系統(tǒng)干擾信號(hào)分析及其抑制措施典例

丁筱玲 趙立新 施國(guó)英

山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 山東泰安 271018

系統(tǒng)干擾信號(hào)分析及其抑制措施典例

丁筱玲 趙立新 施國(guó)英

山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 山東泰安 271018

干擾在測(cè)量中是一種無(wú)用信號(hào)，為了有效抑制測(cè)試過(guò)程中的干擾，必須了解干擾來(lái)源及傳輸途徑，有針對(duì)性地選擇抗干擾措施。本文從干擾信號(hào)的來(lái)源分析入手，以電機(jī)性能測(cè)試系統(tǒng)中抗干擾電路設(shè)計(jì)為例，通過(guò)軟件仿真對(duì)信號(hào)干擾問(wèn)題加以研究探討，以期在各種不同情況下選取最恰當(dāng)?shù)目垢蓴_辦法，獲得最佳抑制效果。

測(cè)試系統(tǒng)；干擾；屏蔽；阻尼；濾波器

干擾的形成必須同時(shí)具有干擾源、干擾途徑、對(duì)噪聲敏感的接收電路3個(gè)條件，測(cè)試系統(tǒng)是獲得信息的電子設(shè)備，在測(cè)試工作中，由于干擾的普遍存在，任何測(cè)試結(jié)果總是達(dá)不到百分之百的準(zhǔn)確度，嚴(yán)重的干擾甚至?xí)绊憸y(cè)試系統(tǒng)的正常工作。因此，在設(shè)計(jì)、制造以及使用測(cè)試系統(tǒng)時(shí)，干擾成為不可回避的重要問(wèn)題。干擾產(chǎn)生的原因很多，一般分為內(nèi)部原因和外部原因。由內(nèi)部產(chǎn)生的干擾包括電路內(nèi)部的熱運(yùn)動(dòng)、機(jī)械振動(dòng)、感應(yīng)、自激震蕩、元件接觸不良、元件特性不良等產(chǎn)生的干擾。由外部原因產(chǎn)生的干擾分為自然干擾和人為干擾。

一、干擾的傳輸途徑

1.“路”的干擾

通過(guò)“路”的干擾通常分為以下幾種情況：泄漏電阻元件支架、探頭、接線柱、印刷電路以及電容器內(nèi)部或外殼等絕緣不良產(chǎn)生漏電流，引起干擾，兩個(gè)以上電路共有一部分阻抗，一個(gè)電路的電流流經(jīng)共阻抗所產(chǎn)生電壓降就成為其它電路的干擾源，形成共阻抗耦合干擾；電源線引入干擾交流供電線路現(xiàn)場(chǎng)的分布構(gòu)成吸收干擾的網(wǎng)絡(luò)。

2.“場(chǎng)”的干擾

通過(guò)“場(chǎng)”的干擾通常分為以下幾種情況：由于兩電路（或元件）之間存在著寄生電容，使一條支路上的電荷通過(guò)寄生電容傳到另支路上去，形成電場(chǎng)耦合干擾；通過(guò)磁場(chǎng)耦合的干擾；通過(guò)來(lái)自大功率高頻用電設(shè)備、廣播發(fā)射臺(tái)、電視發(fā)射臺(tái)等輻射磁場(chǎng)耦合的干擾。

二、常用抑制干擾的辦法

1.屏蔽

屏蔽的抗干擾功能基于屏蔽容器殼體對(duì)干擾信號(hào)的反射與吸收作用。用屏蔽的方式抑制輻射噪聲很有效。電動(dòng)機(jī)金屬外殼就起著屏蔽的作用，其屏蔽效果與材料的性能、輻射頻率、屏蔽殼體上存在的各種不連續(xù)的形狀和數(shù)量有關(guān)，由于電動(dòng)機(jī)外殼是由若干屏蔽體組合而成，因此要求每一條接縫都是電磁密封的，從而使屏蔽體具有良好的屏蔽效果。

