7智能仪器的抗干扰技术(2015)

1、第七章第七章 智能仪器的抗干扰技术智能仪器的抗干扰技术智能仪器原理与设计智能仪器原理与设计-朱欣华、邹丽新、朱桂荣编著高等教育出版社，普通高等教育高等教育出版社，普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材2智能仪器原理与设计智能仪器原理与设计-朱欣华、邹丽新、朱桂荣编著第第5 5章章数据处理技数据处理技术术 7 智能仪器的抗干扰技术 接口接口接口ROMRAM模拟量输入/输出数字量输入/输出通信接口键盘、显示 器、打印机等CPU总 线 图1.1 智能仪器结构原理 采用这些基本技术设计、安装、调试好的仪器投入实际采用这些基本技术设计、安装、调试好的仪器投入实际运行时，运行时，能否按照

2、设计者的预想正常工作能否按照设计者的预想正常工作呢？呢？第第4章章第第6章章第第2章章第第3章章 与智能仪器原理与设计相关的各主要部分均已讨论：与智能仪器原理与设计相关的各主要部分均已讨论：3智能仪器原理与设计智能仪器原理与设计-朱欣华、邹丽新、朱桂荣编著 使仪器设计者感到尴尬的局面经常使仪器设计者感到尴尬的局面经常会出现会出现，例如：，例如： 有的仪器在运行过程中会出现失灵现象，有时没有、有的仪器在运行过程中会出现失灵现象，有时没有、有时偶尔、有时频次相对较高；有时偶尔、有时频次相对较高； 有的仪器在不同的运行环境下呈现出不同的性能水平。有的仪器在不同的运行环境下呈现出不同的性能水平。 产生

3、这些现象的主要原因是仪器没有采取合理有效的产生这些现象的主要原因是仪器没有采取合理有效的抗干扰技术措施。抗干扰技术措施。 从这个角度出发，在图从这个角度出发，在图1.11.1所示的基于微处理器组成所示的基于微处理器组成的智能仪器的基本结构中，的智能仪器的基本结构中，还应包含一项隐含的技术还应包含一项隐含的技术智能仪器的抗干扰技术智能仪器的抗干扰技术。 本章主要介绍电子电路抗干扰方面的基本概念及智能本章主要介绍电子电路抗干扰方面的基本概念及智能仪器设计中常采取的抗干扰技术。仪器设计中常采取的抗干扰技术。高等教育出版社，普通高等教育高等教育出版社，普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教材国家级规

4、划教材 7 智能仪器的抗干扰技术 4智能仪器原理与设计智能仪器原理与设计-朱欣华、邹丽新、朱桂荣编著7.17.1干扰源和干扰的耦合方式干扰源和干扰的耦合方式 处于同一工作环境中的各种电子电路和电气设备因距离处于同一工作环境中的各种电子电路和电气设备因距离过近等而过近等而产生相互影响，进而形成电磁干扰产生相互影响，进而形成电磁干扰。 电子技术正朝着高速、高灵敏度、高集成度等方面发展，电子技术正朝着高速、高灵敏度、高集成度等方面发展，增大了现代电子设备内部产生电磁干扰的可能性；增大了现代电子设备内部产生电磁干扰的可能性； 自动化技术装备的广泛使用，形成了电子设备和大功率自动化技术装备的广泛使用，形

5、成了电子设备和大功率强电设备在同一场合共存和同时使用的局面，这也恶化了电强电设备在同一场合共存和同时使用的局面，这也恶化了电子电路工作的外部电磁环境。子电路工作的外部电磁环境。 因此，电磁干扰已成为许多电子设备与系统正常工作的因此，电磁干扰已成为许多电子设备与系统正常工作的主要障碍。主要障碍。高等教育出版社，普通高等教育高等教育出版社，普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材 7 智能仪器的抗干扰技术 5智能仪器原理与设计智能仪器原理与设计-朱欣华、邹丽新、朱桂荣编著高等教育出版社，普通高等教育高等教育出版社，普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材 7 智能仪

6、器的抗干扰技术 干扰源耦合通道 接收电路图7.1 干扰形成的途径 形成电磁干扰的三个主要因素为：形成电磁干扰的三个主要因素为： 干扰源；干扰源； 耦合通道；耦合通道； 对干扰信号敏感的对干扰信号敏感的接收电路接收电路。6智能仪器原理与设计智能仪器原理与设计-朱欣华、邹丽新、朱桂荣编著高等教育出版社，普通高等教育高等教育出版社，普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材7.1.17.1.1干扰源干扰源 任何形式的电子、电气设备或自然现象所发射出的电磁任何形式的电子、电气设备或自然现象所发射出的电磁能量，使处于相同环境中的其他设备或生物受到危害，导致能量，使处于相同环境中的其他设备或

7、生物受到危害，导致不期望的后果，这种发射电磁能的装置或自然现象被称为不期望的后果，这种发射电磁能的装置或自然现象被称为干干扰源扰源。 有自然干扰和人为干扰两类。有自然干扰和人为干扰两类。 （1 1）自然干扰）自然干扰 自然干扰包括自然干扰包括雷电雷电干扰、干扰、射电射电干扰、干扰、辐射辐射干扰和干扰和电磁脉电磁脉冲冲。这些干扰的统计特性变化很大，有时呈频谱平坦的高斯。这些干扰的统计特性变化很大，有时呈频谱平坦的高斯分布，有时又呈现偶尔发生的脉冲干扰。分布，有时又呈现偶尔发生的脉冲干扰。 自然干扰是不可控制的。自然干扰是不可控制的。 7 智能仪器的抗干扰技术 7智能仪器原理与设计智能仪器原理与设

