传感器技术及应用 教学课件 ppt 作者 康瑞清 07.pdf

第第7 7章章 抗干扰技术抗干扰技术 1 第第7 7章章 抗干扰技术抗干扰技术 7.1 干扰的种类、噪声源 7.2 噪声耦合的方式 7.3 干扰的作用方式 7.4 抗干扰技术 2 前言 在传感器测量电路中出现的无用信号称为噪声 当噪声电压使传感器输出信号出现误差或使传感器测 量电路无法正常工作时，该噪声电压就称为干扰电压 噪声的产生与存在不受接收者的影响 噪声与干扰是因果关系，噪声是干扰之因，干扰是噪 声之果只有噪声达到一定数值，它和有用信号一起进 入智能仪器并影响其正常工作时才形成干扰干扰在满 足一定条件时，不可以消除一般情况下只能减弱 7.1 7.1 干扰的种类、噪声源干扰的种类、噪声源 3 前言 7.1.1 干扰的种类 7.1.2 噪声源 7.1 7.1 干扰的种类、噪声源干扰的种类、噪声源 4 前言 1 1．．机械干扰机械干扰 机械干扰是指机械振动或冲击使传感器检测装置中的某 些元件发生振动，改变了装置的电气参数，造成可逆的或者 不可逆的影响 2 2．．化学及湿度干扰化学及湿度干扰 化学物品例如酸、碱、盐以及其他腐蚀性气体侵入检测 装置内部，腐蚀某些电气元件，产生电化学噪声。

环境湿度增大会使绝缘电阻下降，漏电流增加，会使高 值电阻的阻值下降，使电介质的介电常数增大，使吸潮的线 圈骨架膨胀，使电感线圈Q值下降，使金属材料生锈等 7.1.1 7.1.1 干扰的种类干扰的种类 5 前言 3 3．．热干扰热干扰 传感器及其测量电路组成的检测装置在工作时产生的热量 所引起的温度波动和环境温度的变化等都会引起检测装置中电 路元件参数发生变化，或者可能会产生附加的热电动势等，从 而影响检测装置的正常工作 4 4．．电和磁的干扰电和磁的干扰 电和磁可以通过电路和磁路对检测装置产生干扰作用，电 场和磁场的变化也会在检测装置有关的电路中感应出电动势， 从而影响检测装置的正常工作 电和磁的干扰对检测装置而言是最普遍和影响最严重的干扰 7.1.1 7.1.1 干扰的种类干扰的种类 6 前言 1 1．．放电噪声源放电噪声源 由各种放电现象产生的噪声称为放电噪声在放电过 程中，放电噪声会向周围辐射出不同频率的电磁波，而 且还会传播到很远的距离放电噪声对检测装置中的电 路部分干扰最为严重 放电噪声源包括属于持续放电的电晕放电、辉光放电 和弧光放电以及属于过渡现象的火花放电 7.1.2 7.1.2 噪声源噪声源 7 前言 2 2．．电气设备噪声源电气设备噪声源 电气设备噪声源包括工频噪声源（例如大功率输电 线）、射频噪声源（例如高频感应加热设备、高频焊接 设备等）和电子开关噪声源（开关在通断时可能使检测 装置电路中的电压和电流发生急剧的变化，形成冲激脉 冲，例如使用晶闸管的电压调整电路对其他电路而言就 是一个电子开关噪声源）。

7.1.2 7.1.2 噪声源噪声源 8 前言 3 3．．固有噪声源固有噪声源 固有噪声是由于物理性的无规则波动所造成的噪声 固有噪声具有随机性质，只能用概率论的方法进行 估计，以确定其有效值 固有噪声包括热噪声、散粒噪声和接触噪声 7.1.2 7.1.2 噪声源噪声源 9 前言 7.2.1 噪声形成干扰的三要素 7.2.2 噪声的耦合方式 7.2 7.2 噪声耦合的方式噪声耦合的方式 10 前言 噪声对检测装置形成干扰，必须具备三个要素 1．噪声源，产生噪声 2．噪声接收电路，接收噪声噪声接收电路通常指检 测装置中对噪声敏感的电路 3．噪声耦合通道，传递噪声，将噪声源产生的噪声传 递到噪声接收电路中 7.2.1 7.2.1 噪声形成干扰的三要素噪声形成干扰的三要素 11 前言 1 1．．静电耦合静电耦合 静电耦合也称为电容性耦合，它是由于两个电 路之间存在寄生电容，使一个电路电荷的变化影响 到另一个电路 7.2.2 7.2.2 噪声的耦合方式噪声的耦合方式 12 前言 C12是导线1、2间的分布电容，C1和C2分别为导线1和2的 对地电容，R2是导线2的对地电阻,设导线1上的电压UN1为噪 声源电压，导线2为被干扰对象，则感应到导线2的干扰电压 为UNO。

