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1、第九章 电气测量系统的抗干扰技术,9.1 概述,9.2 直接传导耦合,9.3 共阻抗耦合,9.4 串、共模干扰及其干扰抑制技术,9.5 测量系统的接地与浮置,习题,9.1概述,广义地说，电磁场存在下宇宙中（包括太空、大气层、地球表面及地下）。人类生活在某种特定的电磁环境中，这就是说，任何地方均存在着电磁干扰，这些干扰会影响人们在工作中进行的每一次电量或非电量的测量。问题是人们必须清醒地找出那些影响最大，威胁最严重的电磁干扰源，并对它们进行特定的防范，使之不致影响测量结果。为此，人们从不同的侧重点出发，常将干扰源作以下分类： 按其干扰功能可分为：有意干扰和无意干扰；按其来源可分为；自然干扰源和人
2、为干扰源；按其干扰频域、时域特征可分为连续干扰和瞬态干扰；又可按其耦合方式可分为：传导干扰和辐射干扰如图9-1所示,9-1 电磁噪声的耦合方式,可以把电磁噪声耦合途径归纳为图9-2,9-2 噪声传播途径示意图,BACK,9.2直接传导耦合,9.2 直接传导耦合 9.2.1 电导性耦合及其干扰抑制技术 电导性直接传导耦合是最简单、最常见，但也是最容易被人们忽视的一种耦合方式。因为，人们往往容易错误地把连接两元件或设备之间的导线、铜排或电缆，当作一个电阻为零的理想导体，或者看成有一定阻值的纯电阻，而没有把它当做一个阻抗元件。事实恰恰相反，当进行测量时，必须考虑导线不但有电阻Rt，而且有电感Lt、漏
3、电阻Rp以及杂散电容Cp，如图9-3所示，显然它们将构成一个谐振回路，其谐振频率为,图9-3 直接传导耦合示意图,9.2.2 电容性耦合及其干扰抑制技术 当干扰噪声源为高压小电流时，它对周围元器件或系统（设备）的干扰，则主要表现为电容性耦合干扰。图9-4所示为屏蔽线和附近载流导体之间的互相耦合。 两个导体之间的电容耦合，可用图9-5简单地示意。图中，电容C12是导线1与2之间的杂散电容，电容C1G和C2G分别是导体1和2与地之间的总电容（包括杂散电容及外接电容），R是导体2对地外接的电阻。,图9-4 屏蔽线和附近载流导体之间的相互耦合,图9-5 两个导体之间的耦合,导体2对地产生的噪声,通常情
4、况下,所以,式（9-10）表明，由电容耦合而产生的噪声电压与干扰源的频率、被干扰电路的输入阻抗、干扰源与被干扰电路之间的杂散电容及噪声电压成正比。若 和 不变，为了减小电容耦合引起的传导干扰，就必须减小R和C12。R常常是由电路本身要求所决定的，C12可以通过增加两导体之间的距离d和减小导体本身的直径D来实现。,（9-10）,9.2.3 电感性耦合及其干扰抑制技术 最典型的电感性耦合例子是变压器，有用信号和噪声信号均可以通过变压器传输到被干扰电路或系统。但是一般地说，电感性耦合是指干扰源产生的噪声磁场与被干扰回路发生磁通交链，以互感的形式产生传导性干扰，因此电感性耦合也称为磁场耦合。,图9-9
5、 噪声磁场在被干扰电路的闭合回路中感应出噪声电压,A为闭合回路面积，B为角频率为 的正弦磁感应强度的有效值， 为磁感应强度与曲面A法向量的夹角，如图9-9所示。 这一关系也可以用两个电路之间的互感M来表示。如图9-10所示， I1为干扰电路中流过的电流。,图9-10 两个电路通过互感产生耦合,BACK,9.3公共阻抗耦合,当干扰源的输出回路与被干扰电路存在一个公共阻抗时，两者之间就会产生公共阻抗耦合。干扰源的电磁噪声将会通过公共阻抗耦合到被干扰电路而产生干扰。公共阻抗耦合主要包括公共地阻抗耦合和公共电源阻抗耦合。所谓“公共阻抗”常常不是人们故意接入的阻抗，而是由公共地线和公共电源线的引线电感所
6、造成的阻抗和不同接地点间的地电位差造成的寄生耦合，这是讨论公共阻抗耦合的重要立足点。,9.3.1 公共地阻抗耦合及其干扰抑制技术 最简单的公共地阻抗耦合的例子如图9-16。图中，电路2为干扰源的相关电路，电路1为被干扰电路的敏感部分。电路2的噪声电流，将通过公共地阻抗耦合到电路1的输入端，而对电路1造成干扰。,图9-16 公共地阻抗耦合示意图,一般地说，所谓公共地阻抗耦合，是指一台电子设备内部的印制电路板上的放大器或数字逻辑电路的信号回路。通过公共地线产生的耦合；或者是两台以上的电子设备（系统）之间存在一段公共地线产生的耦合。视具体情况，该公共地线可能是信号地线，也可能是公共安全接地线，它们包
