《干扰及其抑制技术》PPT课件.ppt

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1、第十三章第十三章 检测系统的抗干扰技术检测系统的抗干扰技术 本章学习干扰的本章学习干扰的来源、干扰的耦合方来源、干扰的耦合方式及抑制措施、干扰式及抑制措施、干扰的叠加方式及抑制措的叠加方式及抑制措施。施。10/26/20221 生产第一线的工程技术人员，经常会遇到这样一些现象：采购来的测量仪表安装到机器上时，仪表数码管显示的数字有时会忽大忽小地乱跳，但有时又显得很正常；10/26/20222在实验室调试好的检测、控制系统，安装到车间里，时不时发生动作失常，数据失实；带计算机的仪表偶尔还发生“死机”现象。我们可能需要花费许多时间来寻找这些现象的原因。10/26/20223最后会发现：可能是一根地

2、线忘了接，也可能是为了美观而将信号线与电源线捆扎在一起。也许只要在信号线输入端并联一只电容器，数据就不乱跳了；也许换上一个带滤波器的电源插座时，设备的动作就变得规矩了。10/26/20224 衡衡量量噪噪声声对对有有用用信信号号的的影影响响常常用用信信噪噪比比（S/N）来来表表示示，它它是是指指在在信信号号通通道道中中，有有用用信信号号功功率率PS与与噪噪声声功功率率PN 之之比比，或或有有用用信信号号电电压压US与与噪噪声声电电压压UN 之之比比。信信噪噪比比常常用用对数形式来表示，单位为对数形式来表示，单位为dB，即，即 S/N=10lg（PS/PN）=20lg（US/UN）（dB）在测量

3、过程中应尽量提高信噪比，以减在测量过程中应尽量提高信噪比，以减少噪声对测量结果的影响。少噪声对测量结果的影响。10/26/20225信噪比信噪比（S/N）的）的计算举例计算举例 在扩音机输入端测得：话筒输出的做报告者声音在扩音机输入端测得：话筒输出的做报告者声音的平均电压为的平均电压为50mV，50Hz干扰干扰“嗡嗡嗡嗡”声的电压声的电压为，求信噪比。为，求信噪比。解解 S/N=20lg（）（）dB=40 dB 10/26/20226一、机械干扰一、机械干扰 机械干扰是指机械振机械干扰是指机械振动或冲击使电子检测装置动或冲击使电子检测装置中的元件发生振动，改变中的元件发生振动，改变了系统的电气

4、参数，造成了系统的电气参数，造成可逆或不可逆的影响。可逆或不可逆的影响。对机械干扰，可选用对机械干扰，可选用专用减振弹簧专用减振弹簧-橡胶垫脚橡胶垫脚或吸振橡胶海绵垫来降低或吸振橡胶海绵垫来降低系统的谐振频率，吸收振系统的谐振频率，吸收振动的能量，动的能量，从而减小系从而减小系统的振幅。统的振幅。橡胶橡胶 海绵软垫海绵软垫橡胶垫脚及弹簧橡胶垫脚及弹簧10/26/20227振动试验台振动试验台 频率、振幅均可调节频率、振幅均可调节 将被测仪器（如图中的电子天平）固定在将被测仪器（如图中的电子天平）固定在振动台上，逐渐增大振幅，测试在不同频率的振动台上，逐渐增大振幅，测试在不同频率的规定振幅下，产

5、品指标是否变化。规定振幅下，产品指标是否变化。固定固定10/26/20228跌落试验跌落试验 产品在运产品在运输过程中常因输过程中常因为遭受剧烈震为遭受剧烈震动或跌落而损动或跌落而损坏或性能变差，坏或性能变差，因此需要做抗因此需要做抗跌落试验和测跌落试验和测试。试。跌落试验机跌落试验机10/26/20229二、湿度及化学干扰二、湿度及化学干扰 当当环环境境相相对对湿湿度度增增加加时时，物物体体表表面面就就会会附附着着一一层层水水膜膜，并并渗渗入入材材料料内内部部，降降低低了了绝绝缘缘强强度度，造造成成了了漏漏电电、击击穿穿和和短短路路现现象象；潮潮湿湿还还会会加加速速金金属属材材料料的的腐腐蚀

