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1、第五章 电子系统抗干扰技术1.干扰的概念干扰的概念 干扰在测量与控制系统中是指有用的干扰在测量与控制系统中是指有用的测量信号或控制信号以外的任何信号。测量信号或控制信号以外的任何信号。干扰可以来自测控系统外部，也可以来自测控系统本身，还可以来自被测量或控制对象。最大的干扰源是电磁干扰，因此，抗最大的干扰源是电磁干扰，因此，抗干扰技术也主要针对电磁干扰。干扰技术也主要针对电磁干扰。2.电磁兼容性的概念电磁兼容性的概念 国际电工技术委员会（IEC）对电磁兼容性(简称EMC）的定义为：电磁兼容电磁兼容性是设备的一种能力，它在器电磁环境性是设备的一种能力，它在器电磁环境中能完成自身的功能，而不致于在其
2、环中能完成自身的功能，而不致于在其环境中产生不允许的干扰。境中产生不允许的干扰。我国国家军用标准 GJB72-85对电磁兼容性的定义为：设备在共同的电磁环设备在共同的电磁环境中能一起执行各自功能的共同状态，境中能一起执行各自功能的共同状态，即该设备不会由于受到处于同一电磁环即该设备不会由于受到处于同一电磁环境中其他设备的电磁发射而导致或遭受境中其他设备的电磁发射而导致或遭受不允许的性能降低，它也不会使同一电不允许的性能降低，它也不会使同一电磁环境中其他设备因受其电磁发射而导磁环境中其他设备因受其电磁发射而导致或遭受不允许的性能降低。致或遭受不允许的性能降低。3.电磁兼容性的实施电磁兼容性的实施
3、 为了实现系统内、外的电磁兼容，需从技术上和组织上两方面采取措施。1）技术措施）技术措施 技术措施是指采取有效的技术手段抑制干扰源，消除或减弱干扰耦合，提高系统的抵抗干扰的能力。2）组织措施）组织措施 组织措施是指由一系列国际组织，各国政府及军事部门，制定一系列电磁兼容标准、规范和频谱分配，规定干扰极限值，限制各种设备发射干扰的上限，并使各种系统在指定的频域、时域及空域上工作，推行强制性电磁兼容认证，保证电磁兼容的有效实施。事实已经证明：在不同的阶段考虑电磁兼容性问题，其投入及效果有着较大的差异。在设计阶段考虑电磁兼容性问题，在设计阶段考虑电磁兼容性问题，效果好、投入少。效果好、投入少。因此，
4、电磁兼容性设计已经成为测控系统设计的重要内容。1.电磁干扰概念电磁干扰概念 1）电磁干扰定义）电磁干扰定义 电磁干扰（EMI）是指空间电场和磁场的有序或无序变化所引起的设备、传输通道或系统性能下降的有害因素。它是形成后果的电磁骚扰（EMD）。5.1 电磁干扰电磁干扰 2）电磁干扰的三要素）电磁干扰的三要素 （1）电磁干扰源：指产生电磁干扰的任何元件、器件、设备、系统或自然现象。（2）传播途径（耦合与辐射）：指将电磁干扰能量传输到受扰设备的通道或媒介。（3）敏感设备：指受到电磁干扰影响或对电磁干扰发生响应的设备。3）设备电磁兼容性能的评价）设备电磁兼容性能的评价 电子设备的抗干扰性能采用电磁兼容
