第13章 干扰抑制技术

1、第十三章第十三章 检测装置的检测装置的 干扰抑制技术干扰抑制技术 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。以及干扰抑制方法。 第一节第一节 干扰的来源干扰的来源 一、一、常见的干扰类型常见的干扰类型 （1 1）外部干扰）外部干扰 自然界干扰自然界干扰 周围电气设备干扰周围电气设备干扰 （2 2）内部干扰：）内部干扰： 固定干扰固定干扰 动态干扰动态干扰 二、二、噪声和信躁比噪声和信躁比 1. 噪声：检测系统及仪表电路中混进去的无用

2、信号。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信噪比：测量通道中有用信号成分和噪声信号成 分之比分之比(取对数取对数)。信噪比越大越好。信噪比越大越好。 N s N s U U P P NSlg20lg10)/( 信号功率信号功率 噪声功率噪声功率 噪声电压噪声电压 信号电压信号电压 第二节第二节 干扰的耦合与传输途径干扰的耦合与传输途径 干扰形成的三个条件：干扰形成的三个条件： （1 1）干扰源；）干扰源； （2 2）对干扰敏感的接收电路；）对干扰敏感的接收电路； （3 3）从干扰源到接收电路之间的）从干扰源到接收电路之间的传输途径传输途

3、径。 静电耦合：因寄生电容引起的电荷耦合静电耦合：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。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。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。电流所引起的干扰。 一、一、静电耦合静电耦合 静电耦合静电耦合 示意图示意图 等效电路图等效电路图 nimn im im nc EZCjE ZCj ZCj U 1 寄生电容寄

4、生电容干扰电压干扰电压 干扰源电压干扰源电压 输入阻抗输入阻抗 结论结论： （1 1）干扰源的频率越高，静电耦合干扰越强。）干扰源的频率越高，静电耦合干扰越强。 （2 2）减小接收电路阻抗）减小接收电路阻抗Z Zi i，有利于抑制静电耦合干扰。，有利于抑制静电耦合干扰。 （3 3）合理布线，减小分布电容）合理布线，减小分布电容C Cm m，有利于抑制静电耦，有利于抑制静电耦 合干扰合干扰。 静电耦合静电耦合 对放大器的干扰对放大器的干扰 等效电路图等效电路图 在干扰频率在干扰频率1MHz1MHz，干扰源电压，干扰源电压5V5V，寄生电容，寄生电容 0.010.01pFpF的情况下，干扰输入电压

5、为的情况下，干扰输入电压为31.431.4mVmV。 100100倍倍 3.143.14V V 二、二、电磁耦合电磁耦合 nnc MIjU 互感互感 干扰电压干扰电压 干扰源电流干扰源电流 电磁耦合电磁耦合 示意图示意图 等效电路图等效电路图 电磁耦合对交流电桥的干扰电磁耦合对交流电桥的干扰 在干扰频率在干扰频率10kHz10kHz， 干扰源电流干扰源电流1010mAmA，互，互 感感0.10.1H H的情况下，的情况下， 干扰电压为干扰电压为62.862.8V V。 三、三、共阻抗耦合共阻抗耦合 cnnc ZIU 干扰源电流干扰源电流 干扰电压干扰电压 共有阻抗共有阻抗 共阻抗耦合共阻抗耦合

6、 等效电路等效电路 电源内阻引起的共阻抗干扰电源内阻引起的共阻抗干扰 四、四、漏电流耦合漏电流耦合 n in i nc E ZR Z U 干扰源电压干扰源电压 干扰电压干扰电压 漏电流输入回路的输入阻抗漏电流输入回路的输入阻抗 绝缘电阻绝缘电阻 漏电流耦合漏电流耦合 等效电路等效电路 第三节第三节 差模干扰和共模干扰差模干扰和共模干扰 一、差模干扰一、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。检测装置的输入端。 干扰信号干扰信号 有效信号有效信号 较长的检测信号接线会因为电磁耦合、静电耦合带较长的检测信号接线会因为电磁

7、耦合、静电耦合带 来差模干扰信号。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，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。也会带来差模干扰信号。 差模干扰典型实例：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。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：抑制差模干扰的方法： 1.1.采用采用低通滤波器低通滤波器滤掉交流干扰。滤掉交流干扰。 2.2.尽可能早对被测信号进行尽可能早对被测信号进行前置放大前置放大，以提高信躁比。，以提高信躁比。 3.3.检测系统采用检测系统采用高抗扰度元器件高抗扰度元器件，提高阀值电平提

