第七章智能仪器的抗干扰技术 接地技术6

1、7.1 干扰的产生及分类干扰的产生及分类 什么是干扰？什么是干扰？测控系统中，干扰是指叠加于有用信号上使原来有用信号发生测控系统中，干扰是指叠加于有用信号上使原来有用信号发生畸变，从而影响和破坏设备或系统正常工作的变化电量（噪声畸变，从而影响和破坏设备或系统正常工作的变化电量（噪声），产生干扰的主体被称作干扰源。），产生干扰的主体被称作干扰源。干扰与噪声的区别干扰与噪声的区别噪声是绝对的，它的产生或存在不受接收者的影响，是独立噪声是绝对的，它的产生或存在不受接收者的影响，是独立的，与有用信号无关。干扰是相对有用信号而言的，只有噪声的，与有用信号无关。干扰是相对有用信号而言的，只有噪声达到一定数

2、值、它和有用信号一起进入智能仪器并影响其正常达到一定数值、它和有用信号一起进入智能仪器并影响其正常工作才形成干扰。工作才形成干扰。 噪声与干扰是因果关系，噪声是干扰之因，干扰是噪声之果，噪声与干扰是因果关系，噪声是干扰之因，干扰是噪声之果，是一个量变到质变的过程。是一个量变到质变的过程。 干扰在满足一定条件时，可以消除。噪声在一般情况下，难干扰在满足一定条件时，可以消除。噪声在一般情况下，难以消除，只能减弱以消除，只能减弱 。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干扰的形成必须具备三个条件干扰的形成必须具备三个条件, ,即即干扰源、传输或耦合的通道干扰源、传输或耦合的通道以以及

3、及对干扰问题敏感的接收电路对干扰问题敏感的接收电路。为了解决智能仪器的抗干扰问题。为了解决智能仪器的抗干扰问题, ,首先必须找出干扰的来源以及干扰窜入系统的途径首先必须找出干扰的来源以及干扰窜入系统的途径, ,然后采取相然后采取相应的对策应的对策, ,抑制或消除干扰。抑制或消除干扰。7.1.1 7.1.1 干扰的来源干扰的来源产生干扰的原因十分复杂产生干扰的原因十分复杂, ,有时很难查找有时很难查找, ,归纳起来主要有以下归纳起来主要有以下几种情况：几种情况：(1) (1) 自然因素。自然因素。 例如例如, ,宇宙射线、太阳黑子、雷电等导致的干扰。宇宙射线、太阳黑子、雷电等导致的干扰。(2)

4、(2) 周围设备。周围设备。 例如例如, ,动力线路中的火花与电弧动力线路中的火花与电弧, ,汽车的点火装置汽车的点火装置, ,各种电机、各种电机、电气设备的接通与断开引起的电网冲击；高频设备、可控硅电气设备的接通与断开引起的电网冲击；高频设备、可控硅设备引起的电源波形畸变；电磁场发射、静电干扰等。设备引起的电源波形畸变；电磁场发射、静电干扰等。(3(3） 元器件物理性质。元器件物理性质。例如例如, ,分布电容、热噪声、散粒噪声等引起的干扰。分布电容、热噪声、散粒噪声等引起的干扰。(4(4） 结构设计不合理。例如结构设计不合理。例如, ,印刷板布线不合理印刷板布线不合理, ,元器件布设位元器件

5、布设位置不当等引起的干扰。置不当等引起的干扰。前两种属于外部原因引起的干扰前两种属于外部原因引起的干扰, ,后两种情况属于仪器本身引起后两种情况属于仪器本身引起的干扰的干扰。干扰串入仪器的渠道：干扰串入仪器的渠道：1 1、空间电磁场。通过电磁波辐射串入仪器，如雷电、无线电波等。、空间电磁场。通过电磁波辐射串入仪器，如雷电、无线电波等。2 2、传输通道。各种干扰通过仪器的输入输出通道串入，特别是长传、传输通道。各种干扰通过仪器的输入输出通道串入，特别是长传输线受到的干扰更严重。输线受到的干扰更严重。3 3、配电系统。如来自市电的工频干扰，它可以通过电源变压器分布、配电系统。如来自市电的工频干扰，

6、它可以通过电源变压器分布电容和各种电磁路径对测试系统产生影响。各种开关、可控硅的启闭，电容和各种电磁路径对测试系统产生影响。各种开关、可控硅的启闭，元器件的机械振动等都回对测试过程引起不同程度的干扰。元器件的机械振动等都回对测试过程引起不同程度的干扰。干扰窜入智能仪器的主要渠道干扰窜入智能仪器的主要渠道直接耦合方式直接耦合方式 7.1.2 干扰干扰的耦合方式的耦合方式 干扰源产生的干扰是通过耦合通道对智能仪器系统发生电磁干扰源产生的干扰是通过耦合通道对智能仪器系统发生电磁干扰作用的。一般可将耦合方式分为如下几种：干扰作用的。一般可将耦合方式分为如下几种： 干扰通过导线进入电路干扰通过导线进入电

7、路, ,称为传导耦合。电源线、输入输出称为传导耦合。电源线、输入输出线等都有可能将干扰引入仪器。线等都有可能将干扰引入仪器。在智能仪器系统中，干扰噪在智能仪器系统中，干扰噪声经过电源线耦合进入到微机电路是最常见的直接耦合现象。声经过电源线耦合进入到微机电路是最常见的直接耦合现象。 例如例如, ,由交流电源进线引入的高频干扰由交流电源进线引入的高频干扰, ,其频带甚宽其频带甚宽, ,这种高这种高频成分的干扰信号是在电网中大的负载切换时产生的。当电频成分的干扰信号是在电网中大的负载切换时产生的。当电网中有大的感性负荷或可控硅切换时网中有大的感性负荷或可控硅切换时, ,便会产生瞬时电压，便会产生瞬时

