=1+R4/R3，則該電路的傳遞函數(shù)為：022)()3(1)()(RCsRCsKRCsKsH20022222)(3sQsKsRCsRCKsKs)/(10RC)3/(1KQ其中：EMC（EMI+EMS）濾波器）濾波器為了防止開關(guān)電源產(chǎn)生的電磁干擾（

18、EMI）進(jìn)入電網(wǎng)或者防止電網(wǎng)的噪聲進(jìn)入開關(guān)電源內(nèi)部，干擾開關(guān)電源的正常工作（EMS），必須在開關(guān)電源的輸入端施加EMC濾波器，有時(shí)又稱此濾波器為電源濾波器，用于濾除電源輸入輸出中的共模共模干擾和差模干擾干擾和差模干擾. .（IECIEC標(biāo)準(zhǔn)傳導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)傳導(dǎo)EMCEMC測(cè)試頻率范測(cè)試頻率范圍圍150 kHz150 kHz30 MHz30 MHz）。單級(jí)單級(jí)EMC濾波器典型電路濾波器典型電路圖中A、N間為電源的相電壓，G為電源的接地線。Cc1、 Cc2和Lc構(gòu)成的低通濾波器用來抑制共模干擾信號(hào)。由Cd1、Ld 組成低通濾波器來抑制差模干擾信號(hào)通常，單級(jí)EMC濾波器不能覆蓋150K-30MHz的標(biāo)準(zhǔn)頻率范圍Cc2Cc2LdLdCd1Cd1LcCc1Cc1ANG共模扼流圈共模電感共模電感(Common mode Choke)/(Common mode Choke)/共模扼流圈共模扼流圈 l共模扼流圈，是在一個(gè)閉合磁環(huán)上對(duì)稱繞制方向相反、匝數(shù)相同的線圈。理想的共模扼流圈對(duì)L（或N）與E