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

　　關鍵詞: 測試系統(tǒng)? 干擾? 干擾源" title="干擾源">干擾源?

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　　隨著國民經濟和社會生產的迅速發(fā)展,測試系統(tǒng)已經廣泛應用到科學研究和生產實踐的各個領域。由于存在干擾,它對測試系統(tǒng)的穩(wěn)定度和精確度受到了直接的影響,嚴重時可使測試系統(tǒng)不能正常工作。因此,從系統(tǒng)的設計、制造、使用方式以及工作環(huán)境等各個方面都不得不優(yōu)先考慮抗干擾問題。所以對干擾的研究是測試技術的重要課題。 ?

　　干擾形成的全過程是由干擾源發(fā)出的干擾信號,經過耦合通道達到受感器上,構成整個系統(tǒng)的干擾。干擾的三個環(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。當產生了難以避免的干擾,削弱通道對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,將干擾源分為來自測試系統(tǒng)外部和內部的兩個方面,現(xiàn)分別給予討論。?

1 來自測試系統(tǒng)外部的干擾?

1.1 自然干擾?

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

1.2 放電干擾?

1.2.1 電暈" title="電暈">電暈放電?

??? 最常見的電暈放電來自高壓輸出線。高壓輸電線因絕緣失效會產生間隙脈沖電流,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。當頻率低于1MHz時,衰減微弱;當頻率高于1MHz時,急劇衰減。因此電暈放電干擾對高頻系統(tǒng)影響不大,而對低頻系統(tǒng)影響較為嚴重,應引起注意。?

1.2.2 輝光放電?

??? 輝光放電即氣體放電。當兩個接點之間的氣體被電離時,由于離子碰撞而產生輝光放電,肉眼可見到藍色的輝光。輝光放電所需電壓與接點之間的距離、氣體類型和氣壓有關。熒光燈、霓紅燈、閘流管以及工業(yè)生產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備。這類設備對測試系統(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。弧光放電產生高頻振蕩,以電波形式形成干擾。這種干擾對測試系統(tǒng)危害較大,甚至對具有專門防干擾的設備,在半徑為50米的范圍內,當頻率為0.15～0.5MHz時,干擾電壓最低仍可達1000μV;當頻率為2.5～150MHz時,也可達200μV。?

1.2.4? 火花放電?

??? 電氣設備觸點處的斷續(xù)電流將引起火花放電。這種放電出現(xiàn)在觸點通斷的瞬間,如電動機、電刷同鄰近的整流片反復接通和斷開,形成很寬頻率范圍的火花放電干擾。這種干擾波雖被電機金屬外殼屏蔽,但還會有部分通過窄小的空隙處和引出線輻射出來。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。?

　　內燃機點火系統(tǒng)是一個很強的干擾源。這種點火系統(tǒng)產生強烈的沖擊電流,從而激勵附屬電路振蕩,并由點火導線輻射出去。這種干擾的頻率分量很高,在20～1000MHz范圍內,干擾半徑可達50～100m的范圍。?

　　須指出,各種電氣開關通、斷時并不都會產生放電現(xiàn)象,但由于通、斷時產生強烈的脈沖電流有非常豐富的頻率分量,這種干擾能通過開關連線輻射出去。?

1.3 工頻干擾?

　　供電設備和輸電線都產生工頻干擾,這種干擾隨處可見。低頻信號只要有一段與供電線平行,50Hz交流電就會耦合到信號線上成為干擾。?

　　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)內部,待討論系統(tǒng)內部干擾時再述。?

1.4 射頻干擾?

　　通信設備、無線電廣播、電視、雷達等通過天線會發(fā)射強烈的電波,高頻加熱設備也會產生射頻輻射。電磁波在測試系統(tǒng)的傳輸線上以及接收天線上,會感應出大小不等的射頻信號。有的電磁波在接收天線上產生的電動勢比欲接收的信號電動勢大上萬倍。這類干擾的頻帶有限且可知,選擇適當濾波器即可消除。?

1.5 靜電干擾?

　　摩擦產生的靜電作為能源來說是很小的,但是電壓可達數(shù)萬伏。帶有高電位的人接觸測試系統(tǒng)時,人體上的電荷會向系統(tǒng)放電,急劇的放電電流造成噪聲干擾,能影響測試系統(tǒng)的正常工作。?

2 來自測試系統(tǒng)內部的干擾?

2.1電源干擾?

　　所產生的干擾主要是從電源和電源引線侵入系統(tǒng)。情況如下:?

　　當系統(tǒng)與其它經常變動的大負載共用電源時,會產生電源噪聲。?

