[信息与通信]第32章干扰及其抑制技术.ppt

2023/8/2,1,第十三章 检测系统的抗干扰技术,本章学习干扰的来源、干扰的耦合方式及抑制措施、干扰的叠加方式及抑制措施。,2023/8/2,2,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；,2023/8/2,3,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。,2023/8/2,4,最后会发现：可能是一根地线忘了接，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。,2023/8/2,5,衡量噪声对有用信号的影响常用信噪比（S/N）来表示，它是指在信号通道中，有用信号功率PS与噪声功率PN 之比，或有用信号电压US与噪声电压UN 之比。信噪比常用对数形式来表示，单位为dB，即 S/N=10lg（PS/PN）=20lg（US/UN）（dB）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。,2023/8/2,6,信噪比（S/N）的计算举例,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50mV，50Hz干扰“嗡嗡”声的电压为0.5mV，求信噪比。解 S/N=20lg（50/0.5）dB=40 dB,2023/8/2,7,一、机械干扰,机械干扰是指机械振动或冲击使电子检测装置中的元件发生振动，改变了系统的电气参数，造成可逆或不可逆的影响。对机械干扰，可选用专用减振弹簧-橡胶垫脚或吸振橡胶海绵垫来降低系统的谐振频率，吸收振动的能量，从而减小系统的振幅。,橡胶 海绵软垫,橡胶垫脚及弹簧,2023/8/2,8,振动试验台,频率、振幅均可调节,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，测试在不同频率的规定振幅下，产品指标是否变化。,固定,2023/8/2,9,跌落试验,产品在运输过程中常因为遭受剧烈震动或跌落而损坏或性能变差，因此需要做抗跌落试验和测试。,跌落试验机,2023/8/2,10,二、湿度及化学干扰,当环境相对湿度增加时，物体表面就会附着一层水膜，并渗入材料内部，降低了绝缘强度，造成了漏电、击穿和短路现象；潮湿还会加速金属材料的腐蚀，并产生原电池电化学干扰电压；在较高的温度下，潮湿还会促使霉菌的生长，并引起有机材料的霉烂。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，必须采取以下措施来加以保护：浸漆、密封、定期通电加热驱潮等。,用绝缘漆浸渍过的控制变压器,浸漆可防止水分进入线圈内部,2023/8/2,11,仪器设备的防潮试验,喷淋试验,2023/8/2,12,三、热干扰,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：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，引起寿命和耐压等级降低等。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，加强散热、采用热屏蔽等。,2023/8/2,13,散热实例,散热风扇,2023/8/2,14,四、固有噪声干扰,在电路中，电子元件本身产生的、具有随机性、宽频带的噪声称为固有噪声。最重要的固有噪声源是电阻热噪声、半导体散粒噪声和接触噪声等。固有噪声可以从喇叭或耳机中反映出来，但更多的时候是反映在输出电压的无规律跳变上。,2023/8/2,15,五、电磁噪声干扰,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，要消除他们的影响较为困难，必须采取多种措施来防护。,2023/8/2,16,电磁干扰的来源,电磁干扰源分为两大类：自然界干扰源和人为干扰源，后者是检测系统的主要干扰源。1.自然界干扰源包括地球外层空间的宇宙射电噪声、太阳耀斑辐射噪声以及大气层的天电噪声。后者的能量频谱主要集中在30MHz以下，对检测系统的影响较大。2.人为干扰源又可分为有意发射干扰源和无意发射干扰源。,2023/8/2,17,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。,2023/8/2,18,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。,2023/8/2,19,自然界干扰源和人为干扰源,X光机产生大功率 高频干扰,闪电产生电磁场干扰,2023/8/2,20,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,变电站会产生50Hz的高次 谐波干扰以及电晕放电干扰,2023/8/2,21,电吹风机干扰电视机的演示,电吹风机产生的电磁波干扰以两种途径到达电视机：一是通过共用的电源插座，二是以空间电磁场传输的方式由电视机的天线接收。应设法切断这些干扰途径。,2023/8/2,22,路和场的干扰(电磁干扰）,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达被干扰对象。例如通过电源线、变压器引入的干扰；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干扰。,2023/8/2,23,由电源配电回路引入的干扰,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,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(从低频一直延伸至高频)经电源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；又如开关电源经电源线往外泄漏出的几百千赫兹尖脉冲干扰。