智能仪器设计-13（抗干扰2）

测控技术与仪器专业必修课*智能仪器设计11第9章抗干扰技术9.1干扰的来源及分类9.2干扰耦合途径9.3硬件抗干扰技术9.4软件抗干扰技术2抗干扰技术3内容回顾1、串模干扰和共模干扰的概念、特点及抑制措施2、干扰的耦合途径3、硬件抗干扰技术（1）常用硬件抗干扰技术种类、特点、实现方法（2）“地”的种类、接地方法4、软件抗干扰技术（1）软件抗干扰都有那些实现方法（2）软件陷阱的定义、实现方法等抗干扰技术串模干扰是由外界条件引起的、串联叠加在被测信号上的干扰信号，并通过测量仪器的输入端，与被测信号一起进入测量仪器而引起测量误差。串模干扰信号有直流和交流两种。高压输电线与信号线平行敷设的输电线导线中大电流所产生的空间电磁场空间工频电磁场在输入回路中产生的工频感应电势分类来源3.串模干扰干扰的来源和分类4共模干扰是指输入通道两个输入端上（如信号线和信号地）共有的干扰电压。来源由于被测信号地和仪器地之间电位不等,两个地之间的电位差就成为共模干扰源。共模干扰示意图4.共模干扰干扰的来源和分类569.2干扰的耦合途径电容耦合磁场耦合公共阻抗耦合传导耦合辐射耦合漏电耦合干扰的耦合途径平行导线分布电容分布电感地线公共阻抗可以作为隔离开关量/数字信号或模拟信号使用输入部分和输出部分必须分别采用独立的电源1.隔离技术（1）光耦隔离硬件抗干扰技术7（2）继电器隔离继电器的线圈和触点之间没有电气上的联系，可利用继电器的线圈接收电气信号，从而避免强电和弱电信号之间的直接接触，实现了抗干扰隔离，常用于开关量输出，以驱动执行机构。继电器隔离技术硬件抗干扰技术8（3）变压器隔离对于一般的交流信号，可以用普通变压器实现隔离，如交流电压/电流互感器。下图表明了一个由CMOS集成电路完成的交流电流检测电路。变压器隔离技术硬件抗干扰技术9（4）隔离放大器隔离放大器是一种特殊的测量放大电路，其输入、输出和电源电路之间没有直接电路耦合，即信号在传输过程中没有公共的接地端。⑴按隔离模式分类：①两口隔离：指信号输入部分和信号输出部分欧姆隔离，采取其它措施进行电源隔离。②三口隔离：指输入、输出和供电三部分彼此欧姆隔离。⑵按隔离方法分类：①变压器隔离（电磁隔离）②光电隔离③电容隔离硬件抗干扰技术10112.滤波器技术模拟滤波器技术硬件抗干扰技术123.屏蔽技术静电屏蔽：在静电场作用下，导体内部各点等电位，利用铜、铝等低阻导电材料，做成接地金属容器，隔离内外部电力线，消除静电耦合。磁屏蔽：导体层以涡流方式消耗高频干扰磁场的能量，利用一定厚度铁磁材料（硅钢、坡莫合金、铁氧体、铝板）制成容器。电磁屏蔽：用导电良好的金属材料（铜箔,铝箔/板）做成的接地电磁屏蔽层，同时起到磁屏蔽和静电屏蔽两种作用：屏蔽导线、屏蔽电缆。+QAB硬件抗干扰技术1213（1）静电屏蔽静电屏蔽指的是对静电场的屏蔽静电屏蔽要求屏蔽体必须接地静电屏蔽的一般方法是在电容耦合通道上插入一个接地的金属屏蔽导体由于金属屏蔽导体接地，其中的干扰电压为零，从而隔断了电场干扰的原来耦合通道硬件抗干扰技术14（2）磁屏蔽低频磁屏蔽是用来隔离低频(主要指50Hz)磁场或固定磁场(也称静磁场，其幅度、方向不随时间变化，如永久磁铁产生的磁场)对于低频磁场的屏蔽，主要依赖高导磁率材料所具有的小磁阻起磁分路作用硬件抗干扰技术15磁屏蔽措施为了有效地进行低频磁屏蔽，屏蔽层材料要选用诸如坡莫合金之类对低磁通密度有高导磁率的铁磁材料，同时要有一定的厚度以减小磁饱和由铁氧体压制成的罐形磁芯可作为磁屏蔽使用，并可以把它和电磁屏蔽导体一同使用为提高屏蔽效果可采用多层屏蔽。第一层用高导磁率的铁磁材料，以充分发挥其屏蔽作用；第二层用低导磁率的铁磁材料，作用是使场强降低某些高导磁材料，如坡莫合金经机械加工后，其导磁性能会降低。因此用这类材料制成的屏蔽体在加工后应进行热处理硬件抗干扰技术磁性材料磁性元件吸收磁珠：用于抑制PCB板高频传导干扰夹式磁环：安装方便，用于设备EMI结构优化扁平吸收环：用于数据总线、数字信号线滤波非晶材料烧结铁氧体TVS管：作为尖峰抑制器使用粉芯材料Ni－Mn软磁材料硬件抗干扰技术16电感线圈的品质因数为

