自动检测技术实用教程 周征第10章 检测系统的抗干扰技术

第10章检测系统的抗干扰技术

10.1干扰的来源及传播途径

10.2常用的抗干扰技术本章提要检测系统的工作环境往往比较复杂和恶本章通过对干扰的来源及传播途径的分析，重点阐述了检测系统中，常用的接地技术、屏蔽技术、长线干扰的抑制技术、共模和差模干扰的抑制技术、电源系统的抗干扰技术和印刷电路板抗干扰技术等硬件抗干扰技术。10.1干扰的来源及传播途径干扰:就是内部或外部噪声对有用信号的不良作用。噪声:是指电路或系统中出现的非期望的电信号。10.1.1噪声源1.放电噪声①电晕放电噪声②放电管（如日光灯、霓虹灯）放电噪声③火花放电噪声2.电气干扰源①工频干扰②射频干扰③电子开关3.固有噪声源①热噪声②散粒噪声③接触噪声10.1.2噪声干扰的传播途径1．静电耦合（电容性耦合）静电耦合是由于两个电路之间存在寄生电容，产生静电效应而引起的干扰图10-1静电耦合示意图

2．电磁耦合（电感性耦合）电磁耦合是由于两个电路间存在互感而产生的

图10-2电磁耦合示意图3．漏电流耦合（电阻性耦合）漏电流耦合是由于检测系统内部的电路绝缘不良，而出现的漏电流引起的电阻耦合产生的干扰图10-3漏电流耦合示意图

A、B为检测系统中的两段电路，Rm为两段电路之间的漏电阻，R0为电路B的等效阻抗，Ui为干扰电压。

4．共阻抗耦合共阻抗耦合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。（1）电源内阻抗的耦合干扰

图10-4电源内阻抗耦合示意图

（2）公共地线耦合干扰图10-5公共地线耦合示意图

（3）输出阻抗耦合干扰

图10-6输出阻抗耦合示意图

10.1.3噪声干扰的模式1．差模干扰差模干扰又称串模干扰、正态干扰、常态干扰、横向干扰等.（a）差模干扰模式示意图（b）引起差模干扰实例图10-7差模干扰2．共模干扰共模干扰又称纵向干扰、对地干扰、同相干扰、共态干扰等，它是相对于公共的电位基准点（通常为接地点），在检测仪器的两个输入端子上同时出现的干扰。（a）共模干扰模式示意图（b）地电位差引起的共模干扰（c）漏电阻引起的共模干扰（d）杂散电容引起的共模干扰图10-8共模干扰10.1.4抑制干扰的基本原则抗干扰:是指把窜入检测系统的干扰衰减到一定的强度以内，保证系统能够正常工作或者达到要求的测量精度。抑制干扰有三个基本原则：第一，消除干扰源；第二，远离干扰源；第三，防止干扰窜入。10.2常用的抗干扰技术10.2.1接地技术“地”是电路或系统中为各个信号提供参考电位的一个等电位点或等电位面，所谓“接地”就是将某点与一个等电位点或等电位面之间用低电阻导体连接起来，构成一个基准电位。一般来讲检测装置电路接地是为了如下目的：安全；对信号电压有一个基准电位；静电屏蔽的需要。1.接地的基本概念（1）检测系统中的地线种类①信号地。在检测系统中，原始信号是用传感器从被测对象获取的，信号（源）地是指传感器本身的零电位基准线。②模拟地。模拟信号的参考点，所有组件或电路的模拟地最终都归结到供给模拟电路电流的直流电源的参考点上。③数字地。数字信号的参考点，所有组件或电路的数字地最终都与供给数字电路电流的直流电源的参考点相连。④负载地。是指大功率负载或感性负载的地线。当这类负载被切换时，它的地电流中会出现很大的瞬态分量，对低电平的模拟电路乃至数字电路都会产生严重干扰，通常把这类负载的地线称为噪声地。⑤系统地。为避免地线公共阻抗的有害耦合，模拟地、数字地、负载地应严格分开。并且要最后汇合在一点，以建立整个系统的统一参考电位，该点称为系统地。系统或设备的机壳上的某一点通常与系统地相连接，供给系统各个环节的直流稳压或非稳压电源的参考点也都接在系统地上。（2）共地和浮地如果系统地与大地绝缘，则该系统称为浮地系统。浮地系统的系统地不一定是零电位。如果把系统地与大地相连，则该系统称为共地系统，共地系统的系统地与大地电位相同。（3）单点接地与多点接地1）单点接地。单点接地有串联单点接地和并联单点接地两种形式。两个或两个以上的电路共用一段地线的接地方法称为串联单点接地图10-9串联单点接地等效电路串联接地通常用来联接地电流较小且相差不太大的电路。

这种方式不能用于高频信号系统图10-10并联单点接地等效电路2）多点接地方式。图10-11多点接地等效电路2．检测系统接地技术（1）输入信号回路的接地技术1）一点接地。