8、计-朱欣华、邹丽新、朱桂荣编著高等教育出版社，普通高等教育高等教育出版社，普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材 （2 2）人为干扰）人为干扰 人为干扰主要是指电气设备干扰，包括电源干扰、开关人为干扰主要是指电气设备干扰，包括电源干扰、开关干扰、射频干扰和放电干扰干扰、射频干扰和放电干扰( (火花放电、辉光放电、弧光放火花放电、辉光放电、弧光放电电) )。 人为干扰从原理上来说是可控的。人为干扰从原理上来说是可控的。 人为干扰又包括系统人为干扰又包括系统内部干扰内部干扰和和外部干扰外部干扰。 内部干扰内部干扰主要是指由于印制板的布局及布线而产生的电主要是指由于印制板的布局及布

9、线而产生的电磁干扰；磁干扰； 外部干扰外部干扰主要是强电设备运行时产生的电磁噪声通过耦主要是强电设备运行时产生的电磁噪声通过耦合进入系统内部形成的干扰。合进入系统内部形成的干扰。 7 智能仪器的抗干扰技术 8智能仪器原理与设计智能仪器原理与设计-朱欣华、邹丽新、朱桂荣编著高等教育出版社，普通高等教育高等教育出版社，普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材7.1.27.1.2干扰耦合方式干扰耦合方式 干扰的耦合方式一般有：干扰的耦合方式一般有： 传导耦合传导耦合 静电耦合静电耦合 电磁耦合电磁耦合 1 1、传导耦合、传导耦合 电子、电气系统内部的各设备之间、设备内部各单元电电子、

10、电气系统内部的各设备之间、设备内部各单元电路之间存在路之间存在电源线电源线、信号传输线信号传输线及及公共地线公共地线等等连线连线，这就有，这就有可能使一个设备或单元电路的电磁能量沿着导线传输到其他可能使一个设备或单元电路的电磁能量沿着导线传输到其他设备或单元电路，从而形成电磁干扰。设备或单元电路，从而形成电磁干扰。 电磁干扰通过导线进入电路，称为传导耦合。电磁干扰通过导线进入电路，称为传导耦合。 7 智能仪器的抗干扰技术 9智能仪器原理与设计智能仪器原理与设计-朱欣华、邹丽新、朱桂荣编著高等教育出版社，普通高等教育高等教育出版社，普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材 下面列

11、举几种具体的传导耦合。下面列举几种具体的传导耦合。 （1 1）电源线传导耦合）电源线传导耦合 电网中的设备在启动、运行和切断时都会向电网传送频电网中的设备在启动、运行和切断时都会向电网传送频谱很宽的电磁干扰。谱很宽的电磁干扰。 图图7.27.2为电网中大的感性负荷或可控硅切换时产生的瞬为电网中大的感性负荷或可控硅切换时产生的瞬时电压引起时电压引起电网电压波形畸变的示意图。电网电压波形畸变的示意图。 图图7.37.3说明了该干扰源产生的说明了该干扰源产生的干扰通过电源线直接耦合干扰通过电源线直接耦合到另一设备的通路。到另一设备的通路。 7 智能仪器的抗干扰技术 10智能仪器原理与设计智能仪器原理

12、与设计-朱欣华、邹丽新、朱桂荣编著高等教育出版社，普通高等教育高等教育出版社，普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材 7 智能仪器的抗干扰技术 （2 2）公共阻抗传导耦合）公共阻抗传导耦合 在智能仪器中，电路各部分之间、仪器和系统之间经常在智能仪器中，电路各部分之间、仪器和系统之间经常是共用电源和地线，这样，电源和地线的阻抗就成了各部分是共用电源和地线，这样，电源和地线的阻抗就成了各部分之间的之间的公共阻抗公共阻抗。 公共阻抗耦合公共阻抗耦合是指两个或两个以上电路有公共阻抗时，是指两个或两个以上电路有公共阻抗时，一个电路中的电流变化在公共阻抗上产生的电压影响与公共一个电路中的

13、电流变化在公共阻抗上产生的电压影响与公共阻抗相连的其他电路的工作，成为其电磁干扰。阻抗相连的其他电路的工作，成为其电磁干扰。 公共阻抗耦合的主要形式有以下两种：公共阻抗耦合的主要形式有以下两种： 电源内阻抗的耦合干扰电源内阻抗的耦合干扰 公共地线的耦合干扰公共地线的耦合干扰11智能仪器原理与设计智能仪器原理与设计-朱欣华、邹丽新、朱桂荣编著高等教育出版社，普通高等教育高等教育出版社，普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材 电源内阻抗的耦合干扰电源内阻抗的耦合干扰 图图7.47.4是电源内阻引起干扰的示意图。是电源内阻引起干扰的示意图。 图中，仪器图中，仪器n n个电路共用一个

14、电源，电源内阻个电路共用一个电源，电源内阻R R0 0和线路和线路电阻电阻R R显然成为显然成为n n个电路的个电路的公共阻抗公共阻抗。 n n个电路中任一个电路的电流变化，在公共阻抗上就会个电路中任一个电路的电流变化，在公共阻抗上就会产生变化的电压，该电压就成为其他产生变化的电压，该电压就成为其他n-1n-1个电路的干扰源。个电路的干扰源。 7 智能仪器的抗干扰技术 12智能仪器原理与设计智能仪器原理与设计-朱欣华、邹丽新、朱桂荣编著高等教育出版社，普通高等教育高等教育出版社，普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材 公共地线的耦合干扰公共地线的耦合干扰 对对(a)(a)图而