5、不等式进行简单评价。干扰发送量干扰发送量 耦合因素耦合因素 干扰敏感阈干扰敏感阈 如果设备受到的噪声量小于设备对该干扰的敏感阈，设备不受其干扰而仍可正常工作。如果设备所有噪声入口处都达到这一条件并有足够裕量，则该电子设备达到电磁兼容性要求。如果设备的某个或某些噪声入口不满足上述不等式要求，或者虽能勉强满足但裕量太小，则该设备达不到电磁兼容性要求。2.干扰源干扰源 能产生一定的电磁能量而影响周围设备正常工作的物体或设备称为干扰源。1）内部噪声）内部噪声 是指在电子装置和设备内部的电路或器件产生的噪声。2）外来干扰）外来干扰 是从外部侵入电子装置和设备的噪声。主要有自然噪声和来自其他设备的人为噪声
6、。（1）自然噪声主要指自然界的宇宙射线、太阳辐射、太阳黑子产生的周期性电扰动以及雷电产生的噪声。（2）人为噪声是指其它机器和设备产生的噪声，包括有触点电器、放电管、工业用高频设备、电力输送线、机动车、大功率发射装置、超声波设备等产生的噪声。各类干扰的频率分段如下：干干扰扰源源频频率范率范围围典型典型电电磁干磁干扰扰源源工频及音频干扰源50Hz及其谐波输电线电力牵引系统有线广播甚低频干扰源30kHz以下雷电等载频干扰源10-300kHz高压直流输电高次谐波交流输电即电气高次谐波铁路射频、视频干扰源300kHz-300MHz工业、科学医疗设备电动机、照明电器宇宙干扰微波干扰源300MHz-100G
7、Hz微波炉微波接力通信卫星通信3.干扰的耦合方式干扰的耦合方式1 1）传导耦合）传导耦合 经导线传播把干扰引入测控系统，称为传导耦合。交流电源线、测控系统中的长线都能引起传导耦合，它们都具有天线效果，能够广泛拾取空间的干扰引入测控系统。2）近场感应耦合）近场感应耦合 带电的元件、导线、结构件等都能形成电磁场，这种电磁场可以对附近的电路回路形成干扰。（1）电容性耦合 一个导体上的电压或干扰成分通过分布电容使相邻导体上的电位受到影响，这种现象称为电容性耦合。它可简化为图所示的电路模型。图中Vl为干扰源电路在a、b点间体现的电动势，Z2为受扰电路在c、d点间的等效输入阻抗，C为干扰源电路和受扰电路间
8、存在的等效寄生电容。图5.1.1 电容性耦合模型 受扰电路在c、d点间所感受到的干扰信号为 由此可见，受扰电路所感受到的干扰信号V2随V1、C、Z2和干扰信号的频率增加而增大。减小受扰电路的等效输入阻抗Z2和电路间的寄生电容C，可以降低静电耦合的干扰与噪声。（2）电感性耦合 若电路中存在两个相邻的闭合回路，当一个回路中的电流所产生的磁通穿过另一个回路时，两个回路之间存在互感M，若磁通随时间变化，则在另一个回路中将产生感应电压，这可简化为图所示的电路模型。图中I1,为干扰源电路在a、b点间的电流源，Z2为受扰电路在c、d点间的等效输入阻抗，M为干扰源电路和受扰电路间的等效互感。图5.1.2 电感
9、性耦合模型 则受扰电路在c、d点间所感受到的干扰信号为 由此可见，受扰电路所感受到的干扰信号V2随I1、M 和干扰信号的频率的增加而增大。减小电路间的寄生互感M，可以降低互感耦合的干扰与噪声。（3）公共阻抗耦合 公共阻抗耦合是由电路间的公共阻抗造成的，可简化为图所示的电路模型。图中I1，为干扰源电路在a、b点间的电流源，Z2为受扰电路在c、d点间的等效输入阻抗，Z1为干扰源电路和受扰电路的公共阻抗。则受扰电路在c、d点间所感受到的干扰信号为图5.1.3 公共阻抗耦合模型 由此可见，受扰电路所感受到的干扰信号V2随I1、Z1的增加而增大。减小干扰源电路和受扰电路的公共阻抗Z1，可以降低共阻抗耦合
