第13章 干扰抑制技术

第十三章检测装置的干扰抑制技术工业现场干扰会造成检测电路失去测量精度甚至测量结果失常。本章讨论常见的干扰类型、干扰传输途径以及干扰抑制方法。第一节干扰的来源一、常见的干扰类型（1）外部干扰自然界干扰周围电气设备干扰（2）内部干扰：固定干扰动态干扰二、噪声和信躁比1.噪声：检测系统及仪表电路中混进去的无用信号。2.信噪比：测量通道中有用信号成分和噪声信号成分之比(取对数)。信噪比越大越好。NsNsUUPPNSlg20lg10)/(信号功率噪声功率噪声电压信号电压第二节干扰的耦合与传输途径干扰形成的三个条件：（1）干扰源；（2）对干扰敏感的接收电路；（3）从干扰源到接收电路之间的传输途径。静电耦合：因寄生电容引起的电荷耦合电磁耦合：因两个电路的互感引起的磁链耦合。共阻抗耦合：不同电路之间存在公共阻抗引起的电压耦合。例如两个电路合用一个电源。漏电流耦合：因绝缘不良，在绝缘电阻上产生漏电流所引起的干扰。一、静电耦合静电耦合示意图等效电路图nimnimimncEZCjEZCjZCjU1寄生电容干扰电压干扰源电压输入阻抗结论：（1）干扰源的频率越高，静电耦合干扰越强。（2）减小接收电路阻抗Zi，有利于抑制静电耦合干扰。（3）合理布线，减小分布电容Cm，有利于抑制静电耦合干扰。静电耦合对放大器的干扰等效电路图在干扰频率1MHz，干扰源电压5V，寄生电容0.01pF的情况下，干扰输入电压为31.4mV。100倍3.14V二、电磁耦合nncMIjU互感干扰电压干扰源电流电磁耦合示意图等效电路图电磁耦合对交流电桥的干扰在干扰频率10kHz，干扰源电流10mA，互感0.1µH的情况下，干扰电压为62.8µV。三、共阻抗耦合cnncZIU干扰源电流干扰电压共有阻抗共阻抗耦合等效电路电源内阻引起的共阻抗干扰四、漏电流耦合ninincEZRZU干扰源电压干扰电压漏电流输入回路的输入阻抗绝缘电阻漏电流耦合等效电路第三节差模干扰和共模干扰一、差模干扰差模干扰：干扰信号与有效信号串联叠加后作用到检测装置的输入端。干扰信号有效信号较长的检测信号接线会因为电磁耦合、静电耦合带来差模干扰信号。电源变压器的屏蔽不良，信号源自身的纹波、漂移，也会带来差模干扰信号。差模干扰典型实例：--热电偶传输线受交变磁场影响引入差模干扰。抑制差模干扰的方法：1.采用低通滤波器滤掉交流干扰。2.尽可能早对被测信号进行前置放大，以提高信躁比。3.检测系统采用高抗扰度元器件，提高阀值电平，采用低速逻辑部件抑制高频干扰。4.注意信号线屏蔽和接地良好。二、共模干扰共模干扰：两个输入端对地同时存在的干扰信号。出现共模干扰信号的主要原因是被测信号的参考接地点与检测电路的输入接地点不同。共模干扰示意图等效电路图)(222111ZrrZrrUUUUcmBAAB输入端对地等效阻抗共模干扰电压长电缆导线电阻不同地之间的电位差消除共模干扰的方法：理论上，当两个输入端电路完全对称，r1=r2且Z1=Z2时，共模干扰可消除。实际上无法做到。抑制共模干扰的方法：尽可能使得r1、r2的数值接近，Z1、Z2的数值接近，就可以减小共模干扰。三、共模干扰抑制比共模干扰信号只有在电路不对称的情况下变成差模信号才会成为干扰。引入共模干扰抑制比的概念，用以衡量检测装置对共模干扰的抑制能力。共模干扰抑制比越大越好。cmnmcmonmonmcmKKUUUUUUCMRRlg20lg20lg20共模抑制比共模干扰信号（产生同样输出所需的）差模干扰信号差模增益共模增益抑制共模干扰的方法总结：（1）采用双端输入的差分放大器作为仪表输入通道的前置放大器，CMRR可达100—160dB，是抑制共模干扰的有效方法；（2）将“模拟地”与“数字地”隔离，共模干扰构不成回路，会被有效抑制；（3）利用屏蔽的方法使输入信号的“模拟地”浮空，也可以抑制共模干扰。第四节干扰抑制技术一、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。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。二、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三、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。cmZrcmnmUZrZrZZrZrrUZrZrZrZrZrrU))(()())((22113122132211122133333r3越小，Z3越大越好四、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。五、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。六、软件干扰抑制技术1.数字滤波技术（1）算术平均值滤波：对同一采样点连续N次采样，以平均值作为可靠结果。（2）中值滤波：对同一采样点连续n次采样，按大小排列后取中间值作为可靠结果。（3）抑制脉冲算术平均值滤波：对同一采样点连续n次采样，按大小排列后去掉最大值和最小值（脉冲干扰），再以平均值作为可靠结果。NkkxNy112132nxxxyn算术平均值滤波软件框图（N=8）中值滤波软件框图（n=3）2.冗余技术当微机系统的CPU受到干扰时，“取指令--执行”过程会出错，程序执行过程逻辑会出现混乱，即程序“跑飞”。程序“跑飞”后，最简单的解决办法是人工复位，使CPU重新执行程序。但这样做需要人员能及时发现并操作。如果希望系统程序的“取指令--执行”自动回到正常状态，就需要在程序中插入一些不致于造成CPU连续取指令出错的单字节空操作指令NOP，使得CPU出现错误后，还有机会取到正确的指令并恢复正常。这就是“程序冗余”。冗余技术能提高微机系统的抗干扰能力。但“程序冗余”不宜使用过多，否则会造成运行效率的降低。