8、电压， 引起电网电压波形的畸变引起电网电压波形的畸变, ,如图如图7-17-1所示。这一干扰电压主要所示。这一干扰电压主要将沿着电源引入线将沿着电源引入线变压器变压器仪器系统仪器系统大地大地负载突变处负载突变处的途径传播。的途径传播。图图7-1 负载切换引起的电网电压畸变示意图负载切换引起的电网电压畸变示意图0Ut负载突变时的电压波形公共阻抗耦合方式公共阻抗耦合方式 在智能仪器中在智能仪器中, ,电路各部分之间经常是共用电源和地线的。这样电路各部分之间经常是共用电源和地线的。这样, ,电源和地线的阻抗就成了各部分之间的公共阻抗。当某部分的电电源和地线的阻抗就成了各部分之间的公共阻抗。当某部分的

9、电流经过公共阻抗时流经过公共阻抗时, ,阻抗的压降就成了其他部分的干扰信号。图阻抗的压降就成了其他部分的干扰信号。图7-27-2是公共电源内阻耦合干扰示意图是公共电源内阻耦合干扰示意图, ,仪器的仪器的N N个电路共用一个电个电路共用一个电源源, ,因内阻抗和线路阻抗的影响因内阻抗和线路阻抗的影响, ,电路电路N N中电流的任何变化均会影中电流的任何变化均会影响电路响电路1 1至至N N-1-1的工作。图的工作。图7-37-3是公共地线阻抗耦合干扰信号的示是公共地线阻抗耦合干扰信号的示意图。在图中（意图。在图中（a a）、（）、（b b）两种情况下）两种情况下, ,两部分电路的信号变化两部分电

10、路的信号变化会互相干扰会互相干扰, ,（c c）中的接地措施则可避免这种干扰。）中的接地措施则可避免这种干扰。电路1电源电源内阻线路阻抗电路 N图7-2 公共电源内阻耦合干扰示意图 公共阻抗耦合发生在两个电路的电流流经一个公共阻抗时，公共阻抗耦合发生在两个电路的电流流经一个公共阻抗时，噪声源在该阻抗上的电压降会影响到信号源所在电路。噪声源在该阻抗上的电压降会影响到信号源所在电路。 图 7-3 公共地线阻抗耦合干扰信号的示意图电容性耦合电容性耦合 ZiCmENUNABnimimNEZCjZCjU1NimNEZCjU 是指电位变化在干扰源与干扰对象之间引起的静电感应，又称是指电位变化在干扰源与干扰

11、对象之间引起的静电感应，又称静电耦合或电场耦合。智能仪器系统中元件之间、导线之间、静电耦合或电场耦合。智能仪器系统中元件之间、导线之间、导线与元件之间都存在着分布电容。如果某一个导体上的信号导线与元件之间都存在着分布电容。如果某一个导体上的信号电压通过分布电容使其他导体上的电位受到影响，这样的现象电压通过分布电容使其他导体上的电位受到影响，这样的现象就称为电容性耦合。就称为电容性耦合。图 7-4 两根平行导线之间的静电耦合 图中图中1 1号导线对号导线对2 2号导线有分布电容号导线有分布电容C C1212存在存在, ,两根导线对两根导线对地分别有地分别有C C1g1g和和C C2g2g存在。如

12、果存在。如果1 1号导线上有干扰源号导线上有干扰源U U1 1存在存在, ,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 1g21212nU1)CC(RjRCjU)(1212gCCjR当连至当连至2号导线上的电阻号导线上的电阻R满足下述条件满足下述条件 （7-1） (7-2) 则上式可简化为则上式可简化为Un=jRCUn=jRC1212U U1 1 从上式可以看出从上式可以看出, , 越大越大, , U Un n越大；越大；R R越大越大, , U Un n越大；越大；C C1212越越大大, , U Un n越大。越大。 (7-3) 电磁感应耦合方式电磁感应耦合方式 NNMIj

13、UUNMIN又称为磁场耦合。在任何载流导体周围空间都会产生磁场，若磁又称为磁场耦合。在任何载流导体周围空间都会产生磁场，若磁场是交变的，则对其周围闭合电路产生感应电势。在设备内部，场是交变的，则对其周围闭合电路产生感应电势。在设备内部，线圈或变压器的漏磁是一个很大的干扰；在设备外部，当两根导线圈或变压器的漏磁是一个很大的干扰；在设备外部，当两根导线在很长的一段区间架设时，也会产生干扰。线在很长的一段区间架设时，也会产生干扰。两导线间的磁场耦合对图对图7-57-5所示的两条平行线而言所示的两条平行线而言, ,它们之间它们之间的互感的互感M M可以用下式表示：可以用下式表示：ldHldldddll

14、lM722210)(1log2 (7-4) 图图 7-5两条平行导线线路两条平行导线线路式中式中, , l l为导线长度；为导线长度；d d为导线间距。当为导线间距。当ldld时时 通常通常, ,当有电磁耦合时当有电磁耦合时, ,若感应侧导线的电流为若感应侧导线的电流为I In n, ,则感应电压则感应电压E Em m可可用下式表示：用下式表示： E Em m = =jMIjMIn n (7-6)(7-6)HdllM71012log2 (7-5) 另外另外, ,智能仪器内部线圈或变压器的漏磁是对邻近电路是一智能仪器内部线圈或变压器的漏磁是对邻近电路是一种比较严重的干扰。图种比较严重的干扰。图7

15、-67-6是这种干扰形成的示意图。是这种干扰形成的示意图。 图中图中I In n表示干扰源表示干扰源, , M M表示两部分电路之间的互感系数表示两部分电路之间的互感系数, , U Un n是通过电磁耦合在被干扰电路感应的干扰电压。设干扰信是通过电磁耦合在被干扰电路感应的干扰电压。设干扰信号的角频率为号的角频率为, ,则则U Un n为为 U Un n = =jMIjMIn n (7-7)(7-7)图图7-6 M耦合示意图耦合示意图MUnIn大功率的高频电气设备，广播、电视、通信发射台等，不断地大功率的高频电气设备，广播、电视、通信发射台等，不断地向外发射电磁波。智能仪器若置于这种发射场中就会

