模拟量共串模抑制(共13页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上模拟量共串模抑制共串模介绍电路中的无用信号可以统称为噪声，根据噪声对电路作用的形态可以分为共模干扰和串模干扰两种类型。共模干扰是叠加在信号对地上的电位差，主要由电网串入、地电位差及空间电磁辐射在信号线上感应的共态（同方向）电压迭加所形成。共模电压通过不对称电路可转换成差模电压，直接影响测控信号，造成元器件损坏，这种共模干扰可为直流、亦可为交流。差模干扰是指作用于信号两极间的干扰电压，主要由空间电磁场在信号间耦合感应及由不平衡电路转换共模干扰所形成的电压，这种干扰直接叠加在信号上，直接影响测量与控制精度。来源及影响噪声来源有两个方面，一个为电路内部噪声，包括以下几种：1. 热噪声：电阻等由于热能作用时电子骚动所产生的噪声，几乎覆盖整个频谱。2. 颤噪噪声（话筒效应噪声）：当设备中的电路和元器件收到机械振动式，电路参数发生变化，产生噪声电压。3. 散粒噪声：如电子管阴极所发射的电子，每个都是彼此独立的，在各个短暂的瞬间，都是不连续不规则的，这种不规则性引起的电特性变化，就成为一种频谱范围很宽的噪声。4. 闪变噪声：电子管阴极物质的电子释放条件因时间而不同，从而引起电特性的变化，形成闪变效应的噪声5. 交流声：由于直流电源的整流滤波性能不好，或因布线等使电路耦合了变压器等的泄漏磁通，产生和电网频率相同或倍频的交流成分。6. 热电势噪声：异种金属相接触，有温度差时，会产生电势，成为热电势噪声。7. 接触噪声：材料接触处接触不良使该处电导率起伏变化而引起的噪声，常见于假焊、导线连接不牢靠、开关接点接触不良等。8. 尖峰或振铃噪声：电路中电流的突变，在电感负载上引起的尖峰反冲电压波或衰减震荡波而引起的噪声。9. 自激震荡：典型的内部噪声，由于在具有放大功能的电路中，输出一部分通过耦合以正反馈方式加到输入端。10. 反射噪声：前后级电路不匹配，使长线传输的信号在接点处引起反射，产生相移，成为一种叠加在信号上的噪声。11. 分配噪声：晶体管发射极区注入到基极区的少数载流子中，一部分经过基极区到达集电极形成集电极电流，一部分在基极区中符合，由于载流子复合式数量时多时少，导致集电极电流也随着起伏12. 1/f噪声或闪烁噪声：晶体管、场效应管等期间在低频段所产生的一种噪声，其噪声功率与频率成反比增大，与半导体材料制作室清洁处理有关。13. 天线热噪声：天线本身的热噪声是非常小的，但是，天线周围的介质微粒处于热运动状态，产生扰动的电磁波辐射被天线吸收，又由天线辐射出去。当接收与辐射的噪声功率相等时，天线和周围的介质处于热平衡状态14. 电化电势噪声：电路中的金属在腐蚀时产生的一种电池效应。由电路外的环境带来的噪声称为外部噪声，外部噪声可以分为人为噪声和自然噪声两种，下列前六种属于人为噪声，后三种为自然噪声：1. 火花放电噪声：汽车汽缸点火、继电器触点开断、火花式高频设备的工作及电钻中整流子式电机转动时都会产生火花放电，火花放电会形成一系列含有很高频率成分的强烈噪声。2. 电晕放电噪声：如臭氧发生器和高压输电线等都会产生一种电晕放电，这种放电具有间歇性质，并产生脉冲电流，从而成为一种噪声干扰的原因；而且电晕放电过程还产生一种高频振荡，也会对电路产生干扰，主要对载波电话、低频航空无线电通讯以及调幅广播等产生干扰。3. 辉光放电噪声：两个接点间的气体被电离时，会产生一种再生的、能自己维持的辉光放电，在继电器触点、开关处发生，除了能引起高频辐射外，还在配电线上引起电压电流的冲击。4. 脉冲式噪声：数字电路中的脉冲信号、晶体振荡产生的时钟频率脉冲，通过各种方式对其他电路产生干扰。5. 开关式噪声：在开关电路中如晶体管、可控硅开关在工作时所产生的尖峰脉冲噪声，特别是在断开电感负载时6. 电波噪声：高频电路、无线电广播和通讯设备所辐射出的电磁波7. 