2.隔離

在測(cè)控電路系統(tǒng)中，盡管從各方面加以注意，但由于分布參數(shù)無(wú)法完全控制，常常會(huì)形成寄生環(huán)路，從而引入電磁耦合干擾。為此在有些情況下，要采取隔離技術(shù)，以切斷可能形成的回路，提高測(cè)控系統(tǒng)的抗干擾能力。

3.阻尼

阻尼可有效地降低和減少瞬變過(guò)程電壓對(duì)系統(tǒng)回路中浪涌電壓對(duì)電動(dòng)機(jī)的干擾。一般可采用阻尼導(dǎo)線的方式，如以導(dǎo)電性橡膠線、浸碳纖維線、變距電阻繞線、磁性體繞線、雙電阻絲繞線和層蔽導(dǎo)線等幾種導(dǎo)線作為發(fā)電機(jī)的電源引出線。此外，阻尼導(dǎo)線還可減少和抑制電刷與換向器之間的火花放電干擾。

4.接地

接地的目的是為了消除各電路電流流經(jīng)一個(gè)公共地線阻抗產(chǎn)生的噪聲電壓以及避免形成回路。接地抑制噪聲的操作方式很重要。如果接地阻抗過(guò)大，則起不到良好的噪聲旁路作用。如果電動(dòng)機(jī)外殼做接地端子，則外殼上的油漆必須去掉，以便使導(dǎo)線良好與地接觸，不能單靠連接螺釘?shù)?～5牙螺紋來(lái)連接。

5.采用濾波器

濾波器按種類一般分為RC濾波器、LC濾波器、雙T濾波器和有源濾波器等；按被測(cè)信號(hào)頻率的相對(duì)位置低又分為低通濾波器、高通濾波器和帶通濾波器3種；隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，利用軟件編制的數(shù)字濾波器已開始得到廣泛應(yīng)用，這種基于軟件的濾波器常采用多級(jí)濾波的方式。

三、干擾抑制設(shè)計(jì)實(shí)例

實(shí)際應(yīng)用中，抑制干擾的方法還有很多，例如：可以從測(cè)試系統(tǒng)本身的設(shè)計(jì)、加工工藝等入手。下面就以電機(jī)性能測(cè)試系統(tǒng)干擾抑制的設(shè)計(jì)為例，探討一下測(cè)試設(shè)備中干擾問(wèn)題的具體解決辦法?？紤]到該設(shè)計(jì)的實(shí)際情況，這里選取濾波器方式來(lái)對(duì)干擾信號(hào)加以抑制。對(duì)于實(shí)際濾波器而言，考慮到實(shí)際組成元件的品質(zhì)因數(shù)的取值是一有限值（因?yàn)槭芟抻诓牧吓c工藝的水平），所以工程上的實(shí)用濾波器都是有損濾波器，對(duì)于這些濾波器還應(yīng)考慮通帶內(nèi)的最小插入衰減，這里主要采用濾波器變換的方法加以實(shí)現(xiàn)，通過(guò)對(duì)低通濾波器進(jìn)行頻率變換與阻抗變換，來(lái)得到新的目標(biāo)濾波器。

1. 濾波器的類型

濾波器主要分為3種：巴特沃斯響應(yīng)（最平坦響應(yīng)），它能夠最大化濾波器的通帶平坦度，該響應(yīng)非常平坦，接近dc信號(hào)，然后慢慢衰減至截止頻率點(diǎn)為-3db，最終逼近-20ndb/decade的衰減率，其中n為濾波器的階數(shù)；貝塞爾響應(yīng)，除了會(huì)改變依賴于頻率的輸入信號(hào)的幅度外，濾波器還會(huì)為其引入一個(gè)延遲，使得基于頻率的相移產(chǎn)生非正弦信號(hào)失真，最小化通帶的相位非線性；契比雪夫響應(yīng)，在一些應(yīng)用當(dāng)中，最為重要的因素是濾波器截?cái)嗖槐匾盘?hào)的速度，如果你可以接受通帶具有一些紋波，就可以得到比巴特沃斯濾波器更快速的衰減。

