1、第10章 信号处理及抗干扰技术,一般测量系统通常由传感器、测量电路（信号转换与信号处理电路）以及显示记录部分组成。对于被测非电量变换为电路参数（R、L、C、M）的无源型传感器（如电阻式、电感式、电容式、电涡流式等），因为传感器的输出是电路参数的变化，因此，需要对他们先进行激励，通过不同的转换电路把电路参数转换成电流或电压信号，然后再经过放大输出；而对于直接把非电量变换为电学量（电流或电动热）的有源型传感器（如电压式、磁电式、热电式等），虽然他们输出的是电量，但仍然需要进行放大或特殊处理。因此，一个非电量检测装置（或系统）中，必须具有对电信号进行转换和处理的电路。转换和处理电路的任务比较复杂。除
2、了微弱信号放大、滤波外，还有诸如零点校正、线性化处理、温度补偿，误差修正、量程切换等信号处理功能。信号处理电路的重点为微弱信号放大及线性化处理。 检测装置的抗干扰问题，实际上也是电子测量装置的抗于扰问题。为了有效地防止干扰，必须首先要弄清干扰的类型、来源及其传送的方式，才能根据不同的情况，提出相应的抗干扰措施，从而达到消除或减弱干扰的目的。,10.1 信号处理技术,10.1.1 微弱信号放大,10.1.1.1 测量放大器通常对一个单纯的微弱信号，可以采用运算放大器进行放大，如图10.1.1所示。其中U，为传感器输出的电压，运算放大器为反相输入接法,U。为放大后的输出电压，此时(10-1-1),
3、运算放大器也可以接成同相输入形式，由于传感器的工作环境往往比较恶劣，在传感器的两个输出端上经常产生干扰较大的信号，有时是完全相同的干扰信号称为共模干扰。虽然运算放大器对直接输入或同相输入的共模信号有较强的抑制能力，但是对简单的反相输入或同相输入接法，由于电路结构不对称，抵御共模干扰的能力很差。我们可以采用运算放大器的差动接法，从比较大的共模信号中检出差值信号并加以放大。对于传感器输出的微弱信号，通常是用一组运算放大器构成的测量放大器来进行放大的，经典的测量放大器由三个运算放大器构成，如图10.1.2所示。,其中N1、N2构成同相并联差动放大器，差动输入信号和共模输入信号从N1、N2的同相输入，
4、所以它的差动输入电阻和共模输入电阻都很大 。对N1、N2来说，电路的平衡对称机构也有助于失调及其漂移影响的互相抵消。运算放大器N3接成差动式输入，它不但能割断共模信号的传递，还将N1、N2的双端输出变成单端输出，以适应接地负载的需要。不难证明这个电路的电压放大倍数为(10-1-2) 调整R1即可改变放大倍数。测量放大器所采用的上述电路形式，是它具有输入阻抗高、增益调节方便、漂移相互补偿以及输出不包含共模信号等一系列优点。这种放大器在许多高精度、低电平的放大方面是极其有用的，而且由于它的共模抑制能力强，所以能从高的共模信号背景中检测出微弱的有用信号。 10.1.1.2 实用测量放大器目前各模拟器
5、件公司竟相推出了许多型号的单片测量放大断气芯片，供用户选择使用。因此信号处理中需对微弱信号放大时，可以不必再用分立的通用运算放大器来构成测量放大器。采用单片测量放大器芯片显然具有性能优异、体积小、电路结构简单、成本低等优点。如AD公司推出的单片精密测量放大器AD521和AD522就是最常用的两种单片测量放大器。 1) 1) AD521AD521的管脚功能与基本接法如图10.1.3所示。管脚OFFSET（1、6）用来调节放大器零点，调整方法是将该端子接到10K电位器的两个固定端，滑动端接电源负端。测量放大器计算公式为(10-1-3),放大倍数在0.1到1000范围内调整，选用RS=100K时，可
6、以得到较稳定的放大倍数。在使用AD521（或任何其他测量放大器）时，都要特别注意为偏置电流提供回路。为此，输入端（1或3）必须与电源的地线构成回路。可以直接相连，也可以通过电阻相连。,2) AD522AD522也是单芯片集成精密测量放大器，K0=100时，非线性仅为0.005%，杂0.1HZ到100HZ频带内噪声的峰值为1.5mV，其中共模抑制比CMRR120dB（K0=1000时）。AD522的管脚功能如图10.1.4所示。管脚4、6是调零端，2和14端连接调整放大倍数的电阻。与AD521不同的是，该芯片引出了电源地9和数据屏蔽端13，该端用于连接输入信号引线的屏蔽网，以减少外电场对信号的干