10、的干扰与噪声。（4）漏电流耦合 漏电流耦合是由电路间的漏电电阻造成的，可简化为图所示的电路模型。图中V1为干扰源电路在a、b点间的电动势，Z2为受扰电路在c、d点间的等效输入阻抗，R为干扰源电路和受扰电路间的漏电电阻。图5.1.4 漏电流耦合模型 受扰电路在c、d点间所感受到的干扰信号为 由此可见，受扰电路所感受到的干扰信号V2随V1和Z2的增加而增大，随R的增大而减小。如果增大干扰电路和受扰电路间的漏电电阻R，减小受扰电路的等效输入阻抗Z2，都可降低漏电流耦合的干扰与噪声。5.2 干扰抑制技术干扰抑制技术 5.2.1 合理接地与屏蔽合理接地与屏蔽 合理接地是抑制干扰的主要方法，把接地和屏蔽正
11、确地结合使用能解决大部分干扰问题。1.合理接地合理接地 接地是指印刷电路板上的局部电路中和测控系统整机中公共零电位线的布置。1）工作接地）工作接地 对信号电压设立基准电位，基准电位是各回路工作的参考电位，通常以电路中直流电源的零电压为基准电位。连接方式有一点接地、多点接地两种。（1）一点接地 一点接地有串联形式（干线式）和并联形式(放射式)两种。串联式如图5.2.1(a)所示，构成简单而易于采用。(a)(b)图5.2.1 一点接地方式(a)串联式 (b)并联式 但电路中1、2、3各个部分接地的总电阻不同。当Rl、R2、R3较大或接地电流较大时，各部分电路接地点的电平差异显著，影响弱信号电路的正
12、常工作。必须注意，当使用串联形式时，应遵必须注意，当使用串联形式时，应遵循电路电平越低，越接近接地点的原则。循电路电平越低，越接近接地点的原则。并联式如图5.2.1(b)所示。各部分电路的接地电阻相互独立，不会产生公共阻抗干扰，但接地线长而多，经济性差。在工作频率很高的场合，接地线间分布电容的耦合比较突出,当地线的长度接近当地线的长度接近信号信号1/4波长时，地线阻抗接近无穷，相当波长时，地线阻抗接近无穷，相当于开路，这时地线没有接地作用，反而变于开路，这时地线没有接地作用，反而变成了天线成了天线,可以向外辐射电磁干扰。可以向外辐射电磁干扰。因此，采用并联式时，地线长度应短因此，采用并联式时，
13、地线长度应短于信号波长的于信号波长的1/20。并联式接地方式只适用于低频。并联式接地方式只适用于低频。（2）多点接地 为降低接地线长度，减小高频时的接地阻抗，可采用多点接地的方式。多点接地方式如图所示，各个部分电路都有独立的接地连接，连接阻抗分别为Z1、Z2、Z3。图 5.2.2 多点接地方式 如果Z1用金属导体构成，Z2、Z3用电容器构成，对低频电路来说仍然是一点接地方式，而对高频电路来说则是多点接地方式，从而可适应电路宽频带工作的要求。如果Z1用金属导体构成，Z2、Z3用电感器构成，对低频电路来说是多点接地方式而对高频电路来说则是一点接地方式，既能在低频时实现各部分的统一基准电位和保护接地