当R2比(C12+ C2 )的阻抗小得多时，可求得干扰电压为 （7-1） 7.2.2 7.2.2 噪声的耦合方式噪声的耦合方式 1122NNO UCRjUω= 13 a) a) 示意图示意图 b) b) 等效电路等效电路 前言 一般情况下，静电耦合可以用图示等效电路表 示图中EN是噪声源电动势，Cm是造成静电耦合的 寄生电容，Zi是被干扰电路的干扰电压，则 7.2.2 7.2.2 噪声的耦合方式噪声的耦合方式 mi Nn mi j 1j C Z UE C Z ω ω =⋅ + 14 前言 因为 所以 因此在设计电路时，应尽量减少寄生电容Cm和 等效输入阻抗Zi，但对于小信号电路，要求输入阻 抗很高，故必须兼顾 7.2.2 7.2.2 噪声的耦合方式噪声的耦合方式 mi Nn mi j 1j C Z UE C Z ω ω =⋅ + 1 imZ Cjω Nmin jUC Z Eω≈ 15 前言 1）被接收的噪声干扰电压与噪声源的角频率ω成正比 频率越高，静电耦合干扰越严重但是，对于微弱信号的接 收电路，即使在音频范围（20Hz～20kHz），静电耦合干扰 也不能忽视 2）干扰电压与接收电路的输入电阻R2成正比。

降低接收 电路的输入电阻R2，可减少静电耦合干扰对于微弱信号的 放大器，其输入电阻应尽可能低，一般希望在数百欧以下 3）干扰电压正比于噪声源与接收电路之间的分布电容 C12减小分布电容C12，可降低静电耦合干扰通常采用合 理布线和适当的防护措施来减小分布电容 7.2.2 7.2.2 噪声的耦合方式噪声的耦合方式 16 前言 2 2．．电磁耦合电磁耦合 电磁耦合又称互感耦合，它是由于两个电路之间存在 互感，所以一个电路的电流变化，通过磁交链会影响到另 一个电路 7.2.2 7.2.2 噪声的耦合方式噪声的耦合方式 比如，在传感器内部，线圈或变压器的漏磁对 邻近电路会产生严重干扰；在电子装置外部，当 两根导线在较长一段区间平行架设时，也会产生 电磁耦合干扰 17 前言 电磁耦合干扰等效电路中，令噪声源的角频率 为ω，由交流电路理论和等效电路可以得到 （7-2） 干扰电压UNO与ω、 In、 M12成正比，与传感器 的输入阻抗无关 7.2.2 7.2.2 噪声的耦合方式噪声的耦合方式 NO12 n jUM Iω= 18 前言 3 3．．共阻抗耦合共阻抗耦合 共阻抗耦合是由于两个电路共有一部分阻抗， 当一个电路中有电流流过时，通过共有阻抗便在另 一个电路中产生干扰电压。

在电路中共阻抗主要包括电源内阻抗的共阻抗 耦合、公共地线的共阻抗耦合以及信号输出电路的 相互干扰 7.2.2 7.2.2 噪声的耦合方式噪声的耦合方式 19 前言 （1）通过电源内阻抗的共阻抗耦合干扰 如果几个电路由同一个电源供电，会通过电源内阻互相 干扰，在放大器中，各级放大器通过接地线电阻互相干扰 7.2.2 7.2.2 噪声的耦合方式噪声的耦合方式 20 前言 （2）通过接地线的共阻抗耦合干扰 r3段的电阻就是共地阻抗部分，流过这段的地电流Ir1 、 Ir2和Ir3三部分在这段会相互影响；如果这三个电流差别较大， 相互之间的影响就不可以忽视了，尤其是某个弱地电流支路 是用于定量测量、放大或A-D转换电路的时候 7.2.2 7.2.2 噪声的耦合方式噪声的耦合方式 21 前言 （3）信号输出电路的相互干扰 当检测装置的信号输出电路具有几种负载时， 则任何一个负载的变化都会通过输出阻抗的共阻抗 耦合而影响其他输出电路 7.2.2 7.2.2 噪声的耦合方式噪声的耦合方式 22 前言 图中，3路负载相等，都为ZL ，假设电路参数匹 配，即满足ZL=ZO+ZS 。

