第八章 电气测量中的抗干扰技术（课件）- 《电气与电子测量技术（第3版）》同步教学（电子工业出版社）

3:1 第八章 电气测量中的抗干扰技术 1 Page . 干扰三要素+ 干扰源 耦和途径 受扰对象 典 型 的 电 气 干 扰 电压型干扰源 空间电容 附近的导体 电流型干扰源 空间互感 附近的回路 看不见的分布参数 干扰性质 ？ ？ + Page . 重新认识 分布电容、空间电感 分布电容——无处不在却不可见 分布电容耦合模型：干扰源导体极板——介质——受扰导体 举例： 线对板：高压导线对大地 线对线：电气设备内部不同带电导线之间 线对点：带电端子与周围导线；集成电路管脚与周围布线 点对点：不同电位的带电端子之间；集成电路相邻管脚之间 量化估算（空气介质）：大多数情况下都在pF 1 Page . 自感和互感 定义式 物理意义 自感系数 L 单位电流所产生的与电流回路自身铰链的磁链大小 对于干扰源，希望L1小，意味着回路所产生的磁场干扰小， 例如：对折的电流回路基本不对附近的回路有磁干扰 互感系数 M 单位电流所产生的能被其它闭合回路所交链的磁链大小 低互感M 意味着受扰回路对电流I1产生的磁场不敏感 Page . 对互感M的再认识 结 论 减小感应回路的面积S，是减小M 的最有效办法。尽可能减小受扰电路的面积可以实现低互感回路。 M=kS 1 Page . 单匝测量回路的感应电动势 空气耦合的线性磁路 B=ki 互感系数M 以直线电流产生的磁场为例 空间互感M大小的估算 直线电流I对测量回路S的互感 Page . 目录 1 电容耦合及其抗干扰对策 2 磁场耦合及其抗干扰对策 3 共阻抗耦合及抗干扰对策 4 共模干扰及其对策 5 测量系统输入级的两点接地 目录 1 电容耦合及其抗干扰对策 2 互感耦合及其抗干扰对策 3 共阻抗耦合及抗干扰对策 4 共模干扰及其对策 5 测量系统输入级的两点接地 6 滤波器 电压型干扰机理探秘 浮地的参考端 干扰源 脉冲功率电压，俗称“动点” 交流高电压 耦和途径——分布电容 受扰对象——附近的导体 干扰性质 穿透分布电容的共模电流ic（右图红虚线） Page . 常见“动点” 举例 动点——电容耦合型干扰的主要干扰源之一 电路中某个节点对周围导体的电压呈现为周期性功率脉冲电压，其du/dt值很高，俗称“动点” Boost电路 逆变H桥 反激式开关电源 估算穿透分布电容介质的电流 电路类型 特殊因素 估算ic （分布电容为10pF） 正弦稳态电路 高电压可达106V ic=UC =1063141010-12=3.14mA 功率开关电路 du/dt可达103/us ic=C du/dt =1010-12109=1mA * 电子电路中的工作电流和信号电流都在mA级 1 Page . PCB布局设计中浓缩“动点”的面积，相当于减小耦合电容的极板1面积 相当于减小耦合电容的极板2面积 相当于减小耦合电容的有效面积 Page . 抗干扰对策之一 优化布局设计减小耦合电容 减小干扰源导体的有效面积 线-线型干扰 避免平行布置 减小受扰导体的 有效面积 更多可能？ 抗干扰对策之二——共模电流的滤波 疏堵并举，围剿共模电流 疏：两个Y电容CY是共模电流的低阻泄洪通道 堵：共模电感只对共模电流呈高阻抗 共模电感的特点 对共模电流高阻抗 对差模电流（负载电流）无感抗 Page . 知识扩展：单级EMC滤波器典型电路 CX、CY为安规电容 共模电感仅对共模电流呈现高电抗，对工作电流零电抗 EMC滤波器常常用于交流电网与开关电源/变频电源之间（开关电源/变频电源常常会产生共模电流） 单级EMC滤波器不能覆盖150K-30MHz的标准频率范围 抗干扰对策之三——用静电屏蔽层切断电容耦合 信号电缆的屏蔽层只在测量仪器一端接地，而传感器不接地，防止由于两点接地引入额外的接地电位差耦合到测量仪器 Page . 采用导电性能好的导体作为信号电缆和仪器的外壳，并将它们接到一个固定电位上构成法拉第笼 目录 1 电容耦合及其抗干扰对策 2 互感耦合及其抗干扰对策 3 共阻抗耦合及抗干扰对策 4 共模干扰及其对策 5 测量系统输入级的两点接地 6 滤波器 揭秘电流型干扰源之干扰机理 干扰源——电流 脉冲功率电流 大交流电流 耦和途径——空间互感 受扰对象——附近的回路 干扰性质——差模电动势e 假设干扰源为直线电流 结论：减小互感耦合M 的办法 减小受扰回路面积S 增加距离d 减小 ——磁屏蔽 干扰源 Page . 