15、言图而言: : 电路电路1 1地线汇集到地线汇集到A A点时存在地线电阻点时存在地线电阻R R1;1; 电路电路2 2地线汇集到地线汇集到B B点时存在地线电阻点时存在地线电阻R R2;2; 电路电路3 3地线汇集到地线汇集到C C点时存在地线电阻点时存在地线电阻R R3 3。 显然，电路显然，电路3 3的总电流的总电流I I3 3流过地线时在地线电阻流过地线时在地线电阻R R3 3上产生上产生压降压降U U3=3=I I3 3R R3 3，该电压分别对电路，该电压分别对电路1 1的地线基准点的地线基准点A A和电路和电路2 2的的地线基准点地线基准点B B的电压产生影响。的电压产生影响。 7

16、 智能仪器的抗干扰技术 由于设计时电路由于设计时电路1 1和和2 2分别把分别把A A点点和和B B点看成基准地，因此这两点电压点看成基准地，因此这两点电压的产生和变化被看成是电路的产生和变化被看成是电路1 1和和2 2中中分别以分别以A A和和B B为地基准的所有信号发为地基准的所有信号发生了变化，显然产生了干扰。生了变化，显然产生了干扰。13智能仪器原理与设计智能仪器原理与设计-朱欣华、邹丽新、朱桂荣编著高等教育出版社，普通高等教育高等教育出版社，普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材 采用图（采用图（b b）中的接地方法则可避免公共地线的耦合干）中的接地方法则可避免公共

17、地线的耦合干扰的产生。扰的产生。 因为图（因为图（b b）中，电路）中，电路1 1、电路、电路2 2和电路和电路3 3在在O O点点一点接地一点接地，所以电路所以电路1 1、电路、电路2 2和电路和电路3 3的总电流的总电流I I1 1、I I2 2和和I I3 3在各自的地在各自的地线电阻线电阻R R1 1、R R2 2和和R R3 3上产生的压降仅对各自的电路上产生的压降仅对各自的电路1 1、电路、电路2 2和和电路电路3 3产生影响，但不会对其他电路产生产生影响，但不会对其他电路产生影响（即不产生影响（即不产生公公共阻抗传导耦合）。共阻抗传导耦合）。 7 智能仪器的抗干扰技术 14智能仪

18、器原理与设计智能仪器原理与设计-朱欣华、邹丽新、朱桂荣编著高等教育出版社，普通高等教育高等教育出版社，普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材 2 2、静电耦合、静电耦合 在系统内部，元件之间、元件和导线之间等均存在分布电在系统内部，元件之间、元件和导线之间等均存在分布电容。通过分布电容产生的干扰，称为容。通过分布电容产生的干扰，称为静电耦合静电耦合。 图图7.67.6是两根平行导线之间的静电耦合情况。图中是两根平行导线之间的静电耦合情况。图中1 1号导线号导线对对2 2号导线存在分布电容号导线存在分布电容C C1212，两根导线对地分别存在，两根导线对地分别存在C C1g1g

19、和和C C2g2g。如果如果1 1号导线上有干扰源号导线上有干扰源U U1，则，则2 2号导线上出现的干扰电压为号导线上出现的干扰电压为 7 智能仪器的抗干扰技术 12g1212N1)(UCCRjRCjU 当连至当连至2 2号导线上的电阻号导线上的电阻R R满足满足 )(1g212CCjR 则上式简化为则上式简化为 112NURCjU15智能仪器原理与设计智能仪器原理与设计-朱欣华、邹丽新、朱桂荣编著高等教育出版社，普通高等教育高等教育出版社，普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材 7 智能仪器的抗干扰技术 越大，越大，U UN N越大（即信号频率越高干扰越大）；越大（即信号

20、频率越高干扰越大）； R R越大，越大，U UN N越大（即电路的等效输入阻抗越大干扰越大）；越大（即电路的等效输入阻抗越大干扰越大）； 1212越大，越大，U UN N越大（即分布电容越大干扰越大）。越大（即分布电容越大干扰越大）。 由上式由上式 可看出可看出： 112NURCjU16智能仪器原理与设计智能仪器原理与设计-朱欣华、邹丽新、朱桂荣编著高等教育出版社，普通高等教育高等教育出版社，普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材 3 3、电磁耦合、电磁耦合 电磁耦合电磁耦合是通过电路之间的互感耦合的。是通过电路之间的互感耦合的。 图图7.77.7是两条平行导线之间的电磁耦合

21、情况。是两条平行导线之间的电磁耦合情况。 设两导线之间的互感为设两导线之间的互感为M M，则当导线，则当导线1 1中有变化的电流中有变化的电流I I1 1时，根据电路理论，通过电磁耦合产生的互感电压为时，根据电路理论，通过电磁耦合产生的互感电压为 7 智能仪器的抗干扰技术 由上式由上式可见可见： 越大，越大，U UN N越大（即越大（即信号频率越高干扰越大信号频率越高干扰越大）；）； M M越大，越大，U UN N越大（即越大（即互感越大干扰越大）。互感越大干扰越大）。 1NMIjU17智能仪器原理与设计智能仪器原理与设计-朱欣华、邹丽新、朱桂荣编著高等教育出版社，普通高等教育高等教育出版社，

22、普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材 4 4、漏电流耦合、漏电流耦合 当两个电路绝缘不良时，一个电路工作时流过绝缘电阻当两个电路绝缘不良时，一个电路工作时流过绝缘电阻R R的漏的漏电流会对另一个电路产生电流会对另一个电路产生漏电流耦合漏电流耦合干扰。干扰。 图图7.87.8给出了漏电流耦合的等效电路。给出了漏电流耦合的等效电路。 图中，电路图中，电路1 1的信号的信号U U1 1通过绝缘电阻通过绝缘电阻R R在另一个电路的输入阻在另一个电路的输入阻抗抗Z Zi i上产生的干扰电压为上产生的干扰电压为 7 智能仪器的抗干扰技术 由上式由上式可见可见：绝缘电阻不够大时，电：绝缘