大气噪声：地球上平均每秒钟发生100次左右的雷击电闪，每次都恩能够产生强烈的电磁场骚动，并以电磁波的形式传播到很远，此外，对设备、电网输电线的直接雷击或雷电感应，会对电路产生幅度很高的浪涌电压而形成更厉害的干扰8. 太阳系噪声：太阳及行星所辐射的无线电噪声。9. 宇宙噪声：太阳系外其他星系所辐射的无线电噪声。根据噪声频率，可以分为低频和高频：名称类别发生源性质和特点低频噪声直流，低频（50hz以下）热电势，电化电势，低频直流漂移，大地电流的作用等很难与信号分开市电频率（50hz）电源线，电源装置呈周期性，与市电频率有关，对小信号模拟电路影响较大高频噪声脉冲性或宽频带噪声（50hz100Mhz）开关电容性、电感性负载等及其他原因导致电路中电压和电流突变幅度大小及重复频率都是随机的，往往因幅度大及频率较高容易对其他线路产生感应高频无线电波（1Mhz以上）高频电路的辐射，无线电广播及通讯设备的发射对电路产生电磁波感应噪声，或使非线性元件产生低频成分的噪声噪声来源包括：串模干扰通常来自于高压输电线、与信号线平行铺设的电源线及大电流控制线所产生的空间电磁场。由传感感器来的信号线有时长达一二百米，干扰源通过电磁感应和静电耦合作用加上如此之长的信号线上的感应电压数值是相当可观的。例如一路电线与信号线平行敷设时，信号线上的电磁感应电压和静电感应电压分别都可达到毫伏级，然而来自传感的有效信号电压的动态范围通常仅有几十毫伏，甚至更小。除了信号线引入的串模干扰外，信号源本身固有的漂移，纹波和噪声，以及电源变压器不良屏蔽或稳压滤波效果不良等也会引入串模干扰。噪声对电路影响的表现形态有：静电：静电放电是一种自然现象，当两种不同介电强度的材料相互摩擦时，就会产生静电电荷，当其中一种材料上的静电电荷积累到一定程度，在于另外一个物体接触式，就会通过这个物体到大地的阻抗而进行放电，静电表现为共模噪声的形式，但是静电电压非常大，容易使器件发生损坏。电快速瞬变脉冲群：标准模拟电网中机械开关对电感性负载切换时所引起的干扰。电路中机械开关对电感性负载的切换，经常会对同一电路中其他电器和电子设备产生干扰，特点，脉冲成群出现，重复频率较高，上升时间短暂，单个脉冲能量较小，不会造成设备故障，但会对线路中半导体器件结电容充电，容易使设备误动作。脉冲群干扰实际上是加在电源线与参考地之间，是共模干扰。雷击浪涌：普通物理现象，全世界有4万多个雷暴中心，每天有8百万次雷击，每秒钟有100次左右雷击。雷击产生浪涌的情况为：1.雷电直接击中电路，这种情况下电压是对地而言的，为共模噪声；2.伴随着雷电产生的雷电电磁脉冲，以电磁感应和静电感应的作用（俗称感应雷），通过金属管道和电缆将雷电波（即高电位）引入，该噪声既可能为共模噪声，也可能为差模噪声。雷击浪涌干扰为高压高能量噪声干扰，会对电路产生严重的损坏。传导方式及抑制噪声耦合方式主要有五种途径：直接传导、公共阻抗耦合、电容性耦合、电感性耦合和空间电磁场耦合。其中内部电路噪声传导额方式主要是直接传导和公共阻抗耦合；外部噪声耦合到电路的方式主要是电容性耦合、电感性耦合和空间电磁场耦合。直接传导耦合噪声经过导线直接进行传导是最普遍的一种传导方式，噪声可以通过信号线直接传导给电路，也可以通过交流或直流电源线直接传导给电路。通过信号线直接传导的信号一般为差模噪声，对于直接传导的差模噪声的抑制方式：可以串接滤波器，滤波器可以分为有源和无源两种，下面介绍简单RC滤波器左图所示为一阶无源低通滤波电路，假设电压频率为0，不接负载时，电压放大倍数为：当电压频率为0，滤波器后端加负载RL时，电压放大倍数为：当输入电压频率为时，负载两端电压放大倍数为：由公式可以看出无源滤波电路的滤波特性随着负载而有所变换，因此更为理想的情况是在无源滤波电路和负载之间加入一个高输入阻抗、低输出阻抗的隔离电路，最简单的为加一个电压跟随器，构成了有源滤波电路，如右图所示，对于前面的一阶RC滤波电路而言，负载为无穷大，因此频率为0时的电压放大倍数为1，对于频率为的电压放大倍数为：由公式可以看出有源滤波电路的滤波特性不随负载而变化，滤波特性比较稳定。