7、括金属接地线、接地板、接地网以及把地线接到公共水管或暖气管道等。分析公共地阻抗耦合的等效电路如图9-17所示。,图9-17 分析公共地阻抗耦合等效电路,9.3.2 公共电源阻抗耦合及其干扰抑制技术 最简单的公共电源阻抗耦合的例子如图9-18所示。图中1和2可能是电路，也可能是一个测量系统或装置；电源可以是公共直流供电电源，也可以是交流供电电源；公共阻抗ZC1、ZC2为供电母线的阻抗，如前所述它们通常为感性的。显然，电流I1和I2在公共阻抗ZC1、ZC2上产生的压降，将使电路1和电路2产生耦合,图9-18 公共电路阻抗耦合示意图,BACK,9.4串、共模干扰及其干扰抑制技术,为了减小传感器的非线
8、性，提高灵敏度，人们在测量时常采用差动结构的传感器，并用差动电桥作为测量电路，图9-19所示为这类测量电路的一般结构,图9-19 共模信号产生及共模干扰的形成,电桥的两个输出端C、D对地的电位分别为,电桥平衡时，图9-19可以等效为图9-20。 图9-20 电桥平衡时的等效电路,图9-20 电桥平衡时的等效电路,集成运算放大器外部电路的输入失调是造成共模信号演变为干扰的原因之一，而运放内部输入差分电路的输入失调也是造成共模信号演变为干扰的原因之一，所以，共模干扰的抑制应从差分放大电路的整体来考虑，单单靠选用CMRR高的集成运放并不能保证由它组成的放大电路也具有同样的CMRR。,共模分量经缓冲后
9、屏蔽层,屏蔽层接地时A、B两点的共模阶跃响应,BACK,9.5测量系统的接地与浮置,9.5 测量系统的接地与浮置 广义地说，“地”可以定义为一个等位点或一个等位面。它为电路、系统提供一个参考电位，其数值可以与大地电位相同，也可以不同。正因为“地”在电路系统中充当这样一个重要角色，电路、系统中的各部分电流都必须经“地线”或“地平面”构成电流回路。因此，一个良好的接地系统必须达到下列几个目的： 1）保证接地系统具有很低的公共阻抗，使系统中各路电流通过该公共阻抗产生的直接传导噪声电压最小。 2）在有高频电流的场合，保证“信号地”对“大地”有较低的共模电压，使通过“信号地”产生的辐射噪声最低。 3）保
10、证地线与信号线构成的电流回路具有最小的面积，避免出地线构成“地回路”，使外界干扰磁场穿过该回路产生的差模干扰电压最小；同时，也避免由地电位差通过地回路引起过大的地电流，造成传导干扰。 4）保证人身和设备的安全。,9.5.1 信号地子系统 一般在测量系统的最前端，即传感器与前置放大电路部分，需要测量的模拟信号通常在mV级甚至更低。如果传感器和前置放大电路都分别接地，如图9-22所示，两个接地点之间的阻抗不可能为零，这样不同接地点之间就会出现一定的电位差。,图9-22 传感器和前置放大器分别接地示意图,9.5.2 安全地子系统 在设计一台设备或个系统时，安全必须放在首位，这包括人身安全以及设备的安
11、全。为此，在设计接地系统时，首先要考虑安全接地，它包括防止设备漏电的安全接地和防止雷击的安全接地两种。,图9-24 测量仪器内部电路采用悬浮的模拟地,1.防止设备漏电的安全接地 任何高压电器及电子设备的机壳和底座都应当接大地，以避免因漏电危及人身安全。在工业现场，可能导致设备漏电的原因很多，。如绝缘老化、环境潮湿、多尘、有酸碱气体、局部放电使绝缘碳化、绝缘因擦碰被破坏或鼠咬破损等。,图9-25 接地电流及跨步电压,2.防雷安全接地 防雷击是电气和电子设备以及人身安全防护的重要内容之一，也是抗干扰设计中必须考虑的重要问题之一。防雷接地的目的是将雷电电流引入大地，保护设备和人身安全。 从防雷安全保
12、护的观点出发，特别关心的是防止直接雷击即云层与地面之间发生的放电过程。众所周知，防止雷击的措施，通常是采用避雷针，雷击电流将沿避雷针下引导体流入大地。若避雷针离地面高度为h，则它的防雷保护面积为 。实验数据表明，接地电阻为10 左右，就可以保证在上述保护面积内的建筑物、变压器、输电线、输电塔及其他露天设施得到保护。 但是，在设计防雷安全接地时，仅仅考虑到直接雷击的直接保护还是不够的，还必须注意防护雷击接地瞬态电流通过避雷针下引导体所产生的瞬态高压可能对它周围的物体、设备或人体造成的间接伤害。,BACK,习题与思考 本章主要针对电气测试过程中各种内外干扰因素，进行电气特性分析和抗干扰技术的介绍。 9-1 电气测量系统中主要的干扰源有哪些？ 9-2 电磁干扰的三要素是什么？ 9-3 电磁噪声耦合的方式有哪些？ 9-4 针对电容性耦合的对策有哪些？ 9-5 电感性耦合产生的原因是什么？减小电感性耦合的措施有哪些？ 9-6 如何理解放大器输入信号的共模干扰？ 9-7 简述公共阻抗耦合产生的原因。 9-8 正确描述“地”的意义。,BACK,
