测试系统的干扰及其抑制

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1、测试系统的干扰及其抑制李传伟 测试系统的干扰及其抑制 I n t e rf e r e n c e in T e s t in g S y s t e m a n d It s E l im in a t io n 李传伟 ( 山东威海职业技术学院， 威海2 6 4 2 0 0 ) 摘 要 阐 述了检测系统中的 各类干扰， 并对其产生的原因作了 较详细的分析。针对干扰的特性， 指出了它们的危害范围 及程度， 提 出了检测系统抗干扰的方法和措施。 关键词 测试系统干扰 抑制 A 6 s h -a c t V a r i o u s k i n d s o f i n te r f e r e n

2、 ce i n t e s t in g s y s t e m， d e s c ri b e d a n d t h e c a u s e s ， a n a l y z e d i n d e ta i l . 玩a c c o r d a n c e w i th th e c h a r a c t e ri s t i c s o f t h e in t e r f e re n c e , th e ir h a r m f u l s c o p e a n d d e g re e 。 p u t f o r w a r d . T h e m e t h o d s a

3、 n d s o l u t i o n s o f a n t i 一 i n t e r f e re n c e f o r d e te c t i n g s y s t e m s a r e g iv e n . K e y w o r d s T e s ti n g S y s t e m I n t e r f e r e n c e E l i m in a t io n 0 引言 随着自 动控制的迅速发展， 测试系统已经广泛应 用于科学研究和生产实践的各个领域。由于存在干 扰， 它对测试系统的稳定度和精确度产生直接的影响， 严重时可使测试系统不能正常工作。因此， 系统的

4、设 计、 安装、 制造、 使用方式以及工作环境等各个方面都 需要考虑抗干扰的问题。所以对干扰的研究是测试技 术的重要课题。 1 干扰因素 干扰形成的全过程是由于干扰源发出的干扰信 号， 经过藕合通道传到感受器上， 构成对整个系统的干 扰。干扰的三个环节， 称之为干扰系统的三要素， 如 图1 所示。要有效地抑制干扰， 首先要找到干扰的发 源地， 抑制发源地的干扰是抑制整个系统受干扰的积 极措施。当产生了难以避免的干扰时， 削弱通道对干 扰的藕合以及提高感受器的抗干扰能力就成为非常重 要的方法。 I干 扰 源 日 辐 合 通 道 日 感 受 器 图1 干扰系统三要素 检测系统中， 主要存在空间辐射

5、干扰， 信号通道干 扰、 电源干扰、 数字电路干扰、 地线千扰及系统内部的 其他干扰等。 1 . 1 空间辐射干扰 1 . 1 . 1 自 然干扰 自然干扰包括雷达、 大气层电场的变化、 电离层变 化以及太阳黑子的电磁辐射等等。雷电能在传输线上 产生幅值很高的高频浪涌电压， 对系统形成干扰， 甚至 破坏无线电通信设备。太阳黑子的电磁辐射能量很 强， 可造成无线电通信中断。来自 宇宙的自 然干扰， 只 有高频才能穿过地球外层的电离层， 频率在几十M H z 到2 0 0 M H z 之间， 电压一般在户量级， 对低频系统影 响甚微。 1 . 1 . 2 放电干扰 电晕放电 最常见的电晕放电来自

6、高压输出线。高压输电线 因绝缘失效会产生间隙脉冲电流， 形成电晕放电。在 输电线垂直方向上的电晕干扰， 其电平随频率升高而 衰减。当频率低于 1 M H z 时， 衰减微弱; 当频率高于 1 M H z 时， 急剧衰减。因此电 晕放电干扰对高频系统影 响不大， 而对低频系统影响较为严重， 应引起注意。 辉光放电 辉光放电即气体放电。当两个接点之间的气体被 电离时， 由于离子碰撞而产生辉光放电， 肉眼可见到蓝 色的辉光。辉光放电所需电压与接点之间的距离、 气 体类型和气压有关。荧光灯、 霓虹灯、 闸流管以及工业 生产中 使用的大型辉光离子氧化炉等， 均是利用这一 原理制造的辉光放电设备。这类设备

