第10章(395)

第10章 传感器电路的抗干扰技术
2．来自地线的干扰 存在于传感器接口电路内，传感器接口各电路往往共用 一个直流电源或者虽然不共用一个电源，但不同电源之间共 一个地，因此，当各部分电路的电流均流过公共地电阻、地 线导体电阻时便会产生电压降，此电压降便成为各部分之间 相互影响的噪声干扰信号。同时，在远距离测量中，传感器 和检测仪表在两处分别接地，于是在两地之间就存在较大的 接地电位差，在仪表的输入端易形成共模干扰电压。
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3)信号源地线 传感器可看做是测量装置的信号源，通常传感器设在生 产设备现场，而测量装置设在离现场一定距离的控制室内， 从测量装置的角度看，可以认为传感器的地线就是信号源地 线，它必须与测量装置进行适当的连接才能提高整个检测系 统的抗干扰能力。 4)负载地线 负载的电流一般都较前级信号电流大得多，负载地线上 的电流有可能干扰前级微弱的信号，因此负载地线必须与其 他地线分开，有时两者在电气上甚至是绝缘的，信号通过磁 耦合或光耦合来传输。
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10.2.2 公共阻抗耦合 公共阻抗耦合是噪声源和信号源具有公共阻抗时的传导
耦合。公共阻抗随元件配置和实际器件的具体情况而定。例 如，电源线和接地线的电阻、电感在一定的条件下会形成公 共阻抗；一个电源电路对几个电路供电时，如果电源不是内 阻抗为零的理想电压源，则其内阻抗就成为接受供电的几个 电路的公共阻抗。只要其中某一电路的电流发生变化，就会 使其他电路的供电电压发生变化，形成公共阻抗耦合。
显然，对于电磁耦合干扰，降低接收电路的输 入阻抗，并不会减小干扰，而应尽量采取远离干扰 源或设法降低 M 等措施。
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10.3 硬件电路的抗干扰技术
10.3.1 接地技术 正确接地是检测系统抑制干扰所必须注意的问题。在设
计中若能把接地和屏蔽正确地结合，就能很好地消除外界干 扰的影响。接地技术的基本目的是消除各电路电流流经公共 地线时所产生的噪声电压，以及免受电磁场和地电位差的影 响，即不使其形成地环路。
第10章 传感器电路的抗干扰技术 图10.1.1 干扰三要素
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1．来自电网的干扰 大多数电子电路的直流电源都是由电网交流电源经滤波、 稳压后提供的，如果电源系统没有经过净化，会对测试系统 产生干扰，同时，在传感器测试系统附近的大型交流电力设 备的启停将产生频率很高的浪涌电压叠加在电网电压上。此 外电感应也会在电网上产生幅值很高的高频浪涌电压，如果 这些干扰信号沿着交流电源线进入传感器接口电路内部，将 会干扰其正常工作，影响系统的测试精度。
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图10.2.2 静电电容耦合
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10.2.4 辐射耦合 电磁场辐射也会造成干扰。当高频电流流过导体时，在
该导体周围便产生电力线和磁力线，并发生高频变化，从而 形成一种在空间传播的电磁波，处于电磁波中的导体便会感 应出相应频率的电动势。
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10.1 传感器接口电路常见的干扰 10.2 干扰信号的传播途径 10.3 硬件电路的抗干扰技术 10.4 软件干扰抑制技术
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10.1 传感器接口电路常见的干扰
10.1.1 噪声与干扰 对于电子电路中所称的噪声，可以概括地认为它是对有
公共阻抗耦合一般发生在两个电路的电流流经一个公共 阻抗时，一个电路在该阻抗上的电压降会影响到另一个电路， 如图10.2.1所示。
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常见的公共阻抗耦合有公共地和电源阻抗两种。图 10.2.1是经公共电源或控制设备工作线路的内阻和连线而产 生的耦合。这里干扰源的电流流过供电电源电路，这些电流 便在电源电路所有阻抗上产生电压降。这些阻抗的一部分Zc 接在接收器电路中，在Zc上的压降将由接收器接收。阻抗Zc 的值与感应电压频率有关，低频时它基本上等于连接线的电 阻和电源滤波器的输出电容的容抗；在高频时，它基本上等 于连接导线的感抗和电源滤波器输出电容的容抗。