23、电阻不够大时，电路路1 1对电路对电路2 2的影响增大；的影响增大； 电路电路2 2的输入阻抗越大，其受电路的输入阻抗越大，其受电路1 1的的影响也增大。影响也增大。1i1iiNZURZURZU 第第3 3章中述及的模拟多路开关的非理想特性中的关断电阻在章中述及的模拟多路开关的非理想特性中的关断电阻在模拟多路开关关断时不为无穷大就会对导通的开关产生漏电流模拟多路开关关断时不为无穷大就会对导通的开关产生漏电流耦合干扰。耦合干扰。 18智能仪器原理与设计智能仪器原理与设计-朱欣华、邹丽新、朱桂荣编著高等教育出版社，普通高等教育高等教育出版社，普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材

24、7.27.2差模干扰和共模干扰差模干扰和共模干扰 干扰对电路的作用模式有两种：干扰对电路的作用模式有两种：差模干扰差模干扰和和共模干扰共模干扰。7.2.17.2.1差模干扰差模干扰 差模电压差模电压是指一组规定的带电导体中任意两个导体间的电压。是指一组规定的带电导体中任意两个导体间的电压。 例如，信号传输过程中的信号输入线和信号返回线之间的电压；例如，信号传输过程中的信号输入线和信号返回线之间的电压；电源的相线和中线之间、相线和相线之间的电压等。电源的相线和中线之间、相线和相线之间的电压等。 7 智能仪器的抗干扰技术 差模干扰差模干扰是指干扰信号为差模电压形是指干扰信号为差模电压形式的干扰，是

25、线与线之间的干扰，干扰电式的干扰，是线与线之间的干扰，干扰电流在两线上的方向相反。流在两线上的方向相反。 图图7.97.9描述了差模干扰的情况。描述了差模干扰的情况。 图中，图中，N N为干扰源，为干扰源，R R为受扰设备，为受扰设备，U UN N为干扰电压，为干扰电压，干扰电流干扰电流I IN N和信号电流和信号电流I IS S的的往返路径在两条导线上是一致的。往返路径在两条导线上是一致的。19智能仪器原理与设计智能仪器原理与设计-朱欣华、邹丽新、朱桂荣编著高等教育出版社，普通高等教育高等教育出版社，普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材 差模干扰的起因：差模干扰的起因：

26、外来的感应磁通或电磁辐射信号在回路线间环路上所产外来的感应磁通或电磁辐射信号在回路线间环路上所产生的感应电势，并叠加在信号电路中形成差模干扰。生的感应电势，并叠加在信号电路中形成差模干扰。 同一电源供电的线路中工作的电机、开关及可控硅等，同一电源供电的线路中工作的电机、开关及可控硅等，它们产生的干扰往返于电源线与地线之间形成差模干扰。它们产生的干扰往返于电源线与地线之间形成差模干扰。 7 智能仪器的抗干扰技术 20智能仪器原理与设计智能仪器原理与设计-朱欣华、邹丽新、朱桂荣编著高等教育出版社，普通高等教育高等教育出版社，普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材 7 智能仪器的抗

27、干扰技术 7.2.27.2.2共模干扰共模干扰 共模电压共模电压是指每个导体与规定参考点（通常是地和机壳）是指每个导体与规定参考点（通常是地和机壳）之间的电压。之间的电压。 例如：例如： 信号传输过程中的信号输入线与地之间、信号返回线与信号传输过程中的信号输入线与地之间、信号返回线与地之间的电压；地之间的电压； 电源的中线与地之间、任何一相线与地之间的电压等。电源的中线与地之间、任何一相线与地之间的电压等。 共模干扰共模干扰是指干扰信号为共模电压形式的干扰，是线与是指干扰信号为共模电压形式的干扰，是线与地之间的干扰，各接地干扰电流（通过接地阻抗）具有相同地之间的干扰，各接地干扰电流（通过接地阻

28、抗）具有相同的方向。的方向。21智能仪器原理与设计智能仪器原理与设计-朱欣华、邹丽新、朱桂荣编著高等教育出版社，普通高等教育高等教育出版社，普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材 图图7.107.10描述了干扰侵入线路和描述了干扰侵入线路和地形成共模干扰的情况。地形成共模干扰的情况。 图中，干扰电流在两条线上各图中，干扰电流在两条线上各流过一部分，以地为公共回路，而流过一部分，以地为公共回路，而信号电流则在往返两条导线上流过。信号电流则在往返两条导线上流过。 7 智能仪器的抗干扰技术 共模干扰是由辐射或串扰形式耦合到电路中的，由于共模干扰是由辐射或串扰形式耦合到电路中的，由于

29、来自空间的感应对于每条导线的作用是相同的，例如雷电来自空间的感应对于每条导线的作用是相同的，例如雷电、电弧、电台、大功率发射装置等，它们在电源线上形成、电弧、电台、大功率发射装置等，它们在电源线上形成共模干扰。共模干扰。22智能仪器原理与设计智能仪器原理与设计-朱欣华、邹丽新、朱桂荣编著高等教育出版社，普通高等教育高等教育出版社，普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材 一般情况下，线路上干扰电压的差模分量和共模分量一般情况下，线路上干扰电压的差模分量和共模分量同同时存在时存在，而且，由于线路的阻抗不可能完全平衡，因此两种，而且，由于线路的阻抗不可能完全平衡，因此两种分量在传输

30、中会分量在传输中会互相转变互相转变。 图图7.117.11可用于解释共模干扰转换成差模干扰的原理。可用于解释共模干扰转换成差模干扰的原理。 7 智能仪器的抗干扰技术 对于图对于图7.117.11所示的常见的双线所示的常见的双线传输电路，传输电路，r r1 1和和r r2 2分别为两传输线分别为两传输线内阻，内阻，R R1 1和和R R2 2分别为两传输线输出分别为两传输线输出端（同时也是后接电路两输入端）端（同时也是后接电路两输入端）的对地的对地电阻）。电阻）。由图可见由图可见 )(222111cmonRrRRrRUU 当当r r1 1= =r r2 2 ，R R1 1=R=R2 2时，时，U

