摘? 要: 闡述了測(cè)試系統(tǒng)" title="測(cè)試系統(tǒng)">測(cè)試系統(tǒng)中的各類干擾,并對(duì)其產(chǎn)生的原因作了較詳細(xì)的分析。針對(duì)干擾的特性,指出了它們的危害范圍及程度,以便于對(duì)其進(jìn)行抑制,增強(qiáng)抗干擾的效果。?

　　關(guān)鍵詞: 測(cè)試系統(tǒng)? 干擾? 干擾源" title="干擾源">干擾源?

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　　隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)生產(chǎn)的迅速發(fā)展,測(cè)試系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到科學(xué)研究和生產(chǎn)實(shí)踐的各個(gè)領(lǐng)域。由于存在干擾,它對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的穩(wěn)定度和精確度受到了直接的影響,嚴(yán)重時(shí)可使測(cè)試系統(tǒng)不能正常工作。因此,從系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造、使用方式以及工作環(huán)境等各個(gè)方面都不得不優(yōu)先考慮抗干擾問(wèn)題。所以對(duì)干擾的研究是測(cè)試技術(shù)的重要課題。 ?

　　干擾形成的全過(guò)程是由干擾源發(fā)出的干擾信號(hào),經(jīng)過(guò)耦合通道達(dá)到受感器上,構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)的干擾。干擾的三個(gè)環(huán)節(jié),稱之為干擾系統(tǒng)的三要素,如圖1所示。要有效地抑制干擾,首先要找到干擾的發(fā)源地,防患于發(fā)源處是抑制干擾的積極措施。當(dāng)產(chǎn)生了難以避免的干擾,削弱通道對(duì)干擾的耦合以及提高受感器的抗干擾能力就成為非常重要的方法。?

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??? 為了討論方便,將干擾源分為來(lái)自測(cè)試系統(tǒng)外部和內(nèi)部的兩個(gè)方面,現(xiàn)分別給予討論。?

1 來(lái)自測(cè)試系統(tǒng)外部的干擾?

1.1 自然干擾?

??? 自然干擾包括雷電、大氣層的電場(chǎng)變化、電離層變化以及太陽(yáng)黑子的電磁輻射等。雷電能在傳輸線上產(chǎn)生輻值很高的高頻涌浪電壓,對(duì)系統(tǒng)形成的干擾。太陽(yáng)黑子的電磁輻射能量很強(qiáng),可造成無(wú)線通信中斷。來(lái)自宇宙的自然干擾,只有高頻才能穿過(guò)地球外層的電離層,頻率在幾十MHz到200MHz之間,電壓一般在μV量級(jí),對(duì)低頻系統(tǒng)影響甚微。?

1.2 放電干擾?

1.2.1 電暈" title="電暈">電暈放電?

??? 最常見(jiàn)的電暈放電來(lái)自高壓輸出線。高壓輸電線因絕緣失效會(huì)產(chǎn)生間隙脈沖電流,形成電暈放電。在輸電線垂直方向上的電暈干擾,其電平隨頻率升高而衰減。當(dāng)頻率低于1MHz時(shí),衰減微弱;當(dāng)頻率高于1MHz時(shí),急劇衰減。因此電暈放電干擾對(duì)高頻系統(tǒng)影響不大,而對(duì)低頻系統(tǒng)影響較為嚴(yán)重,應(yīng)引起注意。?

1.2.2 輝光放電?

??? 輝光放電即氣體放電。當(dāng)兩個(gè)接點(diǎn)之間的氣體被電離時(shí),由于離子碰撞而產(chǎn)生輝光放電,肉眼可見(jiàn)到藍(lán)色的輝光。輝光放電所需電壓與接點(diǎn)之間的距離、氣體類型和氣壓有關(guān)。熒光燈、霓紅燈、閘流管以及工業(yè)生產(chǎn)中使用的大型輝光離子氮化爐等,均是利用這一原理制造的輝光放電設(shè)備。這類設(shè)備對(duì)測(cè)試系統(tǒng)都是干擾源,頻率一般為超高頻。如熒光燈干擾,電壓為幾十到幾千微伏(μV),甚至可達(dá)幾十毫伏(mV)。?