6、蚀，并并产产生生原原电电池池电电化化学学干干扰扰电电压压；在在较较高高的的温温度度下下，潮潮湿湿还还会会促促使使霉霉菌菌的的生生长长，并并引起有机材料的霉烂。引起有机材料的霉烂。某些化学物品如酸、碱、盐、某些化学物品如酸、碱、盐、各种腐蚀性气体以及沿海地区由海各种腐蚀性气体以及沿海地区由海风带到岸上的盐雾也会造成与潮湿风带到岸上的盐雾也会造成与潮湿类似的漏电腐蚀现象，必须采取以类似的漏电腐蚀现象，必须采取以下措施来加以保护：下措施来加以保护：浸漆、密封、浸漆、密封、定期通电加热驱潮等。定期通电加热驱潮等。用绝缘漆浸用绝缘漆浸渍过的控制渍过的控制变压器变压器浸漆可防止水分浸漆可防止水分进入线圈内

7、部进入线圈内部10/26/202210仪器设备的防潮试验仪器设备的防潮试验喷淋试验喷淋试验10/26/202211三、热干扰三、热干扰 热量，特别是温度波动以及不均匀的温度场热量，特别是温度波动以及不均匀的温度场对检测装置的干扰主要体现在以下几个方面：对检测装置的干扰主要体现在以下几个方面：元件参数的变化（温漂）、接触热电势干扰、元件参数的变化（温漂）、接触热电势干扰、元器件长期在高温下工作时，引起寿命和耐压等元器件长期在高温下工作时，引起寿命和耐压等级降低等。级降低等。克服热干扰的防护措施有：克服热干扰的防护措施有：选用低温漂元件，采取软、硬件温度补偿措选用低温漂元件，采取软、硬件温度补偿措

8、施，选用低功耗、低发热元件，提高元器件规格施，选用低功耗、低发热元件，提高元器件规格余量，仪器的前置输入级远离发热元件，加强散余量，仪器的前置输入级远离发热元件，加强散热、采用热屏蔽等。热、采用热屏蔽等。10/26/202212散热实例散热实例 散热风扇散热风扇10/26/202213四、固有噪声干扰四、固有噪声干扰 在电路中，电子元在电路中，电子元件本身产生的、具有随件本身产生的、具有随机性、宽频带的噪声称机性、宽频带的噪声称为固有噪声。最重要的为固有噪声。最重要的固有噪声源是电阻热噪固有噪声源是电阻热噪声、半导体散粒噪声和声、半导体散粒噪声和接触噪声等。固有噪声接触噪声等。固有噪声可以从喇

9、叭或耳机中反可以从喇叭或耳机中反映出来，但更多的时候映出来，但更多的时候是反映在输出电压的无是反映在输出电压的无规律跳变上。规律跳变上。10/26/202214五、电磁噪声干扰五、电磁噪声干扰 电磁波可以通过电网以及直接辐射电磁波可以通过电网以及直接辐射的形式传播到离这些噪声源很远的检测装的形式传播到离这些噪声源很远的检测装置中。在工频输电线附近也存在强大的交置中。在工频输电线附近也存在强大的交变电场，在强电流输电线附近存在干扰磁变电场，在强电流输电线附近存在干扰磁场，他们将对十分灵敏的检测装置造成干场，他们将对十分灵敏的检测装置造成干扰。由于这些干扰源功率强大，要消除他扰。由于这些干扰源功率

10、强大，要消除他们的影响较为困难，必须采取多种措施来们的影响较为困难，必须采取多种措施来防护。防护。10/26/202215电磁干扰的来源电磁干扰的来源 电电磁磁干干扰扰源源分分为为两两大大类类：自自然然界界干干扰扰源源和和人人为为干干扰扰源源，后后者者是是检检测测系系统统的的主主要要干干扰源。扰源。1.1.自自然然界界干干扰扰源源包包括括地地球球外外层层空空间间的的宇宇宙宙射射电电噪噪声声、太太阳阳耀耀斑斑辐辐射射噪噪声声以以及及大大气气层层的的天天电电噪噪声声。后后者者的的能能量量频频谱谱主主要要集集中中在在30MHz30MHz以下，对检测系统的影响较大。以下，对检测系统的影响较大。2.2.

