抗干扰技术

在传感器系统中广泛地使用着各种半导体元器件， 而半导体材料在光线的作用下会激发出电子一空穴对， 使半导体元器件产生电势或引起电阻值的变化，从而 影响传感器电路的正常工作。 对于光的干扰，可以对半导体元器件采用光屏蔽 来抑制。
（4）湿度干扰 环境湿度的增大会使绝缘电阻下降、漏电流增加； 会使电介质的介电常数增加；会使吸潮的线圈膨胀等。 这样就会使电路参数变化，而影响传感器电路正常工 作。 对于湿度变化的影响，通常需要采取防潮措施， 如浸漆、环氧树脂或硅橡胶封灌等。
二、噪声的耦合方式
耦合方式指噪声进入电路的方式。有以下几种：
(1) 电容性耦合
电容性耦合又称静电耦合。一般测量电路的容 性耦合如图6-4所示。 A为干扰导体，它具有的电压为EN ，Cm 为两个电 路之间的寄生电容，Zi为测量电路的输入阻抗。Zi上 的干扰电压UN为 :
容性耦合等效电路
j C Z U Z 1 j C Z
图6-8 输出阻抗引起的共阻抗干扰
Z //( Z Z ) //( Z Z ) Z U U Z Z Z //( Z Z ) //( Z Z ) Z Z Z U 4Z
S O L O L L B O L S O L O L O L S A O
A
减小输出阻抗ZS，可减小干扰电压ΔUB 。
②射频噪声
高频率感应加热、高频焊接等工业电子设备以及广
播、电视、雷达及通讯设备等通过辐射或通过电源线会
给附近的传感器电路带来干扰。
③电子开关
由于电路通断的速度极快，使电路中的电压和电流 在一定电路参数条件下，电子开关的通断还会带来相应
发生急剧的变化，形成冲击脉冲，从而成为噪声干扰源。 的阻尼振荡，从而构成高频干扰源。
图6-5 互感耦合等效电路
IN为干扰电流，M为两电感间的互感，IN造成的干 扰电压UN为：
U jM I
N
N
干扰电压UN与干扰源的频率ω、互感M及干扰电流IN
成正比；干扰电压是与信号线串联的。减弱UN的主要途
径是减小互感M值。
(3)共阻抗耦合
共阻抗耦合是由于几个电路之间有公共阻抗，当 一个电路中有电流流过时，在公共阻抗上产生一个压 降UN ，这一压降UN 对其他与公共阻抗相连的电路形成 干扰。
N
图6-9 漏电耦合等效电路
漏电耦合形成干扰，经常发生在以下一些场合： ①检测较高的直流电压时，被测电压通过绝缘电阻 向检测器输入电路漏电； ②在传感器系统附近有较高的直流电流，电压源通 过绝缘电阻向传感器输入电路漏电；
③有高输入阻抗的直流放大器，因为输入阻抗Zi取
值很大，其引入的干扰电压UN的数值就大。
(5)传导耦合 传导耦合是指经导线检拾到噪声，再经它传输 到噪声接收电路而形成干扰的噪声耦合方式。 最常见的是电源线经噪声环境，它把交变电磁 场感应到电源回路中而形成感应电势，再经这条电
散粒噪声值与直流电流的平方根成正比。设计 时，降低直流电流有利于降低散粒噪声。
③接触噪声 接触噪声是由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、电位器的滑动触点等。 接触噪声正比于直流电流；其功率密度正比于频 率 f 的倒数。 在低频电路中，接触噪声是重要的噪声源。
干扰：影响测量结果的各种无用信号。
干扰三要素：噪声源、对噪声敏感的接收电路和噪
声源到接收电路的耦合通道。
图6-1 干扰三要素的联系
§1
干扰分析
一、干扰源
1、干扰的类型 根据产生干扰的物理原因，干扰可以分为如下几 种类型：
（1）机械干扰
机械干扰是指由于机械的振动或冲击，使传感器 系统的敏感和转换元件发生振动、变形，使连接导线 发生位移等，这些都将影响传感器电路的正常工作。
(3)从干扰出现的区域分类
1)内部干扰
来自传感器内部的干扰称为内部干扰。
如电路的过渡过程、交叉电路、寄生反馈、内部 电磁场等引起的干扰，都属于内部干扰。 2)外部干扰 来自传感器电路外部的干扰称为外部干扰。 如电网电压波动、电磁辐射、高压电源漏电等， 都属于外部干扰。
(4)从干扰对电路作用的形式分类
对于机械干扰，主要是采取减振措施来解决。
（2）热干扰
设备和元件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会引起传感器电路元件参数发 生变化，或产生附加的热电势等，从而影响传感器电
路的正常工作。
对于热干扰，工程上通常采取的抑制方法有热屏 蔽、恒温措施、对称平衡结构、温度补偿技术等。
(3)光干扰
3)自然噪声源和放电噪声
自然噪声主要指雷电形成的放电现象。
放电现象的起因不仅是雷电，还有各种电气设备所
造成的，主要放电现象有：
①电晕放电
电晕放电主要来自高压输电线，具有间歇性质，产 生脉冲电流，而且随着电晕的放电过程还会出现高频振 荡，从而形成噪声干扰。