1.2.3 弧光放電?

??? 弧光放電即金屬霧放電。最具典型的弧光放電是金屬電焊。弧光放電產(chǎn)生高頻振蕩,以電波形式形成干擾。這種干擾對(duì)測(cè)試系統(tǒng)危害較大,甚至對(duì)具有專門防干擾的設(shè)備,在半徑為50米的范圍內(nèi),當(dāng)頻率為0.15～0.5MHz時(shí),干擾電壓最低仍可達(dá)1000μV;當(dāng)頻率為2.5～150MHz時(shí),也可達(dá)200μV。?

1.2.4? 火花放電?

??? 電氣設(shè)備觸點(diǎn)處的斷續(xù)電流將引起火花放電。這種放電出現(xiàn)在觸點(diǎn)通斷的瞬間,如電動(dòng)機(jī)、電刷同鄰近的整流片反復(fù)接通和斷開(kāi),形成很寬頻率范圍的火花放電干擾。這種干擾波雖被電機(jī)金屬外殼屏蔽,但還會(huì)有部分通過(guò)窄小的空隙處和引出線輻射出來(lái)。盡管如此,這種干擾仍具有較大的能量。小型電鉆的干擾電平約為20～80dB(200MHz以下),可使鄰近電視圖像不停跳動(dòng)。?

　　內(nèi)燃機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)是一個(gè)很強(qiáng)的干擾源。這種點(diǎn)火系統(tǒng)產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊電流,從而激勵(lì)附屬電路振蕩,并由點(diǎn)火導(dǎo)線輻射出去。這種干擾的頻率分量很高,在20～1000MHz范圍內(nèi),干擾半徑可達(dá)50～100m的范圍。?

　　須指出,各種電氣開(kāi)關(guān)通、斷時(shí)并不都會(huì)產(chǎn)生放電現(xiàn)象,但由于通、斷時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈的脈沖電流有非常豐富的頻率分量,這種干擾能通過(guò)開(kāi)關(guān)連線輻射出去。?

1.3 工頻干擾?

　　供電設(shè)備和輸電線都產(chǎn)生工頻干擾,這種干擾隨處可見(jiàn)。低頻信號(hào)只要有一段與供電線平行,50Hz交流電就會(huì)耦合到信號(hào)線上成為干擾。?

　　直流電源輸出端也可能出現(xiàn)不同程度的交流干擾,它發(fā)生在系統(tǒng)內(nèi)部,待討論系統(tǒng)內(nèi)部干擾時(shí)再述。?

1.4 射頻干擾?

　　通信設(shè)備、無(wú)線電廣播、電視、雷達(dá)等通過(guò)天線會(huì)發(fā)射強(qiáng)烈的電波,高頻加熱設(shè)備也會(huì)產(chǎn)生射頻輻射。電磁波在測(cè)試系統(tǒng)的傳輸線上以及接收天線上,會(huì)感應(yīng)出大小不等的射頻信號(hào)。有的電磁波在接收天線上產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)比欲接收的信號(hào)電動(dòng)勢(shì)大上萬(wàn)倍。這類干擾的頻帶有限且可知,選擇適當(dāng)濾波器即可消除。?

1.5 靜電干擾?

　　摩擦產(chǎn)生的靜電作為能源來(lái)說(shuō)是很小的,但是電壓可達(dá)數(shù)萬(wàn)伏。帶有高電位的人接觸測(cè)試系統(tǒng)時(shí),人體上的電荷會(huì)向系統(tǒng)放電,急劇的放電電流造成噪聲干擾,能影響測(cè)試系統(tǒng)的正常工作。?

2 來(lái)自測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)部的干擾?

2.1電源干擾?