16、感应到与向外发射电磁波。智能仪器若置于这种发射场中就会感应到与发射电磁场成正比的感应电势，这种感应电势进入电路就形成发射电磁场成正比的感应电势，这种感应电势进入电路就形成干扰。干扰。 辐射耦合方式辐射耦合方式 漏电耦合漏电耦合 漏电耦合是电阻性耦合方式。当相邻的元件或导线间的绝缘漏电耦合是电阻性耦合方式。当相邻的元件或导线间的绝缘电阻降低时，有些电信号便通过这个降低了的绝缘电阻耦合电阻降低时，有些电信号便通过这个降低了的绝缘电阻耦合到逻辑元件的输入端而形成干扰。到逻辑元件的输入端而形成干扰。7.1.3 7.1.3 干扰的分类干扰的分类干扰的类型通常按噪声产生的原因、噪声传导模式和噪声波形的干扰

17、的类型通常按噪声产生的原因、噪声传导模式和噪声波形的性质不同进行划分。性质不同进行划分。从噪声产生的原因分类从噪声产生的原因分类 1)1)放电噪声放电噪声雷电、静电、电动机的电刷跳动、大功率开关触点断开等放电产雷电、静电、电动机的电刷跳动、大功率开关触点断开等放电产生的干扰。生的干扰。 2) 2) 高频振荡噪声高频振荡噪声中频电弧炉、感应电炉、开关电源、直流中频电弧炉、感应电炉、开关电源、直流- -交流变换器等产生高频交流变换器等产生高频振荡时形成的噪声。振荡时形成的噪声。 3) 3) 浪涌噪声浪涌噪声交流系统中电动机启动电流、电炉合闸电流、开关调节器的导通交流系统中电动机启动电流、电炉合闸电

18、流、开关调节器的导通电流以及晶闸管变流器等设备产生涌流引起的噪声。电流以及晶闸管变流器等设备产生涌流引起的噪声。这些干扰对智能仪器系统都有严重的影响，尤其以各类开关分断这些干扰对智能仪器系统都有严重的影响，尤其以各类开关分断电感性负载所产生的干扰最难以抑制或消除。电感性负载所产生的干扰最难以抑制或消除。按噪声的传导模式分类按噪声的传导模式分类 1)1)常模噪声常模噪声又称线间感应噪声或对称噪声，也称为串模噪声又称线间感应噪声或对称噪声，也称为串模噪声或差动噪声、横向噪声等。在这种线路里，噪声电流和信号电或差动噪声、横向噪声等。在这种线路里，噪声电流和信号电流的路径在往返两条线上是一致的。这种噪

19、声一般难以除掉。流的路径在往返两条线上是一致的。这种噪声一般难以除掉。 2)2)共模噪声共模噪声又叫地感应噪声、纵向噪声或不对称噪声。这种又叫地感应噪声、纵向噪声或不对称噪声。这种噪声侵入线路和地线间，噪声电流在两条线上各流过一部分，噪声侵入线路和地线间，噪声电流在两条线上各流过一部分，以地为公共回路，而信号电流只在往返两条线路中流过。这种以地为公共回路，而信号电流只在往返两条线路中流过。这种噪声是可消除的。抑制共模噪声的方法很多，如屏蔽、接地、噪声是可消除的。抑制共模噪声的方法很多，如屏蔽、接地、隔离等。隔离等。按噪声波形及性质分类按噪声波形及性质分类1)1)持续正弦波：持续正弦波：多以频率

20、和幅值等特征值表示多以频率和幅值等特征值表示2)2)偶发脉冲电压波形：偶发脉冲电压波形：多以最高幅值、前沿上升陡度、脉宽以多以最高幅值、前沿上升陡度、脉宽以及能量等特征表示。如雷击波、接点分断电压负载、静电放电及能量等特征表示。如雷击波、接点分断电压负载、静电放电等波形。等波形。3)3)脉冲列：脉冲列：多以最高幅值、前沿上升陡度、单个脉宽以及脉冲多以最高幅值、前沿上升陡度、单个脉宽以及脉冲序列持续时间等特征表示。如接点分断电感负载、接点反复重序列持续时间等特征表示。如接点分断电感负载、接点反复重燃过电压等。燃过电压等。按噪声的来源分类按噪声的来源分类1) 1) 外部干扰：外部干扰：指那些与系统

21、结构无关，由使用条件和外界环境指那些与系统结构无关，由使用条件和外界环境因素所决定的干扰。主要来自自然界的干扰以及周围电气设备因素所决定的干扰。主要来自自然界的干扰以及周围电气设备的干扰。的干扰。2)2)内部干扰内部干扰：指装置内部的各种元件引起的各种干扰。包括固指装置内部的各种元件引起的各种干扰。包括固定干扰和过渡干扰。过渡干扰是电路在动态工作时引起的干扰。定干扰和过渡干扰。过渡干扰是电路在动态工作时引起的干扰。固定干扰包括热噪声、散粒噪声以及接触噪声等。固定干扰包括热噪声、散粒噪声以及接触噪声等。7.2 7.2 抑制电磁干扰的主要技术抑制电磁干扰的主要技术一、抑制电磁干扰的基本方法一、抑制

22、电磁干扰的基本方法 o消除或抑制噪声源消除或抑制噪声源 o破坏干扰的耦合通道破坏干扰的耦合通道 o消除接收电路对干扰的敏感性消除接收电路对干扰的敏感性 o采用软件抑制干扰采用软件抑制干扰 要消除干扰要消除干扰, ,只要能够去掉形成干扰的三个基本条件之只要能够去掉形成干扰的三个基本条件之一即可。首先是清除或抑制干扰源一即可。首先是清除或抑制干扰源, ,这是最积极、主动的这是最积极、主动的措施。内部干扰源可以通过合理的电气设计在一定程度措施。内部干扰源可以通过合理的电气设计在一定程度上予以消除；外部干扰源有的可以采取措施给以抑制或上予以消除；外部干扰源有的可以采取措施给以抑制或消除。例如消除。例如

23、, ,各种电接点在通断时产生的电火花是较强的各种电接点在通断时产生的电火花是较强的干扰源干扰源, ,可以采取触点消弧来抑制干扰可以采取触点消弧来抑制干扰, ,也可以在触点上也可以在触点上并接消弧电容。但是并接消弧电容。但是, ,有些外部干扰源是难以消除甚至是有些外部干扰源是难以消除甚至是不可能消除的不可能消除的, ,例如仪表以外的其他用电设备、雷电等造例如仪表以外的其他用电设备、雷电等造成的干扰。所以成的干扰。所以, ,可以认为干扰源一般总是存在的可以认为干扰源一般总是存在的, ,只能只能从其他方面采取措施来解决。从其他方面采取措施来解决。 其次其次, ,对于接收干扰的敏感单元对于接收干扰的敏

