1、第10章 微机测控系统的卫士抗干扰技术 第10章 微机测控系统的卫士抗干扰技术 10.1 干扰的来源及传播途径干扰的来源及传播途径10.2 硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术10.3 软件抗干扰技术软件抗干扰技术思考题与习题思考题与习题第10章 微机测控系统的卫士抗干扰技术 10.1 干扰的来源及传播途径干扰的来源及传播途径 10.1.1 10.1.1 噪声源噪声源1.1.内部噪声源内部噪声源内部噪声干扰是指测控系统内部电子电路的各种干扰，是由系统结构和制造工艺等因素决定的，主要有以下几种情况。（1）电路元器件产生的固有噪声：电路或系统内部一般都包含有电阻、晶体管、运算放大器等元器件，这些元器件都会
2、产生噪声，例如电阻的热噪声、晶体管的闪烁噪声、散弹噪声等。第10章 微机测控系统的卫士抗干扰技术（2）感性负载切换时产生的噪声：在控制系统中通常包含许多感性负载，如交、直流继电器、接触器、电磁铁和电机等，它们都具有较大的自感。当切换这些设备时，由于电磁感应的作用，线圈两端会出现很高的瞬态电压，由此会带来一系列的干扰问题。（3）接触噪声：是由于两种材料之间的不完全接触而引起导电率起伏所产生的噪声。例如，晶体管焊接处接触不良（虚焊或漏焊），继电器触点之间、插头与插座之间、电位器滑臂与电阻丝之间的不良接触等都会产生接触噪声。第10章 微机测控系统的卫士抗干扰技术 2.2.外部噪声源外部噪声源（1）天
3、体和天电干扰：天体干扰是由太阳或其他恒星辐射电磁波所产生的干扰；天电干扰是由雷电、大气的电离作用、火山爆发及地震等自然现象所产生的电磁波和空间电位变化所引起的干扰。（2）放电干扰：是电动机的电刷和整流子间的周期性瞬间放电，电焊、电火花加工机床、电气开关设备中的开关通断，电气机车和电车导电线与电刷间的放电等引起的干扰。（3）射频干扰：是指电视广播、雷达及无线电收发机等射频设备对邻近电子设备的干扰。（4）工频干扰：是指大功率输、配电线与邻近测控系统的传输线通过耦合产生的干扰。第10章 微机测控系统的卫士抗干扰技术 10.1.210.1.2噪声干扰的传播途径噪声干扰的传播途径各种噪声干扰必须由某种途
4、径才能进入到微机测控系统的某个敏感接受部位，其中主要的传播途径有以下几种。1.1.静电耦合（电容性耦合）静电耦合（电容性耦合）静电耦合是由于两个电路之间存在寄生电容，产生静电效应而引起的干扰，如图10-1所示。第10章 微机测控系统的卫士抗干扰技术 图10-1静电耦合示意图 第10章 微机测控系统的卫士抗干扰技术 2.2.电磁耦合（电感性耦合）电磁耦合（电感性耦合）电磁耦合是由于两个电路间存在互感而产生的，如图10-2所示。图10-2电磁耦合示意图 第10章 微机测控系统的卫士抗干扰技术 3.3.漏电流耦合（电阻性耦合）漏电流耦合（电阻性耦合）漏电流耦合是由于测控系统内部的电路绝缘不良，而出现
5、的漏电流引起的电阻耦合产生的干扰，如图10-3所示。图10-3漏电流耦合示意图 第10章 微机测控系统的卫士抗干扰技术 4.4.共阻抗耦合共阻抗耦合共阻抗耦合是指两个或两个以上电路有公共阻抗时，一个电路中的电流变化会在公共阻抗上产生电压，而这个电压会影响与公共阻抗相连的其他电路的工作，成为其干扰电压。共阻抗耦合的主要形式有以下几种。（1）电源内阻抗的耦合干扰：当用一个电源同时对几个电路供电时，电源内阻R0和线路电阻R就成为几个电路的公共阻抗，某一电路中电流的变化，在公共阻抗上产生的电压就成了对其他电路的干扰源，如图10-4所示。第10章 微机测控系统的卫士抗干扰技术 图10-4电源内阻抗耦合示
6、意图 第10章 微机测控系统的卫士抗干扰技术（2）公共地线耦合干扰：由于地线本身具有一定的阻抗，当其中有电流通过时，在地线上必产生电压，该电压就成为对有关电路的干扰电压，如图10-5所示。图中，R1、R2、R3为地线电阻；A1、A2为前置电压放大器；A3为功率放大器，A3的电流I3较大，通过地线电阻R3时产生的电压为U3I3R3，U3就会对A1、A2产生干扰。第10章 微机测控系统的卫士抗干扰技术 图10-5公共地线耦合示意图第10章 微机测控系统的卫士抗干扰技术（3）输出阻抗耦合干扰:当信号输出电路同时带有多路负载时，任何一路负载电压的变化都会通过线路公共阻抗（包括信号输出电路的输出阻抗和输
