电子电路的抗干扰技术-PPT

3.5.3 浮置技术
浮置又称浮空、浮接，它指的是电子测量系统的 输入信号放大器公共线(即模拟信号地)不接机壳或大 地。对于被浮置的测量系统， 测量电路与机壳或大地 之间无直流联系。
图3-16 浮置的温度测量系统
图3-16所示的温度测量系统中，其前置放大器通 过三个变压器与外界联系。B1是输出变压器，B2是反 馈变压器，B3是电源变压器。前置放大器的两个输入 端子均不接外壳和屏蔽层， 也不接大地。两层屏蔽之 间互相绝缘，外层屏蔽接大地，内层屏蔽延伸到信号 源处接地。从图中可明显看出，采用浮置后地电位差 所造成的干扰电流大大减小，而且该电流为容性漏电 流。
图3-24 脉冲隔离门
2） 削波器 当噪声电压低于脉冲的波峰值时，也可使用图325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3-25 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3-26以波形图的形式说明 了用光束来耦合， 因此能把两个电路的地电位隔离开， 两个电路的地 电位即使不同也不会造成干扰。光耦合对数字电路 很适用，但在模拟电路中需应用光反馈技术，以解 决光耦合器特性的非线性问题。
3.5.7 脉冲电路的噪声抑制技术 1. 脉冲电路被干扰的一般情况 对于脉冲电路来说，理想的信号波形应具有以
图3-31 各种电源滤波器的构成
图3-32是对串模干扰和共模干扰均有滤除效果的电源滤波 器。100μH电感、0.1 μF电容组成高频滤波器，能吸收从电 源线传导进来的中短波段的高频噪声干扰。图中两只对称的5 mH电感是由绕在同一只铁芯两侧、匝数相等的电感绕组构成的， 称为共模电感（或抗共模干扰扼流圈）。由于电源的进线侧至 负载的往返电流在铁芯中产生的磁通方向相反、互相抵消， 因而不起电感的作用，对50 Hz的大负载电流阻抗很小，但对 于电源相线和中性线同时存在的大小相等、相位相同的共模噪 声干扰来说，是一个较大的电感，它呈高阻抗，所以对共模噪 声干扰有良好的抑制作用。图中的10 μF电容能吸收因电源波 形畸变而产生的谐波干扰；图中的压敏电阻R能吸收因雷击等 引起的浪涌电压干扰。
3) 放大器与信号源的接地
图3-15（a）为放大器与信号源的两点接地方式。 其中Us为信号源电压，Rs为信号源内阻，Rc为引线电 阻。对于微弱信号的放大电路，信号源地与放大器地 之间存在着地电阻RG，当某种干扰电流流过此电阻时， 就会形成共模干扰UG。其等效电路如图3-15（b）所 示。
图3-15 放大器与信号源的接地方式 (a) 放大器与信号源两点接地； (b) 两点接地等效电路； (c) 一点接地等效电路
R C
2L
(3-17)
式中, R是电感线圈的等效电阻。 为了将谐振时的增益限制在 2dB以下，应取ξ>0.5。
图3-21 电源退耦滤波器 (a) RC退耦滤波器； (b) LC退耦滤波器
4. 交流电源进线端的对称滤波器
任何使用交流电源的电子测量仪表，经电源线传 导耦合到测量电路中的干扰，都会对仪表工作造成影 响。为此，在交流电源进线端子间加装滤波器是十分 必要的。
3.5.6 光电耦合器
光耦合器是由发光二极管和光敏三极管封装在一 个管壳内组成的。发光二极管两端为信号输入端，光 敏三极管的集电极和发射极作为光耦合器的输出端， 它们之间的信号传输是靠发光二极管在信号电压的控 制下发光，传送给光敏三极管来完成的。输入信号和 输出信号二者之间在电气上是绝缘的。
图3-22 用于断开地环路的光耦合器
图3-31是几种常用的电源滤波器的结构原理图。图（a） 是高频旁路电容滤波器，可以滤除电源中的高频串模干扰。图 （b）是并接在电源输入两端的两个串联旁路电容，电容间的 连接点接地。这种滤波器可以滤除电源的共模干扰。图（c） 所示的滤波器电路中，C1、C2对滤除共模干扰起作用，而C3对 滤除串模干扰起作用。图（d）是滤除电源串模干扰的滤波器， L1、L2对于高频干扰源来说是高阻抗，C为低阻抗。图（e）是 滤出共模干扰的滤波器。
