测控原理第七章 干扰及干扰的抑制技术

第七章干扰及干扰的抑制技术7.1噪声与噪声耦合方式噪声:指在信号检测的领域内,检测系统检测和传输的有用信号以外的一切信号均称为噪声。信噪比：信噪比，英文名称叫做SNR或S/N（SIGNAL-NOTICERATE)，是指一个电子设备或者电子系统中信号与噪声的比例。/20lg20lgSSNNPUSNPU有用信号的功率PS有用信号的电压US噪声的功率PN噪声的电压UN可知信噪比越大，噪声的影响越小。噪声源，大概可分为三类：1、放电噪声源由各种放电现象产生的噪声。电晕放电：气体介质在不均匀电场中的局部自持放电。是最常见的一种气体放电形式。在曲率半径很小的尖端电极附近，由于局部电场强度超过气体的电离场强，使气体发生电离和激励，因而出现电晕放电。发生电晕时在电极周围可以看到光亮，并伴有咝咝声。火花放电噪声火花放电产生的噪声干扰，主要是大自然现象的天电(雷电)干扰，同时还有电气设备、大功率开关触点、汽车发动机的点火装置等引起的干扰。雷电作为大自然现象的典型代表，是大气层中产生火花放电噪声的主要原因，可以在低频至高频或更高频率范围内造成干扰，可以传播到很远的距离。放电管噪声：放电管放电属于辉光放电或弧光放电，通常放电管具有负阻特性，所以和外电路连接时容易引起振荡，此振荡有时可达甚高频段。电气设备噪声源市电电压的频率为50Hz，它会以电磁波的辐射形式，对人们的日常生活造成干扰，我们把这种干扰称之为工频干扰。工频干扰：工频干扰会对电气设备和电子设备造成干扰，导致设备运行异常。射频是一种高频交流电,也就是通常所说的电磁波.射频干扰就是电磁波所带来的干扰.如两个频率相差不多的电磁波会同时被接收机接收造成干扰.在离发射台近的地方会有谐波干扰.干扰其他的接收设备.发射相同频率的电磁波可干扰敌人的电台.射频干扰：电子开关：电子开关虽然在通断时并不产生火花，但由于通断速度极快，使电路中的电压和电流变化过快，形成冲击脉冲，从而成为噪声干扰源。固有噪声源：热噪声散粒噪声：散粒噪声是半导体的载体密度变化引起的噪声。散粒效应噪声是Schottky于1918年研究此类噪声时,用子弹射入靶子时所产生的噪声命名的。因此,它又称为散弹噪声或颗粒噪声。散粒噪声是由形成电流的载流子的分散性造成的，在大多数半导体器件中，它是主要的噪声来源。在低频和中频下，散粒噪声与频率无关（白噪声），高频时，散粒噪声谱变得与频率有关。接触噪声：也称为剩余噪声，是电流在电阻中流过时产生的，噪声的能谱与频率成反比。故又称为1/f噪声。是低频电路中最主要的噪声。耦合是指干扰信号进入仪器仪表内部的途径。噪声耦合方式静电耦合：静电耦合又称电容性耦合，指两个电路之间存在寄生电容,产生静电感应,使一个电路的电荷变化影响到另一个电路。可通过降低接受电路输入阻抗，合理布线，以减小分布式电容的方法减小干扰。电磁耦合又称感性耦合指两个个电路之间存在互感,当一个电路上的电流变化时,在另一个电路上引起感应电压。共阻抗耦合共阻抗耦合是由于两个及以上电路中共用一个阻抗,当一个电路中有电流流过时,在另一个电路上产生干扰电压。共阻抗耦合有3种。1)电源内阻共阻抗耦合。用一个电源对几个电子线路或传感器供电时,高电位电路或大电流的输出电流流经电源,由于电源内阻的存在,在电源内阻上的压降就转换成干扰源。2)公共地线共阻抗耦合。在仪器仪表的公共地线上,有各种信号电流流过,由于接地线存在阻抗,在接地线上就形成干扰电压。3)信号输出电路共阻抗耦合。当仪器仪表的信号电路有几路负载时,任何一个负载的变化都会通过输出的共阻抗耦合而影响其他输出电路。漏电流耦合：由于绝缘不良，由漏电路经绝缘电阻的漏电流引起的噪声干扰。传导耦合指经过导线检拾到噪声,再经导线传输到仪器仪表电路而形成的干扰。常见的是电源线噪声,它把交变磁场感应到电源回路形成感应电压,再经该电源线传输到各处的电路造成干扰。传导耦合：辐射电磁场耦合指无线电装置不断向外发射电磁场,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动势而形成干扰。辐射电磁场耦合：7.2干扰的种类噪声源产生的噪声通过各种耦合方式进入测控系统，对其产生干扰。模拟通道的常模干扰NMN指叠加在被测直流信号上的交流信号。分为内源常模干扰和外源常模干扰。内源：检测回路上元器件本质上存在的干扰。外源：外电磁场通过各种耦合途径进入检测回路的干扰。