第10章

信號處理及抗干擾技術(shù)

一般測量系統(tǒng)通常由傳感器、測量電路（信號轉(zhuǎn)換與信號處理電路）以及顯示記錄部分組成。對于被測非電量變換為電路參數(shù)（R、L、C、M）的無源型傳感器（如電阻式、電感式、電容式、電渦流式等），因為傳感器的輸出是電路參數(shù)的變化，因此，需要對他們先進行激勵，通過不同的轉(zhuǎn)換電路把電路參數(shù)轉(zhuǎn)換成電流或電壓信號，然后再經(jīng)過放大輸出；而對于直接把非電量變換為電學(xué)量（電流或電動熱）的有源型傳感器（如電壓式、磁電式、熱電式等），雖然他們輸出的是電量，但仍然需要進行放大或特殊處理。因此，一個非電量檢測裝置（或系統(tǒng)）中，必須具有對電信號進行轉(zhuǎn)換和處理的電路。轉(zhuǎn)換和處理電路的任務(wù)比較復(fù)雜。除了微弱信號放大、濾波外，還有諸如零點校正、線性化處理、溫度補償，誤差修正、量程切換等信號處理功能。信號處理電路的重點為微弱信號放大及線性化處理。檢測裝置的抗干擾問題，實際上也是電子測量裝置的抗于擾問題。為了有效地防止干擾，必須首先要弄清干擾的類型、來源及其傳送的方式，才能根據(jù)不同的情況，提出相應(yīng)的抗干擾措施，從而達到消除或減弱干擾的目的。

10.1信號處理技術(shù)10.1.1微弱信號放大10.1.1.1測量放大器通常對一個單純的微弱信號，可以采用運算放大器進行放大，如圖10.1.1所示。其中U，為傳感器輸出的電壓，運算放大器為反相輸入接法,U。為放大后的輸出電壓，此時(10-1-1)運算放大器也可以接成同相輸入形式，由于傳感器的工作環(huán)境往往比較惡劣，在傳感器的兩個輸出端上經(jīng)常產(chǎn)生干擾較大的信號，有時是完全相同的干擾信號稱為共模干擾。雖然運算放大器對直接輸入或同相輸入的共模信號有較強的抑制能力，但是對簡單的反相輸入或同相輸入接法，由于電路結(jié)構(gòu)不對稱，抵御共模干擾的能力很差。我們可以采用運算放大器的差動接法，從比較大的共模信號中檢出差值信號并加以放大。

對于傳感器輸出的微弱信號，通常是用一組運算放大器構(gòu)成的測量放大器來進行放大的，經(jīng)典的測量放大器由三個運算放大器構(gòu)成，如圖10.1.2所示。其中N1、N2構(gòu)成同相并聯(lián)差動放大器，差動輸入信號和共模輸入信號從N1、N2的同相輸入，所以它的差動輸入電阻和共模輸入電阻都很大。對N1、N2來說，電路的平衡對稱機構(gòu)也有助于失調(diào)及其漂移影響的互相抵消。運算放大器N3接成差動式輸入，它不但能割斷共模信號的傳遞，還將N1、N2的雙端輸出變成單端輸出，以適應(yīng)接地負載的需要。不難證明這個電路的電壓放大倍數(shù)為(10-1-2)調(diào)整R1即可改變放大倍數(shù)。測量放大器所采用的上述電路形式，是它具有輸入阻抗高、增益調(diào)節(jié)方便、漂移相互補償以及輸出不包含共模信號等一系列優(yōu)點。這種放大器在許多高精度、低電平的放大方面是極其有用的，而且由于它的共模抑制能力強，所以能從高的共模信號背景中檢測出微弱的有用信號。10.1.1.2實用測量放大器目前各模擬器件公司竟相推出了許多型號的單片測量放大斷氣芯片，供用戶選擇使用。因此信號處理中需對微弱信號放大時，可以不必再用分立的通用運算放大器來構(gòu)成測量放大器。采用單片測量放大器芯片顯然具有性能優(yōu)異、體積小、電路結(jié)構(gòu)簡單、成本低等優(yōu)點。如AD公司推出的單片精密測量放大器AD521和AD522就是最常用的兩種單片測量放大器。1)

1)AD521AD521的管腳功能與基本接法如圖10.1.3所示。管腳OFFSET（1、6）用來調(diào)節(jié)放大器零點，調(diào)整方法是將該端子接到10KΩ電位器的兩個固定端，滑動端接電源負端。測量放大器計算公式為(10-1-3)放大倍數(shù)在0.1到1000范圍內(nèi)調(diào)整，選用RS=100KΩ時，可以得到較穩(wěn)定的放大倍數(shù)。在使用AD521（或任何其他測量放大器）時，都要特別注意為偏置電流提供回路。為此，輸入端（1或3）必須與電源的地線構(gòu)成回路?？梢灾苯酉噙B，也可以通過電阻相連。

2)AD522AD522也是單芯片集成精密測量放大器，K0=100時，非線性僅為0.005%，雜0.1HZ到100HZ頻帶內(nèi)噪聲的峰值為1.5mV，其中共模抑制比CMRR>120dB（K0=1000時）。

AD522的管腳功能如圖10.1.4所示。管腳4、6是調(diào)零端，2和14端連接調(diào)整放大倍數(shù)的電阻。與AD521不同的是，該芯片引出了電源地9和數(shù)據(jù)屏蔽端13，該端用于連接輸入信號引線的屏蔽網(wǎng)，以減少外電場對信號的干擾。