7、出接线阻抗）耦合而影响其他路的输出，产生干扰。图10-6是一个信号输出电路同时向三路负载提供信号的示意图。第10章 微机测控系统的卫士抗干扰技术 图10-6输出阻抗耦合示意图 第10章 微机测控系统的卫士抗干扰技术 10.1.3噪声干扰的模式噪声干扰的模式1.差模干扰差模干扰所谓差模干扰，是指叠加在被测信号上的干扰。这种干扰可能是信号源的一部分，也可能是由长传输线引入的。由于它和被测信号在信号输入回路中电位相同，以电压源的形式与信号源串联，因此也称之为串模干扰，如图10-7（a）所示。图中，US为信号源，Un为常态干扰，它们在电路上是串联的，在数值上是叠加的。这种干扰在测量系统中是常见的，例如
8、在热电偶温度测量回路的一个臂上串联一个由交流电源激励的微型继电器时，在线路中就会引入交流与直流的差模噪声干扰。第10章 微机测控系统的卫士抗干扰技术 图10-7噪声干扰模式示意图（a）差模干扰；（b）共模干扰第10章 微机测控系统的卫士抗干扰技术 2.共模干扰共模干扰共模噪声是相对于公共的电位基准点，在系统的接收电路的两个输入端上同时出现的噪声干扰,如图10-7（b）所示。这种干扰可以是直流的，也可以是交流的，其幅值大小不等，取决于环境和设备的接地情况。图中，US是被测信号源；当被测信号源的参考接地点和计算机输入电路参考接地点之间存在电位差Ucm时，Ucm便同时作用在两个模拟输入端上，Ucm为
9、两个输入端所共有。第10章 微机测控系统的卫士抗干扰技术 10.1.410.1.4抑制干扰的基本原则抑制干扰的基本原则所谓抗干扰，是指把窜入微机测控系统的干扰衰减到一定的强度以内，保证系统能够正常工作或者达到要求的测量控制精度。抑制干扰有下列三个基本原则。1.1.消除干扰源消除干扰源有些干扰，尤其是内部干扰，可以通过人为努力消除。如通过改进制造工艺、合理布线、改进焊接技术、降温、实现参数匹配等，就有可能消除由线间感应、杂散电容、多点接地等造成的电位差、热噪声等内部干扰。把干扰源屏蔽起来，也是一种消除干扰源的有效方法。第10章 微机测控系统的卫士抗干扰技术 2.2.远离干扰源远离干扰源距离干扰源
10、越远，干扰就衰减得越弱。微机测控系统、计算机房，包括有终端设备的操作室都应尽可能远离干扰源，如远离强电场、强磁场等。第10章 微机测控系统的卫士抗干扰技术 3.3.防止干扰窜入防止干扰窜入干扰都是通过一定的途径进入微机测控系统中的，如果在干扰的进入途径上采取有效措施，就可能使测控系统避免干扰的入侵。事实上，抑制干扰的措施主要是针对防止干扰窜入进行的。实际上，在与干扰斗争的过程中，人们积累了很多经验，有硬件抗干扰措施、软件抗干扰措施，也有软硬结合抗干扰措施。如果硬件抗干扰措施得当，可将大多数干扰拒之门外，但仍有少数干扰窜入测控系统，引起不良后果，所以软件抗干扰措施作为第二道防线是必不可少的。第1
11、0章 微机测控系统的卫士抗干扰技术 由于软件抗干扰措施是以CPU的开销为代价的，如果没有硬件抗干扰措施消除绝大多数干扰，CPU将疲于奔命，没有时间来正常工作，严重影响到系统的工作效率和实时性。因此，一个成功的抗干扰系统是由硬件和软件相结合构成的。硬件抗干扰具有效率高的优点，但要增加系统的投资和设备的体积。软件抗干扰具有投资低的优点，但要降低系统的工作效率。下面两节将分别介绍硬件抗干扰技术和软件抗干扰技术。第10章 微机测控系统的卫士抗干扰技术 10.2硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术 10.2.110.2.1接地技术接地技术1.1.接地的基本概念接地的基本概念“地”是电路或系统中为各个信号提供参考
12、电位的一个等电位点或等电位面。所谓“接地”，就是将某点与一个等电位点或等电位面之间用低电阻导体连接起来，构成一个基准电位。第10章 微机测控系统的卫士抗干扰技术 1）微机测控系统中的地线种类在微机测控系统中，地线有很多种，但归纳起来大致有以下几种：(1)信号地：在测控系统中，原始信号是用传感器从被测对象获取的，信号（源）地是指传感器本身的零电位基准线。(2)模拟地：模拟信号的参考点，所有组件或电路的模拟地最终都归结到供给模拟电路电流的直流电源的参考点上。(3)数字地：数字信号的参考点，所有组件或电路的数字地最终都与供给数字电路电流的直流电源的参考点相连。第10章 微机测控系统的卫士抗干扰技术(
