数字化测量仪 第七章

1、 第七章第七章 数字化测量仪器中干扰的抑制数字化测量仪器中干扰的抑制 及防护技术及防护技术7.1 串模干扰及其抑制串模干扰及其抑制 串模干扰串模干扰n定义：定义：在仪器输入端叠加在仪器输入端叠加了被测电压上的那部分不了被测电压上的那部分不需要的输入电压需要的输入电压 n原因：原因：要完全避免串模干要完全避免串模干扰是不可能的。它的来源扰是不可能的。它的来源很多如：空间的电磁辐射很多如：空间的电磁辐射波，测量仪器供电系统中波，测量仪器供电系统中瞬时扰动产生的脉冲干扰，瞬时扰动产生的脉冲干扰，经过变压器绕组间寄生电经过变压器绕组间寄生电容串入的工频电压干扰，容串入的工频电压干扰，稳压电源纹波干扰等

2、。稳压电源纹波干扰等。n串模干扰抑制比串模干扰抑制比SMRSMR： 测 量仪 表UnUx)(lg20dBUSMRnnm7.1 串模干扰及其抑制串模干扰及其抑制SMR与采样时问与采样时问T的关系的关系 （7-2） 其中 为干扰电压的角频率。在采样时间T内得到的积分平均值为 干扰造成的误差为 )sin(11tUUunmxi112TTiidtuTU01TxTixindtUTdtuTUU0011TxidtUuT0)(17.1 串模干扰及其抑制串模干扰及其抑制 将式（7-2）代入上式，经整理得： 在特定的条件下 、T及 都是常数，而采样始点所对应的干扰初相位 都是随机的，如果考虑n的最大可能值，取则 由

3、式(7-5)可见，若采样时间T是 的整倍数，则sin(T/ )=0于是n0。只要设法取采样时间T=k ，k=1，2，就可使串模干扰的影响完全消失。 22sin2sin211111TTTUnmn1nmU1122sin11T111111)sin(2sin2TTTTUTTUnmnmnm1T1T1T7.1 串模干扰及其抑制串模干扰及其抑制根据定义，串模干扰抑制比为 )sin(lg20lg20111TTTTUSMRnmnm7.1 串模干扰及其抑制串模干扰及其抑制7.1 串模干扰及其抑制串模干扰及其抑制 按照前面的理论，只要T=kT1 就可以完全消除串模干扰。 例如：50Hz的干扰，采用T20ms*N 的

4、采样周期 但是，电网频率允许产生2%的范围波动 因此无论那种办法，要试图保持TT1N（在波动情况下）7.1 串模干扰及其抑制串模干扰及其抑制固定的采样时间固定的采样时间T=k 法法 1T7.1 串模干扰及其抑制串模干扰及其抑制 设干扰电压基波为 令为周期T1的相对变化量，即 ，在采样时间T内干扰电压的平均值为而 （77）将式（7-7）代入上式，得tUunmn111sinTT10sin11011011TnmTnnntdtUTdtuTU)1 ()(1111111TTkTTTkTkkTT)1 (1 kTtdtUkTkTnmn1)1(011sin)1 (11)1 (cos1)1 (11111kTkTU

5、nm7.1 串模干扰及其抑制串模干扰及其抑制由于 则 （78）由式（7-8）可求得在任一 值下对干扰电压基波的抑制比为 （79）由式(7-9)可知， =0时分母为零，SMR 。 如：k=1,r=0.02, SMR=58dB (k=5,SMR=44.2)112T)1 (2cos1)1 (21kkUnmn)2cos1()1(21kkUnmkkUSMRnnm2cos1)1 (2lg20lg2017.1 串模干扰及其抑制串模干扰及其抑制 结论： 1.因 若有的波动，k越大时，积累的误差越多，可见采样时间固定时最好还是取k=1。由此也可推论此法对基波以外的高次谐波成分的抑制能力将更差。 2.固定时间采样

6、，对电网频率波动很敏感 1T7.1 串模干扰及其抑制串模干扰及其抑制采样始点与过零点同步，相隔半周期两次采样法采样始点与过零点同步，相隔半周期两次采样法 主要为了克服对电压波动的引起的误差。7.1 串模干扰及其抑制串模干扰及其抑制n原理：如图所示，画出了两次采样时间 ，其间隔约0.5 ，每次采样起始点与干扰电压的过零点同步，一次与正向过零点同步，第二次与负向过零点同步。由图可见，在第一次采样时间内 由于 带来的误差(第三个正半波的阴影部分)与第二次采样同样原因带来的误差大小相等，符号相反。若将两次采样值相加， 应等于零，亦即实现SMR= 。 n难点：采样起始点不可能完全与过零点同步 1TTT1

