測試系統中干擾及其形成機理

摘要：闡述了測試系統中的各類(lèi)干擾，并對其產(chǎn)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(jìn)行抑制，增強抗干擾的效果。

隨著(zhù)國民經(jīng)濟和社會(huì )生產(chǎn)的迅速發(fā)展，測試系統已經(jīng)廣泛應用到科學(xué)研究和生產(chǎn)實(shí)踐的各個(gè)領(lǐng)域。由于存在干擾，它對測試系統的穩定度和精確度受到了直接的影響，嚴重時(shí)可使測試系統不能正常工作。因此，從系統的設計、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。所以對干擾的研究是測試技術(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，經(jīng)過(guò)耦合通道達到受感器上，構成整個(gè)系統的干擾。干擾的三個(gè)環(huán)節，稱(chēng)之為干擾系統的三要素，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(chǎn)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。

為了討論方便，將干擾源分為來(lái)自測試系統外部和同部的兩個(gè)方面，現分別給予討論。

1 來(lái)自測試系統外部的干擾

1.1 自然干擾

自然干擾包括雷達、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(xiàn)上產(chǎn)生輻值很高的高頻涌浪電壓，對系統形成的干擾。太陽(yáng)黑子的電磁輻射能量很強，可造成無(wú)線(xiàn)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，對低頻系統影響甚微。

1.2 放電干擾

1.2.1 電暈放電

最常見(jiàn)的電暈放電來(lái)自高壓輸出線(xiàn)。高壓輸電線(xiàn)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(xiàn)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(shí)，衰減微弱；當頻率高于1MHz時(shí)，急劇衰減。因此電暈放電干擾對高頻系統影響不大，而對低頻系統影響較為嚴重，應引起注意。

1.2.2 輝光放電

輝光放電即氣體放電。當兩個(gè)接點(diǎn)之間的氣體被電離時(shí)，由于離子磁撞而產(chǎn)生輝光放電，肉眼可見(jiàn)到藍色的輝光。輝光放電所需電壓與接點(diǎn)之間的距離、氣體類(lèi)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氧化爐等，均是利用這一原理制造的輝光放電設備。這類(lèi)設備對測試系統都是干擾源，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?；」夥烹姰a(chǎn)生高頻振蕩，以電波形式形成干擾。這種干擾對測試系統危害較大，甚至對具有專(zhuān)門(mén)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(shí)，干擾電壓最低仍可達1000μV；當頻率為2.5～150MHz時(shí)，也可達200μV。

1.2.4 火花放電

電氣設備觸點(diǎn)處的繼續電流將引起火花放電。這種放電出現在觸點(diǎn)通斷的瞬間，如電動(dòng)機、電刷同鄰近的整流片反復接通和斷開(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(xiàn)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)。

內燃機點(diǎn)火系統是一個(gè)很強的干擾源。這種點(diǎn)火系統產(chǎn)生強烈的沖擊電流，從而激勵附屬電路振蕩，并由點(diǎn)火導線(xiàn)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(kāi)關(guān)通、斷時(shí)并不都會(huì )產(chǎn)生放電現象，但由于通、斷時(shí)產(chǎn)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(guò)開(kāi)關(guān)連線(xiàn)輻射出去。

1.3 工頻干擾

供電設備和輸出線(xiàn)都產(chǎn)生工頻干擾，這種干擾隨處可見(jiàn)。低頻信號只要有一段與供電線(xiàn)平行，50Hz交流電就會(huì )耦合到信號線(xiàn)上成為干擾。

直流電源輸出端也可能出現不同程度的交流干擾，它發(fā)生在系統內部，待討論系統內部干擾時(shí)再述。

1.4 射頻干擾

通信設備、無(wú)線(xiàn)電廣播、電視、雷達等通過(guò)天線(xiàn)會(huì )發(fā)射強烈的電波，高頻加熱設備也會(huì )產(chǎn)生射頻輻射。電磁波在測試系統的傳輸線(xiàn)上以及接收天線(xiàn)上，會(huì )感位出大小不等的射頻信號。有的電磁波在接收天線(xiàn)上產(chǎn)生的電動(dòng)勢比欲接收的信號電動(dòng)勢大上萬(wàn)倍。這類(lèi)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(chǎn)生的靜電作為能源來(lái)說(shuō)是很小的，但是電壓可達數萬(wàn)伏。帶有高電位的人接觸測試系統時(shí)，人體上的電荷會(huì )向系統放電，急劇的放電電流造成噪聲干擾，能影響測試系統的正常工作。

2 來(lái)自測試系統的內部的干擾

2.1 電源干擾

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

當系統與其它經(jīng)常變動(dòng)的大負載共用電源時(shí)，會(huì )產(chǎn)生電源噪聲。

當使用較長(cháng)的電源引線(xiàn)來(lái)進(jìn)行傳輸時(shí)，所產(chǎn)生電壓降及感應電勢等也會(huì )形成噪聲。

系統所需的直流電源，一般均為由電網(wǎng)交流電經(jīng)濾波、穩壓后提供，有時(shí)會(huì )因某種原因凈化不佳，對系統產(chǎn)生干擾。這種干擾常給高精度系統帶來(lái)麻煩，應引起重視。

