第8章电气测量中的抗干扰技术 8.1电气测量干扰的三要素 任何干扰模型中都存在干扰源、干扰耦合途径和受扰对象三个方面，电气测量中的干 扰干扰问题也不例外。分析电气测量中的干扰问题，就可以从干扰源、干扰耦合途径和受 扰对象三个方面来展开。而抗干扰的总体原则是：首先从干扰源着手，应尽可能消除干扰 源或减小降低干扰源的干扰水平，其次是要提高测量和控制系统的抗干扰能力，还可以采 取经济可行的手段减小干扰源和测量系统的耦合程度。 8.1.1干扰源 电气测量中主要的干扰源可以概括为以下2大类类： ①电压型干扰源：高电压或功率斩波电压的 ②电流型干扰源：大电流和功率斩波电流 上面提到的“功率斩波”包含两层含义：首先是有一定的功率，其次是电压或电流的 变化率很大。例如，高频数字电路中电压脉冲是斩波电压信号，而非功率脉冲，其辐射范 围和强度很有限，干扰性较弱。再比如，电力电子电路中，功率回路中斩波开关元件IGBT 或MOSFET在执行开关操作时，就产生了功率斩波电压或功率斩波电流，它们分别会产生 很强的电场干扰和磁场辐射，是两种非常典型的电气干扰源。 8.1.2干扰耦合途径 不同的干扰源会通过不同的耦合途径干扰测量装置或电子电路。 电压型干扰源的耦合途径：干扰源节点导体通过空间电场或杂散电容与附近电路中的 导体发生电容耦合，干扰电流从干扰源节点穿透杂散电容耦合到附件导体上，这种电流如 耦合到独立的测量装置内部电子电路中，形成的则是共模干扰电流。 电流型干扰源的耦合途径：通过空间磁场或互感与周围的测量回路发生电磁交链，在 受扰回路中产生互感电动势，该互感电动势属于差模性质的干扰。 8.1.3受扰对象
第 8 章 电气测量中的抗干扰技术 8.1 电气测量干扰的三要素 任何干扰模型中都存在干扰源、干扰耦合途径和受扰对象三个方面，电气测量中的干 扰干扰问题也不例外。分析电气测量中的干扰问题，就可以从干扰源、干扰耦合途径和受 扰对象三个方面来展开。而抗干扰的总体原则是：首先从干扰源着手，应尽可能消除干扰 源或减小降低干扰源的干扰水平，其次是要提高测量和控制系统的抗干扰能力，还可以采 取经济可行的手段减小干扰源和测量系统的耦合程度。 8.1.1 干扰源 电气测量中主要的干扰源可以概括为以下 2 大类类： ① 电压型干扰源：高电压或功率斩波电压的 ② 电流型干扰源：大电流和功率斩波电流 上面提到的“功率斩波”包含两层含义：首先是有一定的功率，其次是电压或电流的 变化率很大。例如，高频数字电路中电压脉冲是斩波电压信号，而非功率脉冲，其辐射范 围和强度很有限，干扰性较弱。再比如，电力电子电路中，功率回路中斩波开关元件 IGBT 或 MOSFET 在执行开关操作时，就产生了功率斩波电压或功率斩波电流，它们分别会产生 很强的电场干扰和磁场辐射，是两种非常典型的电气干扰源。 8.1.2 干扰耦合途径 不同的干扰源会通过不同的耦合途径干扰测量装置或电子电路。 电压型干扰源的耦合途径：干扰源节点导体通过空间电场或杂散电容与附近电路中的 导体发生电容耦合，干扰电流从干扰源节点穿透杂散电容耦合到附件导体上，这种电流如 耦合到独立的测量装置内部电子电路中，形成的则是共模干扰电流。 电流型干扰源的耦合途径：通过空间磁场或互感与周围的测量回路发生电磁交链，在 受扰回路中产生互感电动势，该互感电动势属于差模性质的干扰。 8.1.3 受扰对象
·240· 电气及电子测量技术 显然，本课程中所讨论的一般受扰对象是电气测量装置。现代电气测量中广泛使用各 种数字化的测量装置，这类装置从电路上看，本质上都是由模拟调理电路和数字逻辑电路 构成的。其中数字逻辑电路的抗干扰能力比模拟调理电路强很多，模拟调理电路中最易受 干扰的则通常是小信号放大电路。该放大电路的输入回路是变化磁场耦合的对象，其输入 通道则是共模穿透电流的必经之路。 8.2电容耦合及其抗干扰对策 8.2.1电容耦合 图8-1中画出了一个由传感器、连接导线A和B、测量仪器构成的一个“独立”的测 量系统。图中的测量仪器采用了最常见的金属外壳保护接地而内部测量电路浮地的电气设 计，测量电路只画出了前置运算放大器，这也符合绝大多数测量设备的设计。 