智能测控系统设计3

智能测控系统导论第四章微弱信号放大与电路抗干扰4.1噪声与干扰4.2微弱信号的锁定放大器4.3微弱信号的取样积分4.4干扰的耦合方式及抑制措施4.5干扰的叠加方式及抑制措施智能测控系统导论4.1噪声与干扰噪声：电路中出现的非期望的电信号称为噪声。噪声可能是无规律的信号，也可能是有规律的信号；噪声可能来自系统的外部，也可能来自系统的内部。干扰：噪声从一个地方（噪声源）耦合到另一个地方（接收电路、测量电路），这个过程称为干扰。智能测控系统导论电子噪声来源外部干扰：电磁干扰、机械干扰、热干扰、光干扰、湿度干扰、化学干扰，……内部干扰：测量电路寄生电容、寄生电感导致的交叉干扰；绝缘不良导致的漏电；电路元器件（电阻、晶体管、FET等）本身产生的固有噪声；……信噪比（S/N）：衡量电路受干扰程度的指标。信噪比越高，则检测系统的性能越好。nsnsUUPPlg20lg10S/N单位dB式中，Ps，Us——有用信号的功率和电压；Pn，Un——噪声成份的功率和电压。智能测控系统导论人为噪声来源智能测控系统导论电源干扰智能测控系统导论电子器件的固有噪声一、热噪声：任何电阻既使不与电源相连，在它的两端也存在微弱的电压。这种电压是由电阻中电子的热运动形成的，故称为热噪声。热噪声是白噪声。噪声电平：kTRBUn4式中k——玻尔兹曼常数，其值为1.3810-23J/K；T——绝对温度（K）；R——电阻值（Ω）；B——频带宽度（Hz）。噪声电平密度：）（单位/4/HzVkTRBUn例如：某电阻R=750kΩ，带宽B=105Hz，环境温度T=300K，则噪声电平为35.1V，噪声密度为111nV/Hz。电子器件也可以用噪声电压密度来评价，如OP07的噪声电压密度通过实验测定为10nV/Hz。智能测控系统导论二、散粒噪声：晶体管基区载流子的随机扩散以及电子—空穴对的随机发生及复合形成的。噪声电流：qIBIn2式中q——单个载流子所带电荷量的绝对值（1.610-19C）；I——平均电流（A）；B——频带宽度（Hz）。噪声电流密度：IQIBIn101066.52/FET不产生散粒噪声，这是CMOS器件噪声低的原因。智能测控系统导论三、闪烁噪声：与材料表面状态及工艺有关，与频率成反比，又称1/f噪声。特点：1°在低频中，半导体的噪声主要由它决定（比热噪声大）。2°与半导体器件的制造工艺有关，不同型号器件的噪声电压不同，同一型号器件的噪声也不相同。3°不仅存在于BJT和FET中，还存在于电阻等其它元件中。4°线绕电阻的1/f噪声比金属膜电阻小；碳膜电阻的1/f噪声最大。智能测控系统导论四．接触噪声：两种材料不完全接触形成电导率起伏而产生的，如继电器的接点、电位器的滑动触点。噪声电流密度：特点：1°接触噪声正比于直流电流，其功率密度正比于频率f的倒数。2°高频时，分布电容和分布电感补偿接触阻抗，减少接触噪声。fKIBIn/式中I——平均直流电流（A）；K——由材料和几何形状确定的常数；B——用中心频率f表示的带宽（Hz）。智能测控系统导论前置放大器的噪声与噪声因子前置放大器的联接～使用带宽信号源噪声源有噪声的放大器输出A0Rs～源电阻含传感器输出电阻和放大器输入电阻等效噪声图Es2低通滤波信号源4KTRs无噪声的放大器输出A0Rs～en2in2源电阻噪声噪声电压源噪声电流源智能测控系统导论输出端总噪声电压为2/102/122])(4[BARieKTREsnnsino带宽输出端信噪比为2/12/1220])(4[BRieKTREEAENSsnnssinoso）（定义噪声因子NF为dBNSNSNFPoutin)()/()/(log10则可得ssnnsnnssssKTRRieBRieKTREBKTRENF4)(1log10])(4/[4/log10222222NF与Rs有关，与频率f有关（因en、in是f的函数）智能测控系统导论NF一般测量得到。