　　所產(chǎn)生的干擾主要是從電源和電源引線侵入系統(tǒng)。情況如下:?

　　當(dāng)系統(tǒng)與其它經(jīng)常變動(dòng)的大負(fù)載共用電源時(shí),會(huì)產(chǎn)生電源噪聲。?

　　當(dāng)使用較長(zhǎng)的電源引線來(lái)進(jìn)行傳輸時(shí),所產(chǎn)生電壓降及感應(yīng)電勢(shì)等也會(huì)形成噪聲。?

　　系統(tǒng)所需的直流電源,一般均為由電網(wǎng)交流電經(jīng)濾波、穩(wěn)壓后提供,有時(shí)會(huì)因某種原因凈化不佳,對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。這種干擾常給高精度系統(tǒng)帶來(lái)麻煩,應(yīng)引起重視。?

2.2 地線干擾?

　　測(cè)試系統(tǒng)往往共用一個(gè)直流電源或不同電源共用一個(gè)地線。因此,當(dāng)各部分電路的電流均流過(guò)公共地線時(shí),會(huì)在其上產(chǎn)生電壓降,形成相互影響的噪音干擾信號(hào)。這種情況在數(shù)字電路和模擬電路共地時(shí)非常明顯。圖2(a)中R_cm是模擬系統(tǒng)和數(shù)字系統(tǒng)的公共接地線的電阻。通常,數(shù)字系統(tǒng)的入地電流比模擬系統(tǒng)大得多,并且有較大的波動(dòng)噪音。即使R_cm很小,數(shù)字電路也會(huì)在其兩端形成較高電壓,使模擬系統(tǒng)的接地電壓不能為零。圖2(b)中模擬電路是測(cè)量前置放大器,數(shù)字系統(tǒng)的入地電流(若為2A)在R_cm(若為0.01Ω)上產(chǎn)生電壓(20mV),此電壓與測(cè)量電壓V_S疊加。若V_S=100mV,那么測(cè)量精度將會(huì)低于20%。?

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2.3 信號(hào)通道的耦合干擾?

??? 往往傳感器設(shè)在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng),而顯示、記錄等測(cè)量裝置則安置在離傳感器有一定距離的控制室內(nèi)。兩者之間需要很長(zhǎng)的信號(hào)傳輸線,信號(hào)在傳輸過(guò)程中很容易受到干擾,導(dǎo)致所傳輸?shù)男盘?hào)發(fā)生畸變或失真,所產(chǎn)生的干擾主要有:傳輸線周圍空間電磁場(chǎng)對(duì)傳輸線的電磁感應(yīng)干擾;當(dāng)兩條或兩條以上信號(hào)強(qiáng)弱不同的線相互靠得很近時(shí),通過(guò)線間分布電容" title="分布電容">分布電容和互感而形成的線間干擾,即輸線間的串?dāng)_。?

2.3.1 容性" title="容性">容性(電場(chǎng))耦合干擾?

??? 當(dāng)干擾源產(chǎn)生的干擾是以電壓形式出現(xiàn)時(shí),干擾源與信號(hào)電路之間就存在容性(電場(chǎng))耦合,這時(shí)干擾電壓經(jīng)電容耦合到信號(hào)電路,形成干擾源。?

　　對(duì)于平行導(dǎo)線,由于分布電容較大,容性耦合較嚴(yán)重。在圖3(a)中,導(dǎo)線1和導(dǎo)線2是兩條平行線,C₁和C₂分別是各線對(duì)地的分布電容,C₁₂是兩線間分布的耦合電容,是導(dǎo)線1對(duì)地電壓,R是導(dǎo)線2對(duì)地電阻。由圖3(b)等效電路可得導(dǎo)線1電壓通過(guò)耦合在導(dǎo)線2上產(chǎn)生的電壓為:?

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??? 當(dāng)R>>1/jω(C₁₂+C₂)時(shí),式(1)可簡(jiǎn)化為:?

