第三章 测试系统的抗干扰技术

第三章 测试系统的抗干扰技术 1 第三章 测试系统的抗干扰技术 在检测与控制系统中，有用信号以外的一切无用信号统称为干扰，例如声、光、电、振动、化学腐蚀、高温、高压等都可能对有用信号产生影响。这些干扰，轻则影响测量和控制精度，重则使测量和控制失灵，以致降低产品质量，甚至使生产设备损坏，或发生灾难事故。 为了有效的抑制干扰，必须清楚地了解干扰的来源、传输途径及作用方式，以便采取有效，减小或消除干扰的影响。 3.1 干扰的类型 干扰是各种各样的，下面按照不同的分类原则来分。 1.根据干扰产生的内外因关系分 1) 外部干扰 由装置外部窜入到装置内的各种干扰。它主要来源于自然界和周围电气设备。来源于自然界的干扰如闪电、雷击、宇宙射线、太阳黑子活动等，它对广播、通信、导航等电子设备影响较大，而对一般工业用检测仪和电子设备影响不大。来源于各种电气设备的干扰如各类用电设备的启停、电火花加工、电弧焊接、脉冲电蚀、高频加热、可控硅整流、大电流输电线周围产生的交变磁场等，它是外部干扰的关键。 2)内部干扰 由装置本身引起的各种干扰。它包括固定干扰和过渡干扰两种。过渡干扰是电路在动态过程中产生的干扰。固定干扰包括信号线问的相互串扰、长线传输阻抗失配时的反射噪声、负载突变噪声、寄生振荡噪声、热骚动噪声等。 2.根据干扰产生的物理原因分。 1)机械干扰 机械干扰是指由于机械振动或冲击，使测试系统中的电气或电子元件发生振动、变形，从而改变了系统的电气参数，造成了可逆或不可逆的影响。对于机械干扰可采取减振措施来解决，例如使用减振弹簧或减振橡皮垫等。 2)热的干扰 电子测量系统在工作时产生的热量所引起的温度波动和环境温度的变化等，都会导致电路元器件参数发生变化(温度漂移)，或产生附加的热电势等，从而影响系统的正常工作， 2 这就是热的干扰。 对于热的干扰，工程上通常采取热屏蔽、恒温设备、对称平衡结构、温度补偿元件等措施来进行抑制。 3)光的干扰 在测试系统中广泛使用着各种半导体元器件，这些半导体材料在光线的作用下，会激发出电子—空穴对，使半导体元器件产生电势或引起阻值的变化，从而影响电子测量系统的正常工作，这就是光的干扰。因此，半导体元器件应封装在不透光的壳体内。对于具有光敏作用的元件，尤其应该注意光的屏蔽问题。 4)湿度干扰 湿度干扰是指由于湿度变化而使绝缘体的绝缘电阻、漏电流及电介质的介电常数产生变化，并由此而造成的测试系统的非正常工作。为防止这类干扰的产生，应当采取一些必要的防潮措施。例如，电气元件和印刷电路板的浸漆、环氧树脂封灌和硅橡胶封灌等。 5)电磁干扰 电和磁会通过电路和磁路对测试系统产生干扰。电子线路中只要有电场或磁场存在，就会产生电磁干扰。电磁干扰是最为普遍和影响最严重的干扰，是必须认真处理的一类干扰。 6)射线辐射 射线会使气体电离、半导体激发出电子—空穴对，会使金属逸出电子等，从而影响测试系统的正常工作。这类干扰常见于原子能工业、核武器生产等方面。 7)化学干扰 某些化学物质，如酸、碱、盐及腐蚀性气体等，一方面会通过化学腐蚀作用损坏电子测量元件和部件，另一方面会与金属导体形成化学电势。例如使用检流计时，手指上的脏物(含有酸、碱、盐等)被弄湿后，将与导线形成化学电势，使检流计偏转。防护化学干扰的主要方法是保持仪表清洁。 3.2 噪声源与噪声耦合方式 噪声来源于噪声源，噪声源是多种多样的。噪声以多种耦合方式窜人系统，对系统造成干扰。 1.噪声 在测量系统中出现的、变化无规律的、无用的电信号称为"噪声"。由于噪声造成的不 3 良效应就是所谓的干扰。噪声一般属于随机信号，必须用描述随机信号的方法来描述。 2.信噪比 信噪比是用来衡量噪声对有用信号的影响程度的，它指在信号通道中，有用信号功率与噪声功率之比。用贝尔(B)或分贝(dB)表示。 (3.1) 式中，P—有用信号功率;为、电压为，、电压为，则用的信噪比S/N为 s P—噪声功率。 n (3.2) 式中，U—有用信号电压; s U—噪声电压。 n 3. 噪声源 常见的噪声源可归纳为三类:放电噪声源、电气设备噪声源及固有噪声源。 1)放电噪声源 由各种放电现象产生的噪声称为放电噪声。在放电过程中，放电噪声会向周围辐射出从低频到高频的电磁波，而且还会传播很远的距离。它是对电子仪表影响最严重的一种噪声干扰。在放电现象中属于持续放电的有电晕放电、辉光放电和弧光放电;属于过渡现象的有火花放电。 (1)电晕放电噪声 电晕放电具有间歇性质，会产生脉冲电流，而且随着电晕放电过程还会出现高频振荡，这些都是产生噪声的原因。电晕放电噪声主要来自高压输电线，它与距离的平方成反比，因此，对于一般的检测仪表来说，其影响不大。 (2)火花放电噪声 自然界的雷电，电机整流子炭刷上的火花，接触器、短路器、继电器接点在闭合和断开瞬间产生的火花，电蚀加工过程中产生的火花，汽车发动机的点火装置以及高压器件由于绝缘不良引起的闪烁放电等都是火花放电的噪声源。火花放电噪声可以通过直接辐射和电源电路向外传播，对低频至高频电路造成干扰。 (3)放电管噪声 放电管属于辉光或弧光放电。通常放电管具有负阻特性，所以，当它与外电路连接时， 4 很容易引起振荡。交流供电的荧光灯，在半个周期内，由于其起始和终了时放电电流变小，也会产生再点火振荡和灭火振荡。近年来大量使用的霓虹灯，也成为一种较为严重的噪声源。 2)电气设备噪声源 (1)工频噪声 大功率输电线是典型的工频噪声源。低电平的信号线只要有一段距离与高压输电线平行，就会受到明显的干扰。即使是室内的一般交流电源线，对于输入阻抗和灵敏度很高的检测仪表来说，也是很大的干扰源。另外，在电子装置的内部，由于工频感应，也会产生交流噪声。如果工频电源的电压波形失真较大(如供电系统接有大容量的可控硅设备)，由于高次谐波分量的增多，它产生的干扰更大。 2)射频噪声 ( 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表带来干扰。 (3)电子开关 电子开关虽然在通断时不产生火花，但由于通断的速度极快，使电路中的电压和电流发生急剧的变化，形成冲击脉冲，从而形成噪声干扰源。在一定电路参数条件下，电子开关的通断还会带来相应的阻尼振荡，从而形成高频干扰源。使用可控硅的电压调整电路，对其他电子装置的干扰就是典型例子。