傳感器輸出的微弱信號經(jīng)放大后，通常面臨長距離的問題，為了避免電壓信號在傳輸過程中的損失和抗干擾方面的需要，可將直流電壓信號變換為直流電流信號進行傳輸。過程控制系列儀表之間信號的傳輸就是采用直流電流。另外在對測量值進行顯示時，常采用動圈表頭，這也需要將直流電壓變換為直流電流來驅(qū)動線圈。為了不受傳輸線路電阻變化和負載電阻大小的影響，輸出電流應(yīng)具有良好的恒流特性。因此使用電壓—電流變換器實現(xiàn)信號的的電流傳送時，應(yīng)使變換器輸出電阻盡量大，這可以減小對信號的影響，同時輸出電阻也應(yīng)盡量大，以保持輸出電流的恒流特性。電壓—電流變換器是很不容易實現(xiàn)的。具體電路讀者可查閱有關(guān)書籍。10.1.2線性化處理技術(shù)在自動檢測系統(tǒng)中，利用多種傳感器把各種被測量轉(zhuǎn)換成電信號時，大多數(shù)傳感器的輸出信號和被測量之間的關(guān)系并非是線性關(guān)系。這是由于不少傳感的轉(zhuǎn)換原理并非線性，其次是由于采用的電路（如電橋電路）的非線性。要解決這個問題，在模擬量自動檢測系統(tǒng)中可采用三種方法：①縮小測量范圍，取近似值。②采用非均勻的指示刻度。③增加非線性校正環(huán)節(jié)。顯然，前兩種方法的局限性和缺點比較明顯。下面我們著重介紹增加非線性校正環(huán)節(jié)的方法。通常我們在設(shè)計測量儀表時總希望得到均勻的指示刻度，這樣儀表讀數(shù)看起來清楚、方便。此外，如果儀表的刻度特性為線性，就能保證儀表在整個量程內(nèi)靈敏度是相同的，從而有利于分析和處理測量結(jié)果。為了保證測量儀表的輸出與輸入之間具有線性關(guān)系，就需要在儀表中引入一種特殊環(huán)節(jié)，用它來補償其他環(huán)節(jié)的非線性，這就是非線性校正環(huán)節(jié)或稱為“線性化器”。

10.1.2.1非線性校正的方法測量儀表靜態(tài)特性非線性的校正方法通常有兩種：一種是開環(huán)節(jié)式非線性校正法，另一種是非線性反饋校正法。這里著重介紹前一種方法。具有開環(huán)式非線性校正的測量儀表，其結(jié)構(gòu)原理可用圖10.2.1所示的框圖表示。

傳感器將被測量物理量x轉(zhuǎn)換成電量u1，這種轉(zhuǎn)換通常是非線性的。電量u1經(jīng)放大器放大后成為電量u2，放大器一般是線性的。引入線性化器的作用是利用它本身的非線性補償傳感器的非線性，從而使整臺儀表的輸出u0和輸入x之間具有線性關(guān)系。這里解決的關(guān)鍵問題顯然有兩個：一是在給定u0---x線性關(guān)系的前提下，根據(jù)已知的u1---x非線性關(guān)系和u1---u2線性關(guān)系求出線性化器應(yīng)當(dāng)具有的u1~u2非線性關(guān)系。二是設(shè)計適當(dāng)電路實現(xiàn)線性化器的非線性特性。工程上求取線性化器非線形特性的方法有兩種，分述如下。

1)解析計算法設(shè)圖10.2.2中所示的傳感器特性解析式為（10-1-4）

方法器特性的解析式為（10-1-5）

要求測量工具有的刻度方程為（10-1-6）

將以上三式聯(lián)立，消去中間變量u1和x，就可以得到線性化器非線性特性的解析式（10-1-7），根據(jù)式（10-1-7）即可設(shè)計線性化器的具體電路。2)圖解法當(dāng)傳感器等環(huán)節(jié)的非線性特性用解析式表示比較復(fù)雜或比較困難時，我們可用圖解法求取線性化器的輸入-輸入特性曲線。圖解法的步驟如下（見圖10.2.2）。I.

將傳感器特性曲線作于直角坐標(biāo)的第一限，u1=f1（x）。II.

將放大器線性特性作于第二限，u2=Ku1。III.

將整臺測量儀表的線性特性作與第四象限，u0=sx。IV.

將x軸n段，段數(shù)n由精度要求決定。由點1、2、3…、n各作x軸垂線，分別與V.u1=f(x)曲線及第四象限中的u0=sx直線交于10、12、13、…1n及414243…4n各點。以后以第一象限中這些點作x軸平行線與第二象限u2=Ku1直線交于21、22、23、…2n各點。VI.

由第二象限各點作x軸垂線，再由第四象限各點作x軸平行線，兩者在第三象限的VII.

交點連線即為校正曲線u0=f2(u2)。這也是線形化器的非線性特性曲線。對測量儀表中非線性環(huán)節(jié)的校正還可以采用非線性反饋補償法，其原理可由圖10.2.3給出的框圖表示。在放大器上增加非線性反饋之后，使u0與u1之間出現(xiàn)非線性關(guān)系，用以補償傳感器非線性，從而使整臺儀表輸入-輸出特性x~u0j具有線性特性。

10.1.2.2非線性校正電路當(dāng)我們用解析法或圖解發(fā)求出線性化器的輸入-輸出特性曲線之后，接下來的問題就是如何用適當(dāng)?shù)碾娐穪韺崿F(xiàn)它。顯然在這類電路中需要有非線性元件或者利用某種元件的非線性區(qū)域，例如將二極管或三極管置于運算放大器的反饋回路中構(gòu)成的對數(shù)運算放大器就能對輸入信號進行對數(shù)運算，構(gòu)成非線性函數(shù)運算放大器，它可以用于射線測厚儀的非線性校正電路中。目前最常用的是利用二極管組成非線性電阻網(wǎng)絡(luò)，配合運算放大器產(chǎn)生折線形式的輸入-輸出特性曲線。由于折線可以分段逼近任意曲線，從而就可以得非線性校正環(huán)節(jié)（線性化器）所需要的特性曲線。折線逼近法如圖10.1.8所示。將非線性校正環(huán)節(jié)所需要的特性曲線用若干有限的線段代替，然后根據(jù)各轉(zhuǎn)折點xi和各段折線的斜率ki來設(shè)計電路。根據(jù)折線逼近法所作的各段折線可列出下列方程：式中，xi為折線的各轉(zhuǎn)折點，ki為各線段的斜率，，，···，