②火花放电 自然界的雷电、电机整流子炭刷上的电火花、接 触器、继电器接点在闭合和断开时的电火花，电加工 过程的电火花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现象。 火花放电噪声可以通过直接辐射和电源电路向外 传播，它可以在低频到高频范围内造成干扰。 ③放电管放电 放电管放电属于辉光放电或弧光放电。通常放电 管具有负阻特性，所以和外电路连接时很容易引起振 荡，此振荡频率可达很高，它将造成对附近电路的干 扰。
2)共模干扰
共模干扰又称共态干扰、同相干扰、对地干扰及 纵向干扰。它虽不直接对测量结果造成影响，但当信 号输入电路不对称时，它会转化为差模干扰，进而对 测量产生影响。
在实际工作中，由于共模干扰电压一般比较大， 而且其耦合机理和耦合电路不易搞清楚，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，如传感器电路两点接 地，其地电位差所造成的干扰；几部分电路之间的公 共阻抗所造成的干扰；电源变压器原边绕组与副边绕 组之间的分布电容耦合所造成的干扰等。
(2)从干扰的表现形式分类 1)规则干扰
干扰的出现形式有一定的规律，如电源的波纹、 放大器的自激振荡等形成的干扰，都是有一定规律的。
2)不规则干扰 干扰的出现形式是不规则的，如某些元器件，它 的额定值和特性随使用条件而变，由它引起的干扰是 不规则的。 3)随机干扰
干扰的出现具有随机性质，如接触不良，空间电 磁耦合等引起的干扰都是随机的。
1)差模干扰 差模干扰又称串模干扰、串联干扰、横向干扰、 正态干扰等。差模干扰和有用信号叠加起来直接作用 于输入端，所以它直接影响到测量结果。 差模干扰可用两种形式表示。其中UN、IN分别表示 干扰电压和干扰电流，ZN表示干扰源等效电阻。
(a)串联电压源形式
(b)并联电流源形式
图6-2差模干扰等效电路
cm cd
Ucm--实际的共模干扰电压
Ucd--共模干扰电压转换成的差模干扰电压
共模干扰抑制比也可以定义为差模增益与共模增
益之比，表达式为 ：
K (dB) CMRR 20 lg K
d m
Kd--差模增益 Km--共模增益
共模干扰抑制比是传感器电路对共模干扰抑制能
力的量度，CMRR越大，说明抑制共模干扰的能力越 强。 设计时，应尽可能降低对干扰信号的灵敏度。
现在电阻两端的噪声电压称为热噪声，它决定了电路
中噪声的下限。
热噪声电压与热力学温度、带宽和电阻值的平方
根成比例。设计时减小电阻值、带宽和降低电阻的使
用温度有利于降低热噪声。
②散粒噪声
散粒噪声存在于电子管和半导体两种元器件中。
在电子管里，散粒噪声来自阴极电子的随机发
射； 在半导体内，散粒噪声是通过晶体管基区载流 子的随机扩散以及电子-空穴对的随机发生及其复合 形成的。
当传感器系统的信号电路有几路负载时，任何
一个负载的变化都会通过输出阻抗的共阻抗耦合而
影响其他输出电路。 图6-8为具有三路输出的例子，每路负载都与电 路匹配，即ZL=ZO+ZS，Zo为输出线路阻抗，ZO为电路 的输出阻抗。一般能满足ZO>>ZS，所以ZL≈ZO。 设输出电路A产生电压波动ΔUA ，它在负载B上 将引起ΔUB电压变化， ΔUB值为：
主要产生在下述几种情况：
①电源内阻抗的共阻抗耦合
当用一个电源对几个电子线路或传感器供电时， 高电平电路或大电流的输出电流流经电源，由于电源 内阻抗Zi的存在，在Zi上的压降就转换为干扰电压UN， 造成对其他电路的干扰。
图6-6 电源内阻抗耦合干扰
设计时，应采用内阻低的电源。
②公共地线的耦合
在传感器电路的公共地线上，有各种信号电流流
号检测，需要放大器的输入阻抗很高，这对抑制干扰
是不利的。 因此，在设计传感器电路时，应兼顾信号
检测和抑制干扰这两个方面的要求。
(2)互感耦合
互感耦合又称电磁耦合。这种干扰耦合方式， 多发生在两根导线在较长一段区间平行架设，动力 线或强信号线成为干扰源；在传感器电路内部的线 圈 或 变 压 器 漏 磁 也 成 为 邻 近 电 路 的干扰源。
下图为一般情况下共模干扰电压的等效电路，其
中US 为信号电压，UN 为干扰电压，RL 为负载，Z1 、Z2 为两信号线上的阻抗。
图6-3 共模干扰等效电路
3)共模干扰抑制比
共模干扰抑制比：作用于传感器电路的共模干扰信
号与这个共模干扰信号转换为差模干扰信号之比。
通常以对数形式表示：
U (dB) CMRR 20 lg U
过。由于地线本身具有一定的阻抗，在其上必然形成
压降，该压降就形成对有关电路的干扰电压，如图67所示。 r3为地线电阻，Kl、K2为电压放大级，它的电流i3 较大，UN=i3r3，对Kl、K2两级形成干扰。 设计时，应避免采用公用地线，而采用各电路在 一点接地。
图6-7 地线阻抗耦合干扰
Hale Waihona Puke ③信号输出电路的相互干扰m i N m i