7、对测试系统而言 都是干扰源， 频率一般为超高频。如荧光灯干扰， 电压 为几十到几千微伏， 甚至可达几十毫伏。 弧光放电 弧光放电即金属雾放电。最具典型的弧光放电是 金属电焊。弧光放电产生高频振荡， 以电波形式形成 干扰。这种干扰对测试系统危害较大， 甚至对具有专 门防干扰的设备， 在半径为5 0 m的范围内， 当频率为 0 . 1 5 一 0 . 5 M H z 时， 干扰电压最低仍可达1 0 0 0 户; 当频 自动化仪表 第2 6 卷第9 期2 0 0 5 年， 月 率为2 . 5 一 1 5 0 M H z 时， 也可达2 0 0 尸。 火花放电 电气设备触点处的继续电流将引起火花放电。

8、这 种放电出现在触点通断的瞬间， 如电动机、 电刷同邻近 的整流片反复接通和断开， 形成很宽频率范围的火花 放电干扰。这种干扰波虽被电机金属外壳屏蔽， 但还 会有部分通过窄小的空隙处和引出线辐射出来。尽管 如此， 这种干扰仍具有较大的能量。小型电钻的干扰 电平约为2 0 一 8 0 d B ( 2 0 O M fl z 以下) ， 可使邻近电视图像 不停跳动。 内燃机点火系统是一个很强的干扰源。这种点火 系统产生强烈的冲击电流， 从而激励附属电路振荡， 并 由点火导线辐射出去。这种干扰的频率分量很高， 在 2 0 - l 0 0 0 M H z 范围内， 干扰半径可达 5 0 一l o o m

9、的范 围。各种电气开关通、 断时并不都会产生放电现象， 但 由于通、 断时产生强烈的脉冲电流有非常丰富的频率 分量， 这种干扰能通过开关联线辐射出去。 射频干扰 通信设备、 无线电广播、 电视、 雷达等通过天线会 发射强烈的电波， 高频加热设备也会产生射频辐射。 电磁波在测试系统的传输线上以及接收天线上， 会感 位出大小不等的射频信号。有的电磁波在接收天线上 产生的电动势比欲接收的信号电动势大上万倍。这类 干扰的频带有限且可知， 选择适当滤波器即可消除。 1 . 2 信号通道干扰 1 . 2 . 1 静电 藕合干扰 摩擦产生的静电作为能源来说是很小的， 但是电 压可达数万伏。带有高电位的人接触

10、测试系统时， 人 体上的电荷会向系统放电， 急剧的放电电流造成噪声 干扰， 能影响测试系统的正常工作。 电路之间的寄生电容使检测系统内某一电路信号 的变化影响其它电路， 形成静电藕合干扰。只要电路 中有尖峰信号和脉冲信号等高频谱的信号存在， 就有 静电藕合干扰存在。因此， 检测系统中的计算机部分 和高频信号模拟电路都是产生静电藕合干扰的直接根 源。 1 . 2 . 2 共模干扰 共模干扰对检测系统放大电路形成的干扰较大。 如图2 所示， 检测系统的各种信号电流通过电源内阻 Z c 和公共地线阻抗Z , ， 都会产生干扰电压， 形成共模 干扰。放大电路的前级与后级间的公共地线阻抗上产 生的是共地

11、干扰电压， 由数字电路产生的于扰电流流 经电源内阻产生的共电源干扰电压。 1 . 2 . 3 传导 藕合干扰 检测系统的脉冲信号在传输过程中容易出现延 时、 变形并接收干扰信号， 形成传导藕合干扰。传感器 往往设在生产现场， 而显示、 记录等测量装置则安置在 离传感器有一定距离的控制室内。两者之间需要很长 的信号传输线， 信号在传输过程中容量受到干扰， 导致 所传输的信号发生畸变或失真， 所产生的干扰主要有: 传输线周围空间电磁场对传输线的电磁感应干扰; 当 两条或两条以上信号强弱不同的线相互靠得很近时， 通过线间分布电路和互感而形成的线间干扰， 即输线 间的串扰。 容性( 电场) 藕合干扰

