电子电路的抗干扰技术

3.5屏蔽、接地、浮置与其他干扰抑制技术3.6电源变压器与工频干扰3.7通过布线减小干扰3.8软件抗干扰技术思考与练习题第三讲电子电路的抗干扰技术(二)3.5.21.在电子测量系统中，地的含义包括两种。一是代表一个系统或一个电路的等电位参考点，接地的目的是为系统或电路的各部分提供一个稳定的基准电位，并以低的阻抗为信号电流回流到信号源提供通路。这种地又称为信号地。显然，没有信号地，系统或电路是无法工作的。二是指地球的大地。系统或电路的某些部分需要与该地连接，接地的目的是为电气设备提供一个保护接地，或者是满足静电屏蔽的需要。2.1）保护地线为了安全起见，作为三相四线制电源电网的零线、电气设备的机壳、底盘以及避雷针等都需要接大地。对于单相电，为了保证用电的安全性，也应采用具有保护接地线的单相三线制配电方式。图3-12是220V三线制交流配电原理图。“火线”上装有熔断丝，保护地线应与设备外壳相连。当电流超过容限时，熔断丝切断电源，但不管漏电流大小或熔断丝是否熔断，用电设备外壳始终保持地电位，从而保障了人身安全。图3-12单相三线制配电原理图2）信号地线电子测量系统中的地线除特别说明是接大地的以外，一般都是指作为电信号的基准电位的信号地线。信号地线又可分为两种：模拟地和数字地。模拟地是模拟信号的零电位公共线。因为模拟信号一般较弱，所以对模拟地要求较高。数字地是数字信号的零电位公共线。由于数字信号一般较强，故对数字地要求可低些。但由于数字信号处于脉冲工作状态，动态脉冲电流在杂散的接地阻抗上产生的干扰电压，即使尚未达到足以影响数字电路正常工作的程度，但对于微弱的模拟信号来说，往往已成为严重的干扰源。为了避免模拟地与数字地之间的相互干扰，二者应分别设置。3）信号源地线是传感器本身的零电位基准公共线。传感器可看做是测量装置的信号源。通常传感器安装在生产现场，而显示、记录等测量装置则安装在离现场有一定距离的控制室内，在接地要求上二者不同。4）负载的电流一般较前级信号大得多，负载地线上的电流在地线中产生的干扰作用也大，因此负载地线和放大器的信号地线也有不同的要求。有时二者在电气上是相互绝缘的，它们之间通过磁耦合或光耦合传输信号。在电子测量系统中，上述四种地线应分别设置。在电位需要连通时，可选择合适位置做一点相连，以消除各地线之间的干扰。3.1）单级放大电路的一点接地如图3-13（a）所示，单级选频放大器的原理电路上有7个线端需要接地。如果只从原理图的要求进行接线，则这7个线端可以接在接地母线任意不同位置。这样，不同接地点间的电位差就有可能成为这级电路的干扰信号。因此，应采用图3-13（b）所示的一点接地方式。图3-13(a)多点接地方式；(b)2）多级电路的一点接地图3-14（a）所示的多级电路利用一段公用地线后，再在一点接地，它虽然避免了多点接地可能产生的干扰，但是在这段公用地线上却存在着A、B、C三点不同的对地电位差，其中UA＝(I1+I2+I3)R1，UB＝UA+(I2+I3)R2，UC＝UB+I3R3。图3-14(a)一点接地的串联方式；(b)一点接地的并联方式当各级电平相差不大时，这种接地方式还勉强可以使用。如果各电路的电平相差很大时，就不能使用。因为高电平电路将会产生较大的地电流并干扰到低电平电路。这种利用一段公用地线多级接地方式的优点是布线简便，因此常应用在级数不多，各级电平相差不大以及抗干扰能力较强的数字电路。在使用这种接地方式时还应注意把低电平的电路放在距接地点最近的地方，因为该点最接近于地电位。3)放大器与信号源的接地图3-15（a）为放大器与信号源的两点接地方式。其中Us为信号源电压，Rs为信号源内阻，Rc为引线电阻。对于微弱信号的放大电路，信号源地与放大器地之间存在着地电阻RG，当某种干扰电流流过此电阻时，就会形成共模干扰UG。其等效电路如图3-15（b）所示。图3-15(a)放大器与信号源两点接地；(b)两点接地等效电路；(c)一点接地等效电路3.5.3浮置又称浮空、浮接，它指的是电子测量系统的输入信号放大器公共线(即模拟信号地)不接机壳或大地。