8、高阀值电平，采，采 用用低速逻辑部件低速逻辑部件抑制高频干扰。抑制高频干扰。 4.4.注意信号线注意信号线屏蔽和接地屏蔽和接地良好。良好。 二、共模干扰二、共模干扰 共模干扰：两个输入端对地同时存在的干扰信号。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。地点与检测电路的输入接地点不同。 共模干扰示意图共模干扰示意图等效电路图等效电路图 )( 22 2 11 1 Zr r Zr r UUUU cmBAAB 输入端对地等效阻抗输入端对地等效阻抗 共模干扰电压共模干扰电压 长电

9、缆导线电阻长电缆导线电阻 不同地之间的电位差不同地之间的电位差 消除共模干扰的方法：消除共模干扰的方法： 理论上，当两个输入端电路完全对称，理论上，当两个输入端电路完全对称，r r1 1=r=r2 2且且Z Z1 1=Z=Z2 2时，时， 共模干扰可消除。实际上无法做到。共模干扰可消除。实际上无法做到。 抑制共模干扰的方法：抑制共模干扰的方法： 尽可能使得尽可能使得r r1 1、r r2 2的数值接近，的数值接近，Z Z1 1、Z Z2 2的数值接近，就的数值接近，就 可以减小共模干扰。可以减小共模干扰。 三、共模干扰抑制比三、共模干扰抑制比 共模干扰信号只有共模干扰信号只有在电路不对称的情况

10、下变成差模在电路不对称的情况下变成差模 信号信号才会成为干扰。才会成为干扰。 引入引入共模干扰抑制比共模干扰抑制比的概念，用以的概念，用以衡量检测装置对衡量检测装置对 共模干扰的抑制能力共模干扰的抑制能力。共模干扰抑制比。共模干扰抑制比越大越好。越大越好。 cm nm cm o nm o nm cm K K U U U U U U CMRRlg20lg20lg20 共模抑制比共模抑制比 共模干扰信号共模干扰信号 （产生同样输出所需的）（产生同样输出所需的） 差模干扰信号差模干扰信号 差模增益差模增益 共模增益共模增益 抑制共模干扰的方法总结：抑制共模干扰的方法总结： （1 1）采用）采用双端输

11、入的差分放大器双端输入的差分放大器作为仪表输入通道的作为仪表输入通道的 前置放大器，前置放大器，CMRRCMRR可达可达100100160dB160dB，是抑制共模干扰的有，是抑制共模干扰的有 效方法；效方法； （2 2）将将“模拟地模拟地”与与“数字地数字地”隔离隔离，共模干扰构不，共模干扰构不 成回路，会被有效抑制；成回路，会被有效抑制； （3 3）利用）利用屏蔽屏蔽的方法使输入信号的的方法使输入信号的“模拟地模拟地”浮空，浮空， 也可以抑制共模干扰。也可以抑制共模干扰。 第四节第四节 干扰抑制技术干扰抑制技术 一、一、屏蔽技术屏蔽技术 屏蔽技术利用低阻材料或磁性材料，可屏蔽技术利用低阻材

12、料或磁性材料，可隔离电磁干扰隔离电磁干扰。 1. 1. 静电屏蔽静电屏蔽 利用导电性能良好的金属作成屏蔽盒，并将其接地，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。可以保护内部电路免受静电场的干扰。 2. 2. 电磁屏蔽电磁屏蔽 利用导电性能良好的金属作成屏蔽层，利用涡流作用，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。生的干扰。 3. 3

13、. 低频磁屏蔽低频磁屏蔽 对低频磁场干扰，要用高导磁材料作屏蔽层。对低频磁场干扰，要用高导磁材料作屏蔽层。 4. 4. 驱动屏蔽驱动屏蔽 利用利用1:11:1的电压的电压 跟随器跟随器电路，迫使电路，迫使 被屏蔽导体被屏蔽导体B B与与屏蔽屏蔽 层层D D等电位。等电位。 二、二、接地技术接地技术 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，可抑制躁声电压，可抑制电磁场和地电位差的干扰电磁场和地电位差的干扰。 1.“1.“地线地线”的种类：的种类： （1 1）屏蔽接地线及机壳接地线屏蔽接地线及机壳接地线-实现对电磁场的屏蔽。实现对电磁

14、场的屏蔽。 （2 2）信号接地线信号接地线-分别设置的分别设置的“模拟地模拟地”与与“数字数字 地地”。 （3 3）功率地线功率地线-大电流网络部件的零电平，本身干扰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。作用大，与信号地互相绝缘。 （4 4）交流电源地线交流电源地线-交流电源地线交流电源地线N N本身是一个躁声本身是一个躁声 源，必须与直流地线相互绝缘。源，必须与直流地线相互绝缘。 2.2.接地设计注意事项：接地设计注意事项： （1 1）高频电路高频电路应就近多点接地，应就近多点接地，低频电路低频电路应一点接地。应一点接地。 （2 2）交流地、功率地、信号地线不能共用。）