Q=ωL/R电感的离散参数：分布电容和直流电阻功率电感模压线圈空芯线圈磁环线圈棒状线圈变压器硬件抗干扰技术1718（3）电磁屏蔽电磁屏蔽指的是对电磁波的屏蔽电磁屏蔽的基本原理是采用导电良好的金属材料做成屏蔽罩、屏蔽盒等不同的外形，将被保护的电路包围在其中，利用高频电磁场对屏蔽金属的电磁感应作用，在屏蔽金属内产生涡流，用涡流产生的磁场抵消或减弱干扰磁场的影响，从而得到屏蔽的效果它主要用来防止高频电磁场的影响，对于低频磁场干扰的屏蔽效果很小硬件抗干扰技术19电磁屏蔽措施*图片影响屏蔽体电磁屏蔽效能的不是屏蔽体接地与否，而是屏蔽体导电连续性。破坏屏蔽体的导电连续性的因素有：屏蔽体上不同部分的接缝、开口等电磁屏蔽对屏蔽体的导电性要求要比静电屏蔽高得多硬件抗干扰技术20电磁屏蔽措施*无线电能传输硬件抗干扰技术无铝板有铝板21硬件抗干扰技术频率范围电场强度E(v/m)磁场强度H(A/m)B场B(uT)等效功率密度Seq(W/m2)<1Hz-70009000-1Hz-8Hz80007000/f29000/f2-8Hz-25Hz8000900/f1100/f-0.025kHz-0.8kHz200/f0.9/f1.1/f-0.8kHz-3kHz200/f1.131.4-3kHz-150kHz671.131.4-0.15MHz-1MHz670.17/f0.21/f-1MHz-23MHz67/f1/20.17/f1/20.21f1/2-23MHz-2500MHz140.0360.0440.52.5GHz-10GHz9.85f1/20.026f1/20.028f1/2f/5Europe-EN62233:2008国际标准InternationalCommissiononNon-IonizingRadiationProtection(ICNIRP)22硬件抗干扰技术三维电磁场强度测试装置*视频234.接地技术（1）地线的类型数字地：数字地也叫逻辑地。它是计算机系统中各种TTL、CMOS芯片及其它数字电路的零电位。模拟地：它是放大器，A/D，D/A转换器中的模拟电路零电位。信号地：它是传感器和变送器的地。功率地：它是指功率放大器和执行部件的地。屏蔽地：它是为了防止静电感应和磁场感应而设置的，同时也为了避免机壳带电而危及人身安全而设置的。交流地：交流地是交流50Hz电源的地线，也称为噪声地。直流地：直流地是直流电源的地线。硬件抗干扰技术24（2）单点接地与多点接地硬件抗干扰技术25单点接地硬件抗干扰技术26单点接地硬件抗干扰技术27多点接地硬件抗干扰技术28混合接地硬件抗干扰技术模拟地和数字地隔离方式？29（3）屏蔽接地

电缆屏蔽层接地技术单地原则屏蔽线的接地应与公共端连接Us放大器12UG正确连接Us放大器12C1C2C3正确连接UGRc1Rc2RiUG放大器ABRsUs硬件抗干扰技术30在高电压、强磁场的环境下，测量仪器经常采用浮地系统为了防止在外壳上感应出高电压，外壳必须接大地安全可靠制造工艺复杂飞机、舰船上的设备采用浮地（4）浮地技术硬件抗干扰技术315.总线的抗干扰设计线间窜扰控制线与线之间的距离；不要过长地平行布线；在重要的信号线之间布一条地线，起到屏蔽效果；电路板正、反面垂直布线也可减少窜扰。(2)信号的反射方法一：采用总线驱动器，增加驱动电流，使反射信号不致影响接受方的逻辑电平；方法二：采取总线终端负载匹配的措施，消除反射现象。(3)总线负载和总线驱动能力的扩展通常采用降额设计来避免出现总线负载不足的问题。当系统负载过大，CPU自身总线的驱动能力相对不足时，使用总线驱动器来提高总线的驱动能力。硬件抗干扰技术326.传输线的抗干扰设计（1）屏蔽线的使用硬件抗干扰技术33（2）同轴电缆的使用硬件抗干扰技术34（3）双绞线的使用硬件抗干扰技术35（4）扁平带状电缆的使用硬件抗干扰技术36（5）线缆与接插端子的连接（1）高电平线和低电平线不要走同一条电缆（2）高电平线和低电平线尽量不要走同一接插件（3）仪器进出电缆的屏蔽保持完整接插件端子接法硬件抗干扰技术377.电源的抗干扰设计硬件抗干扰技术38硬件抗干扰技术切断来自电源的干扰*现象特点措施过压、欠压、停电∆t>1S交流稳压、UPS浪涌、下陷10mS<∆