7、扰。,传感器输出的微弱信号经放大后，通常面临长距离的问题，为了避免电压信号在传输过程中的损失和抗干扰方面的需要，可将直流电压信号变换为直流电流信号进行传输。过程控制系列仪表之间信号的传输就是采用直流电流。另外在对测量值进行显示时，常采用动圈表头，这也需要将直流电压变换为直流电流来驱动线圈。为了不受传输线路电阻变化和负载电阻大小的影响，输出电流应具有良好的恒流特性。因此使用电压电流变换器实现信号的的电流传送时，应使变换器输出电阻尽量大，这可以减小对信号的影响，同时输出电阻也应尽量大，以保持输出电流的恒流特性。电压电流变换器是很不容易实现的。具体电路读者可查阅有关书籍。,10.1.2 线性化处理技
8、术,在自动检测系统中，利用多种传感器把各种被测量转换成电信号时，大多数传感器的输出信号和被测量之间的关系并非是线性关系。这是由于不少传感的转换原理并非线性，其次是由于采用的电路（如电桥电路）的非线性。要解决这个问题，在模拟量自动检测系统中可采用三种方法：缩小测量范围，取近似值。采用非均匀的指示刻度。增加非线性校正环节。显然，前两种方法的局限性和缺点比较明显。下面我们着重介绍增加非线性校正环节的方法。通常我们在设计测量仪表时总希望得到均匀的指示刻度，这样仪表读数看起来清楚、方便。此外，如果仪表的刻度特性为线性，就能保证仪表在整个量程内灵敏度是相同的，从而有利于分析和处理测量结果。为了保证测量仪表
9、的输出与输入之间具有线性关系，就需要在仪表中引入一种特殊环节，用它来补偿其他环节的非线性，这就是非线性校正环节或称为“线性化器”。,10.1.2.1 非线性校正的方法测量仪表静态特性非线性的校正方法通常有两种：一种是开环节式非线性校正法，另一种是非线性反馈校正法。这里着重介绍前一种方法。具有开环式非线性校正的测量仪表，其结构原理可用图10.2.1所示的框图表示。,传感器将被测量物理量x转换成电量u1，这种转换通常是非线性的。电量u1经放大器放大后成为电量u2，放大器一般是线性的。引入线性化器的作用是利用它本身的非线性补偿传感器的非线性，从而使整台仪表的输出u0和输入x之间具有线性关系。这里,解
10、决的关键问题显然有两个：一是在给定u0-x线性关系的前提下，根据已知的u1-x非线性关系和u1- u2线性关系求出线性化器应当具有的u1u2非线性关系。二是设计适当电路实现线性化器的非线性特性。工程上求取线性化器非线形特性的方法有两种，分述如下。1) 解析计算法 设图10.2.2中所示的传感器特性解析式为 （10-1-4） 方法器特性的解析式为 （10-1-5） 要求测量工具有的刻度方程为 （10-1-6） 将以上三式联立，消去中间变量u1和x，就可以得到线性化器非线性特性的解析式（10-1-7），根据式（10-1-7）即可设计线性化器的具体电路。,2) 图解法当传感器等环节的非线性特性用解析
11、式表示比较复杂或比较困难时，我们可用图解法求取线性化器的输入-输入特性曲线。图解法的步骤如下（见图10.2.2）。I. 将传感器特性曲线作于直角坐标的第一限，u1=f1（x）。II. 将放大器线性特性作于第二限，u2=Ku1。III. 将整台测量仪表的线性特性作与第四象限，u0=sx。IV. 将x轴n段，段数n由精度要求决定。由点1、2、3、n各作x轴垂线，分别与V.u1=f(x)曲线及第四象限中的u0=sx直线交于10、12、13、1n及4142434n各点。以后以第一象限中这些点作x轴平行线与第二象限u2=Ku1直线交于21、22、23、2n各点。VI. 由第二象限各点作x轴垂线，再由第四
12、象限各点作x轴平行线，两者在第三象限的VII. 交点连线即为校正曲线u0=f2(u2)。这也是线形化器的非线性特性曲线。对测量仪表中非线性环节的校正还可以采用非线性反馈补偿法，其原理可由图10.2.3给出的框图表示。在放大器上增加非线性反馈之后，使u0与u1之间出现非线性关系，用以补偿传感器非线性，从而使整台仪表输入-输出特性xu0j具有线性特性。,10.1.2.2 非线性校正电路当我们用解析法或图解发求出线性化器的输入-输出特性曲线之后，接下来的问题就是如何用适当的电路来实现它。显然在这类电路中需要有非线性元件或者利用某种元件的非线性区域，例如将二极管或三极管置于运算放大器的反馈回路中构成的