抗干扰对策1：从干扰源入手 采用对折的电流回路，可大幅度减小回路电流产生的磁辐射 敏感的测量仪器/电路应置于磁场较弱的区域 电流回路不合理 测量电路位置不合理 测量回路面积太大 Page . 抗干扰对策2：从耦合途径入手 采用磁屏蔽，切断耦合途径 用导磁材料（钢材、铸铁、软磁粉材制成的隔磁片等）保护敏感的测量仪表/电路 良导体的涡流效应也可以屏蔽高频磁场 套磁性外壳前后的电感 Page . 抗干扰对策3：从受扰对象入手 增强受扰对象的抗干扰能力 尽可能减小敏感回路的感应面积 信号线采用屏蔽双绞线 Page . 抗干扰设计实例-反激开关电源 PWM控制 和反馈回路 动点 主电流回路与敏感的PWM控制和反馈回路隔开 高du/dt 节点俗称“动点”，作为分布电容的干扰极板，尽可能减小其等效面积，也就减小分布电容 开关电流主回路尽可能平行并走，控制合理间隔 Page . 目录 1 电容耦合及其抗干扰对策 2 磁场耦合及其抗干扰对策 3 共阻抗耦合及抗干扰对策 4 共模干扰及其对策 5 测量系统输入级的两点接地 6 滤波器 共模信号 共模电压：电压信号中共有的对地电压分量 共模电流：大小、方向相同的电流，与回路工作电流相反 共模电压VCM与差模电压VDIFF 共模电电流ICM与负载电流IL Page . 共模电压 Page . 常见的共模电压 电桥电路的输出 采样电流的电阻位于高端(high side) 三相电气设备(如电机)的供电回路中 逆变电路H桥高端 多点接地时出现不同地电位 输入级的两点接地可能引入额外的共模输入 Page . 传感器和前置放大电路都分别接地，不同接地点之间存在电位差Ug。当这个电位差与被测量的信号相比，在幅度上不能忽略时，它就会以共模信号的形式表现出来，并耦合到前置放大电路的输入端。 解决措施：为了避免因两点接地而造成不必要的共模输入，一般只在前置放大电路处一点接地，信号源采用差分输入 假设电桥平衡，则VC =VD =U/2，得下图： 共模电压信号如何转变成差模干扰？ 总结： 电桥平衡时，当放大电路存在输入失调时，输出非零 输出与共模分量大小和输入阻抗不平衡度成正比 当外部阻抗不平衡，即出现： 则有： Page . 高共模的另一个危害—阻塞输入信号 “共模六边形”上点F和C点就是所对应的横坐标就是共模阻塞电压。此时，差模输入无论多大，都不会在输出中得到反映。因为此时输入级晶体管已经处于饱和导通或截止状态。 显然，使用集成仪表放大器时，应当将共模输入分量限制在图中的AB或ED边线所对应当的范围以内。 共模输入对AD623可能的最大输出电压的影响 Page . 共模电压的抑制 Page . 1. 避免不必要的共模的产生，如前置放大电路避免多点接地 2. 选用低失调运放，对称的电路结构和参数 3. 如外部阻抗无法保证对称，可用共模分量去驱动输入信号屏蔽层减轻共模的影响 用DataGuard（共模分量）驱动输入电缆屏蔽层 AD522的Pin13输出就是缓冲过的共模输入电压分量 显然，这种方法不适用于共模分量高于仪表运放电源电压的情形 Page . 共模电流的滤波——EMC滤波器 疏堵并举，隔离共模电流 疏：两个Y电容CY是共模电流的低阻泄洪通道； CY为安规电容 堵：共模电感只对共模电流呈高电抗，对工作电流无电抗 EMC滤波器常常用于交流电网与开关电源/变频电源之间（开关电源/变频电源常常会产生共模电流） 单级EMC滤波器不能覆盖150K-30MHz的标准频率范围 共模电感原理 Page . AC� � � � � 传感器 CH� +Vcc • • • • • • Ri1 Ri2 Re Ce 仪器外壳 � • • • • U Z0-DZ Z0 Z0 Z0+DZ DVab=U*DZ/Z0 Va=0.5U+U*DZ/2Z0 b a VCM=0.5U � ± • • • • • • ZA ZB ZAE ZBE Ug=IgZg US Vcc A B Zg Ig � • • • ZA ZB ZAE ZBE Vcc UCM=U/2 A B DVAB ± • � • • • ZA ZB ZAE ZBE • • • • U Vcc Z0-DZ Z0 Z0 Z0+DZ - DV + A B DVAB C D C F E D A B 共模输入电压（V） 可能的最大输出电压（V） $$