···可以看出，轉(zhuǎn)折點越多，折線越逼近曲線，精度也越高。但太多了則會電路本身誤差而影響精度。在校正電路中通常采用運算放大器，當(dāng)輸入電壓為不同范圍時，相應(yīng)改變運算放大器的增益，從而獲得所需要的斜率，其本身就是一個非線性放大器。圖10.1.9是一個最簡單的折點電路，其中E決定了轉(zhuǎn)折點偏置電壓，二極管V作開關(guān)用，其轉(zhuǎn)折電壓為（10-1-8）式中，UD為二極管正向壓降。圖10.1.10是另一種折點電路，其轉(zhuǎn)折電壓為（10-1-9）

由式（10-1-9）可知轉(zhuǎn)折電壓不僅與E有關(guān)，還有二極管正向壓降UD有關(guān)。圖10.1.11是用于EU-2型熱電偶在0~1300℃范圍內(nèi)的非線性校正電路原理圖。測量范圍分5段，用5段折線逼近校正曲線，圖中只畫了三段折線和相應(yīng)的電路。當(dāng)輸出電壓U0<U01時，各二級管均不導(dǎo)通，反饋電阻中只有Rf1接入。當(dāng)U0>U01二極管V1導(dǎo)通，Rf2接入。這時接成的非線性電路反饋電阻為Rf1//Rf2。當(dāng)U0>U02時，V2又不導(dǎo)通，反饋電阻Rf3接入，……，以后隨著U0的繼續(xù)增加，RF4、Rf5（圖中未畫出）相繼接入電路。電路中，當(dāng)選定R1（這里R1=1KΩ）并使R2＞＞R1，且運算放大器為理想放大器時，則可求得各段反饋電阻。第一段折線，因為，所以Rf=K1R1第二段折線，由,即可求得Rf2第三段折線引入正反饋，可以用圖10.1.12表示。其中Rfn為負反饋電阻，且Rfn=Rf1//Rf2。此時放大倍數(shù)為:

將K3、Rfn及R2值代入即可求得Rf3。用同樣的分析方法可以得到RF4和Rf5，從而得到完整的非線性校正電路。

EU熱電偶在0～1300℃的范圍內(nèi)測溫時，熱電偶輸出的電壓Ui經(jīng)校正電路處理后，得到的電壓Uo就和被測溫度值之間有線性關(guān)系。上述電路簡單，但精度不高。因為所用二極管不是理想開關(guān)，正向特性曲線的非線性和正向?qū)▔航档臏囟绕贫紩绊戅D(zhuǎn)換精度。圖10.1.13為精密折點單元電路，它是由理想二極管電路與基準(zhǔn)電源E組成。由圖可知，當(dāng)Ui與E之和為正時，運算放大器的輸出為負，V2導(dǎo)通，V1截止，電路輸出為零。當(dāng)Ui與E之和為負時，V1導(dǎo)通，V2截止，電路組成一個反饋放大器，輸出電壓隨Ui的變化而改變，有（10-1-10）在這種電路中，折點電壓只取決于基準(zhǔn)電源E，避免了二極管正向電壓UD的影響，在這種精密折點單元的電路組成的線性化電路中，各折點的電壓將是非常穩(wěn)定的。

10.1.2.3非線性特性軟件線性化處理對測量系統(tǒng)非線性環(huán)節(jié)的線性化處理，除了采用前述的硬件電路來實現(xiàn)外，在有微機的只能化檢測系統(tǒng)中可利用軟件功能方便地實現(xiàn)非線性的線性變化。這種方法精度高，成本低，應(yīng)用靈活。設(shè)某傳感器非線性校正曲線如圖10.1.14所示。它是一個非線性函數(shù)關(guān)系。我們將輸入量x按一定要求分為N個區(qū)間，每個xk都對應(yīng)一個輸出yk。把這些（xk,yk）編制成表格存貯起來。實際的輸入量xi一定會落在某個區(qū)間（xk-1，xk）內(nèi)，即xk-1<xi<xk.軟件法的含義是用一段直線近似地代替這段區(qū)間里的實際曲線，然后通過近似插值公式計算出yi這種方法稱為線性插值法。由圖10.1.15可以看出，通過M1、M2兩點的直線斜率k為：；而yi的計算公式為：（10-1-11）軟件線性插值法的線性化精度由折線的段數(shù)決定，所分段數(shù)越多，精度越高，但數(shù)表所占內(nèi)存越多。具體分段數(shù)，可視非線性特性曲線形狀而頂，可以是等分的，也可以是不等分的。當(dāng)xi確定后首先通過查表確定xi所在區(qū)間，查出后順序取出區(qū)間兩端點xk-1，xk及其對應(yīng)的yk-1，yk,然后利用式（10-1-11）計算出yi。這樣，得到的輸出量yi和傳感器所檢測的被測量之間成線性關(guān)系。