31、 Uonon= =0 0，即，即U Ucmcm不在输出端对信号形成不在输出端对信号形成干扰；否则将形成如式（干扰；否则将形成如式（7.67.6）所示的干扰信号。）所示的干扰信号。 （7.6）23智能仪器原理与设计智能仪器原理与设计-朱欣华、邹丽新、朱桂荣编著高等教育出版社，普通高等教育高等教育出版社，普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材 通常用共模抑制比来（通常用共模抑制比来（CMRRCMRR）描述共模干扰转换为串模）描述共模干扰转换为串模干扰的程度干扰的程度, ,其定义为其定义为 7 智能仪器的抗干扰技术 oncmCMRRUU24智能仪器原理与设计智能仪器原理与设计-朱欣

32、华、邹丽新、朱桂荣编著高等教育出版社，普通高等教育高等教育出版社，普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材7.37.3数字量输入数字量输入/ /输出通道的电气隔离输出通道的电气隔离 本章下面各节介绍智能仪器中常用的一些抗干扰技术，本章下面各节介绍智能仪器中常用的一些抗干扰技术，主要包括：主要包括： 数字量输入数字量输入/ /输出通道的电气隔离；输出通道的电气隔离； 模拟量输入模拟量输入/ /输出通道的电气隔离；输出通道的电气隔离； 电源干扰及抑制；电源干扰及抑制； 数字系统的干扰及抑制数字系统的干扰及抑制。 7 智能仪器的抗干扰技术 隔离的实质是切断图隔离的实质是切断图7.17

33、.1中所示的干扰源和智能仪器之中所示的干扰源和智能仪器之间的耦合通道。间的耦合通道。 由于数字量和模拟量的信号特点不同，因此隔离时采由于数字量和模拟量的信号特点不同，因此隔离时采用的具体技术不同。用的具体技术不同。 本节主要讨论智能仪器中常用的数字量输入本节主要讨论智能仪器中常用的数字量输入/ /输出的电输出的电气隔离。气隔离。25智能仪器原理与设计智能仪器原理与设计-朱欣华、邹丽新、朱桂荣编著高等教育出版社，普通高等教育高等教育出版社，普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材 7 智能仪器的抗干扰技术 干扰源耦合通道 接收电路图7.1 干扰形成的途径26智能仪器原理与设计智能

34、仪器原理与设计-朱欣华、邹丽新、朱桂荣编著高等教育出版社，普通高等教育高等教育出版社，普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材7.3.17.3.1光电耦合器的特性及应用光电耦合器的特性及应用 1 1、光电耦合器的特性、光电耦合器的特性 光电耦合器（简称光耦）是光电耦合器（简称光耦）是2020世纪世纪7070年代发展起来的电子年代发展起来的电子元件，它以光媒介传输信号。元件，它以光媒介传输信号。 光电耦合器的特性可概括为：光电耦合器的特性可概括为：（1 1）采用不透光外壳封装，使光电耦合器）采用不透光外壳封装，使光电耦合器不会受到外界不会受到外界光源的干扰。光源的干扰。（2 2）

35、输入阻抗低输入阻抗低，一般约为，一般约为100100 - -10001000 。 由于干扰信号源的内阻一般很高，因此按分压比计算出来由于干扰信号源的内阻一般很高，因此按分压比计算出来的馈送到光电耦合器输入端的噪声电压就很低。的馈送到光电耦合器输入端的噪声电压就很低。 即使在干扰电压幅值较高时，因干扰源具有高内阻，故只即使在干扰电压幅值较高时，因干扰源具有高内阻，故只能产生很低的干扰信号电流，使它在电流输入型的光电耦合器能产生很低的干扰信号电流，使它在电流输入型的光电耦合器中仍难以达到使光敏三极管导通所需的光通量。中仍难以达到使光敏三极管导通所需的光通量。 因此因此光电耦合器能抑制幅值很高的噪声

36、干扰电压光电耦合器能抑制幅值很高的噪声干扰电压。 7 智能仪器的抗干扰技术 27智能仪器原理与设计智能仪器原理与设计-朱欣华、邹丽新、朱桂荣编著高等教育出版社，普通高等教育高等教育出版社，普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材 （3 3）输入和输出回路之间绝缘电阻值极大输入和输出回路之间绝缘电阻值极大（约为（约为10101111 - -10101313 ）、）、分布电容极小分布电容极小（约（约0.5pF-2pF0.5pF-2pF）、）、最小直流最小直流冲击隔离电压很高冲击隔离电压很高（约为（约为0.5kV-50kV0.5kV-50kV）。）。 分布电容极小，使输出回路的信号或

37、噪声反馈到输入回分布电容极小，使输出回路的信号或噪声反馈到输入回路中的影响可以忽略不计；路中的影响可以忽略不计； 而且光耦具有单向传输性、受光侧的信号不会通过光电而且光耦具有单向传输性、受光侧的信号不会通过光电耦合形式传送到发光侧的输入回路。耦合形式传送到发光侧的输入回路。（4 4）响应速度快响应速度快。这使光电耦合器既可传输直流信号，。这使光电耦合器既可传输直流信号，也能传输几十千赫兹到几兆赫兹的脉冲信号。也能传输几十千赫兹到几兆赫兹的脉冲信号。（5 5）不受磁场影响，因此不需磁屏蔽措施不受磁场影响，因此不需磁屏蔽措施。（6 6）无机械触点，寿命长、可靠性高无机械触点，寿命长、可靠性高。（7