13、4)负载地：是指大功率负载或感性负载的地线。当这类负载被切换时，它的地电流中会出现很大的瞬态分量，对低电平的模拟电路乃至数字电路都会产生严重干扰，通常把这类负载的地线称为噪声地。第10章 微机测控系统的卫士抗干扰技术(5)系统地：为避免地线公共阻抗的有害耦合，模拟地、数字地、负载地应严格分开，并且要最后汇合在一点，以建立整个系统的统一参考电位，该点称为系统地。系统或设备的机壳上的某一点通常与系统地相连接，供给系统各个环节的直流稳压或非稳压电源的参考点也都接在系统地上。接地设计的目的是：消除电流流经一个公共地线阻抗时所产生的噪声电压；避免受磁场和地电位差的影响；使屏蔽和滤波有环路；安全。第10章
14、 微机测控系统的卫士抗干扰技术 2）浮地和共地如果系统地与大地绝缘，则该系统称为浮地系统。浮地系统的系统地不一定是零电位。如果把系统地与大地相连，则该系统称为共地系统。共地系统的系统地与大地电位相同。这里所说的“大地”就是指地球。众所周知，地球是导体，而且体积非常大，因而其静电容量也非常大，电位比较恒定，所以人们常常把它的电位作为绝对基准电位也就是绝对零电位。为了连接大地，可以在地下埋设铜板或插入金属棒或利用金属排水管道作为连接大地的地线。第10章 微机测控系统的卫士抗干扰技术 常用的工业测控系统宜采用共地系统，它有利于信号线的屏蔽处理，机壳接地可以免除操作人员的触电危险。若采用浮地系统，要么
15、使机壳与大地完全绝缘，要么使系统地不接机壳。在前一种情况下，当机壳较大时，它与大地之间的分布电容和有限的漏电阻使得系统地与大地之间的可靠绝缘非常困难。而在后一种情况下，贴地布线的原则（系统内部的信号传输线、电源线和地线应贴近接地的机柜排列，机柜可起到屏蔽作用）难以实施。第10章 微机测控系统的卫士抗干扰技术 在共地系统中有一个如何接大地的问题，需要注意的是，不能把系统地连接到交流电源的零线上，也不应连到大功率用电设备的安全地线上，因为它们与大地之间存在着随机变化的电位差，其幅值变化范围从几十毫伏至几十伏。因此共地系统必须另设一个接地线。为防止大功率交流电源地电流对系统地的干扰，建议系统地的接地
16、点和交流电源接地点间的最小距离不应少于800m，所用的接地棒应按常规的接地工艺深埋，且应与电力线垂直。第10章 微机测控系统的卫士抗干扰技术 3）单点接地与多点接地两个或两个以上的电路共用一段地线的接地方法称为串联单点接地，其等效电路如图108所示。图10-8串联单点接地等效电路 第10章 微机测控系统的卫士抗干扰技术 图10-8中，R1、R2和R3分别是各段地线的等效电阻，I1、I2和I3分别是电路1、2和3的入地（返回）电流。因为地电流在地线等效电阻上会产生压降，所以三个电路与地线的连接点的对地电位具有不同的数值，它们分别是：VA=(I1+I2+I3)R1VB=VA+(I2+I3)R2VC
17、=VB+I3R3 第10章 微机测控系统的卫士抗干扰技术 显然，在串联接地方式中，任一电路的地电位都受到别的电路地电流变化的调制，使电路的输出信号受到干扰。这种干扰是由地线公共阻抗的耦合作用产生的。离接地点越远，电路中出现的噪声干扰就越大，这是串联接地方式的缺点。但是与其他接地方式相比，串联接地方式布线最简单，费用最省。串联接地通常用来连接地电流较小且相差不太大的电路。为使干扰最小，应把电平最低的电路安置在离接地点（系统地）最近的地方与地线相接。另一种接地方式是并联单点接地，即各个电路的地线只在一点（系统地）汇合，各电路的对地电位只与本电路的地电流和地线阻抗有关，因而没有公共阻抗耦合噪声，其等
18、效电路如图10-9所示。第10章 微机测控系统的卫士抗干扰技术 图10-9并联单点接地等效电路 第10章 微机测控系统的卫士抗干扰技术 并联单点接地方式的缺点在于所用地线太多。对于比较复杂的系统，这一矛盾更加突出。此外，这种方式不能用于高频信号系统。因为这种接地系统中地线一般都比较长，在高频情况下，地线的等效电感和各个地线之间杂散电容耦合的影响是不容忽视的。当地线的长度等于信号波长（光速与信号频率之比）的奇数倍时，地线呈现极高阻抗，变成一个发射天线，将对邻近电路产生严重的辐射干扰。一般应把地线长度控制在1/20信号波长之内。上述两种接地都属一点接地方式，主要用于低频系统。在高频系统中，通常采用
19、多点接地方式，如图10-10所示。第10章 微机测控系统的卫士抗干扰技术 图10-10多点接地等效电路 第10章 微机测控系统的卫士抗干扰技术 在采用多点接地的高频系统中，各个电路或元件的地线以最短的距离就近连到地线汇流排（groundplane,通常是金属底板）上，因地线很短（通常远小于25mm），底板表面镀银，所以它们的阻抗都很小。多点接地不能用在低频系统中，因为各个电路的地电流流过地线汇流排的电阻会产生公共阻抗耦合噪声。一般的选择标准是，在信号频率低于1MHz时，应采用单点接地方式，而当频率高于10MHz时，采用多点接地方式是最好的。对于频率处于110MHz之间的系统，可以采用单点接地方