10.2噪聲源及噪聲耦合方式在檢測裝置中，測量的信息往往是以電壓或電流形式傳送的，由于檢測裝置內(nèi)部和外部因素的影響，使信號在傳輸過程的各個環(huán)節(jié)中，否可避免地要受到各種，噪聲的干擾，而使信號產(chǎn)生不同程度的畸變，即為失真?？梢哉f噪聲是限制檢測系統(tǒng)性能的決定因素。噪聲一般可分為外部噪聲和內(nèi)部噪聲兩大類。外部噪聲有自然界噪聲源(如電離層的電磁現(xiàn)象產(chǎn)生的噪聲)和人為噪聲源(如電氣設(shè)備、電臺干擾等)；內(nèi)部噪聲又名固有噪聲，它是由檢測裝置的各種元件內(nèi)部產(chǎn)生的，如熱噪聲、散粒噪聲等。噪聲與一般的電信號不同，一般的電信號可以用千個確定的時間函數(shù)來描述(如正弦信號、脈沖信號)，而噪聲是不能用+個預(yù)先確定的時間函數(shù)來描述的。表征一個系統(tǒng)干擾的主要指標(biāo)是“信噪比”。信噪比S／N指的是在信號通道中，有用信號成分與噪聲信號成分之比。設(shè)有用信號功率為Ps，有用信號電壓Us，噪聲功率為PN，噪聲電壓為UN，則用分貝(dB)單位表示的信噪比為(10-2-1)由上式可知，信噪比越大，表示噪聲的影咽越小。10.2.1噪聲源10.2.1.1放電噪聲各種電子設(shè)備的噪聲干擾，其產(chǎn)生原因多數(shù)屑于放電現(xiàn)象。在放電過程中會向周圍空間輻射出從低頻到高頻的電磁波，而且會傳播得很遠。例如在一個大氣壓的空氣中，對曲率半徑較小的兩電極間施加電壓，電壓慢慢升高時，最初幾乎無電流流過，當(dāng)電壓升高到一定數(shù)值時，如果電極中介質(zhì)完全被電離時(稱為電暈)，電極尖端引起局部破壞，電流急劇增加，形成電暈放電；如果繼續(xù)升高電壓，將會經(jīng)過火花放電過渡到弧光放電，此時空氣擊穿，同時向周圍輻射出各種頻率的電磁波。這種干擾電磁波幾乎對各種電子設(shè)備都有影響。(1)電暈放電噪聲主要來源于高壓輸電線，它具有間隙性，并產(chǎn)生脈沖電流，從而成為一種干擾噪聲。伴隨電暈放電過程產(chǎn)生的高頻振蕩也是一種干擾。這種噪聲主要對電力線載波電話、低頻航空無線電臺及調(diào)幅廣播等產(chǎn)生影響，對電視和調(diào)頻廣播則影響不大。(2)放電管(如日光燈、霓虹燈)放電噪聲屬于輝光放電和弧光放電。通常放電管具有負阻抗特性，所以與外屯路連接時容易引起高頻振蕩，有時可達很高的頻段，對電視也有影響。(3)火花放電噪聲。例如雷電、電氣設(shè)備中電刷和整流子間周期性放電、火花式高頻焊機、繼電器觸點的通斷(電，流很大時則會產(chǎn)生弧光放電)、汽車發(fā)動機的點火裝置等。只要在哪里電流是斷續(xù)的，則此時在觸點間引起的火花放電都將成為噪聲源。

10.2.1.2電氣干擾源電氣噪聲干擾包括工頻、電子開關(guān)和脈沖發(fā)生器的感應(yīng)于擾等。(1)工頻干擾大功率輸電線是典型的工頻噪聲源。低電平的信號線只要一段距離與輸電線相平行，就會受到明顯的干擾。即使是一般室內(nèi)：的交流電源線，對于輸入阻抗和靈敏度很高的檢測儀器來說也是威力很大的干擾源。另外，在電子裝置的內(nèi)部，由于工頻感應(yīng)也會產(chǎn)生交流噪聲。如果工頻的波形失真較大(如供電系統(tǒng)接有大容量的晶閘管設(shè)備)，由于高次諧波分量的增多，產(chǎn)生的干擾更大。(2)射頻干擾高頻感應(yīng)加熱、高頻焊接等工業(yè)電子設(shè)備以及廣播機、雷達等通過輻射或通過電源線會給附近的電子測量儀器帶來干擾。(3)電子開關(guān)電子開關(guān)雖然在通斷時并不產(chǎn)生火花，但由于通斷的速度極快，使電路中的電壓和電流發(fā)生急劇的變化，形成沖擊脈沖，成為噪聲干擾源。在一定電路參數(shù)條件下，電子開關(guān)的通斷還會帶來相應(yīng)的阻尼振蕩，從而構(gòu)成高頻干擾源。使用可控硅的調(diào)壓整流電路對其它電子裝置的干擾就是電子開關(guān)造成干擾的典型例子。這種電路在晶鬧管的控制下，周期性地通斷，形成前沿陡峭的電壓和電流，并且使供電電源波形畸變，從而干擾由該電源系統(tǒng)供電的其他電子設(shè)備。10.2.1.3固有噪聲源由于檢測裝置內(nèi)部元件的物理性的無規(guī)則波動所形成的固有噪聲源有三種：熱噪聲、散粒噪聲和接觸噪聲。(1)熱噪聲熱噪聲(又稱電阻噪聲)是由于電阻中電子的熱運動所形成的。因為電子的熱運動是無規(guī)則的，因此電阻兩端的噪聲電壓也是無規(guī)則的，它所包含的頻率成分是十分復(fù)雜的。電阻兩端的熱噪聲電壓有效值可表示為(10-2-2)式中，k為玻爾茲曼常數(shù)(1.38)；T為絕對溫度(K)；R為電阻值()；f為噪聲帶寬(Hz)。上式表明，熱噪聲電壓的有效值與電阻值的平方根成正比。因此減小電阻、帶寬和降低溫度有利于降低熱噪聲。為了加深對熱噪聲的認識，現(xiàn)以運算放大器輸入電阻引起的熱噪聲為例進行說明。設(shè)放大器輸人回路電阻，帶寬f=106Hz，環(huán)境溫度t＝27，則其熱噪聲電壓為(2)散粒噪聲散粒噪聲存在于電子管和晶體管中，是通過晶體管基區(qū)的載流子的無規(guī)則擴散以及電子—空穴對的無規(guī)則運動和復(fù)合形成的。散粒效應(yīng)．的均方根噪聲電流為(10-2-3)式中，q為電子電荷(1.6)；Idc為平均直流電流(A)；為噪聲帶寬(Hz)。上式說明，每帶寬平方根的噪聲電流只是流經(jīng)該器件的平均電流Idc的函數(shù)，其數(shù)值方程為(10-2-4)(3)接觸噪聲接觸噪聲是由于兩種材料之間不完全接觸，從而形成電導(dǎo)率的起伏而產(chǎn)生的。它發(fā)生在兩個導(dǎo)體連接的地方，如繼電器的接點、電位器的滑動接點等。接觸噪聲正比于直流電流的大小，其功率密度正比于頻率的倒數(shù)，其大小服從正態(tài)分布。每平方根帶寬的噪聲電流可近似地表示為(10-2-5)式中，為平均直流電流(A)；K為由材料和幾何形狀確定的常數(shù)；f為頻率(Hz)；B為帶寬(H2)。由于接觸噪聲功率密度正比于頻率的倒數(shù)，因此在低頻時接觸噪聲可能是很大的。接觸噪聲通常是低頻電路中最重要的噪聲源。(3)噪聲電壓的疊加噪聲電壓(或噪聲電流)的產(chǎn)生若是彼此獨立的，即不相關(guān)的，則其總噪聲電壓可表示為若是兩個相關(guān)噪聲電壓可用下式迭加而成(10-2-6)式中，為相關(guān)系數(shù)，它的取值范圍在+1～-1間。當(dāng)γ＝0時，為非相關(guān)；當(dāng)γ在0和+1或者0和-1間時，則兩電壓為部分相關(guān)。10.2.2噪聲耦合方式檢測裝置受到噪聲源干擾的途徑叫做噪聲的耦合方式。通常把噪聲耦合方式可歸納為下列幾種：10.2.2.1靜電耦合