24、感单元, ,虽然可以在设计时从元器件的虽然可以在设计时从元器件的选取、电路的布置、放大器的输入阻抗的适当改变、负反馈选取、电路的布置、放大器的输入阻抗的适当改变、负反馈或选频技术的采取等加以改善或选频技术的采取等加以改善, ,但回旋余地也不大但回旋余地也不大, ,因为一般因为一般不能为了抗干扰而改变系统的工作原理或降低系统的灵敏度。不能为了抗干扰而改变系统的工作原理或降低系统的灵敏度。再次是破坏干扰的传输通道再次是破坏干扰的传输通道, ,抗干扰的主要工作是围绕这一部抗干扰的主要工作是围绕这一部分展开的分展开的。值得注意的是。值得注意的是, ,不管采用什么样的措施或者多个措不管采用什么样的措施或

25、者多个措施施, ,要想在一个系统中完全消除干扰是不可能的要想在一个系统中完全消除干扰是不可能的, ,只能尽量去只能尽量去减少干扰减少干扰, ,保证系统的正常工作。只要不影响系统的正常工作保证系统的正常工作。只要不影响系统的正常工作及所要求的测量控制精度及所要求的测量控制精度, ,就不必过于苛求。因此就不必过于苛求。因此, ,下面将要下面将要讨论的各种抗干扰技术并不是每一个系统都需要讨论的各种抗干扰技术并不是每一个系统都需要, ,更不是一个更不是一个系统同时采用这些抗干扰措施系统同时采用这些抗干扰措施, ,而是根据系统的具体情况而是根据系统的具体情况, ,选选用其中的一种或几种。用其中的一种或几

26、种。屏蔽就是对两个空间区域之间进行金属的隔离，以控制电场、屏蔽就是对两个空间区域之间进行金属的隔离，以控制电场、磁场和电磁波由一个区域对另一个区域的感应和辐射。具体讲，磁场和电磁波由一个区域对另一个区域的感应和辐射。具体讲，就是用屏蔽体将元部件、电路、组合件、电缆或整个系统的干就是用屏蔽体将元部件、电路、组合件、电缆或整个系统的干扰源包围起来，防止干扰电磁场向外扩散；用屏蔽体将接收电扰源包围起来，防止干扰电磁场向外扩散；用屏蔽体将接收电路、设备或系统包围起来，防止它们受到外界电磁场的影响。路、设备或系统包围起来，防止它们受到外界电磁场的影响。因为屏蔽体对来自导线、电缆、元部件、电路或系统等外部

27、的因为屏蔽体对来自导线、电缆、元部件、电路或系统等外部的干扰电磁波和内部电磁波均起着吸收能量、反射能量（电磁波干扰电磁波和内部电磁波均起着吸收能量、反射能量（电磁波在屏蔽体上的界面反射）和抵消能量（电磁感应在屏蔽层上产在屏蔽体上的界面反射）和抵消能量（电磁感应在屏蔽层上产生反向电磁场，可抵消部分干扰电磁波）的作用，所以屏蔽体生反向电磁场，可抵消部分干扰电磁波）的作用，所以屏蔽体具有减弱干扰的功能。具有减弱干扰的功能。 二、抑制电磁干扰的基本措施二、抑制电磁干扰的基本措施 1 1、屏蔽、屏蔽 ：静电屏蔽；电磁屏蔽；低频磁屏蔽静电屏蔽；电磁屏蔽；低频磁屏蔽静电屏蔽静电屏蔽+Q+Q+QAAABB用完

28、整的金属屏蔽体将带正电导体包围起来，在屏蔽体的内侧用完整的金属屏蔽体将带正电导体包围起来，在屏蔽体的内侧将感应出与带电导体等量的负电荷，外侧出现与带电导体等量将感应出与带电导体等量的负电荷，外侧出现与带电导体等量的正电荷，如果将金属屏蔽体接地，则外侧的正电荷将流入大的正电荷，如果将金属屏蔽体接地，则外侧的正电荷将流入大地，外侧将不会有电场存在，即带正电导体的电场被屏蔽在金地，外侧将不会有电场存在，即带正电导体的电场被屏蔽在金属屏蔽体内。属屏蔽体内。 电屏蔽的实质是减小两个设备（或两个电路、组件、元件）间电屏蔽的实质是减小两个设备（或两个电路、组件、元件）间电场感应的影响。电屏蔽的原理是在保证良

29、好接地的条件下，电场感应的影响。电屏蔽的原理是在保证良好接地的条件下，将干扰源所产生的干扰终止于由良导体制成的屏蔽体。因此，将干扰源所产生的干扰终止于由良导体制成的屏蔽体。因此，接地良好接地良好及及选择良导体做为屏蔽体选择良导体做为屏蔽体是电屏蔽能否起作用的两个是电屏蔽能否起作用的两个关键因素。关键因素。电磁屏蔽电磁屏蔽电磁干扰电磁干扰(Electromagnetic Interference)(Electromagnetic Interference)能量通过传导性耦能量通过传导性耦合和辐射性耦合来进行传输。为满足电磁兼容性要求，对传导合和辐射性耦合来进行传输。为满足电磁兼容性要求，对传导性

30、耦合需采用滤波技术，即采用滤波器件加以抑制；对雷达、性耦合需采用滤波技术，即采用滤波器件加以抑制；对雷达、电台等高频电磁场辐射干扰则需采用屏蔽技术加以抑制。电台等高频电磁场辐射干扰则需采用屏蔽技术加以抑制。电磁屏蔽的原理是由金属屏蔽体通过对电磁波的反射和吸收来电磁屏蔽的原理是由金属屏蔽体通过对电磁波的反射和吸收来屏蔽辐射干扰源的远区场，即同时屏蔽场源所产生的电场和磁屏蔽辐射干扰源的远区场，即同时屏蔽场源所产生的电场和磁场分量。由于随着频率的增高，波长变得与屏蔽体上孔缝的尺场分量。由于随着频率的增高，波长变得与屏蔽体上孔缝的尺寸相当，从而导致屏蔽体的孔缝泄漏成为电磁屏蔽最关键的控寸相当，从而导致