这种电路在可控硅的控制下，周期性地通断，形成前沿陡峭的电压和电流，并使电源波形畸变，从而影响到由该电源系统供电的其他电子设备。 3)固有噪声源 在电路中，电子元件本身产生的、具有随机性、宽频带的噪声称为固有噪声。电路中常出现的固有噪声有电阻热噪声、半导体器件产生的散粒噪声以及开关、继电器触点、电位器触点、接线端子电阻、晶体管内部的不良接触产生的接触噪声等。例如，电视机未接收到信号时，屏幕上表现出的雪花干扰，就是由固有噪声引起的。 选用低噪声元器件、减小流过器件的电流及减小电路的带宽等，均能减小固有噪声干扰。 4.噪声耦合方式 噪声是通过“路”和“场”两种途径窜入系统的，使测量装置获得噪声或干扰的途径 5 称为耦合方式，常见的几种重要的耦合方式有静电耦合、电磁耦合、公共阻抗耦合、辐射干扰耦合等。 1)静电耦合 静电耦合是由两个电路之间存在寄生电容，使一个电路的电容影响到另一个电路。 一般情况下，静电耦合的电路如如图1所示。 图1 噪声的静电耦合 (a)示意图;(b)等效电路 从图1b)得出 ,jCXgiU,z1，j,CXgi 式中，ω为噪声源的角频率。若j,CX,,1，则上式可以简化为 gi U,j,CXzgi 可以看出: ?被干扰电路接收到的干扰电压U正比于干扰源的角频率ω。这表明，在频率很高的Z 射频段，静电耦合干扰最严重。但是，对于极低电平接收电路，即使在音频范围，静电耦合干扰也不能忽视。 ?干扰电压U正比于接收电路的输入阻抗X。这说明，降低接收电路的输入阻抗，可Zi 减小静电耦合干扰。对于微弱信号放大器，其输入阻抗应尽可能低，一般希望在数百欧以下。 ?干扰电压U正比于噪声源与接收电路之间的分布电容C。这说明，应通过合理布线Zg 和适当防护措施减小分布电容。 如干扰信号U=5V，分布电容为0.1pF，信号频率为1MHz，放大器输入阻抗为100kΩ，则此干扰在放大器输入端所造成的干扰电压U=314mV，再经放大器放大后，其影响是很大Z 的。 6 2)电磁耦合 电磁耦合又称互感耦合，它是由于两电路之间存在互感而产生的，一个电路中电流的改变引起磁交链而耦合到另一电路。若某一电路有干扰，则同样可以通过互感而耦合到另一电路中。例如，在电子装置内部线圈或变压器的漏磁是对邻近电路的一种很严重干扰:在电子装置外部当两根导线在较长一段区间平行架设时，也会产生电磁耦合干扰。在一般情况下，其等效电路如图2所示。 图2 电磁耦合等效电路 根据图2，若干扰源的电流为I，频率为ω，两电路的互感系数为M，则该干扰在电路负载R上产生的干扰为(设R远远大于电感的阻抗) ZZ (3.3) 可见，干扰电压的大小正比于干扰电流I、互感系数M和干扰的频率ω。同时，需注意的是任何两个电路的任何两条导线之间，必定存在互感，只是互感系数的大小不同而已。 3)公共阻抗耦合 公共阻抗耦合就是多个电路通过共有阻抗造成的耦合。当某一电路的电流流过共有阻抗时，会在共有阻抗上产生电压，该电压就可能成为其他电路的干扰。 一般情况下，共阻抗耦合可以用图3所示等效电路表示。 图3共阻抗耦合等效电路 图中Z表示两个电路之间的共有阻抗，I表示噪声电流源，U表示被干扰电路的感应cnn 电压。由等效电路可以写出:U=IZ。 nnn 可见共阻抗耦合干扰电压U正比于共有阻抗Z和噪声源电流I。显然，消除共阻抗nnn 耦合干扰的核心是消除两个或几个电路之间的共阻抗。 在电子设备中，各电子元器件都需要接地，而公共地线上会流过各个电子元器件的频 7 率不同、大小不同的电流。同时，公共地线不可能没有阻抗，只要有阻抗就一定会产生耦合。在高频情况下，接地线的电感不能被忽略，因为这一公共电感会引起公共阻抗耦合。 当电路的工作频率比较高时，必须予以注意。 此外，当几个电路共用一个电源时，电源内阻上的压降也会产生干扰。 消除公共地线阻抗、每个电路采用独立电源或尽可能减小共用电源内阻，可减小甚至消除公共阻抗耦合的影响。 4)漏电流耦合 漏电流耦合是由于绝缘不良，由流经绝缘电阻的漏电流所引起的噪声干扰。漏电流可以用图4所示等效电路表示。E为噪声源电势，R表示漏阻抗，Z表示被干扰电路的等效ni 输入阻抗。U为被干扰电路的干扰电压，可得出 n 漏电流耦合干扰经常发生在下列情况下: ?当用仪表测量较高的直流电压时; ?在检测仪表附近有较高的直流电压源; ?在高输入阻抗的直流放大器中。 5)传导耦合 图4漏电流程合等效电路 当导线经过具有噪声的环境时，即拾取噪声，并经导线传送到电路而造成干扰。传导耦合的主要例子是噪声经电源线传到电路中来。通常，交流供电线路在生产现场的分布实际上构成了一个吸收各种噪声干扰的网络，而且噪声十分方便地以导线传导的形式传到各处，并经过电源线进人各种电子装置造成干扰。实践证明，经电源线引入电子装置的干扰无论从广泛性和严重性来说都是十分明显的。 3.3噪声形成干扰的要素 噪声对测试装置和系统形成，需同时具备以下三要素。 (1)噪声源:产生噪声; (2)噪声接收通道:接收噪声。噪声接收电路通常指测试系统中对噪声敏感的电路; (3)噪声传输通道:传递噪声，即把噪声源产生的噪声传递到噪声接收电路。 三要素之间的联系如图5所示。 8 图5 形成干扰的三要素之间的联系 研究和分析噪声干扰时，首先应该搞清楚噪声源是什么，被干扰对象的哪些电路对干扰敏感，然后了解噪声是如何传输和通过哪些途径传输。 3.4 干扰的作用方式 各种噪声源对传输装置的干扰一般都作用在输入端，并通过多种耦合方式进入系统。根据干扰的作用方式以及与有用信号的关系，可将其分为差模干扰和共模干扰。 1.差模干扰 差模干扰又称横向干扰、正态干扰或串模干扰等。指干扰信号与有用信号按电势源形式串联起来作用于输入端的干扰。由于它和有用信号叠加起来直接作用于输入端，因此它直接影响测量结果。差模干扰可用图6所示的两种方式表示。 图6 差模干扰等效电路 (a)串联电压源形式;(b)并联电流源形式 图6中，E表示等效干扰电压，I表示等效干扰电流，Z表示干扰源的等效内阻抗。111 当干扰源的等效内阻抗较小时，用串联电压源形式;当干扰源的等效内阻抗较大时，用并联电流源形式。 造成差模干扰的原因很多，如信号输入回路中因接触不良带来的干扰，附加热电势带来的干扰，电场和磁场通过感应耦合而引起的干扰，外高压交变电场对传感器的一端进行漏电流耦合等。图7列举了两个典型例子。