某放大器的NF图如下利用NF图可以：1.选择NF最小的Rs和f；2.计算Eini；3.根据检测对象选择放大器或进行阻抗匹配。利用NF计算输入端噪声电压：20/2/12/12/122104])(4[NFssnnsiniBKTRBRieKTRE智能测控系统导论4.2微弱信号的锁定放大1.自相关检测原理2.互相关检测原理3.相敏检波器（PSD）4.锁定放大器（LIA）智能测控系统导论自相关检测框图智能测控系统导论信号和噪声的自相关智能测控系统导论互相关检测框图智能测控系统导论相敏检波器原理智能测控系统导论相敏检波器的数学关系1.Vi与VR是正弦波)2sin()2sin(2211tfEVtfEVRRii则)]()(2cos[2)]()(2cos[221212121tffEEtffEEVVVRiRiRio同步时f1=f2，则)](22cos[2)cos(221121tfEEEEVRiRio低通滤除智能测控系统导论相敏检波器的数学关系2.信号中有噪声)cos()cos()cos(00tEVtEtEVRRnniS则])cos[(2])cos[(22cos2cos2000tEEtEEtEEEEVnRnnRnRiRio）＋（＋低通滤除智能测控系统导论PSD的频谱迁移特性低通滤除智能测控系统导论四开关电路的基本结构iRTOVVUIRV24其中，R=R1=R2UT226mV，为温度电压当量。实际上是一个双差分对模拟相乘器智能测控系统导论斩波型PSD的基本结构接C1、C2的输出智能测控系统导论锁定放大器LIA,Lock-inAmplifierLIA的基本框图智能测控系统导论LIA的基本结构智能测控系统导论正交型LIAIQQIeeQeIiii122tansincos同相输出正交输出幅度信息相位信息智能测控系统导论4.3微弱信号的取样积分1.基本原理（定点式取样积分）2.扫描式取样积分原理3.数字式多点取样平均4.BOXCAR板卡介绍智能测控系统导论基本原理（定点式取样积分）智能测控系统导论扫描式取样积分智能测控系统导论数字式多点取样平均智能测控系统导论PCS_150BOXCAR板卡触发频率：0~500MHz；门宽150ps；幅度分辨率16位；延迟时间10ns~20s；总线：PCISA智能测控系统导论PCS_150基本原理智能测控系统导论采样方式智能测控系统导论BOXCAR方式智能测控系统导论定点测量智能测控系统导论BOXCAR板卡应用1智能测控系统导论BOXCAR板卡应用2智能测控系统导论4.4干扰的耦合方式及抑制措施1.电容性耦合（静电耦合）干扰及抑制措施2.互感耦合（电磁耦合）干扰及抑制措施3.共阻抗耦合干扰及抑制措施4.漏电流耦合干扰及抑制措施智能测控系统导论电容性耦合干扰及抑制措施又称静电耦合，由二个电路之间的寄生电容引起。AB干扰CmaUnUZi电路aimaimimnUZCjUZCjZCjU1①与寄生电容Cm成正比,应通过合理布线、适当防护措施以减小Cm；②与Zi成正比,一般应减小放大电路的输入阻抗；③与成正比,对高频信号,电容性耦合更严重；④与Ua成正比,说明高压小电流干扰是通过电容性耦合实现的；⑤采用电流传输可避免电压干扰。智能测控系统导论计算示例：设Ua=5V，f=1MHz，Cm=0.01pF，Zi=0.1M，则：Un=31.4mV，如测量电路放大倍数为100，则Uo=3.14V。说明干扰引起的输出很大。智能测控系统导论抑制电容耦合的方法AB屏蔽体接测量电路,构成等电位,屏蔽体内部无电力线。