如果输出电路A产生的波动 电压为∆UA ，则它在负载B上将引起∆UB的电压变化， 这个电压变化就是干扰 7.2.2 7.2.2 噪声的耦合方式噪声的耦合方式 23 前言 4 4．．漏电流耦合漏电流耦合 漏电流耦合是由于绝缘不良，高电平通过绝缘电阻向 低电平电路漏电所引起的噪声干扰 从漏电流感应的等效电路图可以得出干扰电压的表达 式 （7-3） 7.2.2 7.2.2 噪声的耦合方式噪声的耦合方式 i NN mi Z UE RZ = + 24 前言 7.3.1 串模干扰 7.3.2 共模干扰 7.3 7.3 干扰的作用方式干扰的作用方式 7.3.3 共模干扰抑制比 25 前言 7.3.1 7.3.1 串模干扰串模干扰 串模干扰指的是干扰信号与有用信号按照电动势源 形式串联起来作用于输入端 由于串模干扰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 当干扰源的等效内阻阻抗较小时，适合使用串联电 压源形式；当干扰源等效内阻阻抗较高时，适合使用并 联电流源形式 26 前言 7.3.1 7.3.1 串模干扰串模干扰 串模干扰可以用图示的两种方式表示。

其中EI表示等 效干扰电压， II表示等效干扰电流，ZI表示干扰源等效阻 抗 27 a) 串联电压源形式串联电压源形式 b) 并联电流源形式并联电流源形式 前言 7.3.1 7.3.1 串模干扰串模干扰 抑制串模干扰的措施包括选择适当类型的滤波 器，衰减干扰信号的幅度，同时放大有用信号的幅 度，同时再设置阈值电路，将串模干扰信号排除在 检测装置之外；也可以通过对检测装置进行电磁屏 蔽的方式，将串模干扰加以屏蔽 28 前言 7.3.2 7.3.2 共模干扰共模干扰 共模干扰是相对于公共的电位基准点（一般指接地 点），一般在检测装置两个输入端同时出现的干扰 在实际测量过程中由于共模干扰的电压数值一般都 比较大，而且共模干扰的耦合机理和耦合电路不容易 搞清楚，这样排除起来也比较困难，所以共模干扰对 检测装置的影响更为严重 29 前言 7.3.2 7.3.2 共模干扰共模干扰 共模干扰等效电路中，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 电流通路和信号电流通路的不对称性转化为串模干 扰，从而影响检测装置的检测结果 30 前言 7.3.2 7.3.2 共模干扰共模干扰 产生共模干扰的例子 31 前言 7.3.3 7.3.3 共模干扰抑制比共模干扰抑制比 共模干扰抑制比（CMRR）指的是作用于检测装置 的共模干扰信号与使该检测装置产生同样输出所需的 差模信号之比。

一般使用共模干扰抑制比来衡量检测装置对共模 干扰的抑制能力 32 前言 7.3.3 7.3.3 共模干扰抑制比共模干扰抑制比 共模干扰抑制比数学表达式为 （7-4） 式中 Ucm—实际共模干扰信号； Ucd—使仪表产生同样输出所需的差模信号 cm cd CMRR20lg U U = d c CMRR20lg K K = 适合于计算放大 器的共模抑制比 另一种表达形式为 （7-5） 式中 Kd—串模增益； Kc—共模增益 可见，检测装置的共模抑制比的值越大，说明该检测装 置对共模干扰的抑制能力越强 33 前言 7.3.3 7.3.3 共模干扰抑制比共模干扰抑制比 差动输入运算放大器受共模干扰的等效电路图 中，放大器输入端的串模干扰电压为 （7-6） 12 cdcm 1122 ZZ EE RZRZ  =−  ++  34 前言 7.3.3 7.3.3 共模干扰抑制比共模干扰抑制比 根据共模抑制比的定义可知该放大器的CMRR为 （7-7） cm1122 cd1221 12 1122 ()() 1 CMRR20lg20lg20lg () ERZRZ EZ RZ RZZ RZR。