对于滤波器没有有效滤除的信号，可以通过数字滤波，以工频干扰为例，这种周期性噪声一般常用数字滤波方式为平均值滤波法，使信号采样时间与工频干扰周期相同，将信号多次采样值，可以近似将工频干扰噪声滤除。通过电源线直接传导的信号一般为共模噪声，而共模噪声通过电路对地阻抗的不平衡可能转换成差模噪声。如图所示，共模干扰VC通过输入电路中的不对称转化成Z5两端的串模干扰，叠加的串模干扰信号为通过公式可以看出，为了减少共模噪声转换成差模噪声大小，可以设法使电路成为平衡回路，即可以使Z1=Z2，Z3=Z4，但是实际电路回路中通常很难做到电路的完全对称，为了使上述噪声最小，可以使括号里面两项近似相等，当Z4>>Z1，Z3>>Z2时可以实现噪声为0，因此可以通过增大信号对地阻抗来减少共模噪声对采样信号的影响。公共阻抗耦合由公共阻抗耦合噪声原理如左图，回路1和回路2对地有公共阻抗R，当回路1有电流波动，大小为I时，导致公共阻抗上压降波动为IR，该压降使回路2对地电平波动IR，即在回路2上叠加了噪声IR。抑制方式为：减小公共阻抗，如右图所示，当公共阻抗为0时，回路1的电流波动不会对回路2造成影响。为了减小公共阻抗，在接地时需要遵守一定的规则，常见的接地方式有：单点接地、多点接地、混合接地，单点接地有单点串联接地和单点并联接地之分。左图为单点串联接地连接方式，由图中可以看出，回路1的参考电平点为A点，回路2的参考电平点为B点，回路3的参考电平点为C点，A、B、C点电平分别为：VA=R1(I1+I2+I3)VB=R1(I1+I2+I3)+R2(I2+I3)VC=R1(I1+I2+I3)+R2(I2+I3)+R3I3由此可见单点串联方式接地时，由于串联导线阻抗的影响，各个串联回路间参考电平值不一致，影响电路，因此单点接地时需要使用右图所示单点并联接地方式，并且要保证公共阻抗R4尽量小。图示为多点接地示意图，各个电路就近单点接地，并将公共接地点使用低阻抗导线连接，以便使接地线的长度最短。混合接地：单点接地和多点接地混合。将需要就近接地的点直接与接地平面相连，而其他点采用单点接地的方法。电容性耦合电容性耦合噪声介绍：也称静电耦合，噪声电压通过分布电容进行传导，传导感应的噪声电压:(1)当噪声频率很低时，RL阻抗远小于CL和Cs的阻抗，则式(1)为：(2)式(2)为导线对导线电容性耦合噪声的一个重要公式，由此可以看出低频噪声传导过程中影响感应噪声电压的因素为受感应导体对地分布电阻RL，噪声导体和受感应导体之间分布电容CS，噪声频率f。对于低频噪声，为了减小耦合噪声，可以降低导体对地分布电阻RL，降低两者之间的分布电容，降低噪声频率。对于高频噪声，RL阻抗远大于CL和Cs的阻抗，则式（1）为对于高频噪声，可以通过减小分布电容或者增大受感应导体对地电容来减小噪声。感应的噪声电压Un的频率特性如下图所示。电容性耦合噪声大小与噪声频率成正比；与受感体对地阻抗成正比；与两者之间分布电容成正比；与噪声源成正比。对于电容性耦合噪声的抑制方式为：1.降低肇事电路的电源电压和工作频率。2.增大线间距离。3.将受干扰导线尽可能靠近参考地。4.对长线最好以90°交叉布线，使线路间分布电容最小。5.数字电路的串扰通常是由于阻抗不匹配引起反射的，要检测线路的匹配情况。6.采用屏蔽层，接地良好，屏蔽层要完整，当干扰电压频率较高时，多点接地。7.降低敏感线路输入阻抗。CMOS电路输入阻抗很高，与静电容分压后，干扰信号加到CMOS电路输入端子上的值很高。可以再CMOS电路的入口端对地并联一个电容或一个阻值较低的电阻。8.敏感电路采用平衡线路做输入，不接地，这样干扰源对平衡线路入口施加的是共模电压。9.采用光缆解决由分布电容引起的串扰。