测控系统原理与设计7_抗干扰技术

第七章抗干扰技术第一节干扰的形成一、干扰与噪声①噪声是绝对的，它的产生或存在不受接收者的影响，是独立的，与有用信号无关。②干扰是相对有用信号而言的，只有噪声达到一定数值、它和有用信号一起进入测控系统并影响其正常工作才形成干扰。③干扰在满足一定条件时，可以消除。噪声在一般情况下，难以消除，只能减弱。电磁干扰的分类从噪声产生的来源分类1)固有噪声源2)人为噪声源3)自然噪声源和放电噪声从干扰的表现形式分类1)规则干扰2)不规则干扰3)随机干扰二、分类干扰的类型机械干扰热干扰光干扰湿度干扰化学干扰电和磁干扰射线辐射干扰从干扰出现的区域分类1)内部干扰2)外部干扰从干扰对电路作用的形式分类1)差模干扰2)共模干扰3)共模干扰抑制比三、噪声形成干扰作用的三要素噪声源形成干扰必需同时具备三个要素，即噪声源、有对噪声敏感的接收电路和两者之间的耦合通道。三要素之间联系如下图所示。噪声源耦合通道接收电路四、噪声源1、内部噪声源1）电路元器件产生的固有噪声2）感性负载切换时产生的噪声干扰感性负载――交、直流继电器、接触器、电磁铁和电机等。感性负载切换时线圈两端会出现很高的瞬态电压，产生强烈的噪声干扰。3）接触噪声图7－1－1感性负载的干扰抑制电路2、外部噪声源1）天体和天电干扰2）放电干扰3）射频干扰4）工频干扰五、噪声的耦合方式◆1、电容性耦合～ZiCmENUNABnimimNEZCjZCjU1NimNEZCjU图7－1－2静电电容耦合示意图结论：1、当干扰源的电压U1和角频率ω一定时，要降低静电电容性耦合效应就必须减小电路的等效输入阻抗R和寄生电容C12。2、小电流、高电压噪声源对测试系统的干扰主要是通过电容性耦合。112RUCUN电磁耦合是由于两个电路间存在互感。结论：1、干扰电压正比于干扰源角频率ω、互感系数M和干扰源电流。2、大电流低电压干扰源，干扰耦合方式主要为电感性耦合。◆2、电感性耦合（电磁耦合）NNMIjUUNMIN图7－1－3两个电路之间的互感◆3、共阻抗耦合•电源内阻抗的共阻抗耦合•公共地线的耦合•信号输出电路的相互干扰◆4、漏电耦合NimiNEZRZUUN～RmENBAZi◆传导耦合◆辐射电磁场耦合传导耦合是指经导线检拾到噪声，再经它传输到噪声接收电路而形成干扰的噪声耦合方式。大功率的高频电气设备，广播、电视、通信发射台等，不断地向外发射电磁波。智能仪器若置于这种发射场中就会感应到与发射电磁场成正比的感应电势，这种感应电势进入电路就形成干扰。抑制电磁干扰的基本方法•消除或抑制噪声源•破坏干扰的耦合通道•消除接收电路对干扰的敏感性•采用软件抑制干扰第二节硬件抗干扰技术o接地技术o屏蔽技术o长线传输的干扰及抑制o共模干扰的抑制o差模干扰的抑制o供电系统抗干扰o印刷电路板抗干扰7.2.1接地技术一、接地的基本概念•“地”――电路或系统中为各个信号提供参考电位的一个等电位点或等电位面•“接地”――将某点与一个等电位点或等电位面之间用低电阻导体连接起来，构成一个基准电位。1、测控系统中的地线种类•信号(源)地——指传感器本身的零电位基准线。•模拟地——模拟信号的参考点，即模拟电路的直流电源的参考点。•数字地——数字信号的参考点，即数字电路的直流电源的参考点。•负载地——指大功率负载或感性负载的地线。通常也称为噪声地。•系统地——整个系统的统一参考电位。系统或设备的机壳上的某一点通常与系统地相连接，供给系统各个环节的直流稳压或非稳压电源的参考点也都接在系统地上。2、共地和浮地共地浮地系统地与大地（地球）相连绝缘实现方法系统地不接机壳或机壳不接大地系统地接机壳且机壳接大地3、接地方式二、接地环路与共模干扰1、信号源和系统地都接大地――会形成接地环路•两个接地点之间的电位差（地电压）将产生共模干扰：GGLiLGNUURRRRRRRU122图7－2－4接地环路与共模干扰2、信号源和系统地不都接大地（例如只系统地接大地）•由于信号源与大地绝缘，即漏电电阻很大，故形成的干扰很小：GGSiiSGNUURRRRRRU12三、系统接地设计1、接地设计的两个基本要求：1)消除各电路电流流径一个公共地线阻抗时所产生的噪声电压；2)避免形成接地环路，引进共模干扰。