12、当干扰源产生的干扰是以电压形式出现时， 干扰 源与信号电路之间就存在容性( 电场) 祸合， 这时干扰 电压线电容藕合到信号电路， 形成干扰源。对于平行 导线， 由于分布电容较大， 容性藕合较严重。在图3 a 中， 导线1 和导线2 是两条平行线， C , 和 几分别是各 线对地的分布电容， C 12 是两线间分布的祸合电容， V , 是导线 1 对地电压， R是导线2 对地电阻。由图3 b 等 效电路可得， 导线 1 电压通过藕合导线2 上产生的电 压 V 2 为: 几 二 如C , 2 R V , / 仁 1 + 如( C , 2 +C 2 ) R ( 1 ) 当R U j o ( C 12

13、 + C 2 ) 时， 式( 1 ) 可简 化为: V 2 =C , 2 V I / ( C 12 +C 2 ) ( 2 ) 此时 V 2 按电容分压， 这种祸合情况是严重的。 当R .cv z o ( C 12 + C 2 ) 时， 则 式( 1 ) 可 简 化 为: V 2=j W C , 2 R V , ( 3 ) 由 式( 1 ) . ( 2 ) . ( 3 ) 可知， 容性藕合干扰随着藕合电容的 增大而增大。 :班 CG: 2VsC T C,-r I V 丫 I I事 8导线分布b等效电路 图3 平行导线容性辆合示意图 图2 共模干扰的形成 感性( 磁性) 藕合 当干扰源是以电流形式

14、出现的， 此电流所产生的 磁场通过互感祸合对邻近信号形成干扰。图4 是互感 祸合示意图， 两邻近导线之间存在分布互感 M, M二 O I I , ( 其中， I ， 是流过导线1 的电 流， T 是电流I , 产生 的与导线2 交线的磁通) ， 由互感藕合在导线2 上形成 A U T O MA T I O N I N s i k U ME N T A T I O N V o l . 2 6 N o . 9 S e p t e m b e r 2 0 0 5 测试系统的干扰及其抑制李传伟 的 互感电 压为岭二 2 (o M I , ， 此电 压在导线上是串 联的。 从式中可知 v 2 与干扰的频

15、率和互感量成正比。 一叶 M一一， ， 一 M me- z 图4 导线的磁藕合 1 . 3 电源干扰 所产生的干扰主要是从电源和电源引线侵人系 统。情况如下: 当系统与其它经常变动的大负载共用电源时， 会 产生电源噪声。系统一般由工业用电网络供电， 工业 系统中的某些大设备的启动、 停机等， 可能引起电源过 压、 欠压、 浪涌、 下陷及产生尖峰干扰， 这些电压噪声均 会通过电源内阻藕合到检测系统的电路， 给系统造成 极大的危害。 当使用较长的电源引线来进行传输时， 所产生电 压降及感应电势等也会形成噪声。系统所需的直流电 源， 一般均为由电网交流电经滤波、 稳压后提供， 有时 会因某种原因净化

16、不佳， 对系统产生干扰。这种干扰 常给高精度系统带来麻烦， 应引起重视。 1 . 4 数字电路引起的干扰 数字集成电路引出的直流电流虽然只有 m A级， 但是当电路处在高速开关时， 就会形成较大的干扰。 例如， T M门电路在导通状态下从直流电源引出S m A 左右的电流， 截至状态下则为 1 m A ， 在S n s 的时间内其 电 流变 化为4 m A ， 如 果在配电 线上具有O . 5 r H 的电 感， 当这个门电路改变状态时， 配电线上产生的噪声电压 为: 的电阻。通常， 数字系统的入地电流比模拟系统大得 多， 并且有较大的波动噪音。即使 R c n ，很小， 数字电路 也会在其两端形成较高电压， 使模拟系统的接地电压 不能为零。图S b 中模拟电路是测量前置放大器， 数字 系 统的 人 地电 流( 若为2 A ) 在k m ( 若为0 . 0 1 0 ) 上产生 电压( 2 0 m V ) ， 此电压与测量电压 V s 叠加。若 V s = l 0 0 m v ， 那么测量