11、人人为为干干扰扰源源又又可可分分为为有有意意发发射射干干扰扰源源和无意发射干扰源。和无意发射干扰源。10/26/202216 有意发射干扰源有意发射干扰源：如广播、电视、通讯雷达和导航等无线设备，它们有专门的发射天线，所以空间电磁场能量很强，特别是离这些设备很近时，干扰能量是很大的。10/26/202217 无意发射干扰无意发射干扰是各种工业、交通、医疗、家电、办公设备在完成自身任务的同时，附带产生的电磁能量的辐射。如工业设备中的电焊机、高频炉、大功率机床起停电火花、高压输电线路的电晕放电，汽车、摩托车点火装置、家电中的吸尘器、变频空调、微波炉、计算机开关电源等电气设备，它们的产生电火花，有的

12、造成电源畸变，有的产生大功率的高次谐波，当它们距离检测系统较近时，均会干扰检测系统的工作。如这些设备一开动，收音机里就会发出刺耳的噪声。10/26/202218自然界干扰源和人为干扰源自然界干扰源和人为干扰源X光机产生大功率光机产生大功率 高频干扰高频干扰 闪电产生电磁场干扰闪电产生电磁场干扰10/26/202219自然界干扰源和人为干扰源（续）自然界干扰源和人为干扰源（续）雷达会产生大功率高频干扰雷达会产生大功率高频干扰 变电站会产生变电站会产生50Hz的高次的高次 谐波干扰以及谐波干扰以及电晕放电干扰电晕放电干扰10/26/202220电吹风机干扰电视机的演示电吹风机干扰电视机的演示 电吹

13、风机产电吹风机产生的电磁波干扰生的电磁波干扰以两种途径到达以两种途径到达电视机：一是通电视机：一是通过共用的电源插过共用的电源插座，二是以空间座，二是以空间电磁场传输的方电磁场传输的方式由电视机的天式由电视机的天线接收。应设法线接收。应设法切断这些干扰途切断这些干扰途径。径。10/26/202221路和场的干扰路和场的干扰(电磁干扰）电磁干扰）路的干扰必须在干扰源和被干扰对象之路的干扰必须在干扰源和被干扰对象之间有完整的电路连接，干扰沿着这个通路到间有完整的电路连接，干扰沿着这个通路到达被干扰对象。例如通过电源线、变压器引达被干扰对象。例如通过电源线、变压器引入的干扰入的干扰 ；场的干扰不需要

14、沿着电路传输，；场的干扰不需要沿着电路传输，而是以电磁场辐射的方式进行。例如，电源而是以电磁场辐射的方式进行。例如，电源线对传感器的信号线的电场耦合干扰；又如线对传感器的信号线的电场耦合干扰；又如电焊机电缆上的强电流对信号线的磁场耦合电焊机电缆上的强电流对信号线的磁场耦合干扰。干扰。10/26/202222由电源配电由电源配电回路引入的回路引入的干扰干扰 交流供配电线路在工业现场的分布相当于一个吸交流供配电线路在工业现场的分布相当于一个吸收各种干扰的网络收各种干扰的网络,而且十分方便地以电路传导的形而且十分方便地以电路传导的形式传遍各处，经检测装置的电源线进入仪器内部造成式传遍各处，经检测装置

15、的电源线进入仪器内部造成干扰。最明显的是电压突变和交流电源波形畸变，它干扰。最明显的是电压突变和交流电源波形畸变，它使工频的高次谐波使工频的高次谐波(从低频一直延伸至高频从低频一直延伸至高频)经电源经电源线进入仪器的前级电路。例如，由调压或逆变电路中线进入仪器的前级电路。例如，由调压或逆变电路中的晶闸管引起的大功率高次谐波干扰；又如开关电源的晶闸管引起的大功率高次谐波干扰；又如开关电源经电源线往外泄漏出的几百千赫兹尖脉冲干扰。经电源线往外泄漏出的几百千赫兹尖脉冲干扰。10/26/2022231.1.电场耦合引起的干扰：电场耦合引起的干扰：电场耦合实质上是电容性耦合。要减电场耦合实质上是电容性耦