10.2.5 电磁感应耦合 电磁感应耦合是由于电路之间存在互感，使一个电路的
电流变化，通过磁交变影响到另一个电路。图10.2.3是两个 电路电磁耦合的示意图和等效电路，图中导线1为干扰源， 导线2为检测系统的一段电路，两个导线之间的互感系数为 M。当导线1中有电流I.1变化时.，根据电路理论，通过电磁耦 合，在导线2产生的干扰电压Un为
10.1.2 常见的干扰 形成干扰的三要素为干扰源、耦合通道和受感器，三要
素之间的联系如图10.1.1所示。干扰源是客观存在的，要有 效地抑制干扰，首先要找到干扰发源地，防患于源处，而传 感器一般用于工业现场，干扰有时是不可避免的，不可能为 了测量电路的可靠运行而去清除干扰源，这是不现实的，这 时只能是适应环境，消弱通道对于干扰的敏感性和提高受感 器的抗干扰能力，抗干扰技术主要是从干扰进入传感器接口 电路的通道上采取抑制措施，根据干扰传播通道，干扰主要 有：
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造成共模干扰的原因很多，图10.1.4给出了几个具体的 例子。图10.1.4(a)表示热电偶测温系统，热电偶的金属保护 套管通过炉体外壳与生产管路接地，而热电偶的两条补偿导 线与显示仪表外壳没有短接，但仪表外壳接大地，地电位造 成的共模干扰。图10.1.4(b)表示动力电源通过漏电阻对热电 偶测温系统形成的共模干扰。图10.1.4(c)表示通过电源变压 器的初级、次级间的分布电容耦合形成的共模干扰。
•
•
U N jM I 1
(10.2.3)
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图10.2.3 电磁耦合 (a)电磁耦合示意图;(b) 电磁耦合等效电路
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分析式(10.2.3)可得如下结论：干扰电压 UN 与 干扰源角频率 成正比，与电路间的互感系数 M 成正比，与干扰源电流 I1 成正比。
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图10.2.1 经供电电源或控制电路的耦合
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10.2.3 电容耦合
电容耦合是由于两个电路之间存在寄生电容，产生静电
效应，使得一个电路的电荷变化影响到另一个电路。图
10.2.2是两个平行导线之间存在静电耦合的例子。导线1是干
扰源，导线2是检测系统的传输线，C1、C2分别为导线1、2 的对地寄生电容，C12是导线1和2之间的寄生电容，R为导线 2的对地电阻，根据电路理论，此时导线2所产生的对地干扰
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在电子学中常使用“干扰”这个术语，干扰被定义为： 由外部噪声和无用电磁波在接收中所造成的骚扰。测量中来 自测量系统内部和外部，影响测量装置或传输环节正常工作 和测试结果的各种因素的总和，称为干扰。而把消除或削弱 各种干扰影响的全部技术措施，总称为抗干扰技术。
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图10.1.2 常模干扰等效电路 (a)串联电压发生器形式；(b)并联电流发生器形式
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2.共模干扰 共模干扰是相对于公共的电位基准点(通常为接地点)， 在信号接收器的两个输入端同时出现的干扰。虽然它不直接 影响结果，但是，当信号接收器的输入电路参数不对称时， 它会转化为常模干扰，对测量结果产生影响。 共模干扰一般用等效电压源表示，图10.1.3给出了一般 情况下的等效电路。图中Un表示干扰电压源，Zcm1、Zcm2 表示干扰源阻抗，Z1、Z2表示信号传输线阻抗，Zs1、Zs2 表示信号传输线对地漏阻抗。
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10.1.3 常模干扰和共模干扰 1.常模干扰 常模干扰是使信号接收器的一个输入端的电位相对另一
个输入端电位发生变化。即干扰信号与有用信号是叠加在一 起的。
常模干扰可用图10.1.2所示两种方式表示，图中es及Rs 为有用信号源及内阻，Un表示等效干扰电压，In表示等效干 扰电流，Zn为干扰源等效阻抗，Ri为接收器的输入电阻。