38、 7）体积小、重量轻，抗震动、抗冲击性能好。体积小、重量轻，抗震动、抗冲击性能好。（8 8）采用集成电路标准封装，）采用集成电路标准封装，使用方便，价格低廉使用方便，价格低廉。 7 智能仪器的抗干扰技术 28智能仪器原理与设计智能仪器原理与设计-朱欣华、邹丽新、朱桂荣编著高等教育出版社，普通高等教育高等教育出版社，普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材 图图7.127.12为常用光电耦合器的几种基本结构形式（其他结为常用光电耦合器的几种基本结构形式（其他结构形式的光电耦合器可查阅有关手册）。构形式的光电耦合器可查阅有关手册）。 7 智能仪器的抗干扰技术 4 3 2 1 6 5

39、 8 7 3 2 ( b ) ( c ) ( a ) 图 7 .1 2 光 电 耦 合 器 的 基 本 形 式 P C 1 2 0 L E 5 2 3 L T P 5 0 0 6 N 1 3 5 /6 N 1 3 6 6 5 8 7 3 2 6 N 1 3 8 /6 N 1 3 9 (a)(a)图所示的是图所示的是由发光二极管和平面型光由发光二极管和平面型光敏三极管组成的光电耦合器。敏三极管组成的光电耦合器。 这种光电耦合器的转换效率（电流传送这种光电耦合器的转换效率（电流传送比）为比）为6060左右，即：若输入端电流为左右，即：若输入端电流为10mA10mA，输出端最大能输出输出端最大能输出

40、6mA6mA左右的电流（光敏三极左右的电流（光敏三极管的集电极电流）。管的集电极电流）。 由于平面型光敏三极管的集电极由于平面型光敏三极管的集电极- -发射极发射极饱和压降小（为饱和压降小（为0.2V-0.3V0.2V-0.3V），因而光敏三极），因而光敏三极管的输出可与管的输出可与TTL/5VCOMSTTL/5VCOMS电平兼容。电平兼容。 此类光耦在智能仪器中此类光耦在智能仪器中应用广泛应用广泛。29智能仪器原理与设计智能仪器原理与设计-朱欣华、邹丽新、朱桂荣编著高等教育出版社，普通高等教育高等教育出版社，普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材 (b)(b)图所示的是图所

41、示的是由发光二极管和光敏二极由发光二极管和光敏二极管与三极管串接组成的光电耦合器管与三极管串接组成的光电耦合器。 受光元件是连在晶体管集电极受光元件是连在晶体管集电极- -基极之间基极之间的光敏二极管。当光敏二极管受光照射时，产的光敏二极管。当光敏二极管受光照射时，产生的光电流变成三极管基极电流并被三极管放生的光电流变成三极管基极电流并被三极管放大，在三极管的集电极输出。大，在三极管的集电极输出。 此类光电耦合器的响应速度比此类光电耦合器的响应速度比(a)(a)图所示图所示的光电耦合器快两个数量级，的光电耦合器快两个数量级，数据传输率数据传输率超过超过500kbps500kbps，可用于，可用

42、于RS232RS232、485485等通信接口的隔等通信接口的隔离。离。 7 智能仪器的抗干扰技术 4 3 2 1 6 5 8 7 3 2 ( b ) ( c ) ( a ) 图 7 .1 2 光 电 耦 合 器 的 基 本 形 式 P C 1 2 0 L E 5 2 3 L T P 5 0 0 6 N 1 3 5 /6 N 1 3 6 6 5 8 7 3 2 6 N 1 3 8 /6 N 1 3 9 30智能仪器原理与设计智能仪器原理与设计-朱欣华、邹丽新、朱桂荣编著高等教育出版社，普通高等教育高等教育出版社，普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材 (c)(c)图所示的是图

43、所示的是由发光二极管和达林由发光二极管和达林顿型光敏三极管组成的光电耦合器。顿型光敏三极管组成的光电耦合器。一般一般是在同一个一个芯片上的平面型光敏三极是在同一个一个芯片上的平面型光敏三极管后增加一个三极管，从而使两个三极管管后增加一个三极管，从而使两个三极管可连成达林顿方式。可连成达林顿方式。 此类光敏三极管的此类光敏三极管的特点特点是：电流传送是：电流传送比高，可达比高，可达100100- -500500，甚至可达，甚至可达10001000，因此集电极输出电流大。因此集电极输出电流大。 7 智能仪器的抗干扰技术 4 3 2 1 6 5 8 7 3 2 ( b ) ( c ) ( a ) 图

44、 7 .1 2 光 电 耦 合 器 的 基 本 形 式 P C 1 2 0 L E 5 2 3 L T P 5 0 0 6 N 1 3 5 /6 N 1 3 6 6 5 8 7 3 2 6 N 1 3 8 /6 N 1 3 9 31智能仪器原理与设计智能仪器原理与设计-朱欣华、邹丽新、朱桂荣编著高等教育出版社，普通高等教育高等教育出版社，普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材 2 2、光电耦合器在数字量输入、光电耦合器在数字量输入/ /输出通道中的应用输出通道中的应用 （1 1）光电耦合器在数字量输入通道中的应用）光电耦合器在数字量输入通道中的应用 图图中中R RI I为限流

45、电阻，为限流电阻，R RL L是光敏三极管的负载电阻。当代表是光敏三极管的负载电阻。当代表数字量输入的数字量输入的V VI I为高为高并驱动发光二极管导通从而使光敏三极管并驱动发光二极管导通从而使光敏三极管导通时，光耦的输出导通时，光耦的输出V VO O为低电平为低电平（TTLTTL逻辑逻辑0 0）；）；反之反之（即（即V VI I为为低时），低时），V VO O为高电平为高电平（TTLTTL逻辑逻辑1 1）。）。 7 智能仪器的抗干扰技术 若某型光耦的发光二极管在导通电流若某型光耦的发光二极管在导通电流为为I IF F10mA10mA时正向压降时正向压降V VF F=1.3V=1.3V，而其