　　當使用較長的電源引線來進行傳輸時,所產生電壓降及感應電勢等也會形成噪聲。?

　　系統(tǒng)所需的直流電源,一般均為由電網交流電經濾波、穩(wěn)壓后提供,有時會因某種原因凈化不佳,對系統(tǒng)產生干擾。這種干擾常給高精度系統(tǒng)帶來麻煩,應引起重視。?

2.2 地線干擾?

　　測試系統(tǒng)往往共用一個直流電源或不同電源共用一個地線。因此,當各部分電路的電流均流過公共地線時,會在其上產生電壓降,形成相互影響的噪音干擾信號。這種情況在數(shù)字電路和模擬電路共地時非常明顯。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,并且有較大的波動噪音。即使R_cm很小,數(shù)字電路也會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)上產生電壓(20mV),此電壓與測量電壓V_S疊加。若V_S=100mV,那么測量精度將會低于20%。?

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2.3 信號通道的耦合干擾?

??? 往往傳感器設在生產現(xiàn)場,而顯示、記錄等測量裝置則安置在離傳感器有一定距離的控制室內。兩者之間需要很長的信號傳輸線,信號在傳輸過程中很容易受到干擾,導致所傳輸?shù)男盘柊l(fā)生畸變或失真,所產生的干擾主要有:傳輸線周圍空間電磁場對傳輸線的電磁感應干擾;當兩條或兩條以上信號強弱不同的線相互靠得很近時,通過線間分布電容" title="分布電容">分布電容和互感而形成的線間干擾,即輸線間的串擾。?

2.3.1 容性" title="容性">容性(電場)耦合干擾?

??? 當干擾源產生的干擾是以電壓形式出現(xiàn)時,干擾源與信號電路之間就存在容性(電場)耦合,這時干擾電壓經電容耦合到信號電路,形成干擾源。?

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

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??? 當R>>1/jω(C₁₂+C₂)時,式(1)可簡化為:?

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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?

　　當干擾源是以電流形式出現(xiàn)時,此電流所產生的磁場通過互感耦合對鄰近信號形成干擾。圖4是互感耦合示意圖,兩鄰近導線之間存在分布互感M,由互感耦此電壓在導線上是串聯(lián)的。量成正比。?

2.4 測試系統(tǒng)內部的其它干擾?

　　測試系統(tǒng)由于設計不良或某些器件在工作時會形成干擾。這些內部干擾一般比較微弱,但對于小信號高精密測試系統(tǒng)來說卻不可忽視。?

2.4.1 溫差電勢?

??? 當電流回路的導線采用不同的金屬,并且在連接處具有不同的溫度時,則在回路內將產生溫差電勢。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V₀=V₀₁-V₀₂=1～100μV,此電勢將疊加到測量電壓V_m上,使最終結果為V_m+V₀。?

2.4.2 電阻熱噪音?

??? 熱噪音是電阻一類導體由于電子布朗運動而引起的噪音。導體中的電子始終在作隨機運動,并與分子一起處于熱平衡狀態(tài)。電子的這種隨機運動將會產生一個交流成份,這個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為絕對溫度(K),R為電阻值(Ω),Δf為所考慮的頻帶(Hz)。當T=300K,R=1MΩ,Δf=400Hz時,熱噪音電壓?

2.4.3 轉接干擾?

??? 電路轉接過程中通常會產生干擾脈沖,此干擾脈沖又可能引起另一次不希望的轉接過程。這種轉接過程脈沖一般可用接上電容或二極管來減小。?

2.4.4 微音干擾?

??? 機械顫動、接觸電阻的變化或電纜電容(或電感)的變化,均會產生微音干擾。?

2.4.5 壓電效應干擾?

??? 彎折電纜時,若介質中產生機械力,就會引起壓電效應干擾。例如,感應電荷為Q=10^-10A·s,電纜電容率C/L=100pF/m,電纜長度L=5m,電纜電容C=500pF,則彎折電纜時產生的電壓為:?

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　　弄清楚干擾源是首要條件,否則抗干擾措施都無從下手。為達到抑制干擾的目的,本文所著重論述的干擾源的情況,都是筆者多年在設計及工作實踐中的體會。值得一提的是:在測試系統(tǒng)中,干擾的來源是非常復雜的,并非所有干擾都會同時出現(xiàn)在同一個測試系統(tǒng)中,在實踐操作過程中,只有根據(jù)現(xiàn)場的具體情況來取舍。?

參考文獻?

1 劉文彥,周學平,劉輝.現(xiàn)代測試系統(tǒng).長沙:國防科大出版社,1995?

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