20、式，但地线长度应小于信号波长的1/20。如不能满足这一要求，应采用多点接地方式。第10章 微机测控系统的卫士抗干扰技术 在实际的低频系统中，一般都采用串联和并联相结合的单点接地方式，这样既兼顾了抑制公共阻抗耦合噪声的需要，又不致使系统布线过于复杂。为此，需把系统中所有地线根据电流变化的性质分成若干组，性质相近的电路共用一根地线（串联接地），然后将各组地线汇集于系统地上（并联接地）。第10章 微机测控系统的卫士抗干扰技术 2.2.接地环路与共模干扰接地环路与共模干扰当信号源和系统地都接大地时，两者之间就构成了接地环路。由于大地电阻和地电流的影响，任何两个接地点的电位都不相等。通常信号源和系统之间
21、的距离可达数米至数十米，此时这两个接地点之间的电位差的影响将不能忽视。在工业测控系统中，这个地电压常常是一个幅值随机变化的50Hz的噪声电压。在图10-11（a）所示的系统中，信号源Ui通过两根传输线与系统中的单端放大器的输入端相接。由于地电压UG的存在，改变了放大器输入电压。第10章 微机测控系统的卫士抗干扰技术 设两根传输线的电阻分别是R1和R2，信号源内阻为Ri。放大器输入电阻为RL，两个接地点间的地电阻为RG，由等效电路图10-11（b）可以求得放大器输入端A、B之间出现的噪声电压UN，其值为 GL1iLL1i2GL1i2)/()/(URRRRRRRRRRRRRUN通常RLR1RG，所
22、以 GL1iL2G2NURRRRRRRU（10-1）第10章 微机测控系统的卫士抗干扰技术 图10-11接地环路与共模干扰（a）接地环路；（b）共模干扰 第10章 微机测控系统的卫士抗干扰技术 3.3.微机测控系统接地设计技术微机测控系统接地设计技术接地设计的两个基本要求是：(1)消除各电路电流流经一个公共地线阻抗时所产生的噪声电压；(2)避免形成接地环路，引入共摸干扰。一个系统中包括多种地线，每一个环节都与其中的一种或几种地线发生联系。处理这些地线的基本原则是尽量避免或减少由接地所引起的各种干扰，同时要便于施工，节省成本。系统接地设计通常包括以下几个主要方面。第10章 微机测控系统的卫士抗干
23、扰技术 1）输入信号传输线屏蔽层接地点的选择信号传输线屏蔽层必须妥善接地，才能有效地抑制电场噪声对信号线的电容性耦合，但同时又必须防止通过屏蔽层构成低阻接地环路。当放大器接地而信号源浮地时，屏蔽层的接地点应选在放大器的低输入端，即在图10-12（a）中的C处连接，此时出现在放大器输入端1、2之间的噪声电压U120，如图10-12（c）所示；如在B处连接，噪声电压，如图10-12（b）所示；如在D处连接，如图10-12（d）所示；若在A处把信号源低端与屏蔽层相连，因屏蔽层不接地，故没有屏蔽效果。211112CCCUUG2112112)(CCCUUUGG第10章 微机测控系统的卫士抗干扰技术 图1
24、0-12浮地信号源和接地放大器的输入信号传输线屏蔽层接地点的选择 第10章 微机测控系统的卫士抗干扰技术 图10-13接地信号源和浮地放大器的输入信号传输线屏蔽层接地点的选择 第10章 微机测控系统的卫士抗干扰技术 2）电源变压器静电屏蔽层的接地系统中的电源变压器初、次级绕组间设置的静电屏蔽层（此为习惯名称，其实它主要用来抑制交流电源线中拣拾的高频噪声对次级绕组的电容性耦合）的屏蔽效果与屏蔽层的接地点的位置直接相关。在共地系统中，为更好地抑制电网中的高频噪声，屏蔽层应接到系统直流电源地上。在浮地系统中，如仍按这种接法，则因高频噪声不能入地而失去屏蔽作用，此时应将屏蔽层改接到交流电源地上。第10
25、章 微机测控系统的卫士抗干扰技术 3）直流电源接地点的选择一个系统通常需要多种直流电源，有供给模拟电路工作用的电源，有供给数字电路工作用的电源，它们都是稳压电源，此外可能还需要某些非稳压直流电源，以供显示、控制等用。不同性质的电源地线不能任意互连，而应分别汇集于一点，再与系统地相接。第10章 微机测控系统的卫士抗干扰技术 4）印刷电路板的地线布局在包含AD或DA转换器的单元印刷电路板上，既有模拟电源，又有数字电源，处理这些电源地线的原则如下：(1)模拟地和数字地分设，通过不同的引脚与系统地相连，各个组件的模拟地和数字地引脚分别连到电路板上的模拟地线和数字地线上。(2)尽可能减少地线电阻，因此地