13、对数运算放大器就能对输入信号进行对数运算，构成非线性函数运算放大器，它可以用于射线测厚仪的非线性校正电路中。目前最常用的是利用二极管组成非线性电阻网络，配合运算放大器产生折线形式的输入-输出特性曲线。由于折线可以分段逼近任意曲线，从而就可以得非线性校正环节（线性化器）所需要的特性曲线。折线逼近法如图10.1.8所示。将非线性校正环节所需要的特性曲线用若干有限的线段代替，然后根据各转折点xi和各段折线的斜率ki来设计电路。根据折线逼近法所作的各段折线可列出下列方程：,式中，xi为折线的各转折点，ki为各线段的斜率，,，,，,，, ,可以看出，转折点越多，折线越逼近曲线，精度也越高。但太多了则会电
14、路本身误差而影响精度。在校正电路中通常采用运算放大器，当输入电压为不同范围时，相应改变运算放大器的增益，从而获得所需要的斜率，其本身就是一个非线性放大器。 图10.1.9是一个最简单的折点电路，其中E决定了转折点偏置电压，二极管V作开关用，其转折电压为 （10-1-8） 式中，UD为二极管正向压降。图10.1.10是另一种折点电路，其转折电压为 （10-1-9） 由式（10-1-9）可知转折电压不仅与E有关， 还有二极管正向压降UD有关。,图10.1.11是用于EU-2型热电偶在01300范围内的非线性校正电路原理图。测量范围分5段，用5段折线逼近校正曲线，图中只画了三段折线和相应的电路。当输
15、出电压U0U01二极管V1导通，Rf2接入。这时接成的非线性电路反馈电阻为Rf1/Rf2。当U0U02时，V2又不导通，反馈电阻Rf3接入，以后随着U0的继续增加，RF4、Rf5（图中未画出）相继接入电路。电路中，当选定R1（这里R1=1K）并使R2R1，且运算放大器为理想放大器时，则可求得各段反馈电阻。,第一段折线，因为，所以Rf=K1R1第二段折线，由,即可求得Rf2第三段折线引入正反馈，可以用图10.1.12表示。其中Rfn为负反馈电阻，且Rfn= Rf1/ Rf2。此时放大倍数为:,将K3、 Rfn及 R2值代入即可求得Rf3。用同样的分析方法可以得到RF4和Rf5，从而得到完整的非线
16、性校正电路。,EU热电偶在01300的范围内测温时，热电偶输出的电压Ui经校正电路处理后，得到的电压Uo就和被测温度值之间有线性关系。上述电路简单，但精度不高。因为所用二极管不是理想开关，正向特性曲线的非线性和正向导通压降的温度漂移都会影响转换精度。图10.1.13为精密折点单元电路，它是由理想二极管电路与基准电源E组成。由图可知，当Ui与E之和为正时，运算放大器的输出为负，V2导通，V1截止，电路输出为零。当Ui与E之和为负时，V1导通，V2截止，电路组成一个反馈放大器，输出电压随Ui的变化而改变，有（10-1-10） 在这种电路中，折点电压只取决于基准电源E，避免了二极管正向电压UD的影响
17、，在这种精密折点单元的电路组成的线性化电路中，各折点的电压将是非常稳定的。10.1.2.3 非线性特性软件线性化处理对测量系统非线性环节的线性化处理，除了采用前述的硬件电路来实现外，在有微机的只能化检测系统中可利用软件功能方便地实现非线性的线性变化。这种方法精度高，成本低，应用灵活。,设某传感器非线性校正曲线如图10.1.14所示。它是一个非线性函数关系。我们将输入量x按一定要求分为N个区间，每个xk都对应一个输出yk。把这些（xk,yk）编制成表格存贮起来。实际的输入量xi一定会落在某个区间（xk-1，xk）内，即xk-1xi xk.软件法的含义是用一段直线近似地代替这段区间里的实际曲线，然
18、后通过近似插值公式计算出yi这种方法称为线性插值法。 由图10.1.15可以看出，通过M1、M2两点的直线斜率k为： ； 而yi的计算公式为： （10-1-11）软件线性插值法的线性化精度由折线的段数决定，所分段数越多，精度越高，但数表所占内存越多。具体分段数，可视非线性特性曲线形状而顶，可以是等分的，也可以是不等分的。当xi确定后首先通过查表确定xi所在区间，查出后顺序取出区间两端点xk -1，xk及其对应的yk-1， yk,然后利用式（10-1-11）计算出yi。这样，得到的输出量yi和传感器所检测的被测量之间成线性关系。,10.2 噪声源及噪声耦合方式,在检测装置中，测量的信息往往是以电