(a)CA：干扰源B：测量电路C：屏蔽体A屏蔽体C包围干扰源接大地(b)BCC中正电荷被排斥到大地智能测控系统导论AB屏蔽体包围电路接大地(c)屏蔽体与大地相连,同时与电路地线相连,这样可消除寄生电容引起的反馈(d)CA：干扰源B：测量电路C：屏蔽体C中正电荷被排斥到大地智能测控系统导论互感耦合干扰及抑制措施又称电磁耦合，由二个电路之间存在互感引起。可以看出：RsRisUnUaIManIMjU①与Ia成正比，说明大电流低电压干扰源主要是通过互感耦合实现；②与成正比，高频干扰大；③与M成正比，要避免信号线与干扰线平行，以减小互感M；④采用电流传输可避免电压干扰；⑤干扰电压与Ri无关。智能测控系统导论aInU计算示例：设Ia=10mA；f=10kHz，M=0.1H，则Un=62.8VoUaI智能测控系统导论抑制互感耦合的方法AB对于低频磁场干扰，用高导磁率材料；对于高频磁场干扰，用高导电率材料，利用涡流效应阻碍干扰磁场穿透。智能测控系统导论共阻抗耦合干扰及抑制措施电源内阻耦合AB共阻抗退耦滤波电路共地线耦合－－ABC＋1nU＋2nUABC一点接地智能测控系统导论输出阻抗耦合BA＋－nUAB消除输出阻抗干扰智能测控系统导论漏电流耦合干扰及抑制措施AB干扰RaUnUZi电路mVURZZUaiin149设绝缘电阻为R=1010，Zi=108，Ua=15V放大电路A干扰R1R2B输入C地环路把信号线包起来AB干扰R1aUZi电路R2C智能测控系统导论4.5干扰的叠加方式及抑制措施1.共模干扰及抑制措施2.差模干扰及抑制措施智能测控系统导论共模干扰及抑制措施cU共模干扰抑制方法：①浮地：电路参考地不接机壳或大地，切断干扰电流的通路。cU参考地不接大地当输入电路不对称时共模电压会转换成差模电压智能测控系统导论②隔离cU③平衡传输（对称传输）ZiUnRs不平衡传输线1/2ZiUn11/2Rs平衡传输Un21/2Rs1/2ZiUn1和Un2基本相等两根传输线对地阻抗平衡设置两根传输线对地阻抗不平衡智能测控系统导论差模干扰及抑制措施sUiUnU抑制差模干扰方法：①信号传输线最多在一端接大地（也可以不接大地，浮置）sURs1kR1=1RiRi=10kR2=1Rg=0.1gU100mVg＝UgURgRsR2R1RinUmVURRRRRRRUggsii6.82221n地线上存在电位差智能测控系统导论②信号传输线屏蔽体在某一端接地（不在两端同时接地）信号源电路信号源电路智能测控系统导论③驱动屏蔽法98152151216AD625Vs-VsRFRFRG－＋屏蔽体电位为共模电位智能测控系统导论④采用双绞线传输信号源电路M2M1C1C2干扰线信号源电路M2M1C1C2干扰线C1C2M1M2⑤信号变化抑制干扰：V/F变换；电流传输；数字量传输；双积分式AD；滤波技术等。智能测控系统导论4.6电源干扰的滤除电网的尖峰干扰消除办法：滤波法、隔离法、吸收法、回避法1、滤波法采样电源滤波器，体积小，价格便宜，效果一般。智能测控系统导论2、隔离法抗干扰的原理是原边对高频干扰呈现很高的阻抗，而位于原边、副边绕组之间的金属屏蔽层又阻隔了原、副边所产生的分布电容。效果较好。智能测控系统导论3、吸收法利用瞬变电压抑制器TVP(又称TVS),当两端经受瞬间高能量冲击时,能以极高的速度把两端间的阻抗值由高阻抗变为低阻抗，吸收一个瞬间大电流,从而把它的两端电压箝制在一个预定的数值上,保护了后面的电路元件不受瞬态高压尖峰脉冲的冲击。智能测控系统导论4、回避法采用非动力供电线路。直接从非动力低压变压器“根部”拉专线供电的办法，避开大负荷动力线。控制电源采用与动力电源不同的相线。5、其它方法采用电源净化器、铁磁谐振交流稳压器、UPS等。