测试系统的抗干扰技术测量过程中,除待测量信号外,各种不可见的,随机的信号可能出现在测量系统中 。 这些信号与有用信号叠加在一起,严重扭曲测量结果 。
测量系统射线辐射干扰电磁干扰机械干扰热干扰光干扰湿度变化干扰化学干扰一、干扰源
1、机械干扰,
是由于机械振动或冲击，使检测装置中的元件发生振动、
变形，使连接线发生位移，使指针发生抖动。
声波的干扰类似于机械振动，从效果上看，也可以列入这一类。
抗机械干扰主要采用减震措施，如减震弹簧、减震橡皮垫等。
2、热干扰,
工作时，检测系统产生的热量所引起温度波动和环境温度的变化等引起检测电路元器件参数发生变化，或产生附加的热电动势等。
抗热干扰主要采用：
1）采用热屏蔽，如将关键元器件用导热良好的金属屏蔽罩包围起来。
2）采用恒温措施，如将基准稳压管（与精度密切相关的器件）置于恒温槽中。
3）电路采用对称平衡结构，如差动放大电路、桥式电路等。
4）采用温度补偿元件，如温补电阻。
3、光干扰,
检测系统广泛采用半导体元器件，半导体材料在光线的作用下会激发出电子空穴对，使半导体元器件产生电势或引起阻值的变化。
抗光干扰主要采用光屏蔽，如将对光敏感的半导体元器件用不透光的屏蔽罩包围起来。
4、湿度变化干扰,
湿度增加会使元件的绝缘电阻下降，漏电流增加，高值电阻阻值下降，电介质的介电常数增加，吸潮的线圈骨架膨胀等等。
抗湿度干扰主要采用密封防潮措施，如将电气元件印刷电路板浸漆、环氧树脂封灌和硅橡胶封灌等。
5、化学干扰,
如酸碱盐及腐蚀性气体会通过化学腐蚀作用损坏检测位置。
抗化学干扰主要采用良好的密封和注意清洁。
6、电磁干扰,
电和磁可以通过电路和磁路对检测系统产生干扰作用。
电场和磁场的变化也会在有关电路中感应出干扰电压。
电磁干扰对于检测系统来说是最为普遍和影响最严重的干扰。有关抑制电磁干扰的方法下面将进一步讨论。
7、射线辐射干扰,
射线会使气体电离，半导体激发电子空穴对和金属逸出电子等。
因此，用于原子能、核装置等领域的检测系统尤其要注意射线辐射干扰。
二、干扰途径
1.噪声：
各种干扰在检测系统的输出端往往反映为一些与检测量无关的信号，这些无用的信号称为噪声。
2.干扰途径：
噪声通过一定的途径侵入检测装置才会对测量结果造成影响。干扰的途径有,路,和,场,两种形式。
凡噪声通过电路的形式作用于被干扰对象的，都属于
,路,干扰。如通过漏电流引入的干扰。
凡噪声通过电场、磁场的形式作用于被干扰对象的，都属于,场,干扰。如通过分布电容、分布电感引入的干扰。
1),路,干扰：
（ 1） 漏电流耦合形成的干扰：
是由于绝缘不良，电流经绝缘电阻的漏电流所引起的干扰，如图。
En
Ra
Zi UN
噪声电势漏电阻干扰电路的输入阻抗干扰电压其中：
n
a
i
N
n
ia
i
N
E
R
Z
U
E
ZR
Z
U
漏电流耦合形成的干扰经常发生在下列情况：
# 当用传感器测量较高的直流电压时。
# 在传感器附近有较高的直流电压源时。
# 在高输入阻抗的直流放大电路中。
如图，设直流放大电路的输入阻抗 Zi=108Ω,En=15V,Ra=1010Ω
VE
ZR
Z
U
E
ZR
Z
U
n
ia
i
N
n
ia
i
N
149.015
1010
10
810
8
可得由
En
Ra
ZiUNUi Uo
噪声经导线耦合到电路中去是最明显的干扰现象。
当导线经过有噪声的环境时，即拾取噪声，并经导线传送到电路而造成干扰。如经电源线引入的噪声。
E
ZiUi Uo
+ 电源线
（ 2）传导耦合形成的干扰：
共阻抗耦合是由于两个电路共有的阻抗，当一个电路张有电流流过时，通过共有的阻抗便在另一个电路上产生干扰电压。如几个电路由同一个电源供电时，会通过电源内阻互相干扰，在放大器中，各级放大器通过接地线电阻互相干扰。
如图，为共阻抗耦合等效电路。图中,ZC- 两个电路共有的阻抗,
In-噪声电流源,UN-被干扰电路感应的电压。
。同阻抗消除几个电路之间的共是可见：消除干扰的核心
C
CnN
Z
ZIU
（ 3）共阻抗耦合形成的干扰：
In
Zi
ZC UN
2),场,干扰
(1)静电耦合形成的干扰电场耦合实质上是电容性耦合，它是由于两个电路之间存在寄生电容，可使一个电路的电荷变化影响到另一个电路。
如图，为两根导线 1,2之间通过电容性耦合形成的干扰。图中：
C12-导线 1,2间的分布电容,C2,R2 -导线 1对地电容、电阻,UN1-导线 1
噪声电压,UNO -导线 2感应出来的噪声干扰电压。当 R2 比 (C12+C2 )的阻抗小得多时,可求得 UNO