14、，又可避免接地回路闭合而引入高频干扰。由实验得到，各个接地点的间距应小于0.15信号波长。测控系统中的数字电路部分，尤其是高速逻辑电路中脉冲信号的宽度仅为几纳秒，频谱范围达几十兆赫，分布在印刷线路板上的地线，以及板与板之间的地线，均应采用多点接地方式。一般来说，1MHz以下可以采用一点接地，频率高于10MHz时采用多点接地。在110MHz范围，如用一点接地时，其地线长度不得超过信号波长的1/20，否则应采用多点接地。在实际的测控系统中，往往是低电平电路与高电平电路、大功率电路与小功率电路并存，此时系统至少要有三个分开的地线：低电平信号地线低电平信号地线；功率地线功率地线（包括继电器、电动机、大
15、电流驱动电源等大功率电路及干扰源的地，又称为干扰地）；机机壳地线壳地线（包括机架、箱体，又称为金属件地线，此地线与交流电源零线相接）。三套地线分别自成系统,最后汇集于接地母线。这样避免了大功率、大电流、高电压电路对小信号回路的影响。同时也避免了输入敏感回路的屏蔽罩、机壳作为屏蔽体而吸收的干扰对信号回路的影响。2）安全保护接地）安全保护接地 将电气设备的金属底板或金属外壳与大地实施连接，可消除触电危险。在进行安全接地连接时，要保证较小的接地电阻和可靠的连接方式，要通过专门的低阻导线与近处的大地实施连接。2.屏蔽屏蔽 屏蔽一般指的是电磁屏蔽。就是用电导率和磁导率高的材料将两个空间区域加以隔离，用以
16、控制从一个区域到另一个区域的电场或磁场的传播。主动屏蔽：主动屏蔽：用屏蔽体将干扰源包围起来，从而减弱或消除其对外部系统的影响。被动屏蔽：被动屏蔽：用屏蔽体将受扰的电路或系统包围起来，从而抑制屏蔽体外的干扰与噪声对系统的影响。1）屏蔽的原理）屏蔽的原理 屏蔽的抗干扰功能基于屏蔽体对干扰与噪声信号的反射与吸收作用。如图所示，Pl为干扰与噪声的入射能量，R1为干扰与噪声在第一边界面上的反射能量，R2为干扰与噪声在第二边界面上被反射与在屏蔽层内被吸收的能量，P2为干扰与噪声透过第二边界面后的剩余能量。如果屏蔽形式与材料选择得好，可使由屏蔽体外部进入其内部的干扰能量P2明显小于Pl，或者使从屏蔽内部干扰
17、源逸出到屏蔽体外面的干扰能量显著减小。图5.2.3 电磁屏蔽层的作用2）屏蔽的结构形式与材料）屏蔽的结构形式与材料 （1）屏蔽的结构形式 屏蔽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。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。（2）屏蔽的材料 屏蔽材料有电场屏蔽材料和磁场屏蔽材料两类。电场屏蔽一般采
18、用电导率较高的铜、铝或钢材料。电场屏蔽的作用以反射衰减为主。磁场屏蔽一般采用磁导率较高的磁性材料（如玻莫合金、锰合金、磁钢、铁等）。磁场屏蔽的作用以透射时的吸收衰减为主，其特点是干扰与噪声频率升高时，磁导率下降，屏蔽作用减弱。可采用多种不同的材料制成多层屏蔽结构解决之。必要时可同时采用电场屏蔽和磁场屏蔽两种方式。需要说明的是，实际的屏蔽效果将因屏蔽体上存在导线孔、通风孔、开关孔和其它用途的缝隙而下降，因此实际的屏蔽效果可能主要取决于缝隙和孔洞所引起的泄漏，而不是材料本身。通常，在屏蔽壳体不连续时，磁场泄漏的影响大于电场泄漏的影响。所以在设计制作屏蔽体时，要尽量设法减小缝隙和孔洞的面积。5.2.