静电屏蔽的原理为：在两者之间插入一块接地的金属屏蔽板，则可以形成两个新的分布电容Cs和Cd，其中Cs被屏蔽板短接到地，不会产生影响。Cd和CL对地并联，由于要绕过屏蔽板，因此剩余电容Cs'远小于原Cs值，屏蔽后的感应噪声电压为：低频噪声：高频噪声屏蔽时，需注意：1.屏蔽板要靠近受保护的物体，接地良好，目的增大Cd；2.屏蔽板形状影响，全封闭的金属盒有最好的电厂屏蔽效果，而一个开了孔或带缝隙的屏蔽盒，效果受到不同程度的影响，主要影响剩余电容Cs'；3.材料以良导体为好，但对厚度无要求。电感性耦合当回路1有电流I1流过时，不仅会在回路1中产生磁通，而且会在回路2中产生磁通12。回路2中的磁通量与电流I1之间通过一个系数M来确定，这个M就是互感当该磁通变化时，在回路2中产生了感应电压可见电感性耦合噪声大小和两者之间的互感以及噪声源电流随时间变化率有很大关系。因此可以通过以下方法降低耦合噪声：1.降低肇事源的电压和电流。2.工作频率低。3.使用上升和下降时间都较长的数字波形。4.使用屏蔽电缆，包括双绞线和同轴电缆。5.减小干扰源和敏感电路的环路面积，使用双绞线和屏蔽线。6.增大线间距离，使干扰源与受感应线路之间互感尽可能小。7.采用差分放大器，使两引线中共模电流作用抵消。8.使干扰源的线路与受感应线路呈直角布线。对噪声源做磁屏蔽处理原理：当线圈内有交变电流时，就会产生交变磁通，该磁通在低电阻的屏蔽材料内产生涡流（即感应电流），该涡流产生的磁通方向和源磁通的方向相反，互相抵消，隔离了磁通向外泄漏，从而抑制了通过电感性耦合的传播，同轴电缆的屏蔽原理与此相同， 同轴电缆是一种特制的用金属编织网作屏蔽的电缆，在很大的范围内，具有均匀不变的低损耗的特性阻抗，可用于从直流到甚高频乃之超高频的频段。有如下几点应该注意：1）对噪声源的屏蔽，实际利用变化磁通在低阻抗回路感应出反向变化的磁通来减少原磁通外泄。2）对噪声源的电磁屏蔽本身不需要接地，但接地也无妨，为同时具有静电屏蔽的效能，一般电磁屏蔽也接地。3）严格的电磁屏蔽（如高频）必须没有缝隙地严密地包围受屏蔽体，如果有缝隙的话，阻止涡流的流动，影响屏蔽的效果（但对低频，要求不严）。而静电屏蔽的要求不那么高，屏蔽体上有缝隙几乎对屏蔽没有影响。当磁屏蔽两端都接地时，电流回路除了感应涡流外还有部分电流通过地平面返回，电流关系为：因此I2<I，产生的抵消磁通比原来小。屏蔽体有一个截止频率，其中Rs和Ls分别为屏蔽体的电阻和电感。沿接地环路A-B-C-D-A，可列出方程式：式中M为屏蔽体与中心导体间的互感，其值等于Ls,代入得：由上式可知，当导体中流经的电流频率远大于截止频率C=RS/LS时，绝大部分电流流过屏蔽体，屏蔽效果很好。当频率低于5C时，大部分电流从地面返回，屏蔽作用较小（所以低频时，不宜两端接地）。大多数电缆的截止频率在数千赫到数十千赫之间。我们常用屏蔽导线来防止外界磁通对导线的影响，其实这不是利用屏蔽体的磁屏蔽特性实现屏蔽的，而是将非磁性屏蔽体包在导体周围，并让它成为流经导线返回电流的一个通路，起到使电流的回路所包围的面积最小，使接收外界磁通影响为最小。当线路较长时，这样做由于两端的地电位差也会带来负面影响。使用双绞线实现电磁屏蔽原理：左图为对噪声源进行双绞线屏蔽噪声原理，当噪声源有噪声信号回路时，将两条电流反向的导线进行扭绞，每一个节环内部产生的磁通都和相邻节环产生的磁通方向相反，对于环外而言，由相邻的方向相反磁通相互抵消，因此不会有泄漏到环外的磁通。右图为对受感应导体进行双绞线屏蔽噪声原理，当外部噪声回路对该电路感应产生变化磁通时，在每个环节内都感应出方向相同的感应电流，由于同一根信号线在相邻环节上的感应电流方向相反，大小相同，因此噪声在整条导线上感应电流的平均值为0，可以有效避免外界磁干扰对信号的影响。双绞线的屏蔽效果随每单位长度的绞合数的增加而提高。