19、压或电流形式传送的，由于检测装置内部和外部因素的影响，使信号在传输过程的各个环节中，否可避免地要受到各种，噪声的干扰，而使信号产生不同程度的畸变，即为失真。可以说噪声是限制检测系统性能的决定因素。噪声一般可分为外部噪声和内部噪声两大类。外部噪声有自然界噪声源(如电离层的电磁现象产生的噪声)和人为噪声源(如电气设备、电台干扰等)；内部噪声又名固有噪声，它是由检测装置的各种元件内部产生的，如热噪声、散粒噪声等。噪声与一般的电信号不同，一般的电信号可以用千个确定的时间函数来描述(如正弦信号、脉冲信号)，而噪声是不能用+个预先确定的时间函数来描述的。 表征一个系统干扰的主要指标是“信噪比”。信噪比SN
20、指的是在信号通道中，有用信号成分与噪声信号成分之比。设有用信号功率为Ps，有用信号电压Us，噪声功率为PN，噪声电压为UN，则用分贝(dB)单位表示的信噪比为(10-2-1)由上式可知，信噪比越大，表示噪声的影咽越小。,10.2.1 噪声源,10.2.1.1 放电噪声各种电子设备的噪声干扰，其产生原因多数屑于放电现象。在放电过程中会向周围空间辐射出从低频到高频的电磁波，而且会传播得很远。例如在一个大气压的空气中，对曲率半径较小的两电极间施加电压，电压慢慢升高时，最初几乎无电流流过，当电压升高到一定数值时，如果电极中介质完全被电离时(称为电晕)，电极尖端引起局部破坏，电流急剧增加，形成电晕放电；
21、如果继续升高电压，将会经过火花放电过渡到弧光放电，此时空气击穿，同时向周围辐射出各种频率的电磁波。这种干扰电磁波几乎对各种电子设备都有影响。 (1)电晕放电噪声主要来源于高压输电线，它具有间隙性，并产生脉冲电流，从而成为一种干扰噪声。伴随电晕放电过程产生的高频振荡也是一种干扰。这种噪声主要对电力线载波电话、低频航空无线电台及调幅广播等产生影响，对电视和调频广播则影响不大。 (2)放电管(如日光灯、霓虹灯)放电噪声属于辉光放电和弧光放电。通常放电管具有负阻抗特性，所以与外屯路连接时容易引起高频振荡，有时可达很高的频段，对电视也有影响。(3)火花放电噪声。例如雷电、电气设备中电刷和整流子间周期性放
22、电、火花式高频焊机、继电器触点的通断(电，流很大时则会产生弧光放电)、汽车发动机的点火装置等。只要在哪里电流是断续的，则此时在触点间引起的火花放电都将成为噪声源。,10.2.1.2 电气干扰源电气噪声干扰包括工频、电子开关和脉冲发生器的感应于扰等。(1)工频干扰 大功率输电线是典型的工频噪声源。低电平的信号线只要一段距离与输电线相平行，就会受到明显的干扰。即使是一般室内：的交流电源线，对于输入阻抗和灵敏度很高的检测仪器来说也是威力很大的干扰源。另外，在电子装置的内部，由于工频感应也会产生交流噪声。如果工频的波形失真较大(如供电系统接有大容量的晶闸管设备)，由于高次谐波分量的增多，产生的干扰更大
23、。 (2)射频干扰 高频感应加热、高频焊接等工业电子设备以及广播机、雷达等通过辐射或通过电源线会给附近的电子测量仪器带来干扰。(3)电子开关 电子开关虽然在通断时并不产生火花，但由于通断的速度极快，使电路中的电压和电流发生急剧的变化，形成冲击脉冲，成为噪声干扰源。在一定电路参数条件下，电子开关的通断还会带来相应的阻尼振荡，从而构成高频干扰源。使用可控硅的调压整流电路对其它电子装置的干扰就是电子开关造成干扰的典型例子。这种电路在晶闹管的控制下，周期性地通断，形成前沿陡峭的电压和电流，并且使供电电源波形畸变，从而干扰由该电源系统供电的其他电子设备。 10.2.1.3 固有噪声源 由于检测装置内部元
24、件的物理性的无规则波动所形成的固有噪声源有三种：热噪声、散粒噪声和接触噪声。 (1)热噪声 热噪声(又称电阻噪声)是由于电阻中电子的热运动所形成的。因为电子的热运动是无规则的，因此电阻两端的噪声电压也是无规则的，它所包含的频率成分是十分复杂的。电阻两端的热噪声电压有效值可表示为 (10-2-2),式中，k为玻尔兹曼常数(1.38)；T为绝对温度(K)；R为电阻值()；f为噪声带宽(Hz)。上式表明，热噪声电压的有效值与电阻值的平方根成正比。因此减小电阻、带宽和降低温度有利于降低热噪声。 为了加深对热噪声的认识，现以运算放大器输入电阻引起的热噪声为例进行说明。设放大器输人回路电阻，带宽f=106
25、Hz，环境温度t27，则其热噪声电压为(2)散粒噪声 散粒噪声存在于电子管和晶体管中，是通过晶体管基区的载流子的无规则扩散以及电子空穴对的无规则运动和复合形成的。散粒效应的均方根噪声电流为(10-2-3) 式中，q为电子电荷(1.6)；Idc为平均直流电流(A)；为噪声带宽(Hz)。上式说明，每带宽平方根的噪声电流只是流经该器件的平均电流Idc的函数，其数值方程为(10-2-4)(3)接触噪声 接触噪声是由于两种材料之间不完全接触，从而形成电导率的起伏而产生的。它发生在两个导体连接的地方，如继电器的接点、电位器的滑动接点等。接触噪声正比于直流电流的大小，其功率密度正比于频率的倒数，其大小服从正