19、2 隔离技术隔离技术 隔离就是使两部分电路互相独立，不成回路，从而切断从一个电路进入另一个电路的干扰的通路。在测控电路系统中，由于分布参数的存在或接地点非等电位无法的原因，常常会形成如图所示的寄生环路（特别是地环路),从而引入电磁耦合干扰。在这种情况下，采取隔离技术,切断寄生环路或地环路，是提高电路系统抗干扰性能的有效措施。图5.2.4 地线环路的形成 隔离的方式有变压器隔离、扼流圈隔离、光隔离和隔离放大器隔离等多种，需要根据电路的情况选用。对于强电系统采用变压器隔离和扼流圈隔离，变压器适用于隔离信号频率高于工频的场合，扼流圈隔离，常使用于信号频率低于工频的场合。图给出了两种隔离方式的示意图。
20、(a)(b)图两种隔离方式示意图(a)变压器隔离 (b)纵向扼流圈隔离 纵向扼流圈是由两个绕向相同的绕组构成，信号电流在两个绕组流过时方向相反，称为异模电流，产生的磁场相互抵消，呈现低阻抗。所以，扼流圈对信号电流不起扼流作用，并且不切断直流回路。地线中的干扰电流流经两个绕组的方向相同，称为共模电流，产生的磁场同相相加。扼流圈对地回路干扰电流呈现高阻抗，起到抑制地回路干扰的作用。对于弱电模拟信号，采用隔离放大器隔离是目前较为理想的方法。对于数字信号，光电耦合器隔离是首选的隔离方法。图为采用光电耦合器切断地线环路的情况。利用光耦合，将两个电路的电气连接隔开，两个电路用不同的电源供电，有各自的地电位
21、基准，二者相互独立而不会造成干扰。图5.2.6 光电耦合器隔离5.2.4 布线技术布线技术1.印制电路板上的布线技术印制电路板上的布线技术 （1）注意降低电源线和地线的阻抗，尽量加粗电源线和地线线条，降低其直流电阻。（2）由于电源线、地线和其他印制导线都有电感，当电源电流变化速率很大时会产生显著的压降。地线压降是形成公共阻抗干扰的重要原因，所以要尽量缩短引线，减小引线电感值。（3）尽量避免相互平行的长信号线，以防止寄生电容。如果必须平行布线，可在平行线之间插入地线。（4）前置电路输入端应采用地平面保护措施，减小噪声从输入端耦合进入前置电路。（5）模拟电路部分应与数字电路分开集中布置，两部分的地
22、应分开，并在最靠近公共基准电位的位置一点短接共地。（6）原则上相互有关的器件相对集中布置。易产生噪声的器件（如时钟发生器、晶体振荡器、CPU时钟输入端子等）集中布置，并尽量远离其它电路部分。2.连接导线的选用连接导线的选用 一般测控设备所用的导线有单股导线、扁平电缆、屏蔽线、双绞线等。（1）单股导线选用时主要考虑其允许电流值和导线阻抗。（2）扁平电缆是由多根单股导线相互绝缘地并排粘接构成。扁平电缆一般应用于数字信号的并行传输，在计算机系统中尤为多见。扁平电缆的长度一般不应超扁平电缆的长度一般不应超过传输信号波长的过传输信号波长的1/30，例如对10MHz的信号，其波长为30m,则扁平电缆的长度
23、应控制在lm以内。有时为了减少线间串扰，有时为了减少线间串扰，常间隔安排信号线，而将各信号线之间的常间隔安排信号线，而将各信号线之间的导线统一接地。导线统一接地。（3）屏蔽线是在单股导线的绝缘层外，再罩以金属编制网或金属薄膜构成。将屏蔽线的金属编制网或金属薄膜接地，其所包含的芯线便不易受到外部电气干扰噪声的影响。几根绝缘导线合成一束，再罩以金属编制网或金属薄膜，则构成所谓的屏蔽电缆。(a)(b)图5.2.7 线间感应及屏蔽作用(a)无屏蔽 (b)有屏蔽 图5.2.7(a)中A是受到干扰与噪声感应的线路，B是产生干扰与噪声的线路，Cl是信号线A与地之间的分布电容，C2是噪声源B与地之间的分布电容
