第11章信号变换与抗干扰技术

传感器原理及应用——

第十一章信号变换与抗干扰技术光电工程学院

2012年信号变换与抗干扰技术一般测量系统通常由传感器、测量电路（信号转换与信号处理电路）以及显示记录部分组成。对于被测非电量变换为电路参数（R、L、C、M）的无源型传感器，因为传感器的输出是电路参数的变化，通过不同的转换电路把电路参数转换成电流或电压信号，然后再经过放大输出。而对于直接把非电量变换为电学量（电流或电动热）的有源型传感器（如电压式、磁电式、热电式等），虽然他们输出的是电量，但仍然需要进行放大或特殊处理。检测装置的抗干扰问题，实际上也是电子测量装置的抗于扰问题。为了有效地防止干扰，必须首先要弄清干扰的类型、来源及其传送的方式，才能根据不同的情况，提出相应的抗干扰措施，从而达到消除或减弱干扰的目的。11-1传感器的阻抗匹配一、阻抗匹配原理当前级输出阻抗同后级阻抗相等时，前级输出给后级的功率最大，这就是阻抗匹配原则。二、阻抗匹配方法匹配变压器法匹配电阻法射级跟随放大器法电荷放大器法一、测量放大器通常对一个单纯的微弱信号，可以采用运算放大器进行放大，如图所示。其中U，为传感器输出的电压，运算放大器为反相输入接法,U。为放大后的输出电压，此时11-2信号处理电路11-2信号处理电路运算放大器也可以接成同相输入形式，由于传感器的工作环境往往比较恶劣，在传感器的两个输出端上经常产生干扰较大的信号，有时是完全相同的干扰信号称为共模干扰。虽然运算放大器对直接输入或同相输入的共模信号有较强的抑制能力，但是对简单的反相输入或同相输入接法，由于电路结构不对称，抵御共模干扰的能力很差。我们可以采用运算放大器的差动接法，从比较大的共模信号中检出差值信号并加以放大。二、滤波器低通滤波器高通滤波器带通滤波器带阻滤波器有限电压源法无限增益多路反馈方法三、调制与解调一、干扰的种类、噪声源表征一个系统干扰的主要指标是“信噪比”。信噪比S／N指的是在信号通道中，有用信号成分与噪声信号成分之比。设有用信号功率为Ps，有用信号电压Us，噪声功率为PN，噪声电压为UN，则用分贝(dB)单位表示的信噪比为11-3抗干扰技术在检测装置中，测量的信息往往是以电压或电流形式传送的，由于检测装置内部和外部因素的影响，使信号在传输过程的各个环节中，不可避免地要受到各种，噪声的干扰，而使信号产生不同程度的畸变，即为失真。可以说噪声是限制检测系统性能的决定因素。噪声一般可分为外部噪声和内部噪声两大类。外部噪声有自然界噪声源(如电离层的电磁现象产生的噪声)和人为噪声源(如电气设备、电台干扰等)；内部噪声又名固有噪声，它是由检测装置的各种元件内部产生的，如热噪声、散粒噪声等。噪声与一般的电信号不同，一般的电信号可以用多个确定的时间函数来描述(如正弦信号、脉冲信号)，而噪声是不能用预先确定的时间函数来描述的。1、放电噪声各种电子设备的噪声干扰，其产生原因多数产于放电现象。在放电过程中会向周围空间辐射出从低频到高频的电磁波，而且会传播得很远。高压输电线，它具有间隙性，并产生脉冲电流，从而成为一种干扰噪声。放电管(如日光灯、霓虹灯)放电噪声属于辉光放电和弧光放电。通常放电管具有负阻抗特性，所以与外电路连接时容易引起高频振荡，有时可达很高的频段，对电视也有影响。火花放电噪声。例如雷电、电气设备中电刷和整流子间周期性放电、火花式高频焊机、继电器触点的通断(电，流很大时则会产生弧光放电)、汽车发动机的点火装置等。只要在哪里电流是断续的，则此时在触点间引起的火花放电都将成为噪声源。2电气干扰源电气噪声干扰包括工频、电子开关和脉冲发生器的感应于扰等。射频干扰高频感应加热、高频焊接等工业电子设备以及广播机、雷达等通过辐射或通过电源线会给附近的电子测量仪器带来干扰。电子开关3、固有噪声源由于检测装置内部元件的物理性的无规则波动所形成的固有噪声源有三种：热噪声、散粒噪声和接触噪声。电阻两端的热噪声电压有效值可表示为：k为玻尔兹曼常数；T为绝对温度(K)；R为电阻值；f为噪声带宽(Hz)。