对于被浮置的测量系统，测量电路与机壳或大地之间无直流联系。图3-16浮置的温度测量系统图3-16所示的温度测量系统中，其前置放大器通过三个变压器与外界联系。B1是输出变压器，B2是反馈变压器，B3是电源变压器。前置放大器的两个输入端子均不接外壳和屏蔽层，也不接大地。两层屏蔽之间互相绝缘，外层屏蔽接大地，内层屏蔽延伸到信号源处接地。从图中可明显看出，采用浮置后地电位差所造成的干扰电流大大减小，而且该电流为容性漏电流。3.5.4平衡电路又称为对称电路。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，电桥和差分放大器就属于平衡电路。采用平衡电路可以使对称电路结构所拾捡的噪声相等，并可以在负载上自行抵消。图3-17最简单的平衡电路图3-17所示电路是最简单的平衡电路。UN1、UN2为噪声电压源，Us1、Us2为信号源，两个噪声源所产生的噪声电流为IN1、IN2，两个信号源产生的信号电流为Is。由电路原理图可求出在负载上产生的总电压为L2L1sL2N2L1N1LRRIRIRIU（3-15）在一个不平衡系统中，电路的信号传输部分可采用两个变压器而使其变得平衡，其原理如图3-18所示。因为长导线最易拾捡噪声，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，变压器还能断开地环路，因此能消除负载与信号源之间由于地电位差所造成的噪声干扰。图3-18(a)不平衡系统；(b)平衡传输系统3.5.51.RC当信号源为热电偶、应变片等信号变化缓慢的传感器时，利用小体积、低成本的无源RC低通滤波器将对串模干扰有较好的抑制效果。对称的RC低通滤波器电路如图3-19所示。图3-19(a)单级RC滤波器与放大器的连接；(b)二级RC滤波器2.直流供电的仪表，其直流电源往往被几个电路共用。因此，为了减弱经共用电源内阻在各电路之间形成的噪声耦合，对直流电源输出端还需加装滤波器。图3-20(a)、(b)是滤除高、低频成分干扰的两种滤波器。图3-20高、低频干扰电压滤波器3.当一个直流电源对几个电路同时供电时，为了避免通过电源内阻造成几个电路之间互相干扰，应在每个电路的直流进线与地线之间加装退耦滤波器。图3-21是RC和LC退耦滤波器的应用方法示意图。应注意，LC滤波器有一个谐振频率，其值为LCf21γ(3-16)应将这个谐振频率取在电路的通频带之外。在谐振频率时，滤波器的增益与阻尼系数ξ成反比。LC滤波器的阻尼系数LCR2(3-17)式中,R是电感线圈的等效电阻。为了将谐振时的增益限制在2dB以下，应取ξ0.5。图3-21(a)RC退耦滤波器；(b)LC4.任何使用交流电源的电子测量仪表，经电源线传导耦合到测量电路中的干扰，都会对仪表工作造成影响。为此，在交流电源进线端子间加装滤波器是十分必要的。3.5.6光耦合器是由发光二极管和光敏三极管封装在一个管壳内组成的。发光二极管两端为信号输入端，光敏三极管的集电极和发射极作为光耦合器的输出端，它们之间的信号传输是靠发光二极管在信号电压的控制下发光，传送给光敏三极管来完成的。输入信号和输出信号二者之间在电气上是绝缘的。图3-22用于断开地环路的光耦合器见图3-22。由于两个电路之间采用光束来耦合，因此能把两个电路的地电位隔离开，两个电路的地电位即使不同也不会造成干扰。光耦合对数字电路很适用，但在模拟电路中需应用光反馈技术，以解决光耦合器特性的非线性问题。3.5.71.对于脉冲电路来说，理想的信号波形应具有以下特征：①幅度一定；②重复周期或脉冲宽度一定；③波形无畸变，不寄生其他非工作信号波形；④没有相位偏移；⑤零电平基准线保持不变。实际电路中，由于各种各样的电路条件及传输过程中各种干扰因素的影响，上述理想条件并不是都能满足。