15、交流地、功率地、信号地线不能共用。 （3 3）电缆屏蔽层的接地：当一个不接地的信号源连接）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。应接到信号源公共端。 （4 4）屏蔽接地方式随屏蔽目的而不同。）屏蔽接地方式随屏蔽目的而不同。 3.3.常见电路及用电设备的接地方式常见电路及用电设备的接地方式 （1 1）印刷电路板内的接地方式）印刷电路板内的接地方式: : 低频电路一点接地低频电路一点接地 高频电路多点接地高频电路多点接地 单极放大电路的一点接地方法单极放大电路的一点接地方

16、法 从任意点接地从任意点接地 到一点接地到一点接地 避免低频干扰避免低频干扰 多极放大电路的一点接地方法多极放大电路的一点接地方法 从串联接地从串联接地到一点并联接地到一点并联接地 避免低频干扰避免低频干扰 （2 2）传感器接口电路的接地方式）传感器接口电路的接地方式 两点接地两点接地 一点接地一点接地 避免共模干扰避免共模干扰 （3 3）检测系统与计算机系统的接地方式）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低电平地线、功率地线和机壳屏蔽地线应分开设应分开设 置，但最后要汇集起来，通过专用地线与大地连接构置，但最后要汇集起来，通过专用地线与大地连接构 成成“一点接地

17、一点接地”的地线系统。的地线系统。 接地电阻小于接地电阻小于1010欧欧 （4 4）电缆屏蔽层的接地方式）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。如检测电路是一点接地，电缆屏蔽层也要一点接地。 传感器测接地传感器测接地 放大器测未接放大器测未接 两测都接地两测都接地 传感器测未接传感器测未接 放大器测接地放大器测接地 两测都接地两测都接地 三、三、浮空技术浮空技术 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地，即称为浮空。浮空比接地具有更强的共模干扰抑制能 力。力。

18、 cm Zr cmnm U ZrZrZ ZrZrr U ZrZr ZrZr Zr r U )( )( )( 22113 12213 2211 1221 33 3 33 r3越小，越小，Z3越大越好越大越好 四、四、隔离技术隔离技术 1.1.变压器隔离：如晶闸管的门极触发电路。变压器隔离：如晶闸管的门极触发电路。 2.2.光电耦合隔离：如变频器中功率晶体管的驱动电路。光电耦合隔离：如变频器中功率晶体管的驱动电路。 五、滤波五、滤波技术技术 1. 1.交流电源进线对称滤波器交流电源进线对称滤波器 （1 1）高频干扰电压对称滤波电路）高频干扰电压对称滤波电路 线间电压滤波器线间电压滤波器 线间电压对

19、地电压滤波器线间电压对地电压滤波器 简化简化 电路电路 （2 2）低频干扰电压对称滤波电路）低频干扰电压对称滤波电路 2. 2.直流输出滤波器直流输出滤波器 滤低频电容滤低频电容 滤高频电容滤高频电容 滤低频电容滤低频电容 滤高频电容滤高频电容 2. 2.退耦滤波器退耦滤波器 当同一个直流电源同时对几个电路供电时当同一个直流电源同时对几个电路供电时, ,应在应在每个电每个电 路的电源进线路的电源进线侧设置退耦滤波器，以避免电源内阻的干扰。侧设置退耦滤波器，以避免电源内阻的干扰。 直直 流流 电电 源源 退耦滤波器退耦滤波器1 1 退耦滤波器退耦滤波器2 2 - - + + 退耦滤波器安装注意事

20、项：退耦滤波器安装注意事项： （1 1）滤波器进出电缆注意屏蔽与接地。）滤波器进出电缆注意屏蔽与接地。 （2 2）浮地系统中，滤波器外壳应与设备外壳绝缘。）浮地系统中，滤波器外壳应与设备外壳绝缘。 （3 3）设备和滤波器均可靠接地，浮地系统隔离接地。）设备和滤波器均可靠接地，浮地系统隔离接地。 六、软件干扰抑制六、软件干扰抑制技术技术 1. 1.数字滤波技术数字滤波技术 （1 1）算术平均值滤波：对同一采样点连续）算术平均值滤波：对同一采样点连续N N次采样，以次采样，以 平均值作为可靠结果。平均值作为可靠结果。 （2 2）中值滤波：对同一采样点连续）中值滤波：对同一采样点连续n n次采样，按大小排次采样，按大小排 列后取中间值作为可靠结果。列后取中间值作为可靠结果。 （3 3）抑制脉冲算术平均值滤波：对同一采样点连续）抑制脉冲算术平均值滤波：对同一采样点连续n