26、态分布。每平方根带宽的噪声电流可近似地表示为(10-2-5) 式中，为平均直流电流(A)；K为由材料和几何形状确定的常数；f为频率(Hz)；B为带宽(H2)。,由于接触噪声功率密度正比于频率的倒数，因此在低频时接触噪声可能是很大的。接触噪声通常是低频电路中最重要的噪声源。(3) 噪声电压的叠加 噪声电压(或噪声电流)的产生若是彼此独立的，即不相关的，则其总噪声电压可表示为若是两个相关噪声电压可用下式迭加而成(10-2-6) 式中，为相关系数，它的取值范围在+1-1间。当 0时，为非相关；当在0和+1或者0和-1间时，则两电压为部分相关。,10.2.2 噪声耦合方式,检测装置受到噪声源干扰的途径
27、叫做噪声的耦合方式。通常把噪声耦合方式可归纳为下列几种： 10.2.2.1 静电耦合,静电耦合是由于两个电路之间存在着寄生电容，使一个电路的电荷影响到另一个电路。在一般情况下，静电耦合的等效电路，如图10.2.1所示。图中En是噪声源产生的噪声电动势；Cm表示造成静电耦合的寄生电容；Zi是被干扰电路的等效输入阻抗。根据图10.2.1电路，可以写出在Zi上的干扰电压表达式,(10-2-7) 式中， 为噪声源En的角频率。考虑到一般情况下 ，故上式可简化为(10-2-8)由此可以看出：接收电路上的干扰电压正比于噪声源频率、噪声源的噪声电动势En、寄生电容Cm和接收电路的输入阻抗Zi。当有几个噪声源
28、同时经静电耦合干扰同一个接收电路时，只要是线性电路，就可以用又叠加原理分别对各干扰源进行考虑。 10.2.2.2 电磁耦合电磁耦合又称互感耦合，它是由于两个电路之间存在有互感，使一个电路的电流变化，通过磁交链影响到另一个电路。在一般情况下，电磁耦合可用图10.2.2表示其等效电路。图中In表示噪声干扰的噪声电流源，M表示两个电路之间的互感系数，UN表示通过电磁耦合在被干扰电路中感应出的噪声电压。根据交流电路理论，按图10.2.2可将UN写成下式(10-2-9) 式中， 为噪声源电流的角频率。分析上式可以得出：干扰电压UN正比于噪声源电流角频率、互感系数M和噪声电流In。 下面举一个电磁耦合的实
29、例。当两条平行导线有电流流过时，它们彼此之间会通过磁交链产生电磁耦合干扰。 两条平行导线之间的互感系数M可由下式算出 式中，l为两平行导线段长度(m)；D为两平行导线中心距(m)； 为空气的磁导率且,当l,将 代人上式，可得(10-2-10)设有一条信号传输线与一条电压为100V，负荷为10kVA的输电线的距离为lm，并在10m长的一段区间彼此平行架设，现计算在此信号线上的噪声电压。将上述数据代入,可见电磁耦合干扰是很严重的，应该引起足够的重视。 10.2.2.3 共阻抗耦合共阻抗耦合是由于两个电路共有阻抗，使一个电路的电流在另一个电路上产生干扰电压。例如，有几个电路由同一个电源供电时，会通过
30、电源内阻互相干扰，在放大器中各放大级通过接地线电阻互相干扰。共阻抗耦合等效电路可用图10.2.3表示之。图中Zc表示两个电路之间的共有阻抗，In表示噪声源的噪声电流，UN表示被干扰电路的干扰电压。根据图10.2.3共阻抗耦合等效电路，很容易写出被干扰电路的干扰电压UN的表达式(10-2-11)可见共阻抗耦合干扰电压UN正比于共阻抗值和噪声源电流In。显然，若要消除共阻抗耦合干扰，首先要消除两个或几个电路之间的共阻抗。,10.2.2.3 漏电流耦合 由于绝缘不良，流经绝缘电阻R的漏电流所引起的噪声干扰叫做漏电流耦合。一般情况下的漏电流耦合可用图10.2.3所示等效电路表示。图中En表示噪声电动势
31、，R表示漏电阻，Zi表示被干扰电路的输入阻抗，UN表示干扰电压。从图10.2.4的等效电路中可以写出UN的表达式 :,漏电流耦合经常发生在：用仪表测量较高的直流电压时；在检测装置附近有较高的直流电压源时，在高输入阻抗的直流放大器中。设直流放大器的输入阻抗Zi=108，干扰源电动势En=15V，绝缘电阻R=1010。其示意图10.2.5所示。下面估算漏电干扰对此放大器的影响。根据上述给出的数据可以得出 从上述估算可知，对于高输入阻抗放大器来说，即使是微弱的漏电流干扰，也将造成严重的后果。所以必须严密注意与输入端有关的绝缘水平，以及它周围的电路安排。,10.3 共模与差模干扰,各种噪声源产生的噪声