靜電耦合是由于兩個電路之間存在著寄生電容，使一個電路的電荷影響到另一個電路。在一般情況下，靜電耦合的等效電路，如圖10.2.1所示。圖中En是噪聲源產(chǎn)生的噪聲電動勢；Cm表示造成靜電耦合的寄生電容；Zi是被干擾電路的等效輸入阻抗。根據(jù)圖10.2.1電路，可以寫出在Zi上的干擾電壓表達式

(10-2-7)式中，為噪聲源En的角頻率?？紤]到一般情況下，故上式可簡化為(10-2-8)由此可以看出：接收電路上的干擾電壓正比于噪聲源頻率、噪聲源的噪聲電動勢En、寄生電容Cm和接收電路的輸入阻抗Zi。當(dāng)有幾個噪聲源同時經(jīng)靜電耦合干擾同一個接收電路時，只要是線性電路，就可以用又疊加原理分別對各干擾源進行考慮。10.2.2.2電磁耦合電磁耦合又稱互感耦合，它是由于兩個電路之間存在有互感，使一個電路的電流變化，通過磁交鏈影響到另一個電路。在一般情況下，電磁耦合可用圖10.2.2表示其等效電路。圖中In表示噪聲干擾的噪聲電流源，M表示兩個電路之間的互感系數(shù)，UN表示通過電磁耦合在被干擾電路中感應(yīng)出的噪聲電壓。根據(jù)交流電路理論，按圖10.2.2可將UN寫成下式(10-2-9)式中，為噪聲源電流的角頻率。分析上式可以得出：干擾電壓UN正比于噪聲源電流角頻率、互感系數(shù)M和噪聲電流-In。下面舉一個電磁耦合的實例。當(dāng)兩條平行導(dǎo)線有電流流過時，它們彼此之間會通過磁交鏈產(chǎn)生電磁耦合干擾。兩條平行導(dǎo)線之間的互感系數(shù)M可由下式算出式中，l為兩平行導(dǎo)線段長度(m)；D為兩平行導(dǎo)線中心距(m)；為空氣的磁導(dǎo)率且當(dāng)l將代人上式，可得(10-2-10)設(shè)有一條信號傳輸線與一條電壓為100V，負荷為10k·VA的輸電線的距離為lm，并在10m長的一段區(qū)間彼此平行架設(shè)，現(xiàn)計算在此信號線上的噪聲電壓。將上述數(shù)據(jù)代入

可見電磁耦合干擾是很嚴重的，應(yīng)該引起足夠的重視。10.2.2.3共阻抗耦合共阻抗耦合是由于兩個電路共有阻抗，使一個電路的電流在另一個電路上產(chǎn)生干擾電壓。例如，有幾個電路由同一個電源供電時，會通過電源內(nèi)阻互相干擾，在放大器中各放大級通過接地線電阻互相干擾。共阻抗耦合等效電路可用圖10.2.3表示之。圖中Zc表示兩個電路之間的共有阻抗，In表示噪聲源的噪聲電流，UN表示被干擾電路的干擾電壓。根據(jù)圖10.2.3共阻抗耦合等效電路，很容易寫出被干擾電路的干擾電壓UN的表達式(10-2-11)可見共阻抗耦合干擾電壓UN正比于共阻抗值和噪聲源電流In。顯然，若要消除共阻抗耦合干擾，首先要消除兩個或幾個電路之間的共阻抗。10.2.2.3漏電流耦合由于絕緣不良，流經(jīng)絕緣電阻R的漏電流所引起的噪聲干擾叫做漏電流耦合。一般情況下的漏電流耦合可用圖10.2.3所示等效電路表示。圖中En表示噪聲電動勢，R表示漏電阻，Zi表示被干擾電路的輸入阻抗，UN表示干擾電壓。從圖10.2.4的等效電路中可以寫出UN的表達式:漏電流耦合經(jīng)常發(fā)生在：用儀表測量較高的直流電壓時；在檢測裝置附近有較高的直流電壓源時，在高輸入阻抗的直流放大器中。設(shè)直流放大器的輸入阻抗Zi=108，干擾源電動勢En=15V，絕緣電阻R=1010。其示意圖10.2.5所示。下面估算漏電干擾對此放大器的影響。根據(jù)上述給出的數(shù)據(jù)可以得出