其中，图(a)表示用热电偶进行温度测量时，由于有交变磁场Φ穿过信号传输回路，从而产生感应电势，造成差模干扰;图(b)是高压直流电场通过漏电流对动圈式检流计造成差模干扰的示意图，图(c)表示信号输入回路中因接触不良造成的差模于扰。 9 图7产生差模干扰的典型例子 (a)温度测量系统的差模干扰;(b)动圈式检流计的差模于扰;(c)接触不良造成的差模于扰 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地(接地点)，在测量系统的两个输入端上同时出现的干扰。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。 共模干扰通常用等效电压源表示。图8给出了一般情况下的共模干扰电压源等效电路。图中U表示干扰电压源，Z、Z表示干扰源阻抗，Z、Z表示信号传输线阻抗，Z、ncm1cm212s1Z表示信号传输线对地的漏阻抗，R表示仪表输人电阻，R表示信号源内阻。 s2is (a) (b) (c) (d) 图8 共模干扰等效电路及产生共模干扰例证 由图8可知，共模干扰有如下特点:干扰电流通过部分传输线;只要电路对称干扰不会对接收器其作用;一般Z、Z比Z、Z高很多，但共模干扰源的噪声电压比信号源电cm1cm212 压高很多，故总的来讲共模干扰转换为差模干扰对测量结果的影响更加严重;共模干扰的耦合机理和耦合电路不易搞清楚，排除它比较困难。 常见的共模干扰耦合情况有下面几种: (1)在测量系统附近有大功率电气设备，因绝缘不良漏电，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，若测量系统有两个 10 以上接地点，则地电位差就会造成共模干扰，如图8(b)。 (2)当电气设备的绝缘性能不良时，动力电源会通过漏电阻耦合到测量系统的信号回路，形成干扰，如图8(c)。 (3)在交流供电的电子测量仪表中，动力电源会通过电源变压器的原边、副边绕组间的杂散电容，整流滤波电路，信号电路与地之间的杂散电容与地构成回路，形成工频共模干扰，如图8(d)。 3.共模干扰抑制比 由上述可知，共模干扰只有转换成差模干扰才能对检测仪表产生干扰作用，所以共模干扰对检测仪表的影响大小取决于共模干扰转换成差模干扰的大小。检测仪表对共模干扰 共模干扰抑制比"表示。共模干扰抑制比定义为:作用于检测仪表的共模干的抑制能力用" 扰信号与使仪表产生同样输出所需的差模信号之比。通常以对数形式表示为 (3.4.1) 式中:U为作用于仪表的实际共模干扰信号; U为使仪表产生同样输出所需的差模信cmcd 号。 共模干扰抑制比也可以定义为检测仪表的差模增益K与共模增益K之比，即 dc (3.4.2) 此式特别适用于放大器的共模抑制比计算。 上面对共模抑制比的两种定义都说明，它是电子测量系统对共模干扰抑制能力的度量。CMRR值越高，说明系统对其模干扰的抑制能力越强。 图9是一个差动输入运算放大器受共模干扰的等效电路。图中E为共模干扰电压，cm Z、Z为共模干扰源阻抗，R、R为信号传输线路电阻，E为信号源电压。 1212s 图9 差动运算放大器受共模干扰的等效电路 设差动放大器输入阻抗为无穷大，由图9很容易得出，在E作用下出现在放大器两cm 个输入端子之间的差模干扰电压为 11 (3.5) 从而可求得差动运算放大器的共模抑制比为 (3.6) 从上式可以看出，若ZR=ZR，则CMRR趋于无穷大，但实际上很难做到这一点。 1221 一般，并且，则上式可简化为 Z,,RZ,,RZ,Z,Z112212 (3.7) 上式表明，若想提高差动放大器的抗共模干扰能力，应尽量使R与R相等，Z、Z2112尽可能高。 通过上例分析可见，共模干扰在一定条件下能转换为差模干扰，而电路的共模干扰抑制比与电路的对称性密切相关。 3.5 干扰抑制技术 由上可知，干扰的形成必须同时具备干扰源、干扰传输通道、对干扰敏感的接收电路三个条件。因此，抑制干扰可以分别采取如下相应方法。 (1)消除或抑制干扰源:如使产生干扰的电气设备远离检测装置;对继电器、接触器、断路器等采取触点灭弧措施或改用无触点开关;消除虚焊、假焊等。 (2)切断干扰传递途径:提高绝缘性能，采用变压器、光电耦合器等隔离以切断路径; 利用退隅、滤波、选频等电路手段，将干扰信号转换;改变接地形式、消除共阻抗耦合干扰途径;对数字信号可采用甄别、限幅、整流等信号处理方法或采取控制方法切断干扰途径。 (3)削弱接收电路对干扰的敏感性:如电路中的选频措施可以削弱对全频带噪声的敏感性;负反馈可以有效地削弱内部噪声源;采用绞线传输或差动输入电路等。 干扰抑制方法可用硬件实现，也可用软件实现，或将两者结合使用。在软件方面如数字滤波、选频和相关技术及数据处理等，都可将淹没于燥声中的有用信号测量出来。 下面介绍一些工程中常用的干扰抑制技术措施。 3.5.1屏蔽技术 屏蔽的目的是隔断场的耦合，即抑制各种场的干扰。 屏蔽的方法是用金属隔离的原理把通过空间的电场、磁场或电磁场耦合的部分隔离开 12 来，割断其空间场的耦合通道。这个被隔离部分既可以是干扰源，也可以是易受干扰的部分。这样，既屏蔽了被隔离部分向外施加干扰，也屏蔽了被隔离部分接收外来的干扰。若和接地技术紧密结合，将会大大降低噪声耦合，取得较好的抗干扰效果。 根据干扰耦合通道的性质，屏蔽可分为如下三种。 (1)静电屏蔽:防止静电耦合干扰; (2)电磁屏蔽:防止电磁场的干扰; (3)磁屏蔽:防止低频磁通干扰。 静电屏蔽 1. 众所周知，在用电设备中，当电路和元件上的各部分具有电荷时，在其空间周围会产生电场。这种电场作用到周围的其它电路和元件上时就产生感应电压，而这些邻近电路和元件上的感应电压又反过来影响原电路和元件中的电压。这就是用电设备中电场的感应干扰，它往往会影响设备的工作性能，严重的甚至使设备根本不能正常工作。 由静电学知，将任意形状的空心导体置于任意电场中，电力线将垂直地终止于导体的表面，而不能穿过导体迸人空腔，因此放在导体空腔内的物体将不受外界电场的影响。这种现象称为静电屏蔽，又称为电场屏蔽。利用这一性质，可以屏蔽一些电子设备和信号传输导线，使其不受外界干扰。 图10(a)表示空间孤立存在的导体A上带有电荷+Q时的电力线分布，这时电荷—Q可以认为在无穷远处。图10(b)表示用导体B将A包围起来后的电力线分布。这时在导体B的内侧有感应电荷-Q，在外侧有感应电荷+Q。