測試系統(tǒng)中干擾及其形成機理

摘要：闡述了測試系統(tǒng)中的各類干擾，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，以便于對其進行抑制，增強抗干擾的效果。

隨著國民經(jīng)濟和社會生產(chǎn)的迅速發(fā)展，測試系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到科學(xué)研究和生產(chǎn)實踐的各個領(lǐng)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(shè)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(shù)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(jīng)過耦合通道達到受感器上，構(gòu)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(dāng)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，將干擾源分為來自測試系統(tǒng)外部和同部的兩個方面，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

自然干擾包括雷達、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(chǎn)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(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，衰減微弱；當(dāng)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(yīng)引起注意。

1.2.2 輝光放電

輝光放電即氣體放電。當(dāng)兩個接點之間的氣體被電離時，由于離子磁撞而產(chǎn)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(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(shè)備。這類設(shè)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?；」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(tǒng)危害較大，甚至對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，干擾電壓最低仍可達1000μV；當(dāng)頻率為2.5～150MHz時，也可達200μV。

1.2.4 火花放電

電氣設(shè)備觸點處的繼續(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(fù)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(nèi)燃機點火系統(tǒng)是一個很強的干擾源。這種點火系統(tǒng)產(chǎn)生強烈的沖擊電流，從而激勵附屬電路振蕩，并由點火導(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50～100m的范圍。

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

1.3 工頻干擾

供電設(shè)備和輸出線都產(chǎn)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(nèi)部，待討論系統(tǒng)內(nèi)部干擾時再述。

1.4 射頻干擾

通信設(shè)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(shè)備也會產(chǎn)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，會感位出大小不等的射頻信號。有的電磁波在接收天線上產(chǎn)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(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)的內(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)常變動的大負載共用電源時，會產(chǎn)生電源噪聲。

當(dāng)使用較長的電源引線來進行傳輸時，所產(chǎn)生電壓降及感應(yīng)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(wǎng)交流電經(jīng)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(chǎn)生干擾。這種干擾常給高精度系統(tǒng)帶來麻煩，應(yīng)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(dāng)各部分電路的電流均流過公共地線時，會在其上產(chǎn)生電壓降，形成相互影響的噪聲干擾信號。這種情況在數(shù)字電路和模擬電路共地時非常明顯。圖2（a）中Rcm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Rcm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，那么測量精度將會低于20%。

2.3 信號通道的耦合干擾

往往傳感器設(shè)在生產(chǎn)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(nèi)。兩者之間需要很長的信號傳輸線，信號在傳輸過程中很容量受到干擾，導(dǎo)致所傳輸?shù)男盘柊l(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對傳輸線的電磁感應(yīng)干擾；當(dāng)兩條或兩條以上信號強弱不同的線相互靠得很近時，通過線間分布電路和互感而形成的線間干擾，即輸線間的串?dāng)_。

2.3.1 容性（電場）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，干擾源與信號電路之間就存在容性（電場）耦合，這時干擾電壓線電容耦合到信號電路，形成干擾源。

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

當(dāng)R>>1/jω(C12+C2)時，式（1）可簡化為：

V2=C12V1/（C12+C2） （2）

此時V2按電容分壓，這種耦合情況是嚴重的。

當(dāng)R1/jω(C12+C2)時，則式（1）可簡化為：

V2=jωC12RV1 (3)

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。

2.3.2 感性（磁性）耦合

當(dāng)干擾源是以電流形式出現(xiàn)的，此電流所產(chǎn)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(dǎo)互之間存在分布互感M,M=φ/I1（其中，I1是流過導(dǎo)線1的電流，φ是電流I1產(chǎn)生的與導(dǎo)線2交線的磁通），由互感耦合在導(dǎo)線2上形成的互感電壓為V2=2ωMI1,此電壓在導(dǎo)線上是串聯(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(tǒng)內(nèi)部的其它干擾

測試系統(tǒng)由于設(shè)計不良或某些器件在工作時會形成干擾。這些內(nèi)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(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，則在回路內(nèi)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(jié)果為Vm+V0。

2.4.2 電阻熱噪音

熱噪音是電阻一類導(dǎo)體由于電子布朗運行而引起的噪音。導(dǎo)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產(chǎn)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式計算，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(dāng)T=300K，R=1MΩ，Δf=400Hz時，熱噪音電壓。

2.4.3 轉(zhuǎn)接干擾

電路轉(zhuǎn)接過程中通常會產(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)接過程。這種轉(zhuǎn)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(chǎn)生微音干擾。

2.4.5 壓電效應(yīng)干擾

彎折電纜時，若介質(zhì)中產(chǎn)生機械力，就會引起壓電效應(yīng)干擾。例如，感應(yīng)電荷為Q=10 -10A·s，電纜電容率C/L=100pF/m，電纜長度L=5m，電纜電容C=500pF，則彎折電纜時產(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(shè)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(fù)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。