2. 电子测量系统中的多种地线
1） 保护地线
为了安全起见，作为三相四线制电源电网的零线、 电气设备的机壳、底盘以及避雷针等都需要接大地。 对于单相电， 为了保证用电的安全性，也应采用具 有保护接地线的单相三线制配电方式。图3-12是220V
三线制交流配电原理图。“火线”上装有熔断丝，保 护地线应与设备外壳相连。当电流超过容限时，熔断 丝切断电源，但不管漏电流大小或熔断丝是否熔断， 用电设备外壳始终保持地电位， 从而保障了人身安全。
图3-14 多级电路的一点接地 (a) 一点接地的串联方式； (b) 一点接地的并联方式
当各级电平相差不大时，这种接地方式还勉强可 以使用。如果各电路的电平相差很大时，就不能使 用。因为高电平电路将会产生较大的地电流并干扰 到低电平电路。
这种利用一段公用地线多级接地方式的优点是布 线简便，因此常应用在级数不多，各级电平相差不 大以及抗干扰能力较强的数字电路。在使用这种接 地方式时还应注意把低电平的电路放在距接地点最 近的地方，因为该点最接近于地电位。
图3-12 单相三线制配电原理图
2） 信号地线
电子测量系统中的地线除特别说明是接大地的以 外，一般都是指作为电信号的基准电位的信号地线。
信号地线又可分为两种：模拟地和数字地。模拟 地是模拟信号的零电位公共线。因为模拟信号一般较 弱，所以对模拟地要求较高。数字地是数字信号的零 电位公共线。
由于数字信号一般较强，故对数字地要求可低些。 但由于数字信号处于脉冲工作状态，动态脉冲电流在 杂散的接地阻抗上产生的干扰电压， 即使尚未达到足 以影响数字电路正常工作的程度，但对于微弱的模拟 信号来说，往往已成为严重的干扰源。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。
第三讲 电子电路的抗干扰技术(二)
3.5 屏蔽、接地、浮置与其他干扰抑制技术 3.6 电源变压器与工频干扰 3.7 通过布线减小干扰 3.8 软件抗干扰技术 思考与练习题
3.5.2 接地技术
1. 接地的概念和目的
在电子测量系统中，地的含义包括两种。一是代 表一个系统或一个电路的等电位参考点，接地的目的 是为系统或电路的各部分提供一个稳定的基准电位， 并以低的阻抗为信号电流回流到信号源提供通路。这 种地又称为信号地。显然，没有信号地， 系统或电路 是无法工作的。二是指地球的大地。系统或电路的某 些部分需要与该地连接，接地的目的是为电气设备提 供一个保护接地，或者是满足静电屏蔽的需要。
下特征： ① 幅度一定； ② 重复周期或脉冲宽度一定； ③ 波形无畸变，不寄生其他非工作信号波形； ④ 没有相位偏移； ⑤ 零电平基准线保持不变。
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，上述理想条件并不是都能 满足。例如，当脉冲信号通过电容时就失去了直流分 量，零电平可能要偏离基准线；电路的时间常数不合 适将使脉冲波形发生畸变；信号如通过电感将产生相 移，且随频率变化；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，故会发生波形畸变。 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。
图3-18 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
3.5.5 滤波器
1. RC滤波器
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。对称的RC低通滤波 器电路如图3-19所示。
图3-19 串模干扰信号滤波器 (a) 单级RC滤波器与放大器的连接； (b) 二级RC滤波器
在电子测量系统中，上述四种地线应分别设置。 在电位需要连通时，可选择合适位置做一点相连，以 消除各地线之间的干扰。
3. 电路一点接地原则