高电压或功率斩波电压 仪器外壳 ic=C*du/dt 图81电压型干扰源通过电容耦合测量系统示意图 当一根交流高压导体或功率脉冲电压导体位于该测量系统附近时，下面分别从电场和 电路两个角度来分析干扰源和测量系统是如何发生耦合的。 首先从空间电场的角度来分析干扰源和测量系统的耦合。通常，交流高压线在对地电 压为U,在高压线和大地间建立了电场E,定性分析时，认为E等于电压U和高压线距离 地面的高度h的比值，即E=U。处于该电场中的测量电路的某个导体的电位Ux正比于电 场强度E和其距地面高度的乘积。在该电压Ux的作用下，会产生对地的电流。 再从电路的角度来分析两个系统的电容耦合效应。干扰源导体、测量仪器导体以及它 们之间的空气介质就构成了分布式的杂散电容（图8-1中的CA,CB),并且干扰源导体与输 入信号线A、B平行布置时，由于这种布置相当于电容器极板有效面积为最大，所以杂散电 容也最大。当两个导体间的交流电压或脉冲发生变化时，从电路上理解，就有电容电流穿
·240· 电气及电子测量技术 显然，本课程中所讨论的一般受扰对象是电气测量装置。现代电气测量中广泛使用各 种数字化的测量装置，这类装置从电路上看，本质上都是由模拟调理电路和数字逻辑电路 构成的。其中数字逻辑电路的抗干扰能力比模拟调理电路强很多，模拟调理电路中最易受 干扰的则通常是小信号放大电路。该放大电路的输入回路是变化磁场耦合的对象，其输入 通道则是共模穿透电流的必经之路。 8.2 电容耦合及其抗干扰对策 8.2.1 电容耦合 图 8-1 中画出了一个由传感器、连接导线 A 和 B、测量仪器构成的一个“独立”的测 量系统。图中的测量仪器采用了最常见的金属外壳保护接地而内部测量电路浮地的电气设 计，测量电路只画出了前置运算放大器，这也符合绝大多数测量设备的设计。 传 感 器 CB CA A +Vcc • • • Ce 高电压或功率斩波电压 仪器外壳 iC=C*du/dt B 图 8-1 电压型干扰源通过电容耦合测量系统示意图 当一根交流高压导体或功率脉冲电压导体位于该测量系统附近时，下面分别从电场和 电路两个角度来分析干扰源和测量系统是如何发生耦合的。 首先从空间电场的角度来分析干扰源和测量系统的耦合。通常，交流高压线在对地电 压为 U，在高压线和大地间建立了电场 E，定性分析时，认为 E 等于电压 U 和高压线距离 地面的高度 h 的比值，即 E=U/h。处于该电场中的测量电路的某个导体的电位 Ux正比于电 场强度 E 和其距地面高度的乘积。在该电压 Ux的作用下，会产生对地的电流。 再从电路的角度来分析两个系统的电容耦合效应。干扰源导体、测量仪器导体以及它 们之间的空气介质就构成了分布式的杂散电容（图 8-1 中的 CA，CB），并且干扰源导体与输 入信号线 A、B 平行布置时，由于这种布置相当于电容器极板有效面积为最大，所以杂散电 容也最大。当两个导体间的交流电压或脉冲发生变化时，从电路上理解，就有电容电流穿
第8章电气测量中的抗千扰技术 ·241· 透空间分布电容流向测量电路，电压变化率越大，电容电流越大，耦合作用越强。 所以，电气测量系统虽然与干扰源没有显性的电气连接，但不同的电气系统间存在电 场或分布电容耦合，在强电环境下，这种耦合更不容忽视。 在图8-1中，由于空间分布电容的耦合，从干扰源导体出发的电流穿透耦合电容进入受 扰对象，在受扰对象的两个输入端，穿透电流双路并进且幅值基本一致，属于共模性质的 电流。由于电流具有沿闭合回路流通的属性，所以该电流还会寻找出一条阻抗最低的路径 (图中杂散电容Ce最大的路径)返回其源头。 电容耦合不仅在高压差的电气系统之间表现得很明显，在高速开关（包括半导体开关 元器件)动作导致的极高的电压变化率(d/r很大)更易通过杂散电容对附近的电路节点 产生干扰，这类干扰随着开关电源和变频电源广泛使用而越来越频繁地出现。这里以Boost 升压电路为例，如图8-2所示，MOSFET开关管的d极在驱动脉冲的作用下不断在近似地 电位和电位U。