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??? 由式(1)、(2)、(3)可知,容性耦合干擾隨著耦合電容的增大而增大。?

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2.3.2 感性(磁性)耦合?

　　當(dāng)干擾源是以電流形式出現(xiàn)時(shí),此電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)通過(guò)互感耦合對(duì)鄰近信號(hào)形成干擾。圖4是互感耦合示意圖,兩鄰近導(dǎo)線之間存在分布互感M,由互感耦此電壓在導(dǎo)線上是串聯(lián)的。量成正比。?

2.4 測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)部的其它干擾?

　　測(cè)試系統(tǒng)由于設(shè)計(jì)不良或某些器件在工作時(shí)會(huì)形成干擾。這些內(nèi)部干擾一般比較微弱,但對(duì)于小信號(hào)高精密測(cè)試系統(tǒng)來(lái)說(shuō)卻不可忽視。?

2.4.1 溫差電勢(shì)?

??? 當(dāng)電流回路的導(dǎo)線采用不同的金屬,并且在連接處具有不同的溫度時(shí),則在回路內(nèi)將產(chǎn)生溫差電勢(shì)。在圖5中,如一支路R為康銅,另一支路R_L為銅,則溫差電勢(shì)V₀=V₀₁-V₀₂=1～100μV,此電勢(shì)將疊加到測(cè)量電壓V_m上,使最終結(jié)果為V_m+V₀。?

2.4.2 電阻熱噪音?

??? 熱噪音是電阻一類導(dǎo)體由于電子布朗運(yùn)動(dòng)而引起的噪音。導(dǎo)體中的電子始終在作隨機(jī)運(yùn)動(dòng),并與分子一起處于熱平衡狀態(tài)。電子的這種隨機(jī)運(yùn)動(dòng)將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)交流成份,這個(gè)交流成份就稱為熱噪音(或稱為電阻噪音)。熱噪音可用尼奎斯特公其中k為波爾茲曼常數(shù),k=1.3804×10^-23J/K,T為絕對(duì)溫度(K),R為電阻值(Ω),Δf為所考慮的頻帶(Hz)。當(dāng)T=300K,R=1MΩ,Δf=400Hz時(shí),熱噪音電壓?

2.4.3 轉(zhuǎn)接干擾?

??? 電路轉(zhuǎn)接過(guò)程中通常會(huì)產(chǎn)生干擾脈沖,此干擾脈沖又可能引起另一次不希望的轉(zhuǎn)接過(guò)程。這種轉(zhuǎn)接過(guò)程脈沖一般可用接上電容或二極管來(lái)減小。?

2.4.4 微音干擾?

??? 機(jī)械顫動(dòng)、接觸電阻的變化或電纜電容(或電感)的變化,均會(huì)產(chǎn)生微音干擾。?

2.4.5 壓電效應(yīng)干擾?

??? 彎折電纜時(shí),若介質(zhì)中產(chǎn)生機(jī)械力,就會(huì)引起壓電效應(yīng)干擾。例如,感應(yīng)電荷為Q=10^-10A·s,電纜電容率C/L=100pF/m,電纜長(zhǎng)度L=5m,電纜電容C=500pF,則彎折電纜時(shí)產(chǎn)生的電壓為:?

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　　弄清楚干擾源是首要條件,否則抗干擾措施都無(wú)從下手。為達(dá)到抑制干擾的目的,本文所著重論述的干擾源的情況,都是筆者多年在設(shè)計(jì)及工作實(shí)踐中的體會(huì)。值得一提的是:在測(cè)試系統(tǒng)中,干擾的來(lái)源是非常復(fù)雜的,并非所有干擾都會(huì)同時(shí)出現(xiàn)在同一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)中,在實(shí)踐操作過(guò)程中,只有根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的具體情況來(lái)取舍。?

參考文獻(xiàn)?

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2 瞿 曌,提高微機(jī)控溫系統(tǒng)抗干擾性能的途徑.電工技術(shù),1997(1)?