26、线宽度要选得大一些（支线宽度通常不小于23mm，干线宽度不小于810mm），但又不能随意增大地线面积，以免增大电路和地线之间的寄生电容。第10章 微机测控系统的卫士抗干扰技术(3)模拟地线可用来隔离各个输入模拟信号之间以及输出和输入信号之间的有害耦合。通常可在需要隔离的两个信号线之间增设模拟地线。数字信号亦可用数字地线进行隔离。(4)TTL、CMOS器件的地线要呈辐射网状，避免环形。第10章 微机测控系统的卫士抗干扰技术 5）机柜地线的布局在中、低频系统中，地线布局须采用单点接地方式，其原则如下：(1)各个单元电路的各种地线不得混接，并且与机壳浮离（直至系统地才能相会）。(2)单元电路板不多时
27、，可采用并联单点接地方式。此时可把各单元的不同地线直接与有关电源参考端分别相接。第10章 微机测控系统的卫士抗干扰技术(3)当系统比较复杂时，各印刷板一般被分装在多层框架上，此时则应采取串联单点接地方案。可在各个框架上安装几个横向汇流排，分别用以分配各种直流电源、沟通各个印刷板的各种地线。而各个框架之间安装若干纵向汇流排，并连接所有的横向汇流排。在可能情况下，要把模拟地、数字地和噪声地的汇流排适当拉开距离，以免产生噪声干扰。第10章 微机测控系统的卫士抗干扰技术 10.2.210.2.2屏蔽技术屏蔽技术1.1.屏蔽的类型和原理屏蔽的类型和原理1）静电屏蔽根据电学原理，在静电场作用下，空心导体如
28、果腔内没有净电荷，导体内和空腔内任何一点处的场强都等于零，剩余电荷只能分布在外表面。因此，如果把某一物体放入空心导体的空腔内，该物体就不受任何外电场的影响，这就是静电屏蔽的原理。第10章 微机测控系统的卫士抗干扰技术 如果空心导体（例如金属盒）的空腔内放有一个带电体，由于静电感应，在金属盒的内外表面将分别出现等量异号的感应电荷，其外表面的电荷所产生的电场就会对外界产生影响。为了消除这种影响，可将金属盒接地，则外表面的感应电荷将因接地而消失，相应的电场也随之消失，这就解决了金属盒内带电体对盒外的影响。通过以上分析可知，如果用一个金属屏蔽罩罩住被干扰的电路，且将金属盒接地，就可以消除外部的静电干扰
29、；同理，如果用一个金属屏蔽罩罩住干扰源，且将金属盒接地，就可以抑制干扰源对外部电路的干扰。第10章 微机测控系统的卫士抗干扰技术 2）电磁屏蔽电磁屏蔽主要是为了抑制高频电磁场的干扰。由于高频电磁场能在导电性能良好的金属导体内产生涡电流，因此可利用涡电流产生的反磁场来抵消高频干扰磁场，从而达到电磁屏蔽的目的。电磁屏蔽的材料也应选用低内阻的金属材料，例如铜、铝或镀银铜板等。为了兼顾静电屏蔽的作用，屏蔽罩应接地。第10章 微机测控系统的卫士抗干扰技术 3）磁屏蔽磁屏蔽主要用来防止低频磁场干扰，因为电磁屏蔽对低频磁场干扰的屏蔽效果很差。可利用高导磁材料（例如玻莫合金）制成屏蔽罩，使低频磁场干扰的磁力线
30、大部分在屏蔽罩内构成回路，泄漏到屏蔽罩外的干扰磁通就很少，从而达到抑制低频磁场干扰的目的。第10章 微机测控系统的卫士抗干扰技术 2.2.屏蔽的结构形式屏蔽的结构形式屏蔽的结构形式主要有屏蔽罩、屏蔽栅网、屏蔽铜箔、隔离仓和导电涂料等。屏蔽罩一般用无孔隙的金属薄板制成。屏蔽栅网一般用金属编制网或有孔金属薄板制成，既有屏蔽作用，又有通风作用。屏蔽铜箔一般是利用多层印制电路板的一个铜箔面作为屏蔽板。隔离仓是将整机金属箱体用金属板分隔成多个独立的隔仓，从而将各部分电路分别置于各个隔仓之内，用以避免各个电路部分之间的电磁干扰与噪声影响。导电涂料是在非金属的箱体内、外表面上喷一层金属涂层。第10章 微机测
31、控系统的卫士抗干扰技术 此外，还有编织网做成的电缆屏蔽线，用金属喷涂层覆盖密封电子组件屏蔽等。在某些应用场合，单一材料的屏蔽不能在强磁场下保证有足够高的磁导率，不能满足衰减磁场干扰的要求，此时可采用两种或多种不同材料做成多层屏蔽结构。低磁导率高饱和值的材料安置在屏蔽罩的外层，而高磁导率低饱和值的材料则放在屏蔽罩的内层，且层间用空气隔开为佳。第10章 微机测控系统的卫士抗干扰技术 10.2.310.2.3长线传输的干扰及其抑制长线传输的干扰及其抑制1.1.长线的感应干扰及抑制长线的感应干扰及抑制来自传感器的信号线有时长达数百米甚至上千米，干扰源通过电磁或静电耦合在信号线上的感应电压数值是相当可观