模拟通道的共模干扰CMN由于传输线具有一定的电阻值导致被测信号电压的参考接地点与模数转换器输入端的参考接地点之间存在电位差，使模数转换器两个输入端上造成干扰，称为共模干扰。一般在测控系统中被测信号有单端对地输入和双端不对地输入两种输入方式。数字通道的内源干扰和外源干扰内源干扰：测控系统的内部干扰，主要是各组成部分在运行时形成的干扰，如逻辑电路在过渡过程中工作时形成的电流变化通过电路阻抗、电源内阻、地线、电源线、信号线形成尖峰现象影响系统运行。外源干扰：一般指逆变器干扰、空间电磁场干扰、电网浪涌电压干扰等。7.3常用的干扰抑制技术屏蔽技术屏蔽技术利用低阻材料或磁性材料，可隔离电磁干扰。屏蔽的目的就是隔断场的耦合。一般分为静电屏蔽、电磁屏蔽、磁屏蔽。1.静电屏蔽利用导电性能良好的金属作成屏蔽盒，并将其接地，可以保护内部电路免受静电场的干扰。2.电磁屏蔽利用导电性能良好的金属作成屏蔽层，利用涡流作用，阻断高频电磁场的能量；如果加上接地，也可以防止静电干扰；还可以削弱两电路之间由于寄生分布电容耦合所产生的干扰。3.低频磁屏蔽对低频磁场干扰，要用高导磁材料作屏蔽层。4.驱动屏蔽利用1:1的电压跟随器电路，迫使被屏蔽导体B与屏蔽层D等电位。接地技术正确接地可以消除各电路电流流经公共地线时产生的躁声电压，可抑制电磁场和地电位差的干扰。1.“地线”的种类：（1）屏蔽接地线及机壳接地线--实现对电磁场的屏蔽。（2）信号接地线---分别设置的“模拟地”与“数字地”。（3）功率地线---大电流网络部件的零电平，本身干扰作用大，与信号地互相绝缘。（4）交流电源地线---交流电源地线N本身是一个躁声源，必须与直流地线相互绝缘。2.接地设计注意事项：（1）高频电路应就近多点接地，低频电路应一点接地。（2）交流地、功率地、信号地线不能共用。（3）电缆屏蔽层的接地：当一个不接地的信号源连接一个接地的放大器，电缆屏蔽层接到放大器公共端。反之应接到信号源公共端。（4）屏蔽接地方式随屏蔽目的而不同。3.常见电路及用电设备的接地方式（1）印刷电路板内的接地方式:低频电路一点接地高频电路多点接地单极放大电路的一点接地方法从任意点接地到一点接地避免低频干扰多极放大电路的一点接地方法从串联接地到一点并联接地避免低频干扰（2）传感器接口电路的接地方式两点接地一点接地避免共模干扰（3）检测系统与计算机系统的接地方式低电平地线、功率地线和机壳屏蔽地线应分开设置，但最后要汇集起来，通过专用地线与大地连接构成“一点接地”的地线系统。接地电阻小于10欧（4）电缆屏蔽层的接地方式如检测电路是一点接地，电缆屏蔽层也要一点接地。传感器测接地放大器测未接两测都接地传感器测未接放大器测接地两测都接地浮空技术如果检测输入放大器的公共线，既不接机壳也不接大地，即称为浮空。浮空比接地具有更强的共模干扰抑制能力。浮空不是绝对的，原因是寄生电容的存在。隔离技术1.变压器隔离：如晶闸管的门极触发电路。2.光电耦合隔离：如变频器中功率晶体管的驱动电路。滤波技术1.交流电源进线对称滤波器（1）高频干扰电压对称滤波电路线间电压滤波器线间电压对地电压滤波器简化电路（2）低频干扰电压对称滤波电路2.直流输出滤波器滤低频电容滤高频电容滤低频电容滤高频电容2.退耦滤波器当同一个直流电源同时对几个电路供电时,应在每个电路的电源进线侧设置退耦滤波器，以避免电源内阻的干扰。直流电源退耦滤波器1退耦滤波器2-+退耦滤波器安装注意事项：（1）滤波器进出电缆注意屏蔽与接地。（2）浮地系统中，滤波器外壳应与设备外壳绝缘。（3）设备和滤波器均可靠接地，浮地系统隔离接地。7.4常用抗干扰措施采用隔离变压器电网与数据采集系统分别有各自的地线。在应用中，如果直接把数据采集系统与电网相连，两者的地线之间就存在了地电位差Ucm。当此电压存在时，就会形成环路电流，造成共模干扰。加入隔离变压器，使电网地线的干扰不能进入系统，从而保证数据采集系统饿可靠工作。采用电源低通滤波器电网中存在的干扰大部分是高次谐波，因此采用低通滤波器来滤除大于50Hz的高次谐波，以改善电源的波形。由电容和电感组成的滤波网络，能滤除电网噪声。使用低通滤波器的注意事项：①低通滤波器本身应评比，而且屏蔽盒与系统的机壳要保持良好的接触；②为减少耦合，所有导线要靠近地面走线；③低通滤波器的输入与输出要进行隔离；④低通滤波器的位置应尽量靠近需要滤波的地方，其间的连线也要进行屏蔽。采用交流稳压器用来保证交流供电的稳定性，防止交流电源的过压或欠压。系统分别供电为了阻止从供电系统串入的干扰，一般采用下图所示的供电线路。