16、合。要减少电源线对信号线的电场耦合干扰，就必少电源线对信号线的电场耦合干扰，就必须减小两者间的分布电容，必须尽量保持须减小两者间的分布电容，必须尽量保持电路和信号线的对地平衡，布线时，多采电路和信号线的对地平衡，布线时，多采用双绞扭屏蔽线。用双绞扭屏蔽线。带电物体产生的电场带电物体产生的电场10/26/202224屏蔽技术屏蔽技术 利用金属材料制利用金属材料制成容器，将需要防护成容器，将需要防护的电路包围在其中，的电路包围在其中，可以防止电场或磁场可以防止电场或磁场耦合干扰的方法称为耦合干扰的方法称为屏蔽。屏蔽可分为静屏蔽。屏蔽可分为静电屏蔽、低频磁屏蔽电屏蔽、低频磁屏蔽和电磁屏蔽等几种。和电

17、磁屏蔽等几种。根据不同的对象，使根据不同的对象，使用不同的屏蔽方式。用不同的屏蔽方式。未加屏蔽罩时，中频变未加屏蔽罩时，中频变压器线圈易受外界干扰。压器线圈易受外界干扰。加屏蔽罩后的中频变压器加屏蔽罩后的中频变压器10/26/202225静电屏蔽静电屏蔽 静电屏蔽是用铜或铝等导电性良好的金静电屏蔽是用铜或铝等导电性良好的金属为材料制作成封闭的金属容器，并与地线连属为材料制作成封闭的金属容器，并与地线连接，把需要屏蔽的电路置于其中，使外部干扰接，把需要屏蔽的电路置于其中，使外部干扰电场的电力场不影响其内部的电路，反之，内电场的电力场不影响其内部的电路，反之，内部电路产生的电力线也无法影响外电路。

18、静电部电路产生的电力线也无法影响外电路。静电屏蔽的容器器壁上允许有较小的孔洞（作为引屏蔽的容器器壁上允许有较小的孔洞（作为引线孔或调试孔）它对屏蔽的影响不大。线孔或调试孔）它对屏蔽的影响不大。10/26/202226各种静电屏蔽各种静电屏蔽 仪器设备的屏蔽仪器设备的屏蔽外壳必须接地外壳必须接地带孔屏蔽板带孔屏蔽板10/26/202227各种静电屏蔽（续）各种静电屏蔽（续）自制的自制的屏蔽屏蔽罩罩通风屏蔽窗通风屏蔽窗10/26/202228各种静电屏蔽（续）各种静电屏蔽（续）开关电源采用带孔的屏开关电源采用带孔的屏蔽外壳，既可散热，又蔽外壳，既可散热，又可防止电磁干扰外泄可防止电磁干扰外泄10/

19、26/202229各种静电屏蔽（续）各种静电屏蔽（续）带调试孔的屏蔽盒带调试孔的屏蔽盒10/26/202230屏蔽线屏蔽线 三绞扭屏蔽线三绞扭屏蔽线铜芯铜芯4对双绞扭屏蔽线对双绞扭屏蔽线（屏蔽层接地）（屏蔽层接地）聚氟乙烯聚氟乙烯绝缘层绝缘层铜线编织网铜线编织网（接地）（接地）10/26/2022312.2.磁场耦合引起的干扰磁场耦合引起的干扰 磁场耦合干扰的实质磁场耦合干扰的实质是互感性耦合干扰。防止磁是互感性耦合干扰。防止磁场耦合干扰途径的办法有：场耦合干扰途径的办法有：使信号线使信号线远离强电流干扰源，远离强电流干扰源，从而减小互感量从而减小互感量M；采用采用低频磁屏蔽，从而减小信号低频

20、磁屏蔽，从而减小信号线感受到的磁场；采用绞扭线感受到的磁场；采用绞扭导线使引入到信号处理电路导线使引入到信号处理电路两端的干扰电压大小相等、两端的干扰电压大小相等、相位相同，使差模干扰转变相位相同，使差模干扰转变成共模干扰成共模干扰 。C型变压器的漏感比型变压器的漏感比E型的小型的小4对双绞扭线对双绞扭线10/26/202232由电焊引起的干扰由电焊引起的干扰 电焊机电缆产生强磁场干扰电焊机电缆产生强磁场干扰磁场交链磁场交链信号线信号线10/26/202233低频磁屏蔽低频磁屏蔽 低频磁屏蔽是用来隔离低频（主要指低频磁屏蔽是用来隔离低频（主要指50Hz）磁场和固定磁场（也称静磁场，其幅）磁场和

