电路抗干扰原理及应用（1）

干扰源介绍

干扰源：测量过程中，除待测量信号外，各种不可见的、随机的信号可能出现在测量系统中，这些信号与有用信号叠加在一起，严重扭曲测量结果。

机械干扰：由于机械振动或冲击，使检测装置中的元件发生振动、变形，使连接线发生位移，使指针发生抖动。声波的干扰类似于机械振动，从效果上看，也可以列入这一类。抗机械干扰主要采用减震措施，如减震弹簧、减震橡皮垫等。
热干扰：工作时，检测系统产生的热量所引起温度波动和环境温度的变化等引起检测电路元器件参数发生变化，或产生附加的热电动势等。
光干扰：检测系统广泛采用半导体元器件，半导体材料在光线的作用下会激发出电子空穴对，使半导体元器件产生电势或引起阻值的变化。抗光干扰主要采用光屏蔽，如将对光敏感的半导体元器件用不透光的屏蔽罩包围起来。
温湿度变化干扰：湿度增加会使元件的绝缘电阻下降，漏电流增加，高值电阻阻值下降，电介质的介电常数增加，吸潮的线圈骨架膨胀等等。抗湿度干扰主要采用密封防潮措施，如将电气元件印刷电路板浸漆、环氧树脂封灌和硅橡胶封灌等。
化学干扰：如酸碱盐及腐蚀性气体会通过化学腐蚀作用损坏检测位置。抗化学干扰主要采用良好的密封和注意清洁。
电磁干扰：电和磁可以通过电路和磁路对检测系统产生干扰作用。电场和磁场的变化也会在有关电路中感应出干扰电压。电磁干扰对于检测系统来说是最为普遍和影响最严重的干扰。
射线辐射干扰：射线会使气体电离，半导体激发电子空穴对和金属逸出电子等。因此，用于原子能、核装置等领域的检测系统尤其要注意射线辐射干扰。

干扰途径介绍

噪声：各种干扰在检测系统的输出端往往反映为一些与检测量无关的信号，这些无用的信号称为噪声。噪声通过一定的途径侵入检测装置才会对测量结果造成影响。干扰的途径有“路”和“场”两种形式。凡噪声通过电路的形式作用于被干扰对象的，都属于“路” 干扰。如通过漏电流引入的干扰。凡噪声通过电场、磁场的形式作用于被干扰对象的，都属于“场”干扰。如通过分布电容、分布电感引入的干扰。
干扰途径：

“路”干扰
- 漏电流耦合形成的干扰：由于绝缘不良，电流经绝缘电阻的漏电流所引起的干扰，经常发生在下列情况中：
  - 当用传感器测量较高的直流电压时；
  - 在传感器附近有较高的直流电压源时；
  - 在高输入阻抗的直流放大电路中。
- 传导耦合形成的干扰：噪声经导线耦合到电路中去是最明显的干扰现象。当导线经过有噪声的环境时，即拾取噪声，并经导线传送到电路而造成干扰。如经电源线引入的噪声。
- 共阻抗耦合形成的干扰：共阻抗耦合是由于两个电路共有的阻抗，当一个电路有电流流过时，通过共有的阻抗便在另一个电路上产生干扰电压。如几个电路由同一个电源供电时，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。
“场”干扰
- 静电耦合形成的干扰：电场耦合实质上是电容性耦合，它是由于两个电路之间存在寄生电容，可使一个电路的电荷变化影响到另一个电路。如图，为两根导线1、2之间通过电容性耦合形成的干扰。图中： C 12 C_{12} C12-导线1、2间的分布电容， C 2 C_2 C2、 R 2 R_2 R2-导线1对地电容、电阻, U N 1 U_{N1} UN1-导线1噪声电压， U N O U_{NO} UNO -导线2感应出来的噪声干扰电压。当 R 2 R_2 R2比( C 12 + C 2 C_{12}+C_2 C12+C2)的阻抗小得多时，可求得 U N O U_{NO} UNO
  