UsRs（a）UG干扰磁场（c）UsRsUsRs（b）UGUsRs（d）UsRs（e）图10-12输入信号电路的几种接地方式2）用屏蔽线输入时的接地（a）（c）（e）（d）（f）（b）图10-13同轴电缆和双绞线的几种接地方式注意：当若干条双绞线同时敷设于公共电缆槽内或距离很近时，每条双绞线的绞距（单位长度的绞合次数）应彼此不同，才能有效地抑制干扰。图10-14绞距不同的双绞线（2）数字系统的接地技术实际应用时，是使用大面积的薄铜皮，或者使用印制电路板上的铜箔做接地回路的优点是：①接地回路的电感量小；②便于多点接地，且接地点与地电位面的连接线可以较短；③接地铜皮表面镀银（或锡）有利于降低阻抗；④对于双层（或多层）印制板，便于使导线贴近接地平面布置，有利于减小导线之间的电容性耦合。（3）检测系统接地技术根据存在噪声的强弱、信号电流的大小、电源的类别，把接地分成三类:第一套称为信号地，包括小信号回路、逻辑电路、控制电路等的低电平电路的信号地，即工作地。第二套称为功率地，包括继电器、电磁阀、风机、大电流驱动电源等大功率电路以及噪声源的地，所以又称噪声地。第三套称为机壳地，包括设备机架、机柜、机门、箱体结构的金属构架的地。机壳机壳逻辑电路功率电路功率电源逻辑电路小信号电路直流电路系统地（大地）图10-15三套法接地示意图

（4）印刷电路板的地线布局处理电源地线的原则是：①模拟地和数字地分设，通过不同的引脚与系统地相连，各个组件的模拟地和数字地引脚分别连到电路板上的模拟地线和数字地线上，如图10-16所示；图10-16印刷电路板的地线②尽可能减少地线电阻，因此地线宽度要选得大一些（支线宽度通常不小于2~3mm，干线宽度不小于8～10mm），但又不能随意增大地线面积，以免增大电路和地线之间的寄生电容；③模拟地线可用来隔离各个输入模拟信号之间以及输出和输入信号之间的有害耦合。通常可在需要隔离的两个信号线之间增设模拟地线。数字信号亦可用数字地线进行隔离；④TTL、CMOS器件的地线要呈辐射网状，避免环形。（5）机柜地线的布局在中、低频系统中，地线布局须采用单点接地方案，其原则是：①各个单元电路的各种地线不得混接，并且与机壳浮离（直至系统地才能相会）；②单元电路板不多时，可采用并联单点接地方案。此时可把各单元的不同地线直接与有关电源参考端分别相接；③当系统比较复杂时，各印刷板一般被分装在多层框架上，此时则应采取串联单点接地方案。10.2.2屏蔽技术1．屏蔽的类型和原理（1）静电屏蔽ABC图10-17电场屏蔽（2）电磁屏蔽电磁屏蔽主要是为了抑制高频电磁场的干扰。（3）磁屏蔽磁屏蔽主要用来防止低频磁场（100kHz以下）干扰。铁磁材料外部干扰磁场内部磁场图10-18低频磁场屏蔽2．屏蔽的结构形式屏蔽结构形式主要有屏蔽罩、屏蔽栅网、屏蔽铜箔、隔离仓和导电涂料等。屏蔽罩一般用无孔隙的金属薄板制成。屏蔽栅网一般用金属编制网或有孔金属薄板制成，既有屏蔽作用，又有通风作用。屏蔽铜箔一般是利用多层印制电路板的一个铜箔面作为屏蔽板。隔离仓是将整机金属箱体用金属板分隔成多个独立的隔仓，从而将各部分电路分别置于各个隔仓之内，用以避免各个电路部分之间的电磁干扰与噪声影响。导电涂料是在非金属的箱体内、外表上喷一层金属涂层。•静电屏蔽应具有两个基本要点，即完善的屏蔽体和良好的接地。•电磁屏蔽不但要求有良好的接地，而且要求屏蔽体具有良好的导电连续性，对屏蔽体的导电性要求要比静电屏蔽高得多。•在实际的屏蔽中，电磁屏蔽效能更大程度上依赖于机箱的结构，即导电的连续性。•解决机箱缝隙电磁泄漏的方式是在缝隙处用电磁密封衬垫。10.2.3长线传输的干扰及其抑制技术1．长线的感应干扰及抑制2．长线的反射干扰及抑制图10-19传输线的阻抗匹配形式（a）始端串联阻抗匹配；（b）终端并联阻抗匹配（c）终端并联隔直阻抗匹配；（d）终端接箝位二极管匹配10.2.4共模干扰的抑制技术1．隔离技术（1）隔离变压器（2）纵向扼流圈（3）光电耦合器2．浮置技术（浮地技术）浮置是指信号放大器的公共线不接外壳或大地的一种抑制干扰的措施。图10-21浮地技术原理图3．浮动电容切换技术图10-22浮动电容切换技术原理图10.2.5差模干扰的抑制技术1．频率滤波法2．电平鉴别法（1）采用脉冲隔离门抑制干扰（2）采用削波器抑制干扰图10-24削波器原理图10-23脉冲隔离门原理（3）脉宽鉴别法10.2.6电源系统的抗干扰技术1.电源变压器的抗干扰措施（1）高频尖峰脉冲在变压器中的传播途径及抑制措施图10-25电源变压器静电屏蔽的等效电路（2）变压器的漏磁及抑制措施图10-26C型铁心变压器铜皮图10-27屏蔽电源变压器2.电源滤波器图2-28电源滤波器3.直流电源滤波器图10-29电源滤波电容的接法4.开关电源的抗干扰措施抑制措施：①合理接地；②加电磁屏蔽；③选用高速器件；④适当降低电压、电流的变化率。降低电压、电流的变化率可采用在二极管上并阻容吸收电路的办法。10.2.7印刷电路板抗干扰技术1．印制电路板上器件的布局原则2．印制电路板插脚的分配原则3．印制电路板的布线原则4．印制电路板上电源线的布置原则5．印制电路板的接地线布置原则6．印制电路板的屏蔽