之间跳变，d极电位变化的速率可达10sV/S,如d极与s极的杂散电容Cs 为10OpF,则在MOSFET关断off时刻d极电位突然上升必然导致一个电容电流I.通过Cs 流过12的检流电阻，ie大小等于： dus=100pF×10=0.01A ie =Cos dt 通过检流电阻的电流由于。的存在会使得MOSFET关断时刻出现一个尖峰脉冲。如果 电路布局设计不合理，使得图8-2中两个虚线椭圆节点的导体间电容耦合较好（如节点覆盖 面积大，PCB板上两部分导线间距小且平行走线)，COs还会显著增大，由此产生的电容电 流i会更大，从示波器上观察流过检流电阻的电流在关断时刻出现的尖峰会更高。 图8-2Bo0st电路中斩波电压通过杂散电容产生干扰 8.2.2电容耦合的抗干扰措施 ①采用静电屏蔽层来隔离电场耦合的干扰 为了防止电压型干扰源通过杂散电容从信号输入连线耦合测量系统，可以采用导电性 能好的导体作为信号电缆的屏蔽层，如铜网或铝网，如图8-3所示。虽然信号线与接地屏蔽 层之间有分布电容，但整个屏蔽层通过固定接地成为一个等电位（零电位）体，电缆内部 就与外电场隔离了。 其次应注意图8-3中信号电缆的屏蔽层只在测量仪器一瑞接地，而传感器不接地，防止
第 8 章 电气测量中的抗干扰技术 ·241· 透空间分布电容流向测量电路，电压变化率越大，电容电流越大，耦合作用越强。 所以，电气测量系统虽然与干扰源没有显性的电气连接，但不同的电气系统间存在电 场或分布电容耦合，在强电环境下，这种耦合更不容忽视。 在图 8-1 中，由于空间分布电容的耦合，从干扰源导体出发的电流穿透耦合电容进入受 扰对象，在受扰对象的两个输入端，穿透电流双路并进且幅值基本一致，属于共模性质的 电流。由于电流具有沿闭合回路流通的属性，所以该电流还会寻找出一条阻抗最低的路径 （图中杂散电容 Ce 最大的路径）返回其源头。 电容耦合不仅在高压差的电气系统之间表现得很明显，在高速开关（包括半导体开关 元器件）动作导致的极高的电压变化率（du/dt 很大）更易通过杂散电容对附近的电路节点 产生干扰，这类干扰随着开关电源和变频电源广泛使用而越来越频繁地出现。这里以 Boost 升压电路为例，如图 8-2 所示，MOSFET 开关管的 d 极在驱动脉冲的作用下不断在近似地 电位和电位 Uo之间跳变，d 极电位变化的速率可达 108V/S，如 d 极与 s 极的杂散电容 Cos 为 100pF，则在 MOSFET 关断 off 时刻 d 极电位突然上升必然导致一个电容电流 Ic通过 Cos 流过 1的检流电阻，ic大小等于： ds 8 c OS du 100pF 10 0.01A d i C t 通过检流电阻的电流由于 ic 的存在会使得 MOSFET 关断时刻出现一个尖峰脉冲。如果 电路布局设计不合理，使得图 8-2 中两个虚线椭圆节点的导体间电容耦合较好（如节点覆盖 面积大，PCB 板上两部分导线间距小且平行走线），COS 还会显著增大，由此产生的电容电 流 ic会更大，从示波器上观察流过检流电阻的电流在关断时刻出现的尖峰会更高。 图 8-2 Boost 电路中斩波电压通过杂散电容产生干扰 8.2.2 电容耦合的抗干扰措施 ① 采用静电屏蔽层来隔离电场耦合的干扰 为了防止电压型干扰源通过杂散电容从信号输入连线耦合测量系统，可以采用导电性 能好的导体作为信号电缆的屏蔽层，如铜网或铝网，如图 8-3 所示。虽然信号线与接地屏蔽 层之间有分布电容，但整个屏蔽层通过固定接地成为一个等电位（零电位）体，电缆内部 就与外电场隔离了。 其次应注意图 8-3 中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