32、的。例如，一路输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，然而来自传感器的有效信号电压常常只有几十毫伏甚至可能比感应的干扰电压还小些。除此之外，同样由于被测对象与测控系统相距甚远的缘故，信号地与系统地这两个接地点之间的电位差，即地电压有时可达几伏至十几伏甚至更大。第10章 微机测控系统的卫士抗干扰技术 在远距离信号传输中，如果采取单线传输单端对地输入方式，那么传输线上的感应干扰电压和地电压都会与被测信号相串联，几乎全都无抑制地成为对信号的干扰电压（差模干扰电压），可能会相当大，甚至会超过信号电压，使信号电压被淹没。为了避免这种后果，通常远距离信号传输不采用
33、单线传输单端对地输入方式，而是采用双线传输双端差动输入方式。由于增设了一条同样长度的传输线，两根传输线上拾取的感应干扰电压相等，同时又由于输入端采用双端差动输入方式，差模干扰电压远远小于信号电压。第10章 微机测控系统的卫士抗干扰技术 在上述讨论中，如果双线传输的两根传输线处于完全相同（内阻相同、对地分布电容相同、漏电阻相同）的条件，我们就称之为“平衡传输”。也就是说，抑制长线感应干扰的最佳措施是采用双线平衡传输。为了实现双线平衡传输，通常采用双绞线。由于双绞线绞合较紧，各方面处于基本相同的条件，因此有很好的平衡特性。而且双绞线对电感耦合噪声也有很好的抑制作用。第10章 微机测控系统的卫士抗干
34、扰技术 需要注意的是，被传输信号的形式不同，采用双线传输信号所获得的抗干扰效果是不一样的。一般来说，数字信号抗干扰能力比模拟信号抗干扰能力强，因此，数字信号传输优于模拟信号传输。频率信号是一种准数字信号，抗干扰性能也很好，也适于应用双绞线远距离传输。此外，长线传输时，用电流传输代替电压传输，也可获得较好的抗干扰能力，特别是在过程控制系统中，常常采用变送器或电压电流转换器产生420mA的电流信号，经长线传送到接收端，再用一个精密电阻或电流电压转换器转换成电压信号，然后送入A/D转换器。电流传送方式不会受到传输导线的压降、接触电阻、寄生热电偶和接触电势的影响，也不受各种电压性噪声的干扰，所以，它常
35、被用作抑制噪声干扰的一种手段。第10章 微机测控系统的卫士抗干扰技术 2.2.长线的反射干扰及抑制长线的反射干扰及抑制数字信号的长线传输不仅容易耦合外界噪声，而且还会因传输线两端阻抗不匹配而出现信号在传输线上反射的现象，使信号波形发生畸变，这种影响称为“非耦合性干扰”或“反射干扰”。抑制这种干扰的主要措施是解决好阻抗匹配、长线驱动和信号线的敷设三个问题。第10章 微机测控系统的卫士抗干扰技术 1）阻抗匹配为了避免因阻抗不匹配产生反射干扰，就必须使传输线始端的源阻抗等于传输线的特性阻抗（称始端阻抗匹配）或使传输线终端的负载阻抗等于传输线特性阻抗（称终端阻抗匹配）。微机测控系统中，常常采用双绞线或
36、同轴电缆作信号线。双绞线的特性阻抗Rp一般在100200之间，绞距越小，阻抗越低。同轴电缆的特性阻抗一般在50100之间。传输线的阻抗匹配有下列四种形式，如图10-14所示。第10章 微机测控系统的卫士抗干扰技术 图10-14传输线的阻抗匹配形式（a）始端串联阻抗匹配；（b）终端并联阻抗匹配（c）终端并联隔直阻抗匹配；（d）终端接箝位二极管匹配 第10章 微机测控系统的卫士抗干扰技术(1)始端串联阻抗匹配：如图10-14（a）所示，匹配电阻R的取值为Rp与A门输出低电平时的阻抗RSOL（约20）之差值。这种匹配方法会使终端的低电压抬高，相当于增加了输出阻抗，降低了低电平的抗干扰能力。(2)终端
37、并联阻抗匹配:如图10-14（b）所示，终端匹配电阻R1、R2的值按RpR1R2的要求选取。一般R1为220330，R2为270390。这种匹配方法由于终端阻值低，相当于加重负载，使高电平有所下降，故高电平的抗干扰能力有所下降，但对波形的低电平没有影响。第10章 微机测控系统的卫士抗干扰技术(3)终端并联隔直阻抗匹配:如图10-14（c）所示，因电容C在较大时只起隔直作用，并不影响阻抗匹配，所以只要求匹配电阻R与Rp相等即可。它不会引起输出高电平的降低，故增加了高电平的抗干扰能力。(4)终端接箝位二极管匹配:如图10-14（d）所示，利用二极管VD把B门端低电平箝位在0.3V以下，可以减小波的