,2023/8/2,24,1.电场耦合引起的干扰：电场耦合实质上是电容性耦合。要减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，必须尽量保持电路和信号线的对地平衡，布线时，多采用双绞扭屏蔽线。,带电物体产生的电场,2023/8/2,25,屏蔽技术,利用金属材料制成容器，将需要防护的电路包围在其中，可以防止电场或磁场耦合干扰的方法称为屏蔽。屏蔽可分为静电屏蔽、低频磁屏蔽和电磁屏蔽等几种。根据不同的对象，使用不同的屏蔽方式。,未加屏蔽罩时，中频变压器线圈易受外界干扰。,加屏蔽罩后的中频变压器,2023/8/2,26,静电屏蔽,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（作为引线孔或调试孔）它对屏蔽的影响不大。,2023/8/2,27,各种静电屏蔽,仪器设备的屏蔽外壳必须接地,带孔屏蔽板,2023/8/2,28,各种静电屏蔽（续）,自制的屏蔽罩,通风屏蔽窗,2023/8/2,29,各种静电屏蔽（续）,开关电源采用带孔的屏蔽外壳，既可散热，又可防止电磁干扰外泄,2023/8/2,30,各种静电屏蔽（续）,带调试孔的屏蔽盒,2023/8/2,31,屏蔽线,三绞扭屏蔽线,铜芯,4对双绞扭屏蔽线（屏蔽层接地）,聚氟乙烯绝缘层,铜线编织网（接地）,2023/8/2,32,2.磁场耦合引起的干扰,磁场耦合干扰的实质是互感性耦合干扰。防止磁场耦合干扰途径的办法有：使信号线远离强电流干扰源，从而减小互感量M；采用低频磁屏蔽，从而减小信号线感受到的磁场；采用绞扭导线使引入到信号处理电路两端的干扰电压大小相等、相位相同，使差模干扰转变成共模干扰。,C型变压器的漏感比E型的小,4对双绞扭线,2023/8/2,33,由电焊引起的干扰,电焊机电缆产生强磁场干扰,磁场交链,信号线,2023/8/2,34,低频磁屏蔽,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干扰。,2023/8/2,35,低频磁屏蔽举例,多数仪器的外壳采用导磁材料（例如：铁质机壳）作屏蔽层，让低频干扰磁力线从磁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频磁场耦合干扰的影响。如果将外壳接地，则同时达到静电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,2023/8/2,36,电磁屏蔽,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高频（40kHz以上）磁场。干扰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量，从而使电磁屏蔽层内部的电路免受高频干扰磁场的影响。,镀铜电磁屏蔽盒,2023/8/2,37,军用屏蔽帐篷,几种用导电纤维材料编织而成的军用电磁屏蔽器材（参考常州雷宁电磁屏蔽设备公司资料）,军用 电子方舱,屏蔽通信车,2023/8/2,38,防电磁波屏蔽围裙,几种用导电纤维材料编织而成的电磁屏蔽服,辐射源,防电磁波屏蔽服装,防电磁波屏蔽围裙的使用,2023/8/2,39,屏蔽室,导电PVC地板 用于防静电及 底部屏蔽,干扰信号无法穿透钢板屏蔽室,2023/8/2,40,3.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。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,2023/8/2,41,一、通过电源内阻的共阻抗耦合干扰,2023/8/2,42,2023/8/2,43,二、通过公共地线的共阻抗耦合干扰：,2023/8/2,44,一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。,2023/8/2,45,三、输出阻抗耦合,2023/8/2,46,4、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。,2023/8/2,47,32.3干扰的叠加方式及抑制措施,在信号的传输过程中，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扰两种。,2023/8/2,48,1.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。,2023/8/2,49,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。采用电流交流传输采用数字量传输。,2023/8/2,50,2.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，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。,2023/8/2,51,(b)等效电路,(a)示意图,2023/8/2,52,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。,2023/8/2,53,上式说明：（1）由于UCM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。,2023/8/2,54,3、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。,2023/8/2,55,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。,