24、，C3是噪声源B与信号线A之间的分布电容，Vn是噪声源B与地之间的噪声电压，En是信号线A上感应的噪声电压，可表示为 显然，A、B的距离越近，分布电容C3越大，信号线A上感应的噪声电压就越大。图5.2.7(b)则在信号线A外面包以屏蔽层并将屏蔽层接地，而屏蔽层和信号线A之间则是绝缘的。虽然这时噪声源B与信号线A屏蔽层之间的分布电容C3仍然存在，由于信号线A的屏蔽层接地而保持恒定的地电位，信号线A不易受到噪声源B的影响。注意：屏蔽层的接地应遵守一点接地的原屏蔽层的接地应遵守一点接地的原则，以免产生地线环路而使信号线中的干扰与则，以免产生地线环路而使信号线中的干扰与噪声增加。噪声增加。同理，将产生
25、干扰与噪声的导线予以屏蔽，也可减小或抑制这些导线对其它电路的干扰与噪声影响。双绞线是由电流相等但方向相反的两根导线互相拧合构成。由于外界干扰噪声在两根导线中的感应电流大小与方向相同，故可相互抵消。双绞线拧合的节距越短，对干扰双绞线拧合的节距越短，对干扰与噪声的衰减率越大。实用中一般取与噪声的衰减率越大。实用中一般取5cm左左右，拧合的节距进一步缩短，对干扰与噪声右，拧合的节距进一步缩短，对干扰与噪声衰减率的提高不再显著。衰减率的提高不再显著。3.电气设备柜内外的布线电气设备柜内外的布线 电气设备柜内外的布线应从两个方面予以考虑，一是希望对外来的干扰与噪声有较强的抑制能力，二是避免内部电路产生有
26、害的干扰与噪声。电气设备柜应采用铁或铁铜叠合的材料构成，以达到较好的电磁屏蔽效果。一般不宜采用薄铝板，因为其对低频信号的磁屏蔽作用较差。整个柜体应保持可靠连接，以保持等电位。柜体的接地不能靠机柜金属底脚与地面接触来实现，必须用专门的导线连接至埋入地的金属接地件上。电气设备柜的布局应遵循强电、弱电分开并隔离的原则，以避免可能产生的干扰与噪声影响。对小信号高增益的模拟电路，要用专门的电源供电，并且要采用可靠的内部屏蔽措施。对可能产生对外干扰与噪声的部分要加金属屏蔽罩。从机柜连接到外部设备的导线与电缆，应注意将动力电源、强信号线与弱信号线分别布设，采用相互隔离的走线槽布线等原则。在条件允许情况下，应
27、尽量采用金属走线槽。5.2.5 灭弧技术灭弧技术 测控系统中常使用继电器、接触器、电动机、电磁阀等电感性部件或设备,它们在通断瞬间，会在电路中产生比正常电压(或电流)高出许多倍的反向瞬时电压(或电流)，并在切断处产生电弧或火花放电。这种瞬时高电压(或高电流)称为浪涌电压(或浪涌电流)，或者直接损害电路器件，或者使系统或仪器运行异常，严重时会导致临近其它设备或仪器的运行异常。消除或减小这种干扰的技术称为灭弧技术，相应的元件称为浪涌抑制元器件，电路称为电磁能的耗能电路或吸收电路。1.RC电路电路 采用RC电路灭弧与电感性负载的连接如图5.2.8(a)所示。稳态时，R上没有电流流过,接点断开瞬间，电
28、容器放电(反向充电)，电感中的电流沿RC回路流过，吸收了浪涌电流。一般R值应取电感线圈电阻RL的25 50，以避免LC回路发生谐振。(a)(b)(c)(d)(e)(f)图5.2.8 常用灭弧元件及其连接(a)RC电路(b)泄流二极管 (c)硅整流管 (d)充气放电管 (e)压敏电阻器 (f)TVS二极管C(F)值的计算式为 R、RL的单位为，L的单位为H。RC电路既可在直流电感负载上使用，也可在交流电感负载上使用。2.泄流二极管泄流二极管 采用泄流二极管灭弧与电感性负载的连接如图5.2.8(b)所示。稳态时，二极管反偏，接点断开瞬间，电感的反向电动势产生的反向电流，流经泄流二极管被有效吸收。泄
29、流二极管只能在直流电感负载上使用。3.硅堆整流器硅堆整流器 采用硅堆整流器灭弧与电感性负载的连接如图5.2.8(c)所示。硅堆整流器由多片硅整流片组合而成，每片的耐压为60V，多片组合可提高耐压值。硅堆整流器泄放电流大，既可在直流电感负载上使用，也可在交流电感负载上使用。4.充气放电管充气放电管 充气放电管又称避雷管，管内冲有一定种类的和一定浓度的惰性气体。当浪涌电压出现时，管内气体被电离，管子立即变为短路，使大部分瞬间能量被吸收掉，从而保护了设备、器件或电路。充气放电管的缺点是辉光放电的不连续性导致残留尖脉冲列浪涌电压(或电流),最好与压敏电阻器等配合使用,以免引入附加干扰。充气放电管既可在