32、，必然要通过各种耦合方式进入检测装置，对其产生干扰。根据噪声进入信号测量电路的方式以及与有用信号的关系，可将噪声干扰分为差模干扰与共模干扰。,10.3.1 差模干扰,差模干扰又称串模干扰、正态干扰、常态干扰、横向干扰等，它使检测仪器的一个信号输入端子相对另一个信号输入端子的电位差发生变化，即干扰信号与有用信号按电压源形式串联起来作用于输入端。因为它和有用信号叠加起来直接作用于输入端，所以它直接影响测量结果。差模干扰可用图10.3.1所示两种方式表示，图a为串联电压源形式；图b为并联电流源形式。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
33、接收器的输入电阻。,当干扰源的等效内阻较小时，宜用串联电压形式；当干扰源等效内阻较高时，宜用并联电流源形式。造成差模干扰的原因很多，常见的差模于扰有：外交变磁场对传感器的输入进行电磁耦合。图10.3.2a表示用热电偶作敏感元件，进行测温时，由于有交变磁通穿过信号传输回路产生干扰电动势，造成差模干扰；图10.3.2b表示高压直流电场通过漏电流对动圈式检流计造成差模干扰。针对具体情况可以采用双绞信号传输线、传感器耦合端加滤波器、金属。隔离线、屏蔽等措施来消除差模干扰。,10.3.2 共模干扰,共模干扰又称纵向干扰、对地干扰、同相干扰、共态干扰等，它是相对于公共的电位基准点(通常为接地点)，在检测仪
34、器的两个输入端子上同时出现的干扰。虽然它不直接影响测量结果，但是当信号输入电路参数不对称时，它会转化为差模干扰，对测量产生影响。在实际测量过程中，由于共模干扰的电压一般都比较大，而且它的耦合机理和耦合电路不易搞清楚，排除也比较困难，所以共模干扰对测量的影响更为严重。 共模干扰一般用等效电压源表示，如图10.3.3表示共模干扰电压源的等效电路。图中ei，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，Ri表示仪器输入电阻，Rs为信号源内阻。从图中可以看出，共模干扰电流的通路只是部分地与信号电路所共有；共模干扰会通过干扰电流通
35、路和信号电流通路的不对称性转化为差模干扰，从而影响测量结果。,造成共模干扰的原因很多，常见的共模干扰耦合有下面几种：在检测装置附近有大功率的电气设备，因绝缘不良或三相动力电网负载不平衡，零线有较大电流时，都存在着较大的地电流和地电位差，这时，若检测系统有两个以上接地点，则地电位差就会造成共模于扰。如图10.3.4a所示热电偶测温系统，热电偶的金属保护套管通过炉体外壳与生产管路接地，而热电偶的两条温度补偿导线不接指示仪表外壳，但仪表外壳接大地，地电位差造成共模干扰。当电气设备的绝缘性能不良时，动力电源会通过漏电阻耦合到检测系统的信号回路，形成干扰；图10.3.4b表示动力电源通过漏电阻R对热电偶
36、测温系统形成共模干扰。在交流供电的电气测量装置中，动力电源会通过电源变压器的一次、二次侧绕组间的杂散电容、整流滤被电路、信号电路与地之间的杂散电容到地构成回路，形成工频共模干扰，如图10.3.4c所示。,10.3.3 共模干扰抑制比,根据共模干扰只有转换成差模干扰才能对检测装置产生干扰作用的原理可知，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。为了衡量检测系统对共模干扰的抑制能力，就形成了“共模干扰抑制比”这个重要概念。共模干扰抑制比定义为：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之比。通常以对数形式表示(10-3-1) 式中，Ucm是作用此检
37、测系统的实际共模干扰信号；Ucd是使检测系统产生同样输出所需的差模信号。共模干扰抑制比也可以定义为检测系统的差模增益与共模增益之比。可用数学式表示为(10-3-2) 式中，Kd是差模增益；Kc是共模增益。以上两种定义都说明，共模干扰抑制比是检测装置对共模干扰抑制能力的量度。CMRR值越高，说明检测装置对共模干扰的抑制能力越强。共模干扰抑制比有时简称共模抑制比。图10.3.5所示是一个差动输入运算放大器受共模干扰的等效电路。电路Un为共模干扰电压，Z1、Z2为共模干扰源阻抗，R1、R2为信号传输线路电阻，Us为信号源电压。从图中很容易得出，在Un作用下出现在放大器两输入端之间的差模干扰电压。(1