21、固定磁场（也称静磁场，其幅度、方向不随时间变化，如永久磁铁产生的度、方向不随时间变化，如永久磁铁产生的磁场）耦合干扰的有效措施。静电屏蔽线或磁场）耦合干扰的有效措施。静电屏蔽线或静电屏蔽盒对低频磁场不起隔离作用。必须静电屏蔽盒对低频磁场不起隔离作用。必须采用高导磁材料作屏蔽层，由于屏蔽体的导采用高导磁材料作屏蔽层，由于屏蔽体的导磁率远大于空气的导磁率，能把干扰源发出磁率远大于空气的导磁率，能把干扰源发出的磁力线短路，阻隔干扰源对测量电路等的的磁力线短路，阻隔干扰源对测量电路等的干扰。干扰。10/26/202234低频磁屏蔽举例低频磁屏蔽举例 多数仪器的外壳采用导磁多数仪器的外壳采用导磁材料（例

22、如：铁质机壳）作屏材料（例如：铁质机壳）作屏蔽层，让低频干扰磁力线从磁蔽层，让低频干扰磁力线从磁阻很小的磁屏蔽层上通过，使阻很小的磁屏蔽层上通过，使受外壳保护的内部电路免受低受外壳保护的内部电路免受低频磁场耦合干扰的影响。如果频磁场耦合干扰的影响。如果将外壳接地，则同时达到静电将外壳接地，则同时达到静电屏蔽和低频磁屏蔽的目的。屏蔽和低频磁屏蔽的目的。参考中国（厦门）微波高频通信设备销售公司资料参考中国（厦门）微波高频通信设备销售公司资料10/26/202235电磁屏蔽电磁屏蔽 电磁屏蔽是采用导电良好的电磁屏蔽是采用导电良好的金属材料做成屏蔽罩、屏蔽盒等金属材料做成屏蔽罩、屏蔽盒等不同的外形，将

23、被保护的电路包不同的外形，将被保护的电路包围在其中。它屏蔽的干扰对象是围在其中。它屏蔽的干扰对象是高频（高频（40kHz以上）磁场。以上）磁场。干扰干扰源产生的高频磁场遇到导电良好源产生的高频磁场遇到导电良好的电磁屏蔽层时，就在其外表面的电磁屏蔽层时，就在其外表面感应出同频率的电涡流，从而消感应出同频率的电涡流，从而消耗了高频干扰源磁场的能量。其耗了高频干扰源磁场的能量。其次，电涡流也将产生一个新的磁次，电涡流也将产生一个新的磁场，抵消了一部分干扰磁场的能场，抵消了一部分干扰磁场的能量，从而使电磁屏蔽层内部的量，从而使电磁屏蔽层内部的电电路免受高频干扰磁场的影响。路免受高频干扰磁场的影响。镀铜

24、镀铜电电磁屏蔽盒磁屏蔽盒10/26/202236军用屏蔽帐篷军用屏蔽帐篷几种用导电纤维材导电纤维材料编织而成的军用料编织而成的军用电磁屏蔽器材电磁屏蔽器材（参考（参考常州雷宁电磁屏蔽设备公司资料）常州雷宁电磁屏蔽设备公司资料）军用军用 电子方舱电子方舱屏蔽通信车屏蔽通信车10/26/202237防电磁波屏蔽围裙防电磁波屏蔽围裙几种用几种用导电纤维材料编织而成的导电纤维材料编织而成的电磁屏蔽服电磁屏蔽服辐射源辐射源防电磁波防电磁波屏蔽服装屏蔽服装防电磁波屏蔽防电磁波屏蔽围裙的使用围裙的使用10/26/202238屏蔽室屏蔽室 导电导电PVC地板地板 用于防静电及用于防静电及 底部底部屏蔽屏蔽干扰