31、屏蔽体的孔缝泄漏成为电磁屏蔽最关键的控制要素。制要素。ieeN电磁屏蔽和静电屏蔽有相同点也有不同点。相同点是都应电磁屏蔽和静电屏蔽有相同点也有不同点。相同点是都应用高电导率的金属材料来制作；不同点是静电屏蔽只能消用高电导率的金属材料来制作；不同点是静电屏蔽只能消除电容耦合，防止静电感应，屏蔽必须除电容耦合，防止静电感应，屏蔽必须接地接地。而电磁屏蔽。而电磁屏蔽是使电磁场只能透入屏蔽体一薄层，借涡流消除电磁场的是使电磁场只能透入屏蔽体一薄层，借涡流消除电磁场的干扰，这种屏蔽体可不干扰，这种屏蔽体可不接地接地。但因用作电磁屏蔽的导体增。但因用作电磁屏蔽的导体增加了静电耦合，因此即使只进行电磁屏蔽，

32、也还是加了静电耦合，因此即使只进行电磁屏蔽，也还是接地接地为为好，这样电磁屏蔽也同时起静电屏蔽作用。好，这样电磁屏蔽也同时起静电屏蔽作用。磁场屏蔽用以防磁铁、电机、变压器、线圈等磁感应，其屏蔽磁场屏蔽用以防磁铁、电机、变压器、线圈等磁感应，其屏蔽方法是用高导磁材料使磁路闭合，一般接大地为好。方法是用高导磁材料使磁路闭合，一般接大地为好。磁屏蔽的磁屏蔽的原理是由屏蔽体对干扰磁场提供低磁阻的磁通路，从而对干扰原理是由屏蔽体对干扰磁场提供低磁阻的磁通路，从而对干扰磁场进行分流。因而选择钢、铁、坡莫合金等高磁导率的材料磁场进行分流。因而选择钢、铁、坡莫合金等高磁导率的材料和设计盒、壳等封闭壳体成为磁屏

33、蔽的两个关键因素。和设计盒、壳等封闭壳体成为磁屏蔽的两个关键因素。低频磁屏蔽低频磁屏蔽 2 2、接地、接地 接地的目的与作用 保证人身和设备安全的需要 抑制干扰的需要 地线的种类 保护地线 信号源地线 信号地线 负载地线 屏蔽层地线 各种地线的处理原则 低频电路的一点接地原则 高频电路的多点接地原则 强电地线与信号地线分开设置 模拟信号地线与数字信号地分开设置接地方法 埋设铜板 接地棒 网状(辐射状)地线3、浮置、浮置 又称浮空、浮接，是指智能仪器的输入信号的公共线又称浮空、浮接，是指智能仪器的输入信号的公共线( (即模拟即模拟信号地信号地) )不接机壳或大地，测量放大器与机壳或大地之间无直不

34、接机壳或大地，测量放大器与机壳或大地之间无直接联系。浮置的目的在于阻断干扰电流的通路。接联系。浮置的目的在于阻断干扰电流的通路。 显示测量RHRLRS0.1RC0.1Ecm1k1kC1C2C34、对称电路、对称电路 RS1RS2US2US1RL1RL2UN2UN1IN2IN1ULIS5、隔离技术、隔离技术 电路电路隔离变压器Ucm6、滤波、滤波 滤波是一种只允许某一频带信号通过或只阻滤波是一种只允许某一频带信号通过或只阻止某一频带信号通过的抑制干扰措施之一。滤波止某一频带信号通过的抑制干扰措施之一。滤波方式有方式有无源滤波无源滤波、有源滤波有源滤波和和数字滤波数字滤波，它主要，它主要应用于信号

35、滤波和电源滤波。应用于信号滤波和电源滤波。 接地技术起源于强电接地技术起源于强电, ,其概念是将电网的零线及各种设备的其概念是将电网的零线及各种设备的外壳接大地外壳接大地, ,以起到保障人身和设备安全的目的。在智能设以起到保障人身和设备安全的目的。在智能设备中接地的概念又有了新的内涵备中接地的概念又有了新的内涵, ,这里的这里的“地地”是指输入信是指输入信号与输出信号的公共零电位号与输出信号的公共零电位, ,它本身可能是与大地相隔离的它本身可能是与大地相隔离的, ,而接地不仅是保护人身和设备的安全而接地不仅是保护人身和设备的安全, ,也是抑制噪声干扰也是抑制噪声干扰, ,保保证系统工作稳定的关

36、键技术。在设计和安装使用过程中证系统工作稳定的关键技术。在设计和安装使用过程中, ,如如果能把接地和屏蔽正确地结合起来使用果能把接地和屏蔽正确地结合起来使用, ,是可以抑制大部分是可以抑制大部分干扰的。干扰的。7.3接地与隔离技术接地与隔离技术智能仪表系统接地的主要目的：消除各电路电流流经一公智能仪表系统接地的主要目的：消除各电路电流流经一公共地线阻抗时所产生的噪声电压共地线阻抗时所产生的噪声电压;避免磁场和地电位差的影避免磁场和地电位差的影响响,不使其形成地环路不使其形成地环路,避免噪声耦合避免噪声耦合. 7.3.1 接地技术接地技术智能仪表系统的接地可分为两类智能仪表系统的接地可分为两类:

37、 :一种是保护接地，一种是保护接地，就是防止就是防止设备设备的绝缘层损坏而使外壳带电或的绝缘层损坏而使外壳带电或其它不带电工作的金属部件带电伤人而作的接地。其它不带电工作的金属部件带电伤人而作的接地。一种是工作接地，一种是工作接地，是为电路正常工作而提供的一个基准电位。是为电路正常工作而提供的一个基准电位。这个基准电位一般设定为零。当该基准电位不与大地连接时，视这个基准电位一般设定为零。当该基准电位不与大地连接时，视为相对的零电位。但这种相对的零电位是不稳定的。当该基准电为相对的零电位。但这种相对的零电位是不稳定的。当该基准电位与大地连接时，基准电位视为大地的零电位位与大地连接时，基准电位视为