在导体B的内部无电力线即电力线在导体B处中断，这时从外部看B和A所组成的整体，对外仍呈现由A导体所带电荷+Q和B导体几 图10静电屏蔽原理与接地导体的屏蔽作用 何形状所决定的电场作用。所以单用导体B将导体A包围起来是没有静电屏蔽作用的。图 (C)是导体B接大地时的情况。这时导体B外侧的电荷+Q被引到大地，因此导体B与大地等电位，导体B外部的电力线消失。也就是说，由导体A产生的电力线被封闭在导体B的 13 内侧空间，导体B起到了静电屏蔽作用。如果导体A上的电荷是随时间变化的，那么在接地线上就必定有对应于电荷变化的电流流过。由于导体B外侧还有剩余电荷，于是在导体B的外部空间将出现静电场和感应电磁场。因此，所谓完全屏蔽是不可能的。另外，在实际布线时如果在两导线之间敷设一条接地导线，如图(d)所示，则导线A与B之间的静电耦合将明显减弱。若将具有静电耦合的两个导体在间隔保持不变的条件下靠近大地，其耦合也将减弱。 静电屏蔽的方法一般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耦合通道。电源变压器的初、次级间的屏蔽，就是静电屏蔽的具体实例。 2.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，利用高频电磁场在屏蔽金属内部产生的电涡流所产生的磁场抵消或减弱干扰磁场的影响，从而达到防止高频电磁场对受扰电路的影响。图11是电磁屏蔽示意图。 图11 电磁屏蔽 根据电磁场理论，电磁场变化的频率越高，辐射越强。因而在电磁场屏蔽中，既包括电磁感应干扰的屏蔽，也包括辐射干扰的屏蔽。电磁场屏蔽的基本原理可由图12来说明。 图12 电磁场屏蔽基本原理示意图 当导体A上通过高频变化电流时，周围空间便产生相应变化的电磁场，如图12(a)所示。这些变化的电磁场既可以在邻近的电路中引起电磁感应，又可以向外辐射，通过空间而干扰周围电路。 14 如果环绕导体A有一个反方向的变化电流，所产生的磁场与A中电流产生的磁场方向相反，对其起抵消作用，这就减弱了对外界的干扰。反方向的电流由载流导体A外的接地屏蔽罩来产生。由于屏蔽罩在高频磁场的作用下产生涡流，而涡流的磁场又与原磁场方向相反，因而可以实现高频磁场屏蔽，如图12(b)所示。又因为屏蔽罩接地，所以它又可以实现电场屏蔽。 分析表明，若导体A中流过的电流为ic，频率为ω，它与屏蔽层的互感为M，则可求得屏蔽罩所流过的流电涡为 式中，rs—屏蔽罩的电阻; Ls—线圈自身的电感。 在高频下， r<<ωL，上式可简化为 ss M (3.8) i,iscLs 因此，在r<<ωL的条件下，屏蔽罩中能产生足够的涡流以抵消线圈电流所形成的磁场ss 干扰。 在低频时，r>>ωL，所以 ss (3.9) 由式(3.9)可知，由于低频时ω很小，rs很大，故涡流i很小，即利用涡流屏蔽效果s 不明显，所以电磁屏蔽只适用于防止高频电磁场的影响。 综上所述，对屏蔽罩的要求为: ?根据r<<ωL，条件的要求，屏蔽罩应采用低电阻的金属材料，如铝，钢等良导体s 材料。 ?由于是利用屏蔽罩上感生涡流的原理，且变化频率很高，根据趋肤效应，屏蔽罩的厚度对屏蔽效果关系不大。但屏蔽罩是否连续以及其网孔大小，却直接影响到感生涡流的大小，因而也影响到屏蔽效果。如果屏蔽罩在垂直于导体电流方向上开缝，就没有屏蔽效果。因此屏蔽越严密，则屏蔽效果越好。 ?对仪器壳体或控制柜而言，应注意外皮的接缝部位要清洁，相互之间不能绝缘，并用螺钉将其压紧，以保证涡流在金属外壳上连续流通。另外，机壳通风孔径大于5mm以上 15 时，要盖上一层金属网罩，且将边缘与外壳焊牢，以保证良好的屏蔽效果。 3.低频磁屏蔽 低频磁屏蔽是用来隔离低频(主要指50Hz)磁场或固定磁场(如永久磁铁产生的磁场) 耦合干扰的有效措施。由前面的分析可知(见式3.9)，电磁屏蔽对这种低频磁通干扰的屏蔽效果是很差的，这时须采用高导磁材料作屏蔽层，以便让低频干扰磁力线从磁阻很小的磁屏蔽层中通过，使内部电路免受低频磁场耦合干扰的影响。 在低频情况下，一般可采用导磁率高的材料作屏蔽体，利用其磁阻较小的特点，给干扰源产生的磁通提供一个低磁阻回路，并使其限制在屏蔽体内，从而实现静电场屏蔽。 由于频率较低，涡流趋肤效应很弱，因此屏蔽板越厚，屏蔽效果越好。从机构重量考虑，屏蔽板不应过重，因此应采用导磁率高的材料如坡莫合金，或采用具有一定间隔的两层屏蔽或多层屏蔽。 4.驱动屏蔽 驱动屏蔽又称"电位跟踪屏蔽"，就是用被屏蔽导体的电位通过1:1电压跟随器来驱动屏蔽导体的电位，其原理如图13所示。若1:1电压跟随器是理想的，即工作中导体B与屏蔽层C间的绝艳电阻为无穷大，并且二者等电位，于是在二者之间无电力线，各点等电位。这说明，噪声源导体A的电场影响不到导体B，尽管导体B与屏蔽层C之间有寄生电容存在，但因B与C等电位，故此寄生电容不起作用。因此驱动屏蔽能有效地抑制通过寄生电容的耦合干扰。 图13 驱动屏蔽 4是对电容传感器信号的驱动屏蔽示意图。这是一种等电位屏蔽法。由于传输电图1 缆的芯线与内层屏蔽等电位，从而消除了芯线对内层屏蔽的容性漏电，也就消除了寄生电容的影响。此时，内、外层屏蔽之间的电容便成了电缆驱动放大器的负载，因此，驱动放大器是一个输入阻抗很高、具有容性负载、放大倍数为1的同相放大器。 16 图14 驱动屏蔽法实例 3.5.2 接地技术 接地有两种含义:一是"大地"，另一是"工作基准地"。接地目的有三个:安全保护;为信号电压提供基准电位;静电屏蔽。此处主要研究测量装置中为抑制噪声而采取的接地技术。 测量装置中，地线是所有电路公共的零电平参考点。理论上，地线上所有的位置的在 电平应该相同。然而，由于各个地点之间必须用具有一定电阻的导线连接，一旦有地电流流过，就有可能使各个地点的电位产生差异，同时，地线是所有信号的公共点，所有信号电流都要经过地线，这就有可能产生公共地电阻的耦合干扰，地线的多点相连也会产生环路电流，环路电流会与其他电路产生耦合，由此可见，不恰当的接地会造成极其严重的干扰，而正确的接地则会有效地抑制噪声的干扰。 在一个复杂的大系统中，既有高频信号，又有低频信号，既有强电电路，又有弱电电路;既有频繁开关动作的设备，又有极为敏感的弱信号装置，因此对不同类的信号电路应有不同类的地线，通常为如下几种。 1.信号地线 分为两种:模拟地和数字地。