2.2 地線(xiàn)干擾

測試系統往往共用一個(gè)直流電源或不同電源共用一個(gè)地線(xiàn)。因此，當各部分電路的電流均流過(guò)公共地線(xiàn)時(shí)，會(huì )在其上產(chǎn)生電壓降，形成相互影響的噪聲干擾信號。這種情況在數字電路和模擬電路共地時(shí)非常明顯。圖2（a）中Rcm是模擬系統和數字系統的公共接地線(xiàn)的電阻。通常，數字系統的入地電流比模擬系統大得多，并且有較大的波動(dòng)噪音。即使Rcm很小，數字電路也會(huì )在其兩端形成較高電壓，使模擬系統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，數字系統的入地電流（若為2A）在Rcm（若為0.01Ω）上產(chǎn)生電壓（20mV），此電壓與測量電壓Vs疊加。若Vs=100mV，那么測量精度將會(huì )低于20%。

2.3 信號通道的耦合干擾

往往傳感器設在生產(chǎn)現場(chǎng)，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(cháng)的信號傳輸線(xiàn)，信號在傳輸過(guò)程中很容量受到干擾，導致所傳輸的信號發(fā)生畸變或失真，所產(chǎn)生的干擾主要有：傳輸線(xiàn)周?chē)臻g電磁場(chǎng)對傳輸線(xiàn)的電磁感應干擾；當兩條或兩條以上信號強弱不同的線(xiàn)相互靠得很近時(shí)，通過(guò)線(xiàn)間分布電路和互感而形成的線(xiàn)間干擾，即輸線(xiàn)間的串擾。

2.3.1 容性（電場(chǎng)）耦合干擾

當干擾源產(chǎn)生的干擾是以電壓形式出現時(shí)，干擾源與信號電路之間就存在容性（電場(chǎng)）耦合，這時(shí)干擾電壓線(xiàn)電容耦合到信號電路，形成干擾源。

對于平行導線(xiàn)，由于分布電容較大，容性耦合較嚴重。在圖3（a）中，導線(xiàn)1和導線(xiàn)2是兩條平行線(xiàn)，C1和C2分別是各線(xiàn)對地的分布電容，C12是兩線(xiàn)間分布的耦合電容，V1是導線(xiàn)1對地電壓，R是導線(xiàn)2對地電阻。由圖3（b）等效電路可得導線(xiàn)1電壓通過(guò)耦合導線(xiàn)2上產(chǎn)生的電壓V2為：

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

V2=C12V1/（C12+C2） （2）

此時(shí)V2按電容分壓，這種耦合情況是嚴重的。

當R1/jω(C12+C2)時(shí)，則式（1）可簡(jiǎn)化為：

V2=jωC12RV1 (3)

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

2.3.2 感性（磁性）耦合

當干擾源是以電流形式出現的，此電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)通過(guò)互感耦合對鄰近信號形成干擾。圖4是互感耦合示意圖，兩鄰近導互之間存在分布互感M,M=φ/I1（其中，I1是流過(guò)導線(xiàn)1的電流，φ是電流I1產(chǎn)生的與導線(xiàn)2交線(xiàn)的磁通），由互感耦合在導線(xiàn)2上形成的互感電壓為V2=2ωMI1,此電壓在導線(xiàn)上是串聯(lián)的。從式中可知V2與干擾的頻率和互感量成正比。

2.4 測試系統內部的其它干擾

測試系統由于設計不良或某些器件在工作時(shí)會(huì )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來(lái)說(shuō)卻不可忽視。

2.4.1 溫差電勢

當電流回路的導線(xiàn)采用不同的金屬，并且在連接處具有不同的溫度時(shí)，則在回路內將產(chǎn)生溫差電勢。在圖5中，如一支路R為康銅，另一支路RL為銅，則溫差電勢V0=V01-V02=1～100μV，此電勢將疊加到測量電壓Vm上，使得終結果為Vm+V0。

2.4.2 電阻熱噪音

熱噪音是電阻一類(lèi)導體由于電子布朗運行而引起的噪音。導體中的電子始終在作隨機運行，并與分子一起處于平衡狀態(tài)。電子的這種隨機運行將會(huì )產(chǎn)生一個(gè)交流成份，這個(gè)交流成份就稱(chēng)為熱噪音（或稱(chēng)為電阻噪音）。熱噪音可用尼奎斯特公式計算，其中k為波爾茲曼常數，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(shí)，熱噪音電壓。

2.4.3 轉接干擾

電路轉接過(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接過(guò)程。這種轉接過(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 壓電效應干擾

彎折電纜時(shí)，若介質(zhì)中產(chǎn)生機械力，就會(huì )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(cháng)度L=5m，電纜電容C=500pF，則彎折電纜時(shí)產(chǎn)生的電壓為：

V=Q/C=10 -10/(5×100×10 -12)=200（mV）

弄清楚干擾源是首要條件，否則抗干擾措施都無(wú)從下手。為達到抑制干擾的目的，本文所著(zhù)重論述的干擾源的情況，都是筆者多年在設計及工作實(shí)踐中的體會(huì )。值得一提的是：在測試系統中，干擾的來(lái)源是非常復雜的，并非所有干擾都會(huì )同時(shí)出現在同一個(gè)測試系統中，在實(shí)踐操作過(guò)程中，只有根據現場(chǎng)的具體情況來(lái)取舍。