25、信号无法穿透干扰信号无法穿透钢板屏蔽室钢板屏蔽室10/26/2022393.共阻抗耦合共阻抗耦合共阻抗耦合干扰的产生是由于两个以上的电路有共阻抗耦合干扰的产生是由于两个以上的电路有共阻抗。当一个电路中的电流流经共阻抗产生电压降共阻抗。当一个电路中的电流流经共阻抗产生电压降时，就成为其他电路的干扰电压，其大小与共阻抗的时，就成为其他电路的干扰电压，其大小与共阻抗的阻值及干扰源的电流大小成正比。阻值及干扰源的电流大小成正比。一、通过电源内阻的共阻抗耦合干扰二、通过公共地线的共阻抗耦合干扰：三、输出阻抗耦合10/26/202240一、通过电源内阻的共阻抗耦合干扰10/26/20224110/26/2

26、02242二、通过公共地线的共阻抗耦合干扰：10/26/202243 一点接地原则适用于信号频率在1MHZ以下的应用领域，而对于频率高达10MHZ以上的高频电路不适用。应采用“多点接地”，就近接地。10/26/202244三、输出阻抗耦合三、输出阻抗耦合10/26/2022454、漏电流耦合漏电流耦合由于测量电路内部的元件支架、接线柱、印刷电路板或外壳绝缘不良而存在漏电流引起的干扰，称漏电流耦合干扰。在印刷电路板的布线过程中，高输入阻抗放大器输入信号引线可以采用“环地”的方法避免漏电流。即在输入端使地线呈环状把信号线包围起来。10/26/202246干扰的叠加方式及抑制措施在信号的传输过程中，

27、特别是被测信号通过传输线送到测量电路的过程，测量电路易受到干扰信号的影响。这时，干扰信号就叠加在有用信号上。从叠加的方式来分，干扰有差模和共模干差模和共模干扰两种。扰两种。10/26/2022471.差模干扰差模干扰差模干扰又称串模干扰、常态干扰，横向干扰，是指干扰电压与有效信号串联叠加后作用到检测装置（接收电路）的输入端。差模干扰通常来自高压输电线，与信号平等铺设的电源线及大电流控制线所产生的空间电磁场。10/26/202248消除方法：可用低通输入滤波器滤除交流干扰。应尽可能早地对被测信号进行前置放大，以提高回路中的信噪比。信号线应选用带屏蔽层的双绞线或电缆线，并有良好的接地系统。采用电流

28、交流传输采用数字量传输。10/26/2022492.共模干扰共模干扰共模干扰：又称纵向干扰，对地干扰，共态干扰。是指检测装置两个输入端对地共有的干扰电压，这种干扰可以是直流电压，也可以是交流电压，其幅值可达几伏甚至更高。造成共模干扰的主要原因主要原因，是被测信号的参考接地点和检测装置输入信号的参考接地点不同。因此就会产生一定的电压。10/26/202250(b)等效电路(a)示意图10/26/202251其中r1,r2是长电缆导线内阻，Z1,Z2是共模电压通道中放大器输入端的对比等效阻抗，它与放大器本身的输入阻抗，传输线对地的漏抗以及分布电容有关。10/26/202252上式说明：（1）由于U

29、CM的存在，在放大器输入端产生一个等效的电压UAB，如果此时r1r2、Z1Z2，则UAB0表示不会引入共模干扰，但实际上无法满足上述条件，一般情况下，共模干扰电压总是转化成一定的串模干扰出现在两个输入端之间；（2）共模干扰作用与电路对称程度有关，r1、r2的数值愈接近，Z1、Z2愈平衡，则UAB愈小。10/26/2022533、共模抑制比共模干扰对检测装置的影响大小直接取决于共模干扰转换成差模干扰的大小。为了衡量检测对共模干扰的抑制能力，引入共模抑制比概念。定义：作用于检测系统的共模干扰信号与使该系统产生同样输出所需的差模信号的比值。10/26/202254抑制方法抑制方法采用双端输入的差分放大器作仪表输入通道前置放大。采用变压器或光耦把各种模拟负载与数字信号隔离开来，也就是共模地与数字地断开。被测信号通过变压器或者光耦获得通路，而共模干扰因为不成回路而得到有效抑制。还可采用浮地输入双层屏蔽放大器来抑制共模干扰，这是利用屏蔽方法使输入信号模拟地浮空，从而达到抑制共模干扰的目的。10/26/202255