從上述估算可知，對于高輸入阻抗放大器來說，即使是微弱的漏電流干擾，也將造成嚴重的后果。所以必須嚴密注意與輸入端有關(guān)的絕緣水平，以及它周圍的電路安排。

10.3共模與差模干擾各種噪聲源產(chǎn)生的噪聲，必然要通過各種耦合方式進入檢測裝置，對其產(chǎn)生干擾。根據(jù)噪聲進入信號測量電路的方式以及與有用信號的關(guān)系，可將噪聲干擾分為差模干擾與共模干擾。

10.3.1差模干擾差模干擾又稱串模干擾、正態(tài)干擾、常態(tài)干擾、橫向干擾等，它使檢測儀器的一個信號輸入端子相對另一個信號輸入端子的電位差發(fā)生變化，即干擾信號與有用信號按電壓源形式串聯(lián)起來作用于輸入端。因為它和有用信號疊加起來直接作用于輸入端，所以它直接影響測量結(jié)果。差模干擾可用圖10.3.1所示兩種方式表示，圖a為串聯(lián)電壓源形式；圖b為并聯(lián)電流源形式。圖中es及Rs為有用信號源及內(nèi)阻：Un表示等效干擾電壓In表示等效干擾電流，Zn為干擾源等效阻抗Ri為接收器的輸入電阻。

當(dāng)干擾源的等效內(nèi)阻較小時，宜用串聯(lián)電壓形式；當(dāng)干擾源等效內(nèi)阻較高時，宜用并聯(lián)電流源形式。造成差模干擾的原因很多，常見的差模于擾有：外交變磁場對傳感器的輸入進行電磁耦合。圖10.3.2a表示用熱電偶作敏感元件，進行測溫時，由于有交變磁通穿過信號傳輸回路產(chǎn)生干擾電動勢，造成差模干擾；圖10.3.2b表示高壓直流電場通過漏電流對動圈式檢流計造成差模干擾。針對具體情況可以采用雙絞信號傳輸線、傳感器耦合端加濾波器、金屬。隔離線、屏蔽等措施來消除差模干擾。

10.3.2共模干擾

共模干擾又稱縱向干擾、對地干擾、同相干擾、共態(tài)干擾等，它是相對于公共的電位基準(zhǔn)點(通常為接地點)，在檢測儀器的兩個輸入端子上同時出現(xiàn)的干擾。雖然它不直接影響測量結(jié)果，但是當(dāng)信號輸入電路參數(shù)不對稱時，它會轉(zhuǎn)化為差模干擾，對測量產(chǎn)生影響。在實際測量過程中，由于共模干擾的電壓一般都比較大，而且它的耦合機理和耦合電路不易搞清楚，排除也比較困難，所以共模干擾對測量的影響更為嚴重。共模干擾一般用等效電壓源表示，如圖10.3.3表示共模干擾電壓源的等效電路。圖中ei，表示干擾電壓源，Zcm1、Zcm2表示干擾源阻抗，Z1、Z2表示信號傳輸線阻抗，Zs1、Zs2表示信號傳輸線對地漏阻抗，Ri表示儀器輸入電阻，Rs為信號源內(nèi)阻。從圖中可以看出，共模干擾電流的通路只是部分地與信號電路所共有；共模干擾會通過干擾電流通路和信號電流通路的不對稱性轉(zhuǎn)化為差模干擾，從而影響測量結(jié)果。

造成共模干擾的原因很多，常見的共模干擾耦合有下面幾種：在檢測裝置附近有大功率的電氣設(shè)備，因絕緣不良或三相動力電網(wǎng)負載不平衡，零線有較大電流時，都存在著較大的地電流和地電位差，這時，若檢測系統(tǒng)有兩個以上接地點，則地電位差就會造成共模于擾。如圖10.3.4a所示熱電偶測溫系統(tǒng)，熱電偶的金屬保護套管通過爐體外殼與生產(chǎn)管路接地，而熱電偶的兩條溫度補償導(dǎo)線不接指示儀表外殼，但儀表外殼接大地，地電位差造成共模干擾。當(dāng)電氣設(shè)備的絕緣性能不良時，動力電源會通過漏電阻耦合到檢測系統(tǒng)的信號回路，形成干擾；圖10.3.4b表示動力電源通過漏電阻R對熱電偶測溫系統(tǒng)形成共模干擾。在交流供電的電氣測量裝置中，動力電源會通過電源變壓器的一次、二次側(cè)繞組間的雜散電容、整流濾被電路、信號電路與地之間的雜散電容到地構(gòu)成回路，形成工頻共模干擾，如圖10.3.4c所示。10.3.3共模干擾抑制比根據(jù)共模干擾只有轉(zhuǎn)換成差模干擾才能對檢測裝置產(chǎn)生干擾作用的原理可知，共模干擾對檢測裝置的影響大小，直接取決于共模干擾轉(zhuǎn)換成差模干擾的大小。為了衡量檢測系統(tǒng)對共模干擾的抑制能力，就形成了“共模干擾抑制比”這個重要概念。共模干擾抑制比定義為：作用于檢測系統(tǒng)的共模干擾信號與使該系統(tǒng)產(chǎn)生同樣輸出所需的差模信號之比。通常以對數(shù)形式表示(10-3-1)式中，Ucm是作用此檢測系統(tǒng)的實際共模干擾信號；Ucd是使檢測系統(tǒng)產(chǎn)生同樣輸出所需的差模信號。共模干擾抑制比也可以定義為檢測系統(tǒng)的差模增益與共模增益之比。可用數(shù)學(xué)式表示為(10-3-2)式中，Kd是差模增益；Kc是共模增益。以上兩種定義都說明，共模干擾抑制比是檢測裝置對共模干擾抑制能力的量度。CMRR值越高，說明檢測裝置對共模干擾的抑制能力越強。共模干擾抑制比有時簡稱共模抑制比。圖10.3.5所示是一個差動輸入運算放大器受共模干擾的等效電路。電路Un為共模干擾電壓，Z1、Z2為共模干擾源阻抗，R1、R2為信號傳輸線路電阻，Us為信號源電壓。從圖中很容易得出，在Un作用下出現(xiàn)在放大器兩輸入端之間的差模干擾電壓。(10-3-3)從而可求得差動運算放大器的共模抑制比(10-3-4)式中，當(dāng)時，則共模抑制比趨于無窮大，但實際上很難做到這一點。一般Z1、Z2，則上式可簡化為(10-3-5)上式表明，使Z1、Z2盡量高可以提高差動放大器的抗共模干擾能力。通過上例分析可見，共模干擾在一定條件下是要轉(zhuǎn)換成差模干擾的，而且電路的共模抑制比與電路對稱性密切相關(guān)。