  根据 U N O = j ω R 2 C 12 U N 1 U_{NO} = j\omega R_2C_{12}U_{N1} UNO=jωR2C12UN1可知：
  - 被接收的噪声干扰电压 U N O U_{NO} UNO与噪声源的角频率ω成正比。这表明：频率越高，静电耦合干扰越严重。但是，对于微弱信号（极低电平）的接受电路，即使在音频范围（20 Hz~20KHz），静电耦合干扰也不能忽视。
  - 干扰电压 U N O U_{NO} UNO与接受电路的输入电阻 R 2 R_2 R2成正比。这表明：降低接受电路的输入电阻 R 2 R_2 R2，可减少静电耦合干扰。对于微弱信号（极低电平）的放大器，其输入电阻应尽可能低，一般希望在数百欧姆以下。
  - 干扰电压 U N O U_{NO} UNO正比于噪声源与接受电路之间的分布电容 C 12 C_{12} C12。这表明：减小分布电容 C 12 C_{12} C12，可降低静电耦合干扰。通常采用合理布线和适当防护措施减小分布电容。
- 电磁耦合形成的干扰：电磁耦合又称互感耦合，它是由于两个电路之间存在互感，一个电路的电流变化，通过磁交链会影响到另一个电路。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。
- 辐射电磁场耦合形成的干扰：辐射电磁场通常来源于大功率高频电气设备、广播发射台、电视发射台等。比如，在辐射电磁场中放置一个导体，则在导体上产生正比于电场强度E的感应电动势。配电线，特别是架空配电线都将在辐射电磁场中感应出干扰电动势，并通过供电线路侵入传感器，造成干扰。在大功率广播发射机附近的强电磁场中，传感器的外壳或传感器内部尺寸较小的导体也能感应出较大的干扰电势。如，当中波广播发射的垂直极化波的强度为 100mV/m，长度为10cm的垂直导体可以产生 5mV 的感应电动势。

形成干扰的三要素：

干扰源
干扰途径
对噪声敏感性较高的接收电路—检测装置的前级电路

形成干扰的三要素之间的联系：干扰源 —> 干扰途径 —> 接收器

抑制干扰的基本措施：

消除或抑制干扰源：消除干扰源是积极主动的措施。继电器、接触器和断路器等的电触点，在通断电时的电火花是较强的干扰源，可以采取触点消弧电容等。对于接触不良、电路接头松动、虚焊也是造成干扰的原因，应于消除。某些自然现象的干扰，邻近工厂用电设备的干扰等，就必须采取保护措施来抑制干扰源
破坏干扰途径
- 对于“路”形式干扰：
  - 采用提高绝缘性能的办法来抑制漏电流干扰；
  - 采用隔离变压器、光电耦合器等切断环路干扰途径；
  - 采用滤波器、扼流圈等技术，将干扰信号除去；
  - 对于数字信号采用整形、限幅等信号处理方法切断干扰；
  - 改变接地形式以消除共阻抗耦合干扰等。
- 对于“场”形式干扰，一般采用各种屏蔽措施。
削弱接收电路对于干扰信号的敏感性：电路设计、系统结构等都与干扰有关。比如：高输入阻抗比低输入阻抗易受干扰；布局松散的电子装置比结构紧凑的电子装置更易受干扰；模拟电路比数字电路的抗干扰的能力差。因此，系统布局要合理，设计电路要用对干扰信号不敏感的电路。总的来说，消除干扰的措施可以用疾病预防来比喻：消灭病菌来源，阻止病菌传播和提高人体抵抗能力

抗干扰的技术：

屏蔽技术
- 静电屏蔽原理：在静电场中，密闭的空心导体内部无电力线，即内部各点的电位相等。实际以铜或铝等导电良好地金属为材料，制作封闭地金属容器，并将金属容器与地线连接。
- 电磁屏蔽原理：利用电涡流原理，使高频干扰磁场在屏蔽金属内产生电涡流，消耗干扰磁场的能量，并利用涡流磁场抵消高频干扰磁场。实际将电磁屏蔽层接地，同时兼有静电屏蔽作用。如通常使用的铜质网状屏蔽电缆线。
- 低频磁屏蔽原理：在低频磁场中，电涡流作用不太明显，因此，采用高导磁材料做屏蔽层，使低频干扰磁力线限制在磁阻很小的屏蔽层内。在干扰严重的地方常采用复合屏蔽电缆。最外层是低磁导率、高饱和的铁磁材料，最里层是铜质电磁屏蔽层，以进一步消耗干扰磁场能量。工业中将屏蔽线穿在铁质蛇皮管或普通铁管内，达到双重屏蔽目的。
滤波技术
- 滤波技术的基本用途是选择信号和抑制干扰，为实现这两大功能而设计的网络都称为滤波器。通常按功用可把滤波器分为信号选择滤波器和电磁干扰(EMI)滤波器两大类。（滤波器抑制检测系统干扰的原理框图如下图所示）
  - 信号选择滤波器是以有效去除不需要的信号分量，同时是对被选择信号的幅度相位影响最小的滤波器。
  - 电磁干扰滤波器是以能够有效抑制电磁干扰为目标的滤波器。电磁干扰滤波器常常又分为信号线EMI滤波器、电源EMI滤波器、印刷电路板EMI滤波器、反射EMI滤波器、隔离EMI滤波器等几类。