2、输入信号传输线屏蔽接地点的选择3、电源变压器静电屏蔽层的接地图7－2－8电源变压器静电屏蔽层的接地点4、直流电源接地点的选择•不同性质的电源地线不能任意互连，而应分别汇集于一点，再与系统地相接。5、印刷电路板的地线布局•模拟地和数字地分设，通过不同的引脚与系统地相连，各个组件的模拟地和数字地引脚分别连到电路板上的模拟地线和数字地线上。•尽可能减少地线电阻，因此地线越宽越好。•模拟地线可用来隔离各个输入模拟信号之间以及输出和输入信号之间的有害耦合。数字信号亦可用数字地线进行隔离。6、机柜地线的布局在中、低频系统中，地线布局须采用单点接地方案，其原则是：•各个单元电路的各种地线不得混接。•单元电路板不多时，可把各单元的不同地线直接与有关电源参考端分别相接。•单元电路板很多时，各印刷板一般被分装在多层框架上，在各个框架上安装几个横向汇流排，分别用以分配各种直流电源、沟通各个印刷板的各种地线。而各个框架之间安装若干纵向汇流排连接所有的横向汇流排。•静止的电荷会产生静电场；•静止的磁偶极子会产生静磁场。•运动的电荷形成电流，会产生电场和磁场。•电场和磁场统称为电磁场。•电磁场对电荷产生力，以此干扰仪器和系统的正常工作7.2.2屏蔽技术★静电屏蔽+Q+Q+QAAABB一、屏蔽的类型和原理用一个金属盒子屏蔽住被干扰的电路，且将金属盒接地，则可消除外部的静电干扰用一个金属盒子屏蔽住干扰源，且将金属盒接地，则可抑制干扰源对外部的静电干扰★电磁屏蔽ieΦeΦN电磁屏蔽主要是抑制高频电磁场的干扰，采用低内阻的金属材料，如铜，铝等等。为了兼顾静电屏蔽，可以将屏蔽层接地有意发射干扰源：广播、电视、通信、雷达和导航等无线电设备；无意发射干扰源：在完成自身功能的同时附带产生电磁能量的发射如：交通车辆、架空输电线、照明器具、电动机械、家用电器以及工业、医用射频设备等等。•主要用于防止低频磁场的干扰★磁屏蔽静电屏蔽电磁屏蔽磁屏蔽消除静电干扰抑制高频电磁场的干扰防止低频磁场干扰选用低电阻材料作屏蔽盒选用低内阻的金属材料用高导磁材料制成屏蔽罩屏蔽盒都应用良好的接地屏蔽盒都应用良好的接地总结：7.2.3长线传输的干扰及抑制一、长线感应干扰的抑制方法1、采用双绞线传输2、采用电流信号传输3、采用数字信号传输或频率信号传输二、反射干扰及抑制•1、反射干扰：•数字信号的长线传输，因为传输线两端阻抗不匹配而出现信号在传输线上反射的现象。•2、抑制方法：•解决阻抗匹配、长线驱动问题长线驱动7.2.4共模干扰的抑制共模干扰：一般指在两根信号线上产生的幅度相等，相位相同的噪声。•（1）采用屏蔽双绞线并有效接地（2）强电场的地方还要考虑采用镀锌管屏蔽（3）布线时远离高压线，更不能将高压电源线和信号线捆在一起走线（4）不要和容易产生干扰的设备共用同一个电源（5）采用线性稳压电源或高品质的开关电源(纹波干扰小于50mV）由于直流稳定电源一般是由交流电源经整流稳压等环节而形成的，这就不可避免地在直流稳定量中多少带有一些交流成份，这种叠加在直流稳定量上的交流分量就称之为纹波。图7－2－14隔离原理7.2.5差模干扰的抑制两路输入的干扰信号，如果是大小不相等，或方向不相同，即为差模干扰信号。通常，线路上，干扰电压的差模分量和共模分量同时存在，而且由于线路阻抗的不平衡，两种分量在传输中会互相转化。一、频率滤波法——利用信号和干扰在频率上的差别抑制干扰•采用高通滤波器滤除比有用信号频率低的差模干扰，•采用低通滤波器滤除比有用信号频率高的差模干扰，•采用50Hz陷波器滤除工频干扰。