38、大地的零电位，可以保证系统稳，可以保证系统稳定可靠的运行定可靠的运行, ,防止地环路引起干扰。防止地环路引起干扰。系统地是上述几种地的最终回流点，直接与大地相连。系统地是上述几种地的最终回流点，直接与大地相连。 工作接地工作接地可可分为，直流地、交流地、数字地、模拟地、信号地、分为，直流地、交流地、数字地、模拟地、信号地、电源地电源地、系统地、系统地等。等。 信号地信号地：是各种物理量信号源零电位的公共基准地线。是各种物理量信号源零电位的公共基准地线。通常通常为传感器的地。为传感器的地。由于信号一般都较弱，易受干扰，不合理得由于信号一般都较弱，易受干扰，不合理得接地会使电路产生干扰，因此对信号

39、地的要求较高。接地会使电路产生干扰，因此对信号地的要求较高。数字地：也叫逻辑地，是各种开关量（数字量）信号的零电位。数字地：也叫逻辑地，是各种开关量（数字量）信号的零电位。模拟地：是各种模拟量信号的零电位。模拟地：是各种模拟量信号的零电位。交流地：交流供电电源的零线交流地：交流供电电源的零线。应与地线区别开应与地线区别开 。零线是回路的。零线是回路的一部分，电器工作时，零线上有电流通过。一部分，电器工作时，零线上有电流通过。 地线不构成电器回路，地线不构成电器回路，它是电器的漏电保护装置的一部分，在正常情况下，没有电流通过。它是电器的漏电保护装置的一部分，在正常情况下，没有电流通过。 直流地：

40、直流供电电源的地。直流地：直流供电电源的地。电源地一般是电源的负极。电源地一般是电源的负极。 屏蔽地：也叫机壳地或安全地，为防止静电感应和磁场感应而设。屏蔽地：也叫机壳地或安全地，为防止静电感应和磁场感应而设。图图7-10 接地的接地的3种方式种方式1 1、正确选择单点接地与多点接地。当信号频率小于、正确选择单点接地与多点接地。当信号频率小于1MHz1MHz时，时，应尽量采用单点并联接地，实际布线有困难时，可部分串联后应尽量采用单点并联接地，实际布线有困难时，可部分串联后再并联接地；当频率大于再并联接地；当频率大于10MHz10MHz时，时，寄生电容和电感的影响较寄生电容和电感的影响较大大宜采

41、用多点接地；当信号频率在宜采用多点接地；当信号频率在110MHzMHz之间时，如地线长之间时，如地线长度不超过波长的度不超过波长的1/201/20，可用单点接地。，可用单点接地。3 3种接地方式如图种接地方式如图7-107-10所示。所示。接地的方法及原则接地的方法及原则2、将数字地、模拟地、电源地等分开走线，在一点上可靠、将数字地、模拟地、电源地等分开走线，在一点上可靠连接。如图连接。如图711所示。所示。 图图711 数字地与模拟地的正确连接数字地与模拟地的正确连接3 3、交流地与信号地不能共用。、交流地与信号地不能共用。由于在一段电源地线的两点间会由于在一段电源地线的两点间会有数有数mV

42、mV甚至几甚至几V V电压，对低电平信号电路来说，这是一个非常重电压，对低电平信号电路来说，这是一个非常重要的干扰，因此必须加以隔离和防止。要的干扰，因此必须加以隔离和防止。 4 4、浮地与接地。、浮地与接地。系统浮地，是将系统电路的各部分地线浮置起来，不与大地相系统浮地，是将系统电路的各部分地线浮置起来，不与大地相连。这种接法，有一定抗干扰能力。但系统与地的绝缘电阻不连。这种接法，有一定抗干扰能力。但系统与地的绝缘电阻不能小于能小于50M50M，一旦绝缘性能下降，就会带来干扰。通常采用，一旦绝缘性能下降，就会带来干扰。通常采用系系统浮地，机壳接地，统浮地，机壳接地，可使抗干扰能力增强，安全可

43、靠。可使抗干扰能力增强，安全可靠。浮地方式的有效性取决于实际的悬浮程度，因为系统存在较大浮地方式的有效性取决于实际的悬浮程度，因为系统存在较大的分布电容，很难实现并保护真正的悬浮，因此提出一种的分布电容，很难实现并保护真正的悬浮，因此提出一种浮空浮空加保护屏蔽层的接地加保护屏蔽层的接地方案，即采用屏蔽方法使输入信号的方案，即采用屏蔽方法使输入信号的“模模拟地拟地”浮空，从而达到抑制干扰的目的。浮空，从而达到抑制干扰的目的。 。图图7-12 浮地屏蔽浮地屏蔽Ucm)ZZ)(ZZ(ZZZZZZUin2c2s1c1s1c2s2c1s3c3s在仪器中，对各种地的处理一般采用分别回流法单点接地。模在仪器

44、中，对各种地的处理一般采用分别回流法单点接地。模拟地、数字地、安全地的分别回流法如图拟地、数字地、安全地的分别回流法如图7-137-13所示。所示。 图图7-13 分别回流法接地示例图分别回流法接地示例图7.3.2 隔离技术隔离技术智能仪器的信号输入智能仪器的信号输入/ /输出通道直接与对象相连，干扰会沿通输出通道直接与对象相连，干扰会沿通道进入系统，使用隔离技术切断对象与通道之间的环路电流是道进入系统，使用隔离技术切断对象与通道之间的环路电流是一种有效抑制干扰的方法。可采用的器件有变压器和光电耦合一种有效抑制干扰的方法。可采用的器件有变压器和光电耦合器等。器等。变压器可用于电源隔离和信号隔离