模拟地作为A/D转换、前置放大器或比较器的零电位公共线;数字地作为逻辑开关电路的零电位公共线。模拟信号一般较弱，所以对模拟地要求较高。数字信号一般较强，故对数字地要求可低些。为了避免模拟地与数字地之间的相互干扰，二者应分别设置。 2.信号源地线 主要指传感器本身的零电位基准公共线。传感器可看做是测量装置的信号源。通常传感器安装在生产现场，而显示、记录等测量装置则安装在离现场有一定距离的控制室内，在接地要求上二者不同。 3.负载地线 负载的电流一般较前级信号大得多，因此负载地线上的电流在地线中产生的干扰作用 17 也大。 在测试系统中，上述几种地线应分别设置。 在同一类信号电路中，通常有下列三种接地方式。 1.单点接地 单点接地是整个系统中，只有一个物理点被定义为接地参考点，其他各个需要接地的点都直接连接到这一点上。其优点是不存在环形回路，因而不存在回路地电流。这种接地方式又分为串联单点接地和并联单点接地两种形式。 (1)串联单点接地 图15为串联单点接地的等效电路。图中接地点至a点的一段线为电路A、电路B、电路C的共用地线，ab段为电路B和电路C的共用地线。 图15 串联单点接地等效电路图 RIRIIR332121设为接地点至a点的等效电阻，、分别为ab段的等效电阻。、、分别为电路A、电路B、电路C的电流，则各接地点的地电位为 显然，a、b、c各点的电位不仅不为零，还受其它电路的影响。因此，从防止噪声和抑制干扰角度，这种接地方式不适用。当各电路的地线中电流相差很大时，各电路会通过接地线相互影响，此时也不能使用这种方法。但这种接地方式的结构比较简单，各电路的接地线短，电阻较小。 在采用这种接地方式时还必须注意: a.最低电平电路放在最靠近接地点的a处，以使b点及c点电位受到的影响最小; b.信号电路应尽可能靠近电源，即靠近真正的地点; c.所有地线应尽可能粗些，以降低地线电阻。 (2)并联单点接地 18 图16为并联单点接地等效电路，图中、、分别为三条引线的电阻，此时各电路RRR213 、、。 的电位分别为:u,RIu,RIu,RIb22a11c33 在这种情况下，各电路的地电位仅与各自的地电流及地线电阻有关，不受其它电路影响。由于此时地线上的共阻抗降到了最低限度，因此可以认为消除了共阻抗干扰。但这种方式需要连接多根地线，布线不方便。 图16 并联单点接地等效电路图 可以看出，在低频电路中，布线和元件间的电感较小，但接地电路形成的环路对于干扰影响很大，适合采用一点接地方式。在高频电路中，地线阻抗中的感抗分量增大，同时各地线之间又产生电感耦合，所以高频电路中不适合采用一点接地方式。 单点接地适用于频率较低的电路中(1MHZ以下)。在电源电路的处理上，一般可以考虑单点接地。对于数字电路的PCB，由于其含有丰富的高次谐波，一般不建议采用单点接地方式。 2.多点接地 多点接地是指系统中各单元电路直接连接到距它最近的地线上，以使接地引线的长度最短。等效电路如图几7所示。对于高频电路，为了降低地线阻抗，一般均采用多点接地方式，图17中所用的地线分别连至最近的低阻抗地线上。地线系统一般是与机壳相连的扁粗金属导体或机壳本身，因此其感抗很小。 图17 多点接地等效电路图 I设每个电路接至机壳或地线系统的地线电阻为R，电感为L，地电流为，则电路对iii 19 地的电位为:。 U,(R，j,L)Iiiii 为了降低电路的地电位，每个电路的地线应尽可能的短，以便降低地线阻抗。多点接地系统的优点是电路构成比单点接地简单而且由于接地线短，接地线上可能出现的高频驻波现象会显著减小。但由于多点接地后，设备内部会增加许多地线回路，它们对较低电平的电路会引起干扰，带来不良影响。 通常接地方式可选择如下: 当频率在1MHz以下时，采用一点接地方式;当频率在1~10MHz之间时，如用一点接地，地线长度不得超过波长的1/20，否则应采用多点接地;当频率高于10MHz时，应采用就近多点接地;如果系统中既有高频部分又有低频部分，此时应分别对待，低频电路采用单点接地，高频电路需多点接地。 3.悬浮接地 浮地是指设备地线系统在电气上与大地绝缘的一种接地方式。由于浮地自身的一些弱点，不太适合一般的大系统中，其接地方式很少采用。 3.5.3 平衡电路 平衡电路又称为对称电路。它是指双线电路中的两根导线与连接到这两根导线的所有电路对地或对其他导线电路结构对称，对应阻抗相等。例如，电桥和差分放大器就属于平衡电路。采用平衡电路可以使对称电路结构所拾捡的噪声相等，并可以在负载上自行抵消。 图18所示电路是最简单的平衡电路。U、U为噪声电压源，U、U为信号源，两个N1N2s1s2噪声源所产生的噪声电流为I、I，两个信号源产生的信号电流为I。由电路原理图可N1N2s 求出在负载上产生的总电压为 (3.10) 式中前二项表示噪声电压，第三项表示信号电压。若电路对称，即I=I，R=R，N1N2L1L2则负载上的噪声电压可互相抵消。但实际上电路很难做到参数完全对称，此时抑制噪声的能力取决于电路参数的对称性。 20 图18最简单的平衡电路 在一个不平衡系统中，电路的信号传输部分可采用两个变压器而使其变得平衡，其原理如图19所示。因为长导线最易拾捡噪声，所以这种方法对于信号传输电路在噪声抑制上是很有用的。同时，变压器还能断开地环路，因此能消除负载与信号源之间由于地电位差所造成的噪声干扰。 图19 用两个变压器使传输线平衡 (a)不平衡系统;(b)平衡传输系统 3.5.4 滤波器 在数字电路中，当电路从一个状态转换成另一个状态时，就会在电源线上产生一个很大的尖峰电流，形成瞬变的噪声电压。当电路接通与断开电感负载时，产生的瞬变噪声干扰往往严重妨碍系统的正常工作。抑制噪声干扰最有效的方法之一就是采用滤波器，它是使某一频带信号通过或阻止某一信号通过的电路。所以在电源变压器的进线端加入电源滤波器，可以抑制瞬变噪声的干扰。直流电源的输出也接入电容滤波器，以使输出电压的纹波限制在一定范围内，并能抑制数字信号产生的脉冲干扰。 滤波器按结构分为无源滤波器和有源滤波器。由无源元件电阻、电容和电感组成的滤波器为无源滤波器;由电阻、电容、电感和有源元件(例如晶体管、线性运算放大器)组成的滤波器为有源滤波器。此外，还有用软件实现的数字滤波器。 信号通过滤波器，被滤除(或称被衰减)的信号频率称为阻带，被传输的信号频带称为通带。根据阻带和通带的频谱，可将滤波器分为下面四种: 21 ?