例如，当脉冲信号通过电容时就失去了直流分量，零电平可能要偏离基准线；电路的时间常数不合适将使脉冲波形发生畸变；信号如通过电感将产生相移，且随频率变化；在包含频率极宽的脉冲波形中，其每个频率的相移大小各不相同，故会发生波形畸变。总之，信号的畸变是引起脉冲电路工作异常的重要因素之一，也是区别于模拟电路的重要特征。图3-23(a)原波形；(b)严重振铃；(c)混入了模拟干扰；(d)(e)垂度过大；(f)共模干扰；(g)尖峰干扰2.1）脉冲干扰隔离门利用硅二极管的正向压降对幅度较小的干扰脉冲加以阻挡，而让幅度较大的脉冲信号顺利通过。图3-24给出了脉冲隔离门的原理电路。图中二极管应选用开关管。图3-24脉冲隔离门2）当噪声电压低于脉冲的波峰值时，也可使用图3-25所示的削波器。该削波器只让高于电压E的脉冲信号通过，而低于电压E的干扰脉冲则被削掉。图3-25削波器(a)原理图；(b)波形图3）在脉冲电路中为了抑制窄脉冲型的噪声干扰，使用积分电路是最有效的。当脉冲电路以脉冲前沿的相位作为信息传输时，通常用微分电路取出前沿相位。但是，如果有噪声脉冲存在，其宽度即使很小也会出现在输出端。如果使用积分电路，则脉冲宽度大的信号输出大而脉冲宽度小的噪声脉冲输出小，所以能将噪声脉冲干扰滤除掉。图3-26以波形图的形式说明了用积分电路消除干扰脉冲的原理。图3-26(a)混有干扰的脉冲信号；(b)微分电路的输出波形；(c)积分电路的输出波形3.6电源变压器与工频干扰3．6．1电源变压器的屏蔽措施1．电源变压器原、副边绕组之间加入单层静电屏蔽后的漏电流分析图3-27带静电屏蔽的变压器等效电路3．6．2电源滤波器的构造及抗干扰特性任何使用交流电源的电子测量系统，经电源线传导耦合到测量电路中的干扰，都会对系统工作造成影响。为此，在交流电源进线端子间加装滤波器是十分必要的。在电源和负载之间插入交流电源滤波器之后可以将几千赫兹至几十兆赫兹范围内的电磁干扰衰减到几十分之一。交流电源滤波器有不同的构造，因此也有不同的抗干扰特性。图3-31是几种常用的电源滤波器的结构原理图。图（a）是高频旁路电容滤波器，可以滤除电源中的高频串模干扰。图（b）是并接在电源输入两端的两个串联旁路电容，电容间的连接点接地。这种滤波器可以滤除电源的共模干扰。图（c）所示的滤波器电路中，C1、C2对滤除共模干扰起作用，而C3对滤除串模干扰起作用。图（d）是滤除电源串模干扰的滤波器，L1、L2对于高频干扰源来说是高阻抗，C为低阻抗。图（e）是滤出共模干扰的滤波器。图3-31各种电源滤波器的构成图3-32是对串模干扰和共模干扰均有滤除效果的电源滤波器。100μH电感、0.1μF电容组成高频滤波器，能吸收从电源线传导进来的中短波段的高频噪声干扰。图中两只对称的5mH电感是由绕在同一只铁芯两侧、匝数相等的电感绕组构成的，称为共模电感（或抗共模干扰扼流圈）。由于电源的进线侧至负载的往返电流在铁芯中产生的磁通方向相反、互相抵消，因而不起电感的作用，对50Hz的大负载电流阻抗很小，但对于电源相线和中性线同时存在的大小相等、相位相同的共模噪声干扰来说，是一个较大的电感，它呈高阻抗，所以对共模噪声干扰有良好的抑制作用。图中的10μF电容能吸收因电源波形畸变而产生的谐波干扰；图中的压敏电阻R能吸收因雷击等引起的浪涌电压干扰。图3-32交流电源滤波器电路3.6.31.在稳压电源的直流输出端接一个电源滤波器，能有效地抑制电源干扰，但是当输出直流电流很大时，如数十安培乃至数百安培时，滤波器中的抗共模干扰扼流圈势必要做得很大，特别是线圈的线要粗，铁芯截面积要大，给制作和安装带来很大的麻烦。在这种场合下，铁氧体磁珠可以作为滤波器使用。铁氧体磁珠是一个对高频有很大的损耗，而对低频及直流几乎没有损耗的元件，它对1MHz以上的干扰有显著的衰减作用。磁珠可根据需要做成大型的或小型的。小型的孔径为1mm左右，可以直接穿在铜线、电阻、晶体管等引线上面，起滤波作用。铁氧体磁珠可分为电阻性的和电感性的两种，一般用电感性的磁珠作为滤波器。这种磁珠的等效电路为一个电阻和一个电