注：
1.线路板上的导线是最有效的接收和辐射天线，由于导线的存在，往往会使线路板上产生过强的电磁辐射。同时，这些导线又能接受外部的电磁干扰，使电路对干扰很敏感。
2.在导线上使用信号滤波器是一个解决高频电磁干扰辐射和接收很有效的方法。
3.脉冲信号的高频成分很丰富，这些高频成分可以借助导线辐射，使线路板的辐射超标。信号滤波器的使用可使脉冲信号的高频成分大大减少，由于高频信号的辐射效率较高，这个高频成分的减少，线路板的辐射将大大改善。
4.电源线是电磁干扰传入设备和传出设备主要途径。通过电源线，电网上的干扰可以传入设备，干扰设备的正常工作。同样，设备的干扰也可以通过电源线传到电网上，对网上其它设备造成干扰。
5.为了防止这两种情况的发生，必须在设备的电源入口处安装一个低通滤波器，这个滤波器只容许设备的工作频率(50Hz,60Hz,400Hz)通过，而对较高频率的干扰有很大的损耗，由于这个滤波器专门用于设备电源线上，所以称为电源线滤波器。
6.电源线上的干扰电路以两种形式出现。一种是在火线零线回路中，其干扰被称为差模干扰。另一种是在和火线、零线与地线和大地的回路中，称为共模干扰。通常200Hz以下时，差模干扰成分占主要部分。1MHz以上时，共模干扰成分占主要成分。电源滤波器对差模干扰和共模干扰都有抑制作用，但由于电路结构不同，对差模干扰和共模干扰的抑制效果不一样。所以滤波器的技术指标中有差模插入损耗和共模插入损耗之分。
7.使用滤波器一般要求将干扰衰减100%以上。选用滤波器应考虑以下几点：
a.测量电路的输出阻抗和前级放大器的输入阻抗；
b.滤波器的时间常数对检测系统性能的影响；
c.滤波器的频率特性对检测系统性能的影响；
d.滤波器的体积、安装及制造工艺。

接地技术：
- 接地技术最早是应用在强电系统中，为了设备和人身的安全，将接地线直接接在大地上。由于大地的电容非常大，一般情况下可以将大地的电位视为零电位。后来，接地技术延伸应用到弱电系统中。对于电力电子设备将接地线直接接在大地上或者接在一个作为参考电位的导体上，当电流通过该参考电位时，不应产生电压降。然而由于不合理的接地，反而会引入了电磁干扰，比如共地线干扰、地环路干扰等，从而导致电力电子设备工作不正常。因此，接地技术是电力电子设备电磁兼容技术的重要内容之一，有必要对接地技术进行详细探讨。
- 接地的种类和目的：
  - 安全接地：安全接地即将机壳接大地。一是防止机壳上积累电荷，产生静电放电而危及设备和人身安全；二是当设备的绝缘损坏而使机壳带电时，促使电源的保护动作而切断电源，以便保护工作人员的安全。
  - 防雷接地：当电力电子设备遇雷击时，不论是直接雷击还是感应雷击，电力电子设备都将受到极大伤害。为防止雷击而设置避雷针，以防雷击时危及设备和人身安全。
  - 工作接地：工作接地是为电路正常工作而提供的一个基准电位。该基准电位可以设为电路系统中的某一点、某一段或某一块等。当该基准电位不与大地连接时，视为相对的零电位。这种相对的零电位会随着外界电磁场的变化而变化，从而导致电路系统工作的不稳定。当该基准电位与大地连接时，基准电位视为大地的零电位，而不会随着外界电磁场的变化而变化。但是不正确的工作接地反而会增加干扰。比如共地线干扰、地环路干扰等。为防止各种电路在工作中产生互相干扰，使之能相互兼容地工作。根据电路的性质，将工作接地分为不同的种类，比如直流地、交流地、数字地、模拟地、信号地、功率地、电源地等。上述不同的接地应当分别设置。（关于几种地的解释文章后续会说明）
- 几种地的介绍：
  - 信号地：信号地是各种物理量的传感器和信号源零电位的公共基准地线。由于信号一般都较弱，易受干扰，因此对信号地的要求较高。
  - 模拟地：模拟地是模拟电路零电位的公共基准地线。由于模拟电路既承担小信号的放大，又承担大信号的功率放大；既有低频的放大，又有高频放大；因此模拟电路既易接受干扰，又可能产生干扰。所以对模拟地的接地点选择和接地线的敷设更要充分考虑。
  - 数字地：数字地是数字电路零电位的公共基准地线。由于数字电路工作在脉冲状态，特别是脉冲的前后沿较陡或频率较高时，易对模拟电路产生干扰。所以对数字地的接地点选择和接地线的敷设也要充分考虑。
  - 电源地：电源地是电源零电位的公共基准地线。由于电源往往同时供电给系统中的各个单元，而各个单元要求的供电性质和参数可能有很大差别，因此既要保证电源稳定可靠的工作，又要保证其它单元稳定可靠的工作。
  - 功率地：功率地是负载电路或功率驱动在这里插入图片描述
    电路的零电位的公共基准地线。由于负载电路或功率驱动电路的电流较强、电压较高，所以功率地线上的干扰较大。因此功率地必须与其它弱电地分别设置，以保证整个系统稳定可靠的工作。

下篇文章继续介绍接地方式（包括单/多点接地、混合接地、浮置技术，接地电阻的计算，其他抗干扰技术）