1） 单级放大电路的一点接地
如图3-13（a）所示，单级选频放大器的原理电路 上有7个线端需要接地。如果只从原理图的要求进行接 线，则这7个线端可以接在接地母线任意不同位置。这 样，不同接地点间的电位差就有可能成为这级电路的 干扰信号。因此，应采用图3-13（b）所示的一点接地 方式。
图3-23 常见的脉冲干扰波形 (a) 原波形； (b) 严重振铃；(c) 混入了模拟干扰； (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
1） 脉冲干扰隔离门
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3-24给出了脉冲隔离门的原理电路。图 中二极管应选用开关管。
图3-26 用积分电路消除干扰脉冲 (a) 混有干扰的脉冲信号； (b) 微分电路的输出波形； (c) 积分电路的输出波形
3.6 电源变压器与工频干扰
3．6．1电源变压器的屏蔽措施 1．电源变压器原、副边绕组之间加入单层静电屏蔽后的漏电
流分析
图3-27 带静电屏蔽的变压器等效电路
3．6．2电源滤波器的构造及抗干扰特性
3.5.4 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3-17 最简单的平衡电路
图 3-17 所 示 电 路 是 最 简 单 的 平 衡 电 路 。 UN1 、
源内阻造成几个电路之间互相干扰，应在每个电路的直流进线
与地线之间加装退耦滤波器。图3-21是RC和LC退耦滤波器的应
用方法示意图。应注意，LC滤波器有一个谐振频率，其值为
fγ
2
1 LC
(3-16)
应将这个谐振频率取在电路的通频带之外。在谐振频率时，滤
波器的增益与阻尼系数ξ成反比。 LC滤波器的阻尼系数
任何使用交流电源的电子测量系统，经电源线传导耦合到 测量电路中的干扰，都会对系统工作造成影响。为此，在交流 电源进线端子间加装滤波器是十分必要的。在电源和负载之间 插入交流电源滤波器之后可以将几千赫兹至几十兆赫兹范围内 的电磁干扰衰减到几十分之一。交流电源滤波器有不同的构造， 因此也有不同的抗干扰特性。
图3-13 单级电路的一点接地 (a) 多点接地方式； (b) 一点接地方式
2） 多级电路的一点接地
图3-14（a）所示的多级电路利用一段公用地线后， 再在一点接地，它虽然避免了多点接地可能产生的干 扰，但是在这段公用地线上却存在着A、B、C三点不 同 的 对 地 电 位 差 ， 其 中 UA ＝ (I1+I2+I3)R1 ， UB ＝ UA+(I2+I3)R2 ，UC＝UB +I3R3。
2. 直流电源输出端的滤波器
直流供电的仪表，其直流电源往往被几个电路共 用。因此， 为了减弱经共用电源内阻在各电路之间形 成的噪声耦合，对直流电源输出端还需加装滤波器。 图3-20(a)、(b) 是滤除高、低频成分干扰的两种滤波 器。
图3-20 高、 低频干扰电压滤波器
3. 退耦滤波器
当一个直流电源对几个电路同时供电时，为了避免通过电
UN2为噪声电压源，Us1、Us2为信号源，两个噪声
源所产生的噪声电流为IN1、IN2，两个信号源产生的 信号电流为Is。由电路原理图可求出在负载上产生的 总电压为
U L I N1RL1 I N2 RL2 I s RL1 RL2
（3-15）
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3-18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。
3） 信号源地线
信号源地线是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。
4） 负载地线
负载的电流一般较前级信号大得多，负载地线上 的电流在地线中产生的干扰作用也大，因此负载地线 和放大器的信号地线也有不同的要求。有时二者在电 气上是相互绝缘的，它们之间通过磁耦合或光耦合传 输信号。