散粒噪声散粒噪声存在于电子管和晶体管中，是通过晶体管基区的载流子的无规则扩散以及电子—空穴对的无规则运动和复合形成的。散粒效应．的均方根噪声电流为

接触噪声接触噪声是由于两种材料之间不完全接触，从而形成电导率的起伏而产生的。它发生在两个导体连接的地方，如继电器的接点、电位器的滑动接点等。接触噪声正比于直流电流的大小，其功率密度正比于频率的倒数，其大小服从正态分布。每平方根带宽的噪声电流可近似地表示为三、干扰的途径检测装置受到噪声源干扰的途径叫做噪声的耦合方式。通常把噪声耦合方式可归纳为下列几种：1、

静电耦合

静电耦合是由于两个电路之间存在着寄生电容，使一个电路的电荷影响到另一个电路。2、电磁耦合电磁耦合又称互感耦合，它是由于两个电路之间存在有互感，使一个电路的电流变化，通过磁交链影响到另一个电路。在一般情况下，电磁耦合可用图表示其等效电路。I1表示噪声干扰的噪声电流源，M表示两个电路之间的互感系数，UN表示通过电磁耦合在被干扰电路中感应出的噪声电压。

3、共阻抗耦合共阻抗耦合是由于两个电路共有阻抗，使一个电路的电流在另一个电路上产生干扰电压。例如，有几个电路由同一个电源供电时，会通过电源内阻互相干扰，在放大器中各放大级通过接地线电阻互相干扰。

四、共模与差模干扰各种噪声源产生的噪声，必然要通过各种耦合方式进入检测装置，对其产生干扰。根据噪声进入信号测量电路的方式以及与有用信号的关系，可将噪声干扰分为差模干扰与共模干扰。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，它使检测仪器的一个信号输入端子相对另一个信号输入端子的电位差发生变化，即干扰信号与有用信号按电压源形式串联起来作用于输入端。当干扰源的等效内阻较小时，宜用串联电压形式；当干扰源等效内阻较高时，宜用并联电流源形式。造成差模干扰的原因很多，常见的差模于扰有：外交变磁场对传感器的输入进行电磁耦合。针对具体情况可以采用双绞信号传输线、传感器耦合端加滤波器、金属隔离线、屏蔽等措施来消除差模干扰。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。虽然它不直接影响测量结果，但是当信号输入电路参数不对称时，它会转化为差模干扰，对测量产生影响。在实际测量过程中，由于共模干扰的电压一般都比较大，而且它的耦合机理和耦合电路不易搞清楚，排除也比较困难，所以共模干扰对测量的影响更为严重。造成共模干扰的原因很多，常见的共模干扰耦合有下面几种：在检测装置附近有大功率的电气设备，因绝缘不良或三相动力电网负载不平衡，零线有较大电流时，都存在着较大的地电流和地电位差，这时，若检测系统有两个以上接地点，则地电位差就会造成共模于扰。3、共模干扰抑制比根据共模干扰只有转换成差模干扰才能对检测装置产生干扰作用的原理可知，共模干扰对检测装置的影响大小，直接取决于共模干扰转换成差模干扰的大小。为了衡量检测系统对共模干扰的抑制能力，就形成了“共模干扰抑制比”这个重要概念。共模干扰抑制比定义为：作用于检测系统的共模干扰信号与使该系统产生同样输出所需的差模信号之比。通常以对数形式表示