38、0-3-3) 从而可求得差动运算放大器的共模抑制比,(10-3-4) 式中，当 时，则共模抑制比趋于无穷大，但实际上很难做到这一点。一般 Z1、Z2 ，则上式可简化为(10-3-5) 上式表明，使Z1、Z2尽量高可以提高差动放大器的抗共模干扰能力。通过上例分析可见，共模干扰在一定条件下是要转换成差模干扰的，而且电路的共模抑制比与电路对称性密切相关。,在检测装置中常用的干扰抑制技术，是根据具体情况，对干扰加以认真分析后，有针对性地正确地使用，往往可以得到满意的效果。在对具体问题进行分析时，一定要注意到信号与干扰之间的辩证关系。也就是说，干扰对测量结果的影响程度，是相对信号而言的。如高电平信号允许
39、有较大的干扰；而信号电子越低，对干扰的限制也越严。通常，干扰的频率范围也是很宽的，但是，对于一台具体的测量仪器，并非一切频率的干扰所造成的效果都相同。例如对直流测量仪表，一般都具有较大的惯性，即仪表本身具有低通滤波特性，因此它对频率较高的交流干扰不敏感；对于低频测量仪表，若输入端装有滤波器，则可将通带频率以外的干扰大大衰减。但是，若对工频干扰采用滤波器，会将50Hz的有用信号滤掉。因此，工频干扰是低频检测装置最严重的问题，是不易除去的干扰，对于宽频带的检测装置，在工作频带内的各种干扰都将起作用。在非电量的检测技术中，动态掼f量应用日趋广泛，所用的放大器、显示器、记录仪等的频带越来越宽，因此，这
40、些装置的抗干扰问题也日趋重要。目前常用的抗干扰措施有如下几种。,10.4 常用的干扰抑制技术,10.4.1 屏蔽技术,利用铜或铝等低阻材料制成的容器，将需要防护的部分包起来或者是用导磁性良好的铁磁性材料制成的容器将要防护的部分包起来，此种方法主要是防止静电或电磁干扰，称之为屏蔽。,10.4.1.1 静电屏蔽 在静电场作用下，导体内部无电力线，即各点等电位。静电屏蔽就是利用了与大地相连接的导电性良好的金属容器，使其内部的电力线不外传，同时也不使外部的电力线影响其内部。 静电屏蔽能防止静电场的影响，用它可以消除或削弱两电路之间由于寄生分布电容耦合而产生的干扰。在电源变压器的一次、二次侧绕组之间插入
41、一个梳齿形薄铜皮并将它接地，以此来防止两绕组间的静电耦合，就是静电屏蔽的范例。 10.4.1.2 电磁屏蔽电磁屏蔽是采用导电良好的金属材料做成屏蔽层，利用高频干扰电磁场在屏蔽体，内产生涡流，再利用涡流消耗高频干扰磁场的能量，从而削弱高频电磁场的影响。若将电磁屏蔽层接地，则同时兼有静电屏蔽的作用。也就是说，用导电良好的金属材料做成的接地电磁屏蔽层，同时起到电磁屏蔽和静电屏蔽两种作用， 10.4.1.3 低频磁屏蔽在低频磁场干扰下，采用高导磁材料作屏蔽层以便将干扰磁力线限制在磁阻很小的磁屏蔽体内部，防止其干扰作用。 通常采用坡莫合金之类的对低频磁通有高导磁系数的材料。同时要有一定的厚度，以减少磁阻
42、。,10.4.1.4 驱动屏蔽 驱动屏蔽就是使被屏蔽导体的电位与屏蔽导体的电位相等。其原理如图10.4.1所示。若1：1电压跟随器是理想酌，即在工作中导体B与屏蔽层D之间的绝缘电阻为无穷大，并且等电位。那么，,在导体B与屏蔽层D之间的空间无电力线，各点等电位。这说明，导体A噪声源的电场En影响不到导体B。这时，尽管导体B与屏蔽层D之间有寄生电容Cs2存在，但是，因B与D是等电位，故此寄生电容也不起作用。因此，驱动屏蔽能有效地抑制通过寄生电容的耦合干扰。应该指出的是，在驱动屏蔽中所应用的11电压跟随器，不仅要求其输出电压与输入电压的幅值相同，而且要求两者之间的相移亦为零。另一方面，电压跟随器的输
43、入阻抗与导体B的对地阻抗Zi相并联，为减小其并联作用，则要求跟随器有无穷大的输入阻抗。实际上，这些要求只能在一定程度上得到满足。驱动屏蔽属于有源屏蔽，只有当线性集成电路出现以后，驱动屏蔽才有了实用价值，并在工程中获得愈来愈广泛的应用。,10.4.2 接地技术,一般来讲检测装置电路接地是为了如下目的：安全；对信号电压有一个基准电位；静电屏蔽的需要。在这里主要研究用接地技术来抑制噪声干扰。,10.4.2.1 接地线的种类 1)保护接地线，出于安全防护的目的将检测装置的外壳屏蔽层接地用的地线。2)信号地线，它只是检测装置的输入与输出的零信号电位公共线，除特别情况之外，一般与真正大地是隔绝的。信号地线