38、反射和振荡，提高动态抗干扰能力。第10章 微机测控系统的卫士抗干扰技术 2）长线驱动如果用TTL直接驱动长线，有可能使电信号幅值不断减小，抗干扰能力下降及存在串扰和噪声，结果导致传错信号。因此，在长线传输中，需采用驱动电路和接收电路。驱动电路：它将TTL信号转换为差分信号，再经长线传至接收电路。为了使多个驱动电路能共用一条传输线，一般驱动电路都附有禁止电路，以便在该驱动电路不工作时，禁止其输出。接收电路：它具有差分输入端，把接收到的信号放大后，再转换成TTL信号输出。由于差动放大器有很强的共模抑制能力，而且工作在线性区，因此容易做到阻抗匹配。第10章 微机测控系统的卫士抗干扰技术 3）信号线的
39、敷设选择了合适的信号线，还必须合理地进行敷设。否则，不仅达不到抗干扰的效果，反而会引进干扰。信号线的敷设应注意以下事项：(1)要绝对避免信号线与电源线合用同一股电缆。(2)屏蔽信号线的屏蔽层要一端接地，同时要避免多点接地。(3)信号线的敷设要尽量远离干扰源，如避免敷设在大容量变压器、电动机等电器设备的附近。如果有条件，将信号线单独穿管配线，在电缆沟内从上到下依次架设信号电缆、直流电源电缆、交流低压电缆、交流高压电缆。表10-1给出了信号线与交流电力线之间的最小间距。第10章 微机测控系统的卫士抗干扰技术 表表10-1信号线与交流电力线之间的最小间距信号线与交流电力线之间的最小间距 第10章 微
40、机测控系统的卫士抗干扰技术(4)信号线与电源线必须分开，并尽量避免平行敷设。如果现场条件有限，信号线与电源线不得不敷设在一起时，则应满足以下条件：电缆沟内要设置隔板，且隔板与大地相连接。在电缆沟内电缆架上敷设或沟底自由敷设时，信号电缆与电源电缆的间距一般应在15cm以上。如果电源电缆无屏蔽，且交流电压为220V、电流为10A时，间距应在60cm以上。电源电缆使用屏蔽罩。第10章 微机测控系统的卫士抗干扰技术 10.2.410.2.4共模干扰的抑制共模干扰的抑制1.1.隔离技术隔离技术由图10-11可知，当信号源和系统地都接大地时，两者之间就构成了接地环路。两个接地点之间的电位差即地电压（等于大
41、地电阻与大地电流的乘积），随两者的距离增大而增大。尤其在高压电力设备附近，大地的电位梯度可以达到每米几伏甚至几十伏。地电压UG经过图中信号源Ri、连线电阻R1和负载电阻RL产生地环流，并在RL上形成干扰电压UN，如式（10-1）所示。如果把图10-11（a）中的连线断开接入“隔离器”，如图10-15所示，该“隔离器”对差模信号是“畅通”的，而对“共模信号”却呈现很大的电阻，相当于使式（10-1）中的R1增为无穷大即断开地环路，那么由式（10-1）可知，共模干扰电压UN将大大减少，同时流过信号源的漏电流也将大大减少。第10章 微机测控系统的卫士抗干扰技术 图10-15隔离技术原理（a）隔离变压器
42、式；（b）纵向扼流圈式；（c）光电耦合器式 第10章 微机测控系统的卫士抗干扰技术（1）隔离变压器式：图10-15（a）表示在两根信号线上接入一只隔离变压器，由于变压器的次级输出电压只与初级绕组两输入端的电位差成正比，因此，它对差模信号是“畅通”的，对共模信号则是个“陷阱”。隔离变压器断开地环路适用于50Hz以上的信号，在低频，特别是超低频时非常不合适。因为变压器要能传输低频信号，必然要有很大的电感和体积，初、次级绕组圈数很多就会有较大的寄生电容，共模信号就会通过变压器初、次间的寄生电容而在负载上形成干扰。隔离变压器的初、次级绕组间要设置静电屏蔽层，并且接地，这样就可减少初、次级寄生电容，以达
43、到抑制高频干扰的目的。当信号频率很低，或者共模电压很高，或者要求共模漏电流非常小时，常在信号源和检测系统输入通道之间（通常在输入通道前端）插入一个隔离放大器。第10章 微机测控系统的卫士抗干扰技术（2）纵向扼流圈式：图10-15（b）表示在两根信号线上接入一只纵向扼流圈（也称中和变压器）。扼流圈对低频信号电流阻抗很小，对纵向的噪声电流却呈现很高的阻抗，因此，这种方法特别适用于超低频。在两根导线上流过的信号电流是方向相反、大小相等。而流经两根导线的噪声电流则是方向相同、大小相等。这种噪声电流叫纵向电流，也叫共模电流。第10章 微机测控系统的卫士抗干扰技术（3）光电耦合器式：图10-15（c）表示
44、切断电路1和电路2之间地环路的第三个办法是采用光电耦合器。光电耦合器由一只发光二极管和一只光电晶体管装在同一密封管壳内构成。发光二极管把电信号转换为光信号，光电晶体管把光信号再转换为电信号，这种“电光电”转换在完全密封条件下进行，不会受到外界光的影响。由于电路1的信号传递是靠光传递，切断了两个电路之间电的联系，因此两电路之间的地电位差就再不会形成干扰了。第10章 微机测控系统的卫士抗干扰技术 光电耦合器的输入阻抗很低，一般在1001000之间，而干扰源的内阻一般很大，通常为105106。根据分压原理可知，这时能馈送到光电耦合器输入端的噪声自然很小。即使有时干扰电压的幅度较大，但所能提供的能量很