用信号以外的所有电子信号的一个总称。当一个噪声电压大 到足以使电路受到干扰时，该噪声电压就称为干扰电压。而 一个电路或一个器件，当它还能保持正常工作时所加的最大 噪声电压，称为该电路或器件的抗干扰容限或抗扰度。一般 说来，噪声很难消除，但可以设法降低噪声的强度或提高电 路的抗扰度，以使噪声不致于形成干扰。
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图10.1.3 共模干扰等效电路
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从图中可以看出，当电路对称时，干扰电压源不会对接 收器产生干扰。只有当电路不对称时，共模干扰才能转化为 常模干扰，对信号接收起干扰作用。通常Zcm1、Zcm2比Z1、 Z2大得多，因此，共模干扰转化为常模干扰的电压比率很小。 但是共模干扰源的干扰电压值比信号源电压值高得多(信号 源电压常为毫伏级，而共模干扰源电压为数十伏)，一旦共 模干扰转化为常模干扰，这时的共模干扰对测量结果的影响 就更严重，排除它比较困难。
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图10.1.4 产生共模干扰的典型例子
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10.2 干扰信号的传播途径
10.2.1 直接耦合 电导性耦合最普遍的方式是干扰信号经过导线直接传导
到被干扰电路中而造成对电路的干扰。在传感器电路中，干 扰噪声经过电源线耦合进入传感器电路是最常见的直接耦合 现象。对这种耦合方式，可采用滤波去耦的方法有效地抑制 或防止电磁干扰信号的传入。
电压即R
•
U
N

C C j
12
12
C j 1 R 12
CC22U•1
(10.2.1)
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一般情况下，有R<<1/ω(C12 +C2)，故上式可进一步
简化为
.
.
UN ≈ jRC12U1
(10.2.2)
从上式可以看出，干扰电压UN与干扰源的电压U1及角 频率成正比，这表明，高电压小电流的高频干扰源主要是 通过静电耦合形成干扰的；干扰电压UN与C12成正比，同时 也与R成正比，所以，应通过合理布线和适当防护措施减小 电路间的寄生电容。降低接收电路的输入阻抗，也可以减 小静电耦合干扰。
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3．来自信号通道的干扰 通常传感器设在生产现场，而显示、记录等测量装置安装在 离现场有一定距离的控制室内，这样需要很长的信号传输线，信 号在传输的过程中很容易受到干扰，导致所传输的信号发生畸变 或失真。 长线信号传输所遇到的干扰有：周围空间电磁场对长线的电 磁感应干扰；信号线间的串扰，当强信号线或信号变化速度很快 的线与弱信号线靠得很近时，通过线间分布电容和互感产生干扰； 长线信号的地线干扰，信号线越长，则信号地线也越长，即地线 电阻较大，形成较大的电位差；来自空间电磁辐射的干扰，这种 干扰一般不太严重，只要与干扰源保持一定距离或采取适当的屏 蔽措施(如加屏蔽罩、屏蔽线)基本上可以解决。
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图10.3.1 单相三线交流配电原理图
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1)模拟信号地线 模拟信号地线是模拟信号的零电位公共线，因为模拟信 号有时较弱，易受干扰，所以对模拟信号地线的面积、走向、 连接有较高的要求。 2)数字信号地线 它是数字信号的零电平公共线。由于数字信号处于脉冲 工作状态，动态脉冲电流在接地阻抗上产生的压降往往成为 微弱模拟信号的干扰源，为了避免数字信号对模拟信号的干 扰，两者的地线应分别设置为宜。
第1Βιβλιοθήκη Baidu章 传感器电路的抗干扰技术
1．接地种类 所谓接地，就是将某点与一个等电位点或等电位面用低 电阻导体连接起来，构成一个基准电位。大地是一个很好的 电位基准，图10.3.1是电气设备接大地的示意图。但这里讨 论的地不一定是大地。电子电器系统中“地”的准确含义应 该是指信号的基准电位。检测或控制系统中，通过电线连接 实现信号传输的各部分之间必须有一个公共的基准电位或者 说信号参考点，这一参考点即所谓“地”。信号地线又可分 为以下几种：