45、。电源隔离的目的是把仪器变压器可用于电源隔离和信号隔离。电源隔离的目的是把仪器的供电电源与电网隔离，这种情况下变压器隔离的电路结构如的供电电源与电网隔离，这种情况下变压器隔离的电路结构如图图7-14 7-14 所示。所示。图图7-14 智能仪器的电源隔离示意图智能仪器的电源隔离示意图一般使用脉冲变压器实现数字信号的隔离。脉冲变压器的匝数较一般使用脉冲变压器实现数字信号的隔离。脉冲变压器的匝数较少，而且一次和二次的绕组分别缠绕在铁氧体磁芯的两侧，分布少，而且一次和二次的绕组分别缠绕在铁氧体磁芯的两侧，分布电容仅几皮法，所以可作为脉冲信号的隔离器件。电容仅几皮法，所以可作为脉冲信号的隔离器件。下图

46、所示电路外部输入信号经下图所示电路外部输入信号经RCRC滤波电路输入到脉冲隔离变压器，滤波电路输入到脉冲隔离变压器，以抑制常模噪声。为了防止过高的对称信号击穿电路元件，脉冲以抑制常模噪声。为了防止过高的对称信号击穿电路元件，脉冲变压器的二次侧输出电压被稳压管限幅后进入智能仪器系统内部。变压器的二次侧输出电压被稳压管限幅后进入智能仪器系统内部。 图图7-15 脉冲变压器隔离法示意图脉冲变压器隔离法示意图 光电耦合器件是以光为媒介传输信号的集成化器件。采用光电光电耦合器件是以光为媒介传输信号的集成化器件。采用光电耦合器可以将主机与前向、后向以及其他主机部分切断电路的耦合器可以将主机与前向、后向以及

47、其他主机部分切断电路的联系联系, ,以有效地防止干扰从过程通道进入主机。图以有效地防止干扰从过程通道进入主机。图7-167-16为常用为常用光电耦合器的几种基本结构形式光电耦合器的几种基本结构形式, ,其中图其中图7-167-16（a a）为由发光二）为由发光二极管和平面型光敏三极管组成的光电耦合器。光敏三极管的输极管和平面型光敏三极管组成的光电耦合器。光敏三极管的输出可与出可与TTLTTL电平兼容电平兼容, ,加之此类光电耦合器的响应频率能满足一加之此类光电耦合器的响应频率能满足一般测控系统的需要般测控系统的需要, ,因此因此, ,在智能仪器中应用广泛。在智能仪器中应用广泛。1243发光二极

48、管光敏三极管(a)1265发光二极管光敏二极管(b)341265发光二极管光敏三极管(c)34图 7-16 光电耦合器的基本结构形式 图图7-107-10（b b）所示的是由发光二极管和光敏二极管与三极管串）所示的是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。受光元件是连在晶体管集电极接组成的光电耦合器。受光元件是连在晶体管集电极基极基极之间的光敏二极管。当光敏二极管受光照射时之间的光敏二极管。当光敏二极管受光照射时, ,产生的光电流产生的光电流变成三极管基极电流并被三极管放大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。在三极管的集电极输出。此类光电耦合器的特点是响应

49、速度非常快。此类光电耦合器的特点是响应速度非常快。1243发光二极管光敏三极管(a)1265发光二极管光敏二极管(b)341265发光二极管光敏三极管(c)34图 7-16 光电耦合器的基本结构形式 图图7-107-10（c c）所示的是由发光二极管和达林顿型光敏三极管组成）所示的是由发光二极管和达林顿型光敏三极管组成的光电耦合器。一般是在一个芯片上的平面型光敏三极管后增的光电耦合器。一般是在一个芯片上的平面型光敏三极管后增加一个三极管加一个三极管, ,从而使两个三极管连成达林顿方式。此类光敏三从而使两个三极管连成达林顿方式。此类光敏三极管的特点是：极管的特点是： 放大系数大放大系数大, ,光

50、感度好光感度好, ,转换效率高。因此转换效率高。因此, ,集集电极输出电流大（可作固态继电器）。不过此类光电耦合器的电极输出电流大（可作固态继电器）。不过此类光电耦合器的集电极集电极发射发射极的饱和压降大极的饱和压降大, ,不宜作为不宜作为TTLTTL的驱动极的驱动极, ,并且响应并且响应速度也较低。速度也较低。 图 7-16 光电耦合器的基本结构形式1243发光二极管光敏三极管(a)1265发光二极管光敏二极管(b)341265发光二极管光敏三极管(c)34 光电耦合的主要优点是能有效地抑制尖峰脉冲及各种噪声干光电耦合的主要优点是能有效地抑制尖峰脉冲及各种噪声干扰扰, ,从而使过程通道上的信

51、噪比大大提高。光电耦合具有很从而使过程通道上的信噪比大大提高。光电耦合具有很强的抗干扰能力强的抗干扰能力, ,这是因为：这是因为： 光电耦合器的输入阻抗很小光电耦合器的输入阻抗很小, ,一般为一般为100 100 1 k,1 k,而干而干扰源内阻一般很大扰源内阻一般很大, ,通常为通常为10105 510108 8 。根据分压原理可知。根据分压原理可知, ,这时能馈送到光电耦合器输入端的噪声自然会很小。这时能馈送到光电耦合器输入端的噪声自然会很小。 干扰噪声虽有较大的电压幅度干扰噪声虽有较大的电压幅度, ,但所能提供的能量却很小但所能提供的能量却很小, ,只能形成微弱的电流。而光电耦合器输入部

52、分的发光二极管只能形成微弱的电流。而光电耦合器输入部分的发光二极管只有在通过一定强度的电流时才能发光；输出部分的光敏三只有在通过一定强度的电流时才能发光；输出部分的光敏三极管也只在一定光强下才能工作。因此极管也只在一定光强下才能工作。因此, ,既使有很高的电压既使有很高的电压幅值的干扰幅值的干扰, ,由于不能提供足够的电流而不能使二极管发光由于不能提供足够的电流而不能使二极管发光, ,从而被抑制掉了。从而被抑制掉了。 光电耦合器是在密封条件下实现输入回路与输出回路的光光电耦合器是在密封条件下实现输入回路与输出回路的光耦合的耦合的, ,不会受到外界光的干扰。不会受到外界光的干扰。 输入回路与输出