46、光敏，而其光敏三极管导通时的压降三极管导通时的压降V Vcece0.4V0.4V，则，则R RI I和和R RL L选取选取方法如下（设方法如下（设输入信号逻辑输入信号逻辑1 1电平为电平为V VI I=12V=12V并取光敏三极管导通电流并取光敏三极管导通电流I IC C2mA2mA）：）：R RI I( (V VI I- -V VF F)/)/F F =(12-1.3)/10 =(12-1.3)/101.07K1.07K R RL L( (V VCCCC- -V Vcece)/)/C C(5-0.4)/2(5-0.4)/22.3K2.3K 32智能仪器原理与设计智能仪器原理与设计-朱欣华、

47、邹丽新、朱桂荣编著高等教育出版社，普通高等教育高等教育出版社，普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材 （2 2）光电耦合器在数字量输出通道中的应用）光电耦合器在数字量输出通道中的应用 达林顿型光电耦合器在智能仪器中实现数字量输出通道与外达林顿型光电耦合器在智能仪器中实现数字量输出通道与外界干扰源之间的电气隔离的一种方法如图界干扰源之间的电气隔离的一种方法如图7.147.14所示。所示。 图中，假设仪器的输出控制信号图中，假设仪器的输出控制信号V VO O是是CMOSCMOS反向器的输出，由反向器的输出，由于于CMOSCMOS门电路驱动电流小，因此增加了一级开关型晶体管驱动电门

48、电路驱动电流小，因此增加了一级开关型晶体管驱动电路。路。 7 智能仪器的抗干扰技术 当当V VO O为高时为高时，若，若R RF F的阻值选取合适，的阻值选取合适，则则T T导通，导通，I IF F在在10mA10mA左右，光耦中的发光左右，光耦中的发光二极管导通，达林顿型三极管亦导通，二极管导通，达林顿型三极管亦导通，驱驱动继电器动继电器J J吸合吸合，完成相关的控制。，完成相关的控制。 当当V VO O为低时为低时，T T截止，发光二极管不截止，发光二极管不导通，达林顿型三极管亦不导通，导通，达林顿型三极管亦不导通，继电器继电器J J处于释放状态处于释放状态。图中二极管。图中二极管D D用

49、于抑制瞬用于抑制瞬态反电势，保护光耦输出级。态反电势，保护光耦输出级。33智能仪器原理与设计智能仪器原理与设计-朱欣华、邹丽新、朱桂荣编著高等教育出版社，普通高等教育高等教育出版社，普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材 需注意的是，无论光电耦合器是用在数字量输入通道，需注意的是，无论光电耦合器是用在数字量输入通道，还是数字量输出通道，其还是数字量输出通道，其输入部分和输出部分必须分别采用输入部分和输出部分必须分别采用独立的电源。独立的电源。 如果两侧共用一个电源，就会使两侧形成共公的地线回如果两侧共用一个电源，就会使两侧形成共公的地线回路，从而使光电隔离作用失去意义。路，从

50、而使光电隔离作用失去意义。 一种方便的方法是采用市售隔离型一种方便的方法是采用市售隔离型DC-DCDC-DC电源，此时，电源，此时，将光耦的两侧分别与电源的相应侧相连。由于该类电源是隔将光耦的两侧分别与电源的相应侧相连。由于该类电源是隔离的，因此尽管两侧电源封装在一个模块内，也能为光耦的离的，因此尽管两侧电源封装在一个模块内，也能为光耦的两侧供电。两侧供电。 7 智能仪器的抗干扰技术 34智能仪器原理与设计智能仪器原理与设计-朱欣华、邹丽新、朱桂荣编著高等教育出版社，普通高等教育高等教育出版社，普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材7.3.27.3.2电磁式继电器的特性及应用

51、电磁式继电器的特性及应用 电磁式继电器的符号如图电磁式继电器的符号如图7.157.15所示。所示。 继电器继电器（用（用J J表示）的组成：表示）的组成： 励磁线圈；励磁线圈； 常开触点（只有常开触点（只有在励磁线圈通电在励磁线圈通电时才时才接通）；接通）； 常闭触点（励磁线圈不通电时接通）。常闭触点（励磁线圈不通电时接通）。 触点是继电器的执行机构，用它来接触点是继电器的执行机构，用它来接通和断开电路。通和断开电路。 7 智能仪器的抗干扰技术 35智能仪器原理与设计智能仪器原理与设计-朱欣华、邹丽新、朱桂荣编著高等教育出版社，普通高等教育高等教育出版社，普通高等教育“十一五十一五”国家级规划

52、教材国家级规划教材 智能仪器中智能仪器中通过继电器实现仪器与测通过继电器实现仪器与测控现场电气隔离的原理控现场电气隔离的原理如图如图7.167.16所示。所示。 当当A A点为高电平时，三极管点为高电平时，三极管T T饱和导通，饱和导通，继电器继电器J J吸合；吸合； 当当A A点为低电平时，三极管点为低电平时，三极管T T截止，继截止，继电器电器J J释放。释放。 7 智能仪器的抗干扰技术 J A VCC 图 7.16 继电器隔离 T IL D 在智能仪器通过控制继电器动作时，虽然其励磁线圈与仪在智能仪器通过控制继电器动作时，虽然其励磁线圈与仪器的输出接口存在直接电气连接，但其触点与仪器输出