7、TkT n7.1 串模干扰及其抑制串模干扰及其抑制 设两次采集存在 与 两个相位差，且一般地 。由于 而使两次采样所得的误差不相等。即 0 。 下面分析时 带来的误差。仍然采用 ， 则 。利用式(73)，代入得 111222n1211TT)1 (1kTT111111cos)cos(TTUnmn)sin()sin()1(11kkkUnm11111cos)1 (2cos)1 (2kTTkUnm此式表示，=0，则sink=0，n1=0。但有意义的是若k= ，也能得到n1=0，因此时sin(k- )=0 117.1 串模干扰及其抑制串模干扰及其抑制 同理二次采样时，初始点相位由于隔了半周期而成为(+

8、)，仍代入式(7-3)得 将两次采样值相加，得最后的干扰误差为 相应地 2)sin()sin()1(212kkkUnmn21nnn)2cos()2sin()sin()1 (21121kkkUnmnnmUSMR1lg20)2cos()2sin()sin(2)1(lg202112kkk)2cos()2sin()sin(2)1 (lg202112kkkSMR分析： 7.1 串模干扰及其抑制串模干扰及其抑制1.相隔半周期两次采样法比前面的固定采样时间法效果好。2.相隔半周期两次采样法的缺点是必须进行两次采样，降低了采样速度。 3.对于高次谐波中的偶次谐波来说，两次采样所产生的两个误差符号相同，因而不能

9、抵消。 7.1 串模干扰及其抑制串模干扰及其抑制=0法法 前面两种方法仍然受频偏的影响，因此，近年来趋向于采用使=0的方法，即尽量使T=kT1的条件在电网频率有波动时仍能得到保证的方法。方法之一是将工频电压精确地整形成方波，如果方波的周期TS与工频周期T1完全相等，并用TS作采样时间，则永远等于零，使SMR 。 串模干扰电压与经变压器来的工频电压(即38V电压)之间一般说来是有相位差1存在的。但只要1是定值，仍可保证TS=T1。但由于噪声影响，方波边缘会发生抖动，以及整形方波控制后面的采样门电路时，门电路输出的采样方波持续时间受门电路翻转延迟时间的影响，不可避免地使TS不完全等于T1，即TS=

10、T1 T7.1 串模干扰及其抑制串模干扰及其抑制一般情况下，TS不完全等于T1，即TS=T1T。下面计算由于T的存在造成的误差。利用式(7-10)可写出 （7-14）由于这里TS=T1(1-)(假定T1是正的)，则 （7-15）一般情况下，采取工频电压整形法后，电网频率波动引起的值已不存在，这里的是整形电路不够完善而引起的，其值自然要比电网频率波动的要小得多，因而可望获得很高的SMR值。 )sin()sin()1 (lg201kkkSMR)sin()sin()1 (lg201SMR7.1 串模干扰及其抑制串模干扰及其抑制锁相频率跟踪法锁相频率跟踪法 (对r=0 的改进) 采用了锁相频率跟踪技术

11、，可实现f0自动跟踪Ts变化。 7.1 串模干扰及其抑制串模干扰及其抑制数字滤波原理的应用数字滤波原理的应用 数字滤波器并不是具体的装置，而是一种算法。 若在有用信号上叠加了干扰信号，则可以用一固定的采样频率(例如每2ms采样一次)将该信号转换成一列离散数字值(在时间上依次排列的数字信号)，然后按照针对干扰频率而设计的算法，对这列数字信号进行运算, 使运算结果输出的数列中不再含有于扰信号。 7.1 串模干扰及其抑制串模干扰及其抑制SMR的测定的测定 测试时先在输入端加一直流电压，然后再叠加交流电压并逐渐增大之，使被测表的示值发生变化，分别记下这时的交流电压峰值 及被试表的输出值 ，按下式计算串

12、模干扰抑制比。 标准直流电压源被试数字电压表串模电压源mUUUUSMRmlg207.2 共模干扰及其抑制共模干扰及其抑制 共模干扰电压是指仪器两输入端和地之间存在的电压。共模干扰电压峰值 与其引起的测量误差，即模/数转换示值的变化 之间的比值称为共模干扰抑制比，其表示符号为 (db) (7-20)cmUc式中 共模干扰电压峰值； 由共模干扰电压引起的仪器读数的变化。 cmUcccmUCMRlg207.2 共模干扰及其抑制共模干扰及其抑制共模干扰电压的产生原因共模干扰电压的产生原因n由被测信号源的特点产生：如具有双端输出的差分放大器和不平衡电桥等 ；n电磁场干扰：当高压设备的电场同时通过分布电容耦合到无屏蔽的双输入线而使之具有对地电位时，或者交流大电流设备的磁场通过与双输入线的互感在双输入线中感应出相同大小的电动势时，都可能产生共模电压施加在仪器的输入端 ；n由