在檢測裝置中常用的干擾抑制技術(shù)，是根據(jù)具體情況，對干擾加以認真分析后，有針對性地正確地使用，往往可以得到滿意的效果。在對具體問題進行分析時，一定要注意到信號與干擾之間的辯證關(guān)系。也就是說，干擾對測量結(jié)果的影響程度，是相對信號而言的。如高電平信號允許有較大的干擾；而信號電子越低，對干擾的限制也越嚴。通常，干擾的頻率范圍也是很寬的，但是，對于一臺具體的測量儀器，并非一切頻率的干擾所造成的效果都相同。例如對直流測量儀表，一般都具有較大的慣性，即儀表本身具有低通濾波特性，因此它對頻率較高的交流干擾不敏感；對于低頻測量儀表，若輸入端裝有濾波器，則可將通帶頻率以外的干擾大大衰減。但是，若對工頻干擾采用濾波器，會將50Hz的有用信號濾掉。因此，工頻干擾是低頻檢測裝置最嚴重的問題，是不易除去的干擾，對于寬頻帶的檢測裝置，在工作頻帶內(nèi)的各種干擾都將起作用。在非電量的檢測技術(shù)中，動態(tài)摜f量應(yīng)用日趨廣泛，所用的放大器、顯示器、記錄儀等的頻帶越來越寬，因此，這些裝置的抗干擾問題也日趨重要。目前常用的抗干擾措施有如下幾種。

10.4常用的干擾抑制技術(shù)10.4.1屏蔽技術(shù)

利用銅或鋁等低阻材料制成的容器，將需要防護的部分包起來或者是用導(dǎo)磁性良好的鐵磁性材料制成的容器將要防護的部分包起來，此種方法主要是防止靜電或電磁干擾，稱之為屏蔽。

10.4.1.1靜電屏蔽在靜電場作用下，導(dǎo)體內(nèi)部無電力線，即各點等電位。靜電屏蔽就是利用了與大地相連接的導(dǎo)電性良好的金屬容器，使其內(nèi)部的電力線不外傳，同時也不使外部的電力線影響其內(nèi)部。靜電屏蔽能防止靜電場的影響，用它可以消除或削弱兩電路之間由于寄生分布電容耦合而產(chǎn)生的干擾。在電源變壓器的一次、二次側(cè)繞組之間插入一個梳齒形薄銅皮并將它接地，以此來防止兩繞組間的靜電耦合，就是靜電屏蔽的范例。10.4.1.2電磁屏蔽電磁屏蔽是采用導(dǎo)電良好的金屬材料做成屏蔽層，利用高頻干擾電磁場在屏蔽體，內(nèi)產(chǎn)生渦流，再利用渦流消耗高頻干擾磁場的能量，從而削弱高頻電磁場的影響。若將電磁屏蔽層接地，則同時兼有靜電屏蔽的作用。也就是說，用導(dǎo)電良好的金屬材料做成的接地電磁屏蔽層，同時起到電磁屏蔽和靜電屏蔽兩種作用，10.4.1.3低頻磁屏蔽在低頻磁場干擾下，采用高導(dǎo)磁材料作屏蔽層以便將干擾磁力線限制在磁阻很小的磁屏蔽體內(nèi)部，防止其干擾作用。通常采用坡莫合金之類的對低頻磁通有高導(dǎo)磁系數(shù)的材料。同時要有一定的厚度，以減少磁阻。

10.4.1.4驅(qū)動屏蔽

驅(qū)動屏蔽就是使被屏蔽導(dǎo)體的電位與屏蔽導(dǎo)體的電位相等。其原理如圖10.4.1所示。若1：1電壓跟隨器是理想酌，即在工作中導(dǎo)體B與屏蔽層D之間的絕緣電阻為無窮大，并且等電位。那么，