低通滤波器:允许低频信号通过，但阻止高频信号通过。 ?高通滤滤器:允许高频信号通过，但阻止低频信号通过。 ?带通滤波器:允许规定的某频段信号通过，但阻止高于和低于该频段的信号通过。 ?带阻滤波器:只阻止规定的某频段信号通过，但允许高于或低于该频段的信号通过。 在抗干扰技术中，使用最多的是低通滤波器，其主要元件是电容和电感，这里首先介绍由电容、电感组成的无源滤波器。 1.无源滤波器 (1)电容滤波器 设滤波器的输入量为I，输出为电压U，则图20(a)的频率特性为 c0 (3.11) 显然，随着频率f的增大，滤波器的输出电压衰减增大，起到了低通滤波的作用，能够消除差模干扰。 图20(b)中电容器的中性点接地，能够把噪声电流旁路入地，从而消除共模干扰。 (2)电感滤波器 设电感线圈上流过的电流为I，电感线圈两端的电压为U，则图21的频率特性为 LL (3.12) 显然，随着频率f的增大，电感线圈两端的电压U将增大，此时滤波器的输出电压L U=U-U,将逐渐减小，起到了低通滤波的作用。 0iL 图20电容滤波器的结构 图21电感浊波器的结构 (3)RC低通滤波器 如图22所示，按结构形式，RC低通滤波器可分为L型、?型、T型三种。它们的滤波特性均为 1f如果令，称为上限截止频率，则 ,h2,RC 22 (3.13) 当时，RC低通滤波器的输出电压几乎与输入电压相等; 当则RC低f,,ff,,fhh通滤波器的输出电压有很大衰减。 由于信号源有内阻，当?型滤波器和信号源连接后，相当于两级L型滤波器串联，滤波特将大有改善。 通常将T型滤波器用于负载阻抗小的场合，此时比应用L型和?型滤波器时的负载电流要小得多，减轻了信号源的负担。 RC低通滤波器对外界的磁场变化敏感度低，广泛用于信号传输线路中的噪声抑制。 图 22 RC低通讯波器的结构 (4)LC低通滤波器 按电路的结构，LC低通滤波器可分为L型、?型和T型三种。如图23所示，设电感L的直流电阻为R，则它们的滤波特性均为 (3.14) 1为了便于与RC低通滤波器相比较，设, ,RC 11,,,当时， ，即低频时，滤波器的输出近似等于输入; ,A(),,12LC,1，(RC) 11当时，，显然此时，随着频率的增大，滤波器的输出逐渐衰,A,,,,()2,LCLC 减。 这三种LC低通滤波器频率特性虽然相同，但实际上，由于信号源有内阻，当?型滤波器和信号源连接后，相当于L型RC滤波器和LC滤波器串联，滤波特性将大有改善。 通常将T型滤波器用于负载阻抗小的场合，此时比应用L型和?型滤波器时的负载电流要小得多，减轻了信号源的负担。 当信号源为热电偶、应变片等信号变化缓慢的传感器时，利用小体积、低成本的无源RC低通滤波器将对串模干扰有较好的抑制效果。 23 图23 LC低通滤波器结构 2.有源滤波器 由电阻、电容和运算放大器组成的滤波器称为有源滤波器。有源滤波器的形式很多，这里介绍一些基本的滤波器。 (1)一阶低通有源滤波器 如图24(a)所示，滤波器的频率特性为 (3.15) 1当，R=R时，即低频时，滤波器的输出近似等于输入; A(,),1,,,21RC2 11,当，R=R时，，显然随着频率的增大，滤波器的输出变小。 A,,,,()21RC,RC22 图24(b)所示，集成运放工作在电压跟随器状态，有极高的输入阻抗和极低的输出阻抗，可减小后接负载对滤波器的影响，该滤波器的频率特性为 (3.16) 显然有很好的低通滤波特性。 图24一阶低通有源滤波器 (2)二阶低通有源滤波器 如图25所示，它由两阶RC滤波电路和同相比例放大电路组成，设同相比例放大电路的电压增益为A则 uf (3.17) 24 滤波器的传递函数为 (3.18) 可以看出，当A<3时，电路才能稳定工作;当A>3时，电路将自激振荡。 ufuf 11令，称为特征角频率，令称为品质因数，则有 ,Q,,RC3-Auf (3.19) 滤波器的频率特性为 (3.20) 滤波器的幅频特性为 (3.21) 当时，A(ω)=A;当ω趋近无穷大时,A(ω)=O，呈现低通滤波特性。 ,,0uf 图25 二价低通有源谁波器 3.5.6 隔离技术 信号隔离的目的是为了从电路上把干扰源和易受干扰的测试系统隔离开来，从而使测试系统仅与现场保持信号联系，但不直接发生电的联系。隔离的实质就是把干扰的耦合通道切断，从而达到隔离现场干扰的目的。在测试系统中，既有弱电控制部分，又有强电控制部分，因此只有实现弱电和强电隔离，才能保证系统工作稳定。 常用的隔离方式有变压器隔离、继电器隔离、光电隔离等。 1.变压器隔离 变压器是由初级电流产生磁通，再由磁通产生次级电压，从而使初级回路与次级回路在电气上隔离。 对于一般的交流信号，可以采用普通变压器进行隔离。处理模拟量(如现场信号输入 25 通道)时，采用隔离放大器。 对于脉冲信号，可以采用脉冲变压器进行隔离。脉冲变压器的匝数较少，而且一次和二次绕组分别在铁氧体磁芯的两侧，分布电容仅几微微法，所以可实现数字信号的隔离。 脉冲变压器隔离法传递脉冲信号时，不能传递直流分量，而微机使用的数字量信号输入/输出的控制设备不要求传递直流分量，所以脉冲变压器隔离法在微机测控系统中得到广泛应用。 2.继电器隔离 继电器的线圈回路和触点之间没有电气上的联系，因此，可利用继电器的线圈接受电气信号，利用触点输出信号，从而实现强电和弱电信号之间电信号隔离。 .光电隔离 3 光电隔离是由光电耦合器件来完成的。光电耦合器是以光为媒介传输信号的器件。其输入端配置发光源，输出端配置受光器，因而输人和输出在电气上是完全隔离的。光电耦合器的种类很多，图26(a)所示是常用的发光二极管与光敏三极管组成的光电耦合器。 图26光电和合器的结构 光电耦合器的输入端是发光二极管，它与普通晶体二极管的伏安特性相比:一是正向死区较大，即正向管压降大，可达0.9,1.1V，只有当外加电压大于这个数值时，二极管才发光;二是反向击穿电压很小，只有6V左右，比普通二极管的反向电压要小得多。 光电耦合器的输出端是光敏三极管，它的伏安特性与普通晶体三极管的伏安特性是相似的，也分饱和、线性和截止三个区域。不同之处就是它以发光二极管的注人电流I为参f变量。 当光电耦合器工作在线性区域时，输出电流I与输入电流I成线性对应关系，I与cfcI的比值常用电流传输比表示，其比值总是小于1，通常用百分数表示，反映了光电耦合f 器电信号的传输能力。