45、小，只能形成微弱的电流。而光电耦合器的发光二极管只有通过一定强度的电流才能发光，光电晶体管也只在一定光强下才能工作，因此，即使电压幅值很高的干扰，由于没有足够的能量而不能使二极管发光，从而被抑制掉。光电耦合器的输入端与输出端的寄生电容极小，一般仅为0.52pF，而绝缘电阻又非常大，通常为10111013，因此光电耦合器一边的各种干扰噪声很难通过光电耦合器馈送到另一边去。但由于光电耦合器的线性范围比较小，因此它主要用于传送数字信号。第10章 微机测控系统的卫士抗干扰技术 2.2.浮置技术（浮地技术）浮置技术（浮地技术）浮置是指信号放大器的公共线不接外壳或大地的一种抑制干扰的措施。浮置与屏蔽接地相
46、反，浮置是阻断干扰电流的通路，明显地加大了信号放大器公共线与地（或外壳）之间的阻抗，减少了共模干扰电流。第10章 微机测控系统的卫士抗干扰技术 图10-16中将系统输入放大器进行双层屏蔽，使其浮地，这样流过信号回路的不平衡电阻上的共模电流便大大减少，从而可以取得优异的共模抑制能力。在需要高精度测量低电平信号时，或者已经采用各种措施，共模抑制仍不能满足要求时，可以采用这种方法。图中屏蔽罩1、2和放大器的模拟地之间是互相绝缘的。Z1是模拟地和屏蔽罩1之间的杂散电容和绝缘电阻所构成的漏阻抗，Z2是屏蔽罩1和2之间的漏阻抗，Z3是模拟地与屏蔽罩2之间的漏阻抗。第10章 微机测控系统的卫士抗干扰技术 由
47、于放大器输入阻抗远大于传输线电阻和地电阻，因此图中略去后两个电阻。此时信号源内阻Ri代表了放大器两个输入端的不平衡电阻，流过Ri的共模电流所产生的电压降形成共模干扰。信号电缆的屏蔽层一端接信号源的低端，另一端接屏蔽罩1（内屏蔽）。屏蔽罩2（通常是金属机壳）接地，这样系统仍是共地的。但输入放大器的模拟地对地阻抗Z3却相当大，基本处于浮地状态。第10章 微机测控系统的卫士抗干扰技术 图10-16浮地技术原理图 第10章 微机测控系统的卫士抗干扰技术 双层浮地屏蔽的共模抑制效果主要取决于漏阻抗Z1和Z2的数值。而增大Z1和Z2的关键还在于减少杂散电容C1和C2。为此须对放大器的电源变压器的结构进行必
48、要的改进。通常采用超屏蔽变压器，即将变压器的原边绕组和副边绕组分别加以屏蔽，原边屏蔽接屏蔽罩2（或机壳），副边屏蔽接屏蔽罩1。因为CMRR与杂散电容C1和C2的容抗直接相关，所以系统的CMRR随着共模噪声频率的升高而降低。第10章 微机测控系统的卫士抗干扰技术 3.3.浮动电容切换技术浮动电容切换技术在数据采集系统中，如果输入信号上叠加的共模电压较大，超过了MUX或PGA（或S/H）的额定输入电压值，可以采用如图10-17所示的浮动电容切换技术。它由两级模拟开关组成，通常可用干簧或湿簧继电器担任开关，触点耐压数值可根据实际需要来选择。第10章 微机测控系统的卫士抗干扰技术 图10-17浮动电容
49、切换技术原理图 第10章 微机测控系统的卫士抗干扰技术 10.2.510.2.5差模干扰的抑制差模干扰的抑制1.1.频率滤波法频率滤波法频率滤波法就是利用差模干扰与有用信号在频率上的差异，采用高通滤波器滤除比有用信号频率低的差模干扰，采用低通滤波器滤除比有用信号频率高的差模干扰，采用50Hz陷波器滤除工频干扰。频率滤波是模拟信号调理中的一项重要内容。第10章 微机测控系统的卫士抗干扰技术 2.2.电平鉴别法电平鉴别法如果信号和噪声在幅值上有较大的差别，且信号幅值较大，噪声幅值较小，则可用电平鉴别法将噪声消除。（1）采用脉冲隔离门抑制干扰。脉冲隔离门技术就是利用硅二极管的正向压降对幅值小的干扰脉
50、冲加以阻挡，而让幅值大的信号脉冲顺利通过。其原理如图10-18所示。电路中的二极管最好选用开关管。第10章 微机测控系统的卫士抗干扰技术 图10-18脉冲隔离门原理 第10章 微机测控系统的卫士抗干扰技术（2）采用削波器抑制干扰。当噪声电压低于脉冲信号波形的波峰值时，可以采用图1019所示的削波器将干扰脉冲削掉。因为该削波器可设计为只让高于电压U的脉冲信号通过，而让低于电压U的噪声被削掉。第10章 微机测控系统的卫士抗干扰技术 图10-19削波器原理 第10章 微机测控系统的卫士抗干扰技术（3）采用脉宽鉴别法。如果噪声幅值较高，但噪声波形的脉宽要比信号脉宽窄得多，则可利用RC积分电路来有效地消