53、回路之间的分布电容极小输入回路与输出回路之间的分布电容极小, ,一般仅为一般仅为0.50.52 pF2 pF, ,而且绝缘电阻又非常大而且绝缘电阻又非常大, ,通常为通常为1010111110101313。因此。因此, ,回回路一边的各种干扰噪声都很难通过光电耦合器馈送到另一边路一边的各种干扰噪声都很难通过光电耦合器馈送到另一边去。去。RLR1UCC(5 V)UiVDUo图图7-17 7-17 光电耦合器应用应用光电耦合器应用应用（1 1） 光耦在数字量输入通道中的应用。光耦在数字量输入通道中的应用。 二极管二极管三极管型光电耦合器作为实施智能仪器的数字量输三极管型光电耦合器作为实施智能仪器的

54、数字量输入通道与干扰源之间的电气隔离的一种具体应用如图入通道与干扰源之间的电气隔离的一种具体应用如图7-177-17所示。所示。图中图中R R1 1为限流电阻为限流电阻, ,V VD D为反向保护二极管为反向保护二极管, , R RL L是光敏三极管的是光敏三极管的负载电阻。负载电阻。当代表数字量输入的当代表数字量输入的UiUi为高为高电平电平, , 并驱动发光二极管导并驱动发光二极管导通通, , 从而使光敏三极管导通从而使光敏三极管导通时时, ,光电耦合器的输出光电耦合器的输出U Uo o为低为低电平（电平（TTLTTL为逻辑为逻辑0 0）；反之）；反之, ,（即（即UiUi为低时）为低时）

55、, , U Uo o为高电为高电平（平（TTLTTL为逻辑为逻辑1 1）。）。 下面以下面以GO130GO130光电耦合器为例光电耦合器为例, ,说明图中说明图中R R1 1和和R RL L的选取原则。的选取原则。当发光二极管在导通电流为当发光二极管在导通电流为I IF F=10 mA=10 mA 时时, ,正向压降正向压降U UF F1.3 1.3 V,V,而光敏三极管导通时的压降而光敏三极管导通时的压降U UCECE =0.4 V =0.4 V。假设输入信号的。假设输入信号的逻辑逻辑1 1电平为电平为U Ui i =12 V, =12 V,并取光敏三极管导通电流并取光敏三极管导通电流I I

56、C C=2 mA=2 mA, ,则则R R1 1和和RLRL可用下式计算：可用下式计算： kIUURkIUURCCEOCLFFi3 . 224 . 0507. 1103 . 1121 应用中请注意应用中请注意, ,无论光电耦合器是用在数字量输入通道无论光电耦合器是用在数字量输入通道, ,还是还是数字量输出通道数字量输出通道, ,其输入部分和输出部分必须分别采用独立的其输入部分和输出部分必须分别采用独立的电源。如果两侧共用一个电源电源。如果两侧共用一个电源, ,就会形成公共的地线回路就会形成公共的地线回路, ,从从而使光电隔离作用失去意义。而使光电隔离作用失去意义。RLR1UCC(5 V)UiV

57、DUo功率场效应管是一种常用的开关量输出驱动器件功率场效应管是一种常用的开关量输出驱动器件, ,为提高此类开关为提高此类开关量输出通道的抗干扰能力量输出通道的抗干扰能力, ,亦可采用光电耦合器来切断智能仪器亦可采用光电耦合器来切断智能仪器与被控开关量之间的电气联系与被控开关量之间的电气联系, ,如图如图7-187-18所示。它由光电耦合器所示。它由光电耦合器GDGD、晶体、晶体V V1 1、V V2 2及有关电阻组成。当从输入端及有关电阻组成。当从输入端U Ui i输入低电平时输入低电平时, ,光光电耦合器中的发光二极管发光电耦合器中的发光二极管发光, ,光敏三极管导通光敏三极管导通, ,从而

58、使晶体管从而使晶体管V V1 1截止截止,V,V2 2亦截止亦截止, ,进而使功率场效应管进而使功率场效应管V V3 3导通；反之功率场效应管导通；反之功率场效应管V V3 3截止。截止。R15 VUiGDR2R3V1UDR4R5V2R6R7UDV3R8Uo图 7-18 采用光电耦合器的驱动电路 图图719 数字量隔离数字量隔离A/D变换时，先将模拟量变为数字量进行隔离，然后再送入变换时，先将模拟量变为数字量进行隔离，然后再送入单片机。单片机。D/A变换时，先将数字量进行隔离，然后进行变换时，先将数字量进行隔离，然后进行D/A变换。如图变换。如图719所示。所示。（2） 光耦在数字量输出通道中

59、的应用。光耦在数字量输出通道中的应用。如果输出开关量是用于控制大负荷设备时，就需采用继电器隔离如果输出开关量是用于控制大负荷设备时，就需采用继电器隔离输出。因为继电器触点的负载能力远远大于光电隔离的负载能力，输出。因为继电器触点的负载能力远远大于光电隔离的负载能力，它能直接控制动力回路。在采用继电器做开关量隔离输出时，要它能直接控制动力回路。在采用继电器做开关量隔离输出时，要在单片机输出端的与继电器间设置一个在单片机输出端的与继电器间设置一个OC门驱动器。用以提供较门驱动器。用以提供较高的驱动电流。如图高的驱动电流。如图720所示。所示。图图720 开关量继电器隔离电路开关量继电器隔离电路放大

60、器隔离放大器隔离模拟量隔离模拟量隔离 对对A/DA/D、D/AD/A变换前后的模拟信号进行隔离，是常用的一种变换前后的模拟信号进行隔离，是常用的一种方法。通常采用隔离型放大器对模拟量进行隔离。但所用的方法。通常采用隔离型放大器对模拟量进行隔离。但所用的隔离型放大器必须满足隔离型放大器必须满足A/DA/D、D/AD/A变换的精度和线性要求。变换的精度和线性要求。布线隔离布线隔离将微弱信号电路与易产生噪声污染的电路分开布线，最基本将微弱信号电路与易产生噪声污染的电路分开布线，最基本的要求是信号线路必须与强电控制线路、电源线路分开走线，的要求是信号线路必须与强电控制线路、电源线路分开走线，而且相互间