在導(dǎo)體B與屏蔽層D之間的空間無電力線，各點等電位。這說明，導(dǎo)體A噪聲源的電場En影響不到導(dǎo)體B。這時，盡管導(dǎo)體B與屏蔽層D之間有寄生電容Cs2存在，但是，因B與D是等電位，故此寄生電容也不起作用。因此，驅(qū)動屏蔽能有效地抑制通過寄生電容的耦合干擾。應(yīng)該指出的是，在驅(qū)動屏蔽中所應(yīng)用的1∶1電壓跟隨器，不僅要求其輸出電壓與輸入電壓的幅值相同，而且要求兩者之間的相移亦為零。另一方面，電壓跟隨器的輸入阻抗與導(dǎo)體B的對地阻抗Zi相并聯(lián)，為減小其并聯(lián)作用，則要求跟隨器有無窮大的輸入阻抗。實際上，這些要求只能在一定程度上得到滿足。驅(qū)動屏蔽屬于有源屏蔽，只有當(dāng)線性集成電路出現(xiàn)以后，驅(qū)動屏蔽才有了實用價值，并在工程中獲得愈來愈廣泛的應(yīng)用。

10.4.2接地技術(shù)

一般來講檢測裝置電路接地是為了如下目的：安全；對信號電壓有一個基準(zhǔn)電位；靜電屏蔽的需要。在這里主要研究用接地技術(shù)來抑制噪聲干擾。

10.4.2.1接地線的種類1)保護接地線，出于安全防護的目的將檢測裝置的外殼屏蔽層接地用的地線。2)信號地線，它只是檢測裝置的輸入與輸出的零信號電位公共線，除特別情況之外，一般與真正大地是隔絕的。信號地線分為兩種：模擬信號地線及數(shù)字信號地線，因前者信號較弱，故對地線要求較高，而后者則要求可低些。3)信號源地線，它是傳感器本身的信號電位基準(zhǔn)公共線。4)交流電源地線。在檢測裝置中，上列四種地線一般應(yīng)分別設(shè)置，以消除各地線之間的相互干擾。10.4.2.2檢測裝置的接地線系統(tǒng)通常在檢測裝置中至少要有三種分開的地線，如圖10.4.2所示。若設(shè)備使用交流電源時，則交流電源地線應(yīng)和保護地線相連。圖中三條地線應(yīng)連在一起并通過一點接地。使用這種接地方式可以避免公共地線各點電位不均勻所產(chǎn)生的干擾。為了使屏蔽在防護檢測裝置不受外界電場的電容性或電阻性漏電影響時充分發(fā)揮作用，應(yīng)將屏蔽線接到大地上。但是大地各處電位很不一致，如果一個測量系統(tǒng)在兩點接地，因兩接地點不易獲得同一電位，從而對兩點(多點)接地電路造成干擾。這時地電位是裝置輸入端共模干擾電壓的主要來源。因此，對一個測量電路只能一點接地。

例如圖10.4.3a所示的測量系統(tǒng)。圖中Us為信號源電壓，Rs為信號源內(nèi)阻，Rc1、Rc2為傳輸線等效電阻，Ri為放大器輸入電阻，Un為兩接地點之間的地電位差，Rn為地電阻。當(dāng)Un=100mV，Rn=0.01Ω，Rs=500Ω，Rc1=Rc2=1KΩRi=10KΩ時，代入公式通過計算，則放大器輸入端的噪聲電壓Un為95mV。為了解決上述問題，可采用一點接地，即保持信號源與地隔離，如圖10.4.3b所示。圖中ZGn=1MΩ

，其他參數(shù)與圖a所示相同，代入公式(10-4-1)由此可見，比信號源直接接地時，干擾情況大有改善。

信號電路一點接地是消除因公共阻抗耦合干擾的一種重要方法。在一點接地的情況下，雖然避免了干擾電流在信號電路中流動，但還存在著絕緣電阻；寄生電容等組成的漏電通路，所以干擾不可能全部被抑制掉。

10.4.3浮置

浮置又稱浮空、浮接，它指的檢測裝置的輸入信號放大器公共線陰p模擬信號地)不接機殼或大地。這種被浮置的檢測裝置的測量電路與機殼或大地之間無直流聯(lián)系，阻斷了干擾電路的通路，明顯地加大寧測量電路放大器公共線與地(或機殼)之間的阻抗，因此浮置與接地相比能大大減小共模干擾電流。

10.4.4平衡電路

平衡電路又稱對稱電路。它是指雙線電路中的兩根導(dǎo)線與連接到這兩根導(dǎo)線的所有電路，對地或?qū)ζ渌麑?dǎo)線電路結(jié)構(gòu)對稱，對應(yīng)阻抗相等。例如，電橋電路和差分放大器等電路就屬于平衡電路。采用平衡電路可以使對稱電路結(jié)構(gòu)所檢拾的噪聲相等，并可以在負載上自行抵消。圖10-4-4所示的電路是最簡單的平衡電路。圖中UN1、UN2為噪聲源，它們與導(dǎo)線串聯(lián)；Us1、Us2為信號源；兩噪聲電流IN1、IN2。由電路原理可求出在負載上產(chǎn)生的總電壓為式中前兩項表示噪聲電壓，第三項表示信號電壓。若電路對稱，則IN1=IN2，，所以負載上噪聲電壓互槽抵消掉。因此上式可簡化為(10-4-2)如果電路完全對稱，則負載上噪聲電壓為零。但實際上電路很難做到完全對稱，這時抑制噪聲的能力決定于電路的對稱性。在一個不平衡系統(tǒng)中，電路的信號傳輸部分可用兩個變壓器得到平衡，其原理如圖10.4.4所示。圖10.4.5a表示原不平衡系統(tǒng)；圖10.4.5b表示接變壓器后構(gòu)成的平衡傳輸系統(tǒng)。因為長導(dǎo)線最容易檢拾噪聲；所以這種方法對于信號傳輸電路，在噪聲抑。制上是很有用的。同時，變壓器還能斷開任何地環(huán)路，因此消除了負載與信號源之間由于地電位差所造成的噪聲干擾。10.4.5濾波

濾波器是一種只允許某‘頻帶信號通過或只阻止某一頻帶信號通過的電路，是抑制噪聲于擾的最有效手段之