二、积分法——利用双积分式A/D削弱周期性差模干扰•假设被测信号Us上叠加有干扰电压Un，即Ux=Us+Un，并假定•则双积分式A/D转换结果为：•在时，误差项为：)sin(tUUnmnrrnsrrxxNUUUNUUNfkT/1)sin(sinkkkUUnmn•由上式可见，当为整数时，。因此，为了抑制50Hz工频干扰，双积分式A/D的定时积分时间T1应选定为干扰噪声周期的整数倍，即mskkTT201三、电平鉴别法——利用信号和噪声在幅值上的差别抑制幅值较小的干扰•1、采用脉冲隔离门抑制干扰2、采用削波器抑制干扰图7－2－20削波器四、脉宽鉴别法——利用信号和噪声的宽带差别抑制窄脉冲干扰•一般要求RC积分电路的时间常数要大于噪声的脉宽而小于信号的脉宽。•信号脉冲宽，积分后信号幅度高；干扰脉冲窄，积分后信号幅度小。•用一门坎电平将幅度小的干扰脉冲去掉，即可实现抑制干扰脉冲的作用。图7-2-21用积分电路消除脉冲干扰7.2.6供电系统抗干扰一、从供电系统窗口窜入的干扰•大功率的感性负载或可控硅切换时，在电网中产生的瞬态高压对系统形成严重的干扰。•当采用整流方式供电时，滤波不良会产生纹波噪声，这是一种低频干扰噪声。•当采用直流——直流变换器或开关稳压电源时，则会出现高频的开关噪声干扰。•电源的进线和输出线也很容易受到工业现场以至天电的各种干扰噪声。二、供电系统抗干扰措施1、电源滤波和退耦——抑制电源干扰的主要措施图7-2-22电源滤波和退耦技术•LC低通滤波器——滤除交流进线上引入50Hz的高次谐波干扰，改善电源的波形。•变阻二极管(或压敏电阻)——抑制交流电源线上的瞬时干扰。•电源变压器采用双重屏蔽措施——使混入初级的噪声干扰不致进入次级。•整流滤波电路（采用了电解电容和无感高频电容的并联组合）——减小高频噪声。•稳压——抑制电网电压的波动。•每个电路的RC或LC退耦滤波电路——避免通过电源内阻造成几个电路间互相干扰。2、采用不间断电源和开关式直流稳压电源3、系统分别供电和采用电源模块单独供电•系统分别供电——向采集系统电路供电的线路应与向继电器等供电的线路分开，以避免在供电线路之间出现相互干扰。供电线路如图7-2-23所示。图7-2-23系统分别供电的线路•采用电源模块单独供电——有利于减小公共阻抗的相互耦合及公共电源的相互耦合，大大提高供电系统的可靠性，也有利于电源的散热。4、供电系统馈线要合理布线。(1)电源前面的一段布线——尽量用粗导线。(2)电源后面的一段布线①均应采用双绞线，无法扭绞时，应把馈线之间的距离缩到最短。②交流线、直流稳压电源线、逻辑信号线和模拟信号线、继电器等感性负载驱动线、非稳压的直流线均应分开布线。(3)电路中应尽量避免出现公共线。若公共线不能避免，则必须把公共线加粗。7.2.7印刷电路板抗干扰一、合理布置印刷电路板上的器件1、为了减小器件之间的电气干扰，应将器件按照其功率的大小及抗干扰能力的强弱分类集中布置：将电源变压器和输出驱动器件等大功率强电器件作为一类集中布置；将数字逻辑器件作为一类集中布置；将易受干扰的模拟器件作为一类集中布置。各类器件之间应尽量远离，以防止相互干扰。此外，每一类器件又可按照小电气干扰原则再进一步分类布置。2、应符合易于散热的原则•对发热元器件要考虑通风散热，必要时要安装散热器。•发热元器件要分散布置，不能集中。•对热敏感元器件要远离发热元器件或进行热屏蔽。二、合理分配印刷电路板插脚为了抑制线间干扰，对印刷电路板的插脚必须进行合理分配。1、将输入、输出线分置于印刷板的两侧，以便相互分离。2、地线设置在输入、输出信号线的两侧，以减小信号线寄生电容的影响。三、印刷电路板合理布线•印刷板不能交叉配线。•配线不要做成环路，特别是不要沿印刷板周围做成环路。•不要有长段的窄条并行，不得已而并行时，窄条间要再设置隔离用的窄条。•旁路电容器的引线不能长，尤其是高频旁路电容器，应该考虑不用引线而直接接地。•地线面积通常要选取大些，但又要避免增大电路和地线之间的寄生电容。•单元电路的输入线和输出线，应当用地线隔开。•信号线尽可