一般情况下，取I=10mA。 f 图26(b)所示的光电耦合器中，输出采用达林顿管，其电流传输比可达5000%，即I=50I，这种光电耦合器适用于负载较大的场合。 cf 光电耦合器具有较高的电气隔离和抗干扰能力的原因是: 5?光电耦合器的输入阻抗很低(一般为100Ω,1kΩ)，而干扰源内阻一般都很大(10 26 6Ω,10Ω)。按分压原理，传送到光电耦合器输入端的干扰电压就变得很小了。 ?干扰噪声虽有较大的电压幅度，但能量小，只能形成微弱电流，而光电耦合器输入部分的发光二极管是在电流状态下工作的，只有通过一定的电流才发光。因此，即便电压幅值很高的干扰，由于没有足够的能量，也不能使二极管发光，显然，干扰就被抑制掉了。 一般为0.5,2pF)，绝缘电阻又非常大(一?光电耦合器的输入/输出间的电容很小( 1113般为10Ω,10Ω)，因此电路一边的干扰很难通过光电耦合器反馈到另一边去。 ?光电耦合器的光电耦合部分是在一个密封的管壳内进行的，因而不会受到外界光的干扰。 3.5.7 印制电路板布线抗干扰方法 在测试系统中，器件、信号线、电源线等都高密度集中在印制电路板上，如何合理印制电路板，将直接影响系统的抗干扰性能。 1.印制电路板的尺寸和器件布置 印制电路板的尺寸大小要适中，过大时印制线条过长，阻抗增加，提高了成本，降低了抗噪声的能力;过小时元器件过于密集，各个器件以及线条间会互相干扰，散热效果也不好。 元器件在印制电路板上排列的位置要充分考虑抗电磁干扰问题和系统可靠性的要求。原则之一是各部件之间的引线要尽量短。在布局上，要把模拟信号部分、高速数字电路部分、噪声源部分(继电器、大电流开关等)这三部分合理地分开，使互相间的信号耦合减少到最小。在元器件的放置过程中，要注意使时钟发生器尽量靠近用到时钟电路的器件，I/O驱动电路尽量靠近印制板边缘，让它尽快离开印制板;应把相互有关的器件尽量放得靠近些，才能获得较好的抗噪声效果。布置器件时，还应把发热较多的器件放置在易通风散热的地方;让易发生噪声的器件、大电流电路等远离逻辑电路，如果条件允许，可以另做印制板。 另外，从外观来说元器件的放置应尽量整齐，集成芯片除有特殊要求者外，应尽量同方向放置，电阻电容类元件其引线长度应一致。 2.印制电路板的布线方式 ?导线间距离要尽量加大:对于信号回路，印制铜箔条的相互距离要有足够的尺寸，而且这个距离要随信号频率的升高而加大，尤其是频率极高或脉冲前沿十分陡峭的情况更要注意。因为只有这样才能降低导线间分布电容的影响。 ?采用隔离走线:布线时，若不得不平行走线时，可在两条信号线中加一条接地的隔 27 离走线。 ?采用跳接线:当在线路无法排列或只有绕大圈才能走通的情况下，采用跳接线或阻容元件引线直接跨接。 对双面布线的印制板，应使两面线条垂直交叉，以减少磁场耦合。 ?高电压或大电流线路对其他线路容易形成干扰，而低电平或小电流信号线路容易受到感应干扰。因此，布线时使两者尽量相互远离，避免平行铺设，采用屏蔽等措施。 ?所有线路尽量沿地线铺设，且应沿直流地铺设，尽量避免沿交流地铺设。 ?尽量减小电源线走线的有效包围面积。 ?在印制板上尽量避免开口或开槽，特别是地线层或靠近电流走线处。开口或开槽可能会增加电源路径有效包围面积。 ?走线不要有分支或缠结，这样可避免在高频信号时会导致反射干扰或发生谐波干扰。 ?在敏感元件周围采用抗干扰保护环。如关键的走线用地线包围、整个印制板边框用地线环形包围等。这样被保护环包围的部分，有效抑制了漏电对其造成的干扰，同时也使包围部分的辐射减小。 ?不要在印制板上留下空白铜箔层，因为它们可以充当发射天线或接收天线，因此可将它们接地。 0011 ?尽量使用45折线而不要用90折线布线，以减少高频信号对外的发射与耦合。 12?用地线将时钟区圈起来，时钟线要尽量短;晶体振荡器下面不要走线。 13?过孔的数目应尽量少，最好不要多于两个。因为印制电路板上一个过孔大约引起0.6pF的电容，对于高频电路来说，过孔的电容将变得不可忽视。 14?闲置不用的门电路输入端不要悬空，可采取并用、接地、接高电平等方式，以减少外部干扰信号对系统的影响;闲置不用的运算放大器正输入端要接地，负输入端接输出端。 15?对A/D类器件，数字部分与模拟部分宁可绕一下，也不要交叉。 3.地线设计 (1)地线宽度 加粗地线能降低导线电阻，使它能通过三倍于印制板上的允许电流。如有可能，地线宽度应在23mm以上。 ~ (2)接地线构成闭环路 接地线构成如图27(a)所示的闭环路要比如图27(b)所示的梳子状更能明显地提高抗 28 噪声能力。闭环形状能显著地缩短线路的环路，降低线路阻抗，从而减少干扰。但要注意环路所包围面积越小越好。 (3)印制电路板分区集中并联一点接地 当同一印制板上有多个不同功能的电路时，可将同一功能单元的元器件集中于一点接地自成独立回路。这就可使地线电流不会流到其他功能单元的回路中去，避免了对其他单元的干扰。同时，还应将各功能单元的接地块与主机的电源地相连接。如数字电路和模拟电路，两者的地线应分开设置，然后再分别与电源端地线相连。 图 27 接地线布局 4.电源线设计 布置电源线时，一方面应根据电流大小，尽量加大导线宽度;另一方面使电源线、地线的走向与数据信息传递方向一致。 5.配置去耦电容 印制板上装有多个集成电路，当一个直流电源同时对它们供电时，为避免通过电源内阻造成集成电路之间的互相干扰，应在每个集成电路的电源线和地线间接人去耦电容。 (1)电源去耦 在印制板入口处的电源线与地线之间并接两个退耦电容:一个大容量的铝或钽电解电容(10100μF)和一个自身电感小的云母或陶瓷电容(0.01,0.1μF)。并接大电容为了去~ 掉低频干扰成分，并接小电容为了去掉高频干扰部分。 (2)集成芯片去耦 原则上每个集成芯片都应安置一个0.01μF的陶瓷电容器，如遇到印刷电路板空隙小装不下时，可每4,10个芯片安置一个1,10μF的限噪声用的钽电容器。这种电容器的高频阻抗特别小，在500kHz,200MHz范围内阻抗小于1Ω而且漏电流很小(0.5μA以下)。 对于抗噪声能力弱，关断电流大的器件和ROM、RAM存储器，应在芯片的电源线(VCC)和地线(GND)间直接接入去耦电容。 安装电容器时，务必缩短电容器的引线，且必须安装在每个集成电路本身的电源和地 29 线之间，若安装在别的地线位置，便失去了抗干扰作用。 