53、接口电器的输出接口存在直接电气连接，但其触点与仪器输出接口电气隔离。气隔离。 一般地，一般地，继电器线圈的控制功率很小，而它所能控制的交、继电器线圈的控制功率很小，而它所能控制的交、直流负载回路的功率很大。直流负载回路的功率很大。 这样，这样，通过继电器避免了强电和弱电间的电气联系，实现通过继电器避免了强电和弱电间的电气联系，实现了隔离。了隔离。36智能仪器原理与设计智能仪器原理与设计-朱欣华、邹丽新、朱桂荣编著高等教育出版社，普通高等教育高等教育出版社，普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材 电磁式继电器电气隔离的电磁式继电器电气隔离的缺点缺点主要有：主要有：（1 1）有些

54、情况下有些情况下，励磁线圈所需的功率会超过仪器弱电，励磁线圈所需的功率会超过仪器弱电接口电路直接输出时所能提供的功率，因此接口电路直接输出时所能提供的功率，因此需加中间驱动级需加中间驱动级（见第（见第2 2章）；章）；（2 2）动作频率远低于半导体电子开关动作频率远低于半导体电子开关，连续动作间隔大，连续动作间隔大约在约在25ms-100ms25ms-100ms之间（第之间（第3 3章，模拟多路开关）；章，模拟多路开关）；（3 3）继电器通断时，）继电器通断时，触点因抖动产生电火花从而引发电触点因抖动产生电火花从而引发电气噪声而对主机造成干扰气噪声而对主机造成干扰； （4 4）使用寿命较低使用

55、寿命较低。 7 智能仪器的抗干扰技术 37智能仪器原理与设计智能仪器原理与设计-朱欣华、邹丽新、朱桂荣编著高等教育出版社，普通高等教育高等教育出版社，普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材7.3.37.3.3固态继电器的原理、特性及应用固态继电器的原理、特性及应用 前已述及，继电器通断时可能产生的电火花会引起干扰，前已述及，继电器通断时可能产生的电火花会引起干扰，因此实际应用中常使用因此实际应用中常使用无触点开关元件无触点开关元件固态继电器固态继电器（SSRSSR，Solid State RelaySolid State Relay）。）。 SSR SSR是利用电子元器件组成

56、的无触点电子开关器件，与电是利用电子元器件组成的无触点电子开关器件，与电磁继电器相比，具有磁继电器相比，具有工作可靠、驱动功率小、无触点、无噪工作可靠、驱动功率小、无触点、无噪声、抗干扰、开关速度快、寿命长声、抗干扰、开关速度快、寿命长等优点。等优点。 由于它能由于它能与与TTLTTL、HTLHTL、CMOSCMOS等数字电路兼容等数字电路兼容，因此应用，因此应用广泛。广泛。 7 智能仪器的抗干扰技术 38智能仪器原理与设计智能仪器原理与设计-朱欣华、邹丽新、朱桂荣编著高等教育出版社，普通高等教育高等教育出版社，普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材 1 1、固态继电器工作原

57、理、固态继电器工作原理 SSR SSR由输入、隔离由输入、隔离和和输出输出三部分组成。三部分组成。 根据其负载电源类型的不同，根据其负载电源类型的不同，SSRSSR可分为：可分为： 交流固态继电器交流固态继电器（AC-SSRAC-SSR），以双向可控硅作为开关元件），以双向可控硅作为开关元件用来接通或分断交流负载电源；用来接通或分断交流负载电源； 直流固态继电器直流固态继电器（DC-SSRDC-SSR），以功率晶体管作为开关元件），以功率晶体管作为开关元件用来接通或分断直流负载电源。用来接通或分断直流负载电源。 根据触发形式的不同，根据触发形式的不同，SSRSSR可分为可分为过零触发型固态继电

58、器过零触发型固态继电器和和随机导通型固态继电器随机导通型固态继电器。 当控制信号输入后，当控制信号输入后，过零触发型过零触发型SSRSSR总在交流电源为零电总在交流电源为零电压附近导通，产生的干扰小，一般用于压附近导通，产生的干扰小，一般用于SSRSSR受微机受微机I/OI/O接口控制接口控制的场合。的场合。随机导通型随机导通型SSRSSR则是在交流电源的任意状态下导通或则是在交流电源的任意状态下导通或关闭，在导通瞬间可能产生较大的干扰。关闭，在导通瞬间可能产生较大的干扰。 下面以下面以AC-SSRAC-SSR为例说明为例说明SSRSSR的工作原理。的工作原理。 7 智能仪器的抗干扰技术 39

59、智能仪器原理与设计智能仪器原理与设计-朱欣华、邹丽新、朱桂荣编著高等教育出版社，普通高等教育高等教育出版社，普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材 SSR SSR一般为一般为四端四端组件组件：两端两端为输入端为输入端，另两端为输出端另两端为输出端。结构如下图所结构如下图所示示。在输入端加一控制信号，就可以控制输出在输入端加一控制信号，就可以控制输出端的通断，完成开关功能。端的通断，完成开关功能。 7 智能仪器的抗干扰技术 由于由于输入、输出输入、输出间间通过通过光耦光耦进行进行隔离隔离，因此，因此切断切断了输入输出端的了输入输出端的电气联系电气联系。过过零电路零电路保证使输入

60、信保证使输入信号在开关器件两端电压号在开关器件两端电压过零瞬间触发开关器件过零瞬间触发开关器件，从而完成在电压过零，从而完成在电压过零条件下的通断动作，减条件下的通断动作，减少了开关过程所产生的少了开关过程所产生的干扰和污染干扰和污染。吸收回路吸收回路由由R R、C C组组成，其作用是防止成，其作用是防止电源中的尖峰电压、电源中的尖峰电压、浪涌电流对开关器浪涌电流对开关器件的冲击和干扰。件的冲击和干扰。40智能仪器原理与设计智能仪器原理与设计-朱欣华、邹丽新、朱桂荣编著高等教育出版社，普通高等教育高等教育出版社，普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材 2 2、固态继电器的特点