2.濾波器的選取及其電路設(shè)計(jì)

由于該設(shè)計(jì)中所選研究對(duì)象電機(jī)性能測(cè)試系統(tǒng)中的電流互感器TA21A和電壓互感器TV31的頻率允許范圍均為50Hz～400Hz，而試驗(yàn)樣機(jī)STC-5-2三相交流同步發(fā)電機(jī)的額定頻率為50Hz，所以在進(jìn)行濾波器的設(shè)計(jì)時(shí)，只要將高于50Hz的雜波濾掉即可。因此，可選用巴特沃斯低通濾波器，截止角頻率ω=50Hz。巴特沃斯二階低通濾波電路的設(shè)計(jì)（如圖1所示）。

圖1 巴特沃斯二階低通濾波電路

3.濾波器的電路仿真

該設(shè)計(jì)中，運(yùn)用Multisim9對(duì)所設(shè)計(jì)的巴特沃斯二階低通濾波電路進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。仿真實(shí)驗(yàn)中，由于交流電壓源與交流電流源的仿真實(shí)驗(yàn)類似，故只采用5V交流電壓源，頻率分別為50Hz、200Hz進(jìn)行測(cè)試.

(1)5V/50Hz交流電壓源示波器仿真實(shí)驗(yàn)

圖2是5V/50Hz交流電壓源示波器的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖，由該圖可以看出，50Hz的交流信號(hào)能夠順利通過(guò)本次設(shè)計(jì)的巴特沃斯二階低通濾波電路。

圖2 5V/50Hz時(shí)示波器仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

(2)5V/50Hz交流電壓源波特圖示儀仿真實(shí)驗(yàn)

圖3為5V/50Hz交流電壓源的波特圖示儀仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖，由該圖可以明顯看出低通濾波電路的通帶與阻帶。

圖3 5V/50Hz時(shí)波特圖仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

(3)5V/200Hz交流電壓源示波器仿真實(shí)驗(yàn)

對(duì)比圖2與圖3，由圖4可以看出，200Hz的交流信號(hào)在通過(guò)本次設(shè)計(jì)的巴特沃斯二階低通濾波電路時(shí)，信號(hào)的幅值被大大地衰減。

圖4 5V/200Hz時(shí)示波器仿真實(shí)驗(yàn)圖

四、結(jié)束語(yǔ)

在該題目設(shè)計(jì)過(guò)程中，相關(guān)人員還進(jìn)一步對(duì)300Hz、500Hz的交流信號(hào)做過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示：300Hz的交流信號(hào)通過(guò)該濾波電路時(shí)，信號(hào)幅值在幾十毫伏；當(dāng)500Hz交流信號(hào)源通過(guò)濾波電路時(shí)，仿真示波器上顯示近似一條直線。要想進(jìn)一步改善濾波電路的性能，可以增加濾波電路的階數(shù)，其幅頻響應(yīng)就會(huì)更接近理想特性。

[1]朱長(zhǎng)銀.基于低壓電力線擴(kuò)頻載波抄表技術(shù)的研究[D].河海大學(xué)碩士學(xué)位論文，2005

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[3]劉淑春.發(fā)電機(jī)電參量測(cè)試裝置的研制[D].重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007

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The example of measure about sistom’s interferance signal that being analysed and restrained

Ding Xiaoling, Zhao Lixin, Shi Guoying
Shandong agricultural university, Taian, 271018, China

Disturbance is a useless signal in measure. During determination, for to restrain the distrubance, its source and way must be found out and we nead choice correct measure for interference rejection. This paper begin with disturbance source, by the aid of example about interference rejection circuit design in generator property testing system, to research the question of interference rejection by software simulator, and select the proper way for it under difference situation, so to get the best effect.

testing system; interference; shield damp; smoothing

book=37,ebook=555

2010-03-06

丁筱玲，研究生，副教授，電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心主任。