3.6脉冲电路的噪声抑制技术 脉冲电路是电磁干扰的主要产生源之一，它本身也会受到噪声的影响，严重时脉冲波形会产生畸变。因此针对脉冲电路，也应采取一定的噪声抑制技术。 脉冲电路被干扰的一般情况 1. 对于脉冲电路来说，理想的信号波形应具有以下特征:?幅度一定;?重复周期或脉冲宽度一定;?波形无畸变，不寄生其他非工作信号波形;?没有相位偏移;?零电平准线保持不变。 实际电路中，由于各种各样的电路条件及传输过程中各种干扰因素的影响，上述条件并不是都能满足。例如，当脉冲信号通过电容时就失去了直流分量，零电平可能要离基准 信号如通过电感将产生相移，且随频率线;电路的时间常数不合适将使脉冲波形发生畸变; 变化;在包含频率极宽的脉冲波形中，其每个频率的相移大小各不相同，故会生波形畸变。总之，信号的畸变是引起脉冲电路工作异常的重要因素之一，也是区别于模拟电路的重要特征。 脉冲电路经常受到的几种干扰波形如图28所示。 图28 常见的脉冲干扰波形 (a)原波形;(b)严重振铃;(c)混人了模拟干扰;(d)高频寄生振荡 (e)垂度过大;(f)共模干扰;(g)尖峰干扰 2.脉冲电路的噪声抑制技术 为了提高脉冲电路的抗干扰性能，以免脉冲信号在传输过程中出现畸变或受到干扰，常采用脉冲干扰隔离门、削波器和积分电路等噪声抑制技术，对窜入的干扰信号进行限幅、削波与衰减，从而保证脉冲电路的正常工作。 1)脉冲干扰隔离门 30 脉冲干扰隔离门利用硅二极管的正向压降对幅度较小的干扰脉冲加以阻挡，而让幅度较大的脉冲信号顺利通过。图29给出了脉冲隔离门的原理电路。图中二极管应选用开关管。 2)削波器 当噪声电压低于脉冲的波峰值时，也可使用图30所示的削波器。该削波器只让高于电压E的脉冲信号通过，而低于电压E的干扰脉冲则被削掉。 图29脉冲隔离门 图30削波器 (a)原理图;(b)波形图 3)积分电路 在脉冲电路中为了抑制窄脉冲型的噪声干扰，使用积分电路是最有效的。当脉冲电路以脉冲前沿的相位作为信息传输时，通常用微分电路取出前沿相位。但是，如果有噪声脉冲存在，其宽度即使很小也会出现在输出端。如果使用积分电路，则脉冲宽度大的信号输出大而脉冲宽度小的噪声脉冲输出小，所以能将噪声脉冲干扰滤除掉。图31以波形图的形式说明了用积分电路消除干扰脉冲的原理。 图31 用积分电路消除干扰脉冲 31 (a)混有干扰的脉冲信号;(b)微分电路的输出波形;(C)积分电路的输出波 3.7 软件抗干扰技术 为了提高电子测量系统的可靠性，仅靠硬件抗干扰措施是不够的，需要进一步借助于软件措施来克服某些干扰。经常采用的软件抗干扰技术是数字滤波技术、指令冗余技术、软件陷阱技术等。下面分别加以介绍。 3.7.1 数字滤波技术 在信号检测系统中均含有各种噪声和干扰，它们来自被测信号本身、传感器、外界干 一类为周扰等。为了进行准确测量，必须消除被测信号中的噪声和干扰。噪声有两大类:期性的;另一类为不规则的。前者的典型代表为50Hz的工频干扰，对于这类信号，可以采用前几节介绍的抗干扰措施;对于不规则的随机干扰，可以用数字滤波方法予以削弱或滤除。所谓数字滤波，就是通过一定的计算或判断程序减少干扰在有用信号中的比重，因此它实质上是一种程序滤波。数字滤波克服了模拟滤波器的不足，与模拟滤波器相比，它有以下几个优点: (1)数字滤波是用程序实现的，不需要增加硬件设备，所以可靠性高、稳定性好。 (2)数字滤波可以对频率很低(如0.01Hz)的信号实现滤波，克服了模拟滤波器的缺陷。 (3)数字滤波器可以根据信号的不同，采用不同的滤波方法或滤波参数，具有灵活、方便、功能强的特点。 由于数字滤波器具有以上优点，因此在测量系统中得到了广泛的应用。 1.常用的数字滤波方法 1)算术平均值滤波法 算术平均值滤波法是在采样点连续采样数次并相加，然后取算术平均值作为本次采样值的方法。这种方法可以减小系统的随机干扰对采样结果的影响。采样次数取3,5次即可。 2) 上下限滤波法 将数个测量数据按大小排列后，去掉最大值和最小值，然后将剩下数据的平均值作为测量结果。 3)中值滤波法 中值滤波法的原理是对被测参数连续采样m(m为大于等于3的奇数)次，并按大小顺序排列，再取中间值作为本次采样的有效数据。中值滤波法和平均值滤波法结合起来使用，滤波效果会更好。即在每个采样周期，先用中值滤波法得到m个滤波值，再对这m个滤波 32 值进行算术平均，得到可用的被测参数。 4) 比较舍取法 当测试系统测量结果的个别数据存在偏差时，为了剔除个别错误数据，可采用比较舍取法，即对每个采样点连续采样几次，根据数据的变化规律，确定舍取办法来剔除偏差数 即对每个采样点连续采样三次，取两次相同数据为采样结果。 据。例如，"采三取二" 5)惯性滤波法(一阶滞后滤波法) 上述4种方法主要适用于变化过程比较快的参数，对于变化慢的参数滤波效果不太理想。此时可利用软件完成RC低通滤波器的算法，即一阶滞后滤波法。 一阶滞后数字滤波公式为 (3.22) 式中:X为第i次采样值;为第i次采样后滤波结果输出值; 为第i-1次采样后iXXii-1 滤波结果输出值;τ为数字滤波器时间常数;α为滤波平滑系数,α=τ/(τ+T);T为采样周期。 以上讨论了五种数字滤波方法，在实际应用中，究竟选取哪一种数字滤波方法，应视具体情况而定。一般来说，算术平均值滤波法适用于周期性干扰;中值滤波法和限幅滤波法适用于偶然的脉冲干扰;惯性滤波法适用于高频及低频的干扰信号。针对不同的测量对象，有时还会同时采用几种滤波方法，比如先用中值滤波法或限幅滤波法，然后再用算术平均值滤波法。总之，应用恰当的数宇滤波方法，可以有效地滤除和减小各种干扰和噪声。 2.数字滤波器设计方法 设图32(a)所示为某一信号x(t)的频谱X(m)。它是由对x(t)进行采样，得离散时间序列x(n)，n=0，1，2，„„，N-1，再对x(n)进行快速傅里叶变换(FFT)得到的。对x(n)进行低通、高通、带通滤波的实现方法分述如下: 图32 信号x(t)的频谱及滤波后的频谱 33 (1)低通滤波器的实现 首先设定低通滤波器的截止频率f，将f的值与X(m)的各条谱线的频率值作比较，ττ 若 则令m?j的谐波幅值为零，即 保留m书

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