30、直流电感负载上使用，也可在交流电感负载上使用。5.压敏电阻器压敏电阻器 采用压敏电阻器与电感性负载的连接如图5.2.8(e)所示。当电感性负载电流通路被切断时，电感性负载L两端较高的感应电动势使压敏电阻器电阻突降，为电感性负载的电流提供泄放通路。压敏电阻器既可在直流电感负载上使用，也可在交流电感负载上使用。6.硅瞬变电压吸收二极管硅瞬变电压吸收二极管 硅瞬变电压吸收二极管又称TVS管，是目前应用较广的瞬变干扰抑制器件，当其两极受到反向瞬态高能量冲击时，它能以10-12s量级的速度，将两极间的高阻抗变为低阻抗。吸收高达数千瓦的浪涌功率，使两极间的电压钳位于一个预定值，有效地保护电子电路中的精密元
31、件免受各种浪涌脉冲的破坏。5.3 电源干扰的抑制电源干扰的抑制 绝大多数测控设备是由380V、220V交流电网供电的。在交流电网中，大容量用电设备的接通和断开、供电线路的开合操作、瞬间欠电压和过电压的冲击等均会对电网造成污染，使供电电网中存在着大量强烈的干扰与噪声。特别是能量很高的瞬间尖峰，对电网中的设备干扰极大，对此必须采用必要的措施，以保证测控系统的正常工作运行。电网干扰抑制技术电网干扰抑制技术 考核测控设备抑制电网干扰能力的一般方法，是将脉冲干扰模拟器接在被考核设备的电源引入线上。试验中首先使被考核设备进入正常工作状态，然后逐渐增加干扰模拟器输出脉冲的幅度直到被考核设备偏离正常工作为止，
32、这时干扰模拟器输出脉冲的幅度值即为测控设备对电网干扰抑制的敏感阈值。一般工业标准规定，测控设备对电网干扰抑制的敏感阈值达1000V以上即可。常用的电网干扰抑制措施有电源滤波器、切断噪声变压器等。1.电源滤波器电源滤波器 电源滤波器的内部结构如图所示，由纵向扼流圈I和滤波电容C组成。l、2为交流电网电源输入端口，3为外部接地端，4、5为电源输出端。恰当地确定L和C的数值，可有效地抑制电网中100kHz以上的干扰与噪声。图5.3.1 线路滤波器的结构2.切断噪声变压器切断噪声变压器 切断噪声变压器（简称NCT）。这种变压器的结构、铁心材料、形状以及线圈位置都比较特殊，可以切断高频噪声磁通，使之不能
33、感应到二次绕组，既能切断共模噪声又能切断差模噪声。图为普通变压器与切断噪声变压器的结构对比图。(a)中普通变压器常将一次侧、二次侧绕组绕在铁芯的同一处。(b)中切断噪声变压器的一次侧、二次侧绕组分别绕在铁芯的不同处。(a)(b)图5.3.2 普通变压器与切断噪声变压器(a)铁芯屏蔽 (b)切断噪声变压器 切断噪声变压器的铁芯选用高频时有效磁导率尽量低的材料。干扰与噪声因频率高，在通过铁芯向二次侧绕组交链时被显著地衰减；而变压器中的有用信号因频率较低，仍可被正常地传输。切断噪声变压器还将一次、二次绕组和铁心分别予以屏蔽并接地，切断了更高频率的干扰与噪声通过分布电容向二次侧绕组的传播。采用切断噪声
34、变压器，可使测控设备对电网干扰与噪声的抑制能力显著地提高，敏感阈值可达5000V以上。上面所述，都是以测控电路本身应达到对电网干扰抑制的敏感阈值在1000V以上为目标所采取的措施。如果电网系统对测控电路的干扰与噪声强度显著超过1000V，仍然会发生干扰故障。因此，要求产生干扰与噪声的设备向电网发送的干扰强度必须在规定值以下。5.3.2 电源稳定净化技术电源稳定净化技术 测控系统一般采用直流稳定电源供电，其本身的电压调整性能、纹波指标及稳定性指标的非理想性，对测控系统中的电路的工作性能存在不同程度的影响。因此对直流电源电压的要求是高稳定度、低纹波、低温度系数，通常要求普通直流电源稳定度为1%0.