44、分为两种：模拟信号地线及数字信号地线，因前者信号较弱，故对地线要求较高，而后者则要求可低些。3)信号源地线，它是传感器本身的信号电位基准公共线。4)交流电源地线。在检测装置中，上列四种地线一般应分别设置，以消除各地线之间的相互干扰。 10.4.2.2 检测装置的接地线系统 通常在检测装置中至少要有三种分开的地线，如图10.4.2所示。若设备使用交流电源时，则交流电源地线应和保护地线相连。图中三条地线应连在一起并通过一点接地。使用这种接地方式可以避免公共地线各点电位不均匀所产生的干扰。,为了使屏蔽在防护检测装置不受外界电场的电容性或电阻性漏电影响时充分发挥作用，应将屏蔽线接到大地上。但是大地各处
45、电位很不一致，如果一个测量系统在两点接地，因两接地点不易获得同一电位，从而对两点(多点)接地电路造成干扰。这时地电位是装置输入端共模干扰电压的主要来源。因此，对一个测量电路只能一点接地。,例如图10.4.3a所示的测量系统。图中Us为信号源电压，Rs为信号源内阻，Rc1、Rc2为传输线等效电阻，Ri为放大器输入电阻，Un为两接地点之间的地电位差，Rn为地电阻。当Un=100mV，Rn=0.01，Rs=500，Rc1=Rc2=1KRi=10K时，代入公式通过计算，则放大器输入端的噪声电压Un为95mV。 为了解决上述问题，可采用一点接地，即保持信号源与地隔离，如图10.4.3b所示。图中ZGn=
46、1M ，其他参数与图a所示相同，代入公式(10-4-1)由此可见，比信号源直接接地时，干扰情况大有改善。 信号电路一点接地是消除因公共阻抗耦合干扰的一种重要方法。在一点接地的情况下，虽然避免了干扰电流在信号电路中流动，但还存在着绝缘电阻；寄生电容等组成的漏电通路，所以干扰不可能全部被抑制掉。,10.4.3 浮置,浮置又称浮空、浮接，它指的检测装置的输入信号放大器公共线阴p模拟信号地)不接机壳或大地。这种被浮置的检测装置的测量电路与机壳或大地之间无直流联系，阻断了干扰电路的通路，明显地加大宁测量电路放大器公共线与地(或机壳)之间的阻抗，因此浮置与接地相比能大大减小共模干扰电流。,10.4.4 平
47、衡电路,平衡电路又称对称电路。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，电桥电路和差分放大器等电路就属于平衡电路。采用平衡电路可以使对称电路结构所检拾的噪声相等，并可以在负载上自行抵消。图10-4-4所示的电路是最简单的平衡电路。图中UN1、UN2为噪声源，它们与导线串联；Us1、Us2为信号源；两噪声电流IN1、IN2。由电路原理可求出在负载上产生的总电压为式中前两项表示噪声电压，第三项表示信号电压。若电路对称，则IN1=IN2，所以负载上噪声电压互槽抵消掉。因此上式可简化为(10-4-2)如果电路完全对称，则负载上噪声电压为零
48、。但实际上电路很难做到完全对称，这时抑制噪声的能力决定于电路的对称性。在一个不平衡系统中，电路的信号传输部分可用两个变压器得到平衡，其原理如图10.4.4所示。图10.4.5a表示原不平衡系统；图10.4.5b表示接变压器后构成的平衡传输系统。因为长导线最容易检拾噪声；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，变压器还能断开任何地环路，因此消除了负载与信号源之间由于地电位差所造成的噪声干扰。,10.4.5 滤波,滤波器是一种只允许某频带信号通过或只阻止某一频带信号通过的电路，是抑制噪声于扰的最有效手段之一。特别是对抑制经导线传导耦合到电路中的噪声干扰，它是一种被广泛采用的技术手段。下面分别介绍在检测设备中的各种滤波器。 10.4.5.1 交流电源进线的对称滤波器任何使用交流电源的检测装置，噪声经电源线传导耦合到测量电路中去，对检测装置工作造成干扰是最明显的。为了抑制这种噪声干扰，在交流电源进线端子间加装滤波器，如图10.4.6所示。其中图a为线间电压滤波器、图b为线间电压和对地电压滤波器、图c为简化的线间电压和对地电压滤波器。这种高频干扰电压对称滤波器，对于抑制中波段的高频噪声干扰是很有效的。图10.4.7所示的是低频干扰电压滤波电路。此电路对抑制因电源波形失真而含有较多高次谐波的干扰很有效。,