式中，Ucm是作用此检测系统的实际共模干扰信号；Ucd是使检测系统产生同样输出所需的差模信号。共模干扰抑制比也可以定义为检测系统的差模增益与共模增益之比。可用数学式表示为式中，Kd是差模增益；Kc是共模增益。

式中，当时，则共模抑制比趋于无穷大，但实际上很难做到这一点。一般Z1、Z2〉〉则上式可简化为上式表明，使Z1、Z2尽量高可以提高差动放大器的抗共模干扰能力。通过上例分析可见，共模干扰在一定条件下是要转换成差模干扰的，而且电路的共模抑制比与电路对称性密切相关。差动运算放大器的共模抑制比在检测装置中常用的干扰抑制技术，是根据具体情况，对干扰加以认真分析后，有针对性地正确地使用，往往可以得到满意的效果。五、几种干扰抑制技术1、屏蔽技术

利用铜或铝等低阻材料制成的容器，将需要防护的部分包起来或者是用导磁性良好的铁磁性材料制成的容器将要防护的部分包起来，此种方法主要是防止静电或电磁干扰，称之为屏蔽。静电屏蔽在静电场作用下，导体内部无电力线，即各点等电位。静电屏蔽就是利用了与大地相连接的导电性良好的金属容器，使其内部的电力线不外传，同时也不使外部的电力线影响其内部。在电源变压器的一、二次侧绕组之间插入一个梳齿形薄铜皮并将它接地，以此来防止两绕组间的静电耦合。电磁屏蔽电磁屏蔽是采用导电良好的金属材料做成屏蔽层，利用高频干扰电磁场在屏蔽体，内产生涡流，再利用涡流消耗高频干扰磁场的能量，从而削弱高频电磁场的影响。若将电磁屏蔽层接地，则同时兼有静电屏蔽的作用。也就是说，用导电良好的金属材料做成的接地电磁屏蔽层，同时起到电磁屏蔽和静电屏蔽两种作用，低频磁屏蔽在低频磁场干扰下，采用高导磁材料作屏蔽层以便将干扰磁力线限制在磁阻很小的磁屏蔽体内部，防止其干扰作用。通常采用坡莫合金之类的对低频磁通有高导磁系数的材料。同时要有一定的厚度，以减少磁阻。2、驱动屏蔽驱动屏蔽就是使被屏蔽导体的电位与屏蔽导体的电位相等。若是理想1：1电压跟随器，即在工作中导体B与屏蔽层D之间的绝缘电阻为无穷大，并且等电位。那么，在导体B与屏蔽层D之间的空间无电力线，各点等电位。这说明，导体A噪声源的电场En影响不到导体B。这时，尽管导体B与屏蔽层D之间有寄生电容Cs2存在，但是，因B与D是等电位，故此寄生电容也不起作用。3、接地技术

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。在这里主要研究用接地技术来抑制噪声干扰。接地线的种类

保护接地线，出于安全防护的目的将检测装置的外壳屏蔽层接地用的地线。信号地线，它只是检测装置的输入与输出的零信号电位公共线，除特别情况之外，一般与真正大地是隔绝的。信号地线分为两种：模拟信号地线及数字信号地线，因前者信号较弱，故对地线要求较高，而后者则要求可低些。信号源地线，它是传感器本身的信号电位基准公共线。交流电源地线。在检测装置中，上列四种地线一般应分别设置，以消除各地线之间的相互干扰检测装置的接地线系统通常在检测装置中至少要有三种分开的地线。若设备使用交流电源时，则交流电源地线应和保护地线相连。三条地线应连在一起并通过一点接地。使用这种接地方式可以避免公共地线各点电位不均匀所产生的干扰。

设计印制线路板应遵守下列原则，以免系统内部地线产生干扰。TTL，CMOS器件的地线要呈辐射状，不能形成环形。印制线路板上的地线要根据通过的电流大小决定其宽度，不要小于3mm，在可能的情况下，地线越宽越好。旁路电容的地线不能长，应尽量缩短。大电流的零电位地线应尽量宽，而且必须和小信号的地分开。印制线路板的地线分布单点接地方式输入系统接地方式4、浮置