·242· 电气及电子测量技术 由于两点接地引入额外的接地电位差耦合到测量仪器。这一问题将会在后面详细阐述。 仪器外壳 +Vcc B 图8-3信号电缆屏蔽层接地防电场（电容）耦合 ②优化布局设计，减小耦合电容 耦合电容虽然是空间分布电容，但定性分析时，可以用集中参数电容来分析。根据平 板电容模型的计算公式，很容易推理出在测量系统设计布局时如何减小耦合电容的方法。 i.加大电容极板的间距 干扰源导体与附近受扰电路导体的距离就是分布电容的极板间距。 ⅱ.减小电容极板的有效面积 干扰源和受扰导体均可视为各自电路中的一个节点。测量系统布局设计时，在满足电 路功能的前提下，要尽可能减小这两个节点所覆盖的面积。 ③设计针对共模穿透电流的滤波器 图8-1中虚线所示的电流从干扰源所在电气系统穿透杂散电容进入测量系统，对测量系 统是一种“双路齐头并进”的共模性质的干扰电流。这种电流对测量系统中敏感环节会造 成不利的影响，尤其以小信号的前置放大电路、网络和通信部分最易受影响
·242· 电气及电子测量技术 由于两点接地引入额外的接地电位差耦合到测量仪器。这一问题将会在后面详细阐述。 传 感 器 CH +Vcc • • • • • Ce I U 仪器外壳 • CB CA A B • 图 8-3 信号电缆屏蔽层接地防电场（电容）耦合 ② 优化布局设计，减小耦合电容 耦合电容虽然是空间分布电容，但定性分析时，可以用集中参数电容来分析。根据平 板电容模型的计算公式，很容易推理出在测量系统设计布局时如何减小耦合电容的方法。 i. 加大电容极板的间距 干扰源导体与附近受扰电路导体的距离就是分布电容的极板间距。 ii．减小电容极板的有效面积 干扰源和受扰导体均可视为各自电路中的一个节点。测量系统布局设计时，在满足电 路功能的前提下，要尽可能减小这两个节点所覆盖的面积。 ③ 设计针对共模穿透电流的滤波器 图 8-1 中虚线所示的电流从干扰源所在电气系统穿透杂散电容进入测量系统，对测量系 统是一种“双路齐头并进”的共模性质的干扰电流。这种电流对测量系统中敏感环节会造 成不利的影响，尤其以小信号的前置放大电路、网络和通信部分最易受影响
第8章电气测量中的抗千扰技术 ·243· 高电压或功率斩波电压 仪器外壳 C 共模电感 +Vcc 阻 路 人人人 B CYA 径 (a)共模电流的滤波 (b)功率级的共模电感 图8-4共模穿透电流的滤波 上图中两个Y电容Cy通常在10310pF,比杂散电容C.大2-3个数量级，它们一起为 共模穿透电流提供了更低阻的回流路劲，而在测量系统信号输入级之前设置了高阻的共模 电感。图8-4(b)用一种结构清晰的功率级共模电感实物来清楚地显示共模电感的基本结 构：两股漆包线双线并绕，匝数一致，同时绕向要让差模电流在磁环中产生的磁场互相抵 消，而共模电流产生的磁场相互加强，所以只有当共模电流流过时才有电感，而对差模电 流（负载电流都是差模电流）则没有电感量。当然，图()中的共模电感为信号级，体积 小，一般绕指在专门制作的骨架上，内部结构(b)不像图那样容易看清楚。 图8-4(a)这种Y电容+共模电感”的滤波方法与人类常用的对付洪水的疏堵结合”的 方法非常类似，共模电感“筑坝阻拦”共模电流，而Y电容则“引流入江
第 8 章 电气测量中的抗干扰技术 ·243· 传 感 器 CB CA +Vcc • Ce 仪器外壳 高电压或功率斩波电压 CYB CYA A B 低 阻 路 径 高 阻 路 径 共模电感 （a）共模电流的滤波 (b)功率级的共模电感 图 8-4 共模穿透电流的滤波 上图中两个 Y 电容 CY 通常在 103104pF，比杂散电容 Ce大 2-3 个数量级，它们一起为 共模穿透电流提供了更低阻的回流路劲，而在测量系统信号输入级之前设置了高阻的共模 电感。图 8-4（b）用一种结构清晰的功率级共模电感实物来清楚地显示共模电感的基本结 构：两股漆包线双线并绕，匝数一致，同时绕向要让差模电流在磁环中产生的磁场互相抵 消，而共模电流产生的磁场相互加强，所以只有当共模电流流过时才有电感，而对差模电 流（负载电流都是差模电流）则没有电感量。当然，图（a）中的共模电感为信号级，体积 小，一般绕指在专门制作的骨架上，内部结构（b）不像图那样容易看清楚。 图 8-4（a）这种”Y 电容+共模电感”的滤波方法与人类常用的对付洪水的”疏堵结合”的 方法非常类似，共模电感“筑坝阻拦”共模电流，而 Y 电容则“引流入江