噪声衰减度指平行导线时的干扰磁场值和采用双绞线后的干扰磁场值之比，双绞线再加金属编织网屏蔽就可以克服双绞线易受静电感应的缺点。高电压回路，容易成为电容性耦合的噪声源；大电流回路，容易成为电感性耦合的噪声源。电容性耦合噪声对受影响的电路是属于共模噪声；电感性耦合噪声对受影响的电路是属于串模噪声。电磁场耦合电容性耦合和电感性耦合为电磁场耦合的近场耦合部分，当噪声源和受影响电路之间距离较远时，辐射称为远场辐射，远场辐射主要通过能量对线路产生干扰，近场和远场的分界距离为/2（为电磁波的波长）。对近场而言，波阻抗取决于干扰源的特性以及离干扰源的距离。如干扰源为大电流低电压的情况，则近场主要为磁场，波阻抗呈低阻抗特性，以电感性耦合的噪声为主。如干扰源为高电压小电流的情况，则近场主要为电场，波阻抗呈高阻抗特性，以电容性耦合的噪声为主。令式中r-干扰源和观察点之间的距离； - 电磁波的波长。在近场时，干扰源主要为电场时波阻抗为：干扰源主要为磁场时波阻抗为：在远场时，波阻抗Z=E/H在自由空间是一个常数为120，即377欧。所以只要测出一个场的强度，另一个场强就可以计算出来。对于远场辐射，电磁场主要由交变电磁场向外辐射，一根金属导线在辐射的电磁场里，就象一根天线，在导体上会产生正比于电场强度的感应电动势U式中heef -比例常数，也称天线的有效高度。对于电磁场耦合的抑制也可以采用屏蔽进行，屏蔽原理为：使用金属板对电磁场进行屏蔽，则金属屏蔽体对入射电磁波的衰减过程如下图所示。电磁波在屏蔽层表面有一部分反射，在通过屏蔽层过程中有一部分吸收损耗，在屏蔽层后壁上又有一次反射，从而对入射电磁波产生衰减。噪声影响的量化及测试对于干扰对电路影响的量化方式：用共模干扰抑制比CMRR和串模干扰抑制比SMRR来表示抗共模、串模干扰的能力，其定义为：CMRR=20 lg(Uc/U)(dB)式中：Uc共模干扰的直流或交流峰值电压，单位：V； U施加共模干扰电压前后的示值变化所对应的电量值变化，单位：V。SMRR=20 lg(Us/U)(dB)式中： Us串模干扰的直流或交流峰值电压，单位：V； U施加串模干扰电压前后的示值变化所对应的电量值变化，单位：V。精度偏差a的定义为：在共模、串模干扰作用下，信号测量精度偏差a的计算公式为：a=(U/F.S)×100% 式中： F.S对应的信号电量程的上限值，单位：V。 共串模噪声影响的测量方式为：左图为共模干扰测量装置，当测试电源噪声引起的干扰时，在地与每一个输入端子之间叠加一个主电源频率的250V有效值的交流信号，由此测量引起的范围下限值和量程的变化。干扰信号的相位应相对于电源的相位在360°内变化，以显现出影响量的最大影响，同样，在测量由直流共模所产生的影响时，使用的电势为50Vdc或输入量程的1000倍（取其数值低的一种），正电势和负电势都要施加。共模干扰试验期间，被试装置由一个不受共模干扰信号影响的信号源提供信号。右图为串模干扰测量装置，该试验用于确定一个交流电压串联叠加在输入信号上对装置输出的影响。对于采用直流（电流或电压）信号工作的装置，串模电压从变压器的次级上获得，用最大为10欧姆的并联电阻分路，并与输入串接。负载电阻两端的串模电压设定在1V峰值。然后将被试装置接入电路，测量输出信号平均值的变化。设定变压器电压的相位，使输出的变化达到最大值。对于采用交流信号工作的装置，串模干扰为1V直流电压。按每一个极性依次对被试装置进行试验。工业标准工业过程测量和控制系统用模拟输入数字式指示仪（GB/T 13639-2008）机械行业标准模拟量输入输出通道模板通用技术条件（JB/T 6808-1993）对工业控制微型计算机系统中的模拟量模板的抗共模、串模干扰能力的技术要求作出了如下规定：1) 隔离型（包括全隔离型和半隔离型）AI通道模板的交流共模抑制比不小于60dB。2) 隔离型AI通道模板的直流共模抑制比不小于120dB。3) 隔离型AI通道模板的串模抑制比不小于60dB。 专心-专注-专业