35、1%,高稳定直流电源电压的稳定度则应优于0.01。1.电源稳定技术电源稳定技术 电源稳定技术分为线性稳压电源技术和开关电源稳压技术，两者工作原理不同，技术上各有优势。线性稳压电源纹波小、体积大、效率低，适用于小功率仪器中；开关稳压电源体积小、效率高，纹波较之线性稳压电源大，存在尖峰，适用于大功率设备中。长期以来，人们一直认为，开关电源不适用于精密测控系统，主要是因为纹波大、有尖峰，但在技术不断改进的今天，开关稳压电源性能指标在保持其自身优势的同时，在纹波、尖峰等指标方面不断提高，已接近线性稳压电源，因此开关稳压电源已越来越多地应用于精密测控系统中。2.电源净化技术电源净化技术 至少有l/3的干
36、扰与噪声是经过电源影响到测控电路的。除了采用前面所述的线路滤波器、切断噪声变压器、稳压调整器等措施抑制电网或电源中的干扰与噪声外，还可采用电源滤波、分级退耦对电源进行净化处理。图为两种典型的电源净化滤波器。RC电源滤波器适合于对电源中低于500kHz的干扰与噪声进行净化处理，LC电源滤波器适合于对电源中1MHz以上的干扰与噪声进行净化处理。(a)(b)图5.3.3 典型电源净化滤波器(a)RC电源滤波器 (b)LC电源滤波器 这里Cl与C3可以是大容量电容,而C2与C4必须是10010000pF的小容量电容。因为大容量电容内部的电感效应对高频信号呈现极大的阻抗，故并联小容量无感电容补偿之。图为
37、运算放大器的电源退耦电路。通常运算放大器的电源端是直接连接到正电源Ep与负电源En的。当多级放大器串联构成极高增益的复合放大器时，后面输出级的信号会通过电源反馈到前面输入级造成自激振荡或形成干扰。图5.3.4 放大器的电源退耦 图中每一级放大器的电源端通过电阻或电感(图中是电阻)连接到电源Ep与En，并且在每一级放大器电源端都对地并接退耦电容C1、C2、C3、C4，则每一级的信号都经C1、C2、C3、C4旁路而不进入电源内部，则可有效地防止自激振荡。注意C1与C3可以是大容量电容，而C2与C4必须是10010000pF的小容量电容。这种电源退耦的方法在数字电路中同样适用，其方法是在数字集成电路的供电电源与地之间接入退耦电容，接入点尽量靠近电源引脚，容量一般取0.10.01F。在稳压电源的输出增设纹波滤波与尖峰吸收电路可进一步净化电源。原理结构见图。图5.3.5 纹波滤波与尖峰吸收电路 图中电解大电容C1用于滤除纹波，双极性小电容C2用于抑制高频干扰，尖峰吸收电路由二极管整流桥和电阻R1、电容C3构成，直流电压中叠加有瞬间尖峰，其持续时间短，幅度较高，当尖峰到来时无论是正向尖峰还是负向尖峰，经过整流后以单极性施加于电容C3上，由于电容电压不能跃变，若电容容量足够大，即可使尖峰无法向后传输，从而有效吸收尖峰。