2
1
UN1
C1
C2
UNOC12
R2
等效电路电容性耦合示意图
1122 NNO UCRjU
C12
R2UN1
UNO
C1 C2
由上式可以得到下面结论：
# 被接收的噪声干扰电压 UNO与噪声源的角频率 ω成正比。这表明：频率越高，静电耦合干扰越严重。但是，对于微弱信号（极低电平）的接受电路，即使在音频范围（ 20 Hz~20KHz），静电耦合干扰也不能忽视。
# 干扰电压 UNO与 接受电路的输入电阻 R2成正比。这表明：降低接受电路的输入电阻 R2，可减少静电耦合干扰。对于微弱信号（极低电平）的放大器，其输入电阻应尽可能低，一般希望在数百欧姆以下。
# 干扰电压 UNO正比 于噪声源与 接受电路之间的 分布电容 C12。 这表明：
减小 分布电容 C12，可降低静电耦合干扰。通常采用合理布线和适当防护措施减小 分布电容 。
电容性耦合示意图
1122 NNO UCRjU
注意：
当有几个噪声源同时经 静电耦合干扰同一接收电路，只要是线形电路，就可以使用迭加原理进行分析。
2
1
UN1
C1
C2
UN
O
C12
R2
(2)电磁耦合形成的干扰电磁耦合又称互感耦合，它是由于两个电路之间存在互感，一个电路的电流变化，通过磁交链会影响到另一个电路。
如图，为电磁耦合干扰等效电路。图中,M12-1,2两个电路之间的互感系数,In-电路 1噪声电流源,UNO -电路 2通过电磁耦合感应出来的噪声干扰电压。令噪声源的角频率为 ω,可求得 UNO
电磁耦合干扰等效电路
nNO IMjU 12
比如，在传感器内部，线圈或变压器的漏磁对邻近电路会产生严重干扰；在电子装置外部，当两根导线在较长一段区间平行架设时，也会产生电磁耦合干扰。
In
M12
R
UNO
1 2
电磁耦合干扰等效电路
nNO IMjU 12
显然，对于电磁耦合干扰，降低传感器的输入阻抗，并不会减少干扰。电磁耦合干扰电压是与传感器接收电路导线相串联的，这不同于电场耦合干扰。
由上式可以得到下面结论：
# 被接收的噪声干扰电压 UNO与噪声源的角频率 ω成正比。
# 干扰电压 UNO与噪声源的电流 In成正比。
# 干扰电压 UNO正比 于噪声源 电路 与 接受电路之间的 互感系数 M12。
In
M12
R
UNO
1 2
(3)辐射电磁场耦合形成的干扰辐射电磁场通常来源于大功率高频电气设备、
广播发射台、电视发射台等。
比如，在辐射电磁场中放置一个导体，则在导体上产生正比于电场强度 E的感应电动势 。配电线，特别是架空配电线都将在辐射电磁场中 感应出干扰电动势，并通过供电线路侵入传感器，造成干扰。
在大功率广播发射机附近的强电磁场中，传感器的外壳或传感器内部尺寸较小的导体也能感应出较大的干扰电势。如，当中波广播发射的垂直极化波的强度为 100mV/m，长度为 10cm的垂直导体可以产生 5mV 的感应电动势。
三、抑制干扰的基本措施途径
1.形成干扰的三要素：
形成干扰必须同时具备三项因素：干扰源、干扰途径以及对噪声敏感性较高的接收电路 —检测装置的前级电路。
干扰源 干扰途径 接收器形成干扰的三要素之间的联系
2.抑制干扰的基本措施：
消除干扰源是积极主动的措施。继电器、接触器和断路器等的电触点，在通断电时的电火花是较强的干扰源，可以采取触点消弧电容等。对于接触不良、电路接头松动、虚焊也是造成干扰的原因，
应于消除。
某些自然现象的干扰，邻近工厂用电设备的干扰等，就必须采取保护措施来抑制干扰源。
1）消除或抑制干扰源
2）破坏干扰途径
# 对于,路,形式干扰：
采用提高绝缘性能的办法来抑制漏电流干扰；
采用隔离变压器、光电耦合器等切断环路干扰途径；
采用滤波器、扼流圈等技术，将干扰信号除去；
对于数字信号采用整形、限幅等信号处理方法切断干扰；
改变接地形式以消除共阻抗耦合干扰等。
3）削弱接收电路对于干扰信号的敏感性电路设计、系统结构等都与干扰有关。比如：高输入阻抗比低输入阻抗易受干扰；布局松散的电子装置比结构紧凑的电子装置更易受干扰；模拟电路比数字电路的抗干扰的能力差。
因此，系统布局要合理，设计电路要用对干扰信号不敏感的电路。
# 对于以,场,形式的干扰，一般采用各种屏蔽措施。
总的来说，消除干扰的措施可以用疾病预防来比喻：
消灭病菌来源，阻止病菌传播和提高人体抵抗能力。
四、抗干扰的技术
1.屏蔽技术
1）静电屏蔽 原理：在静电场中，密闭的空心导体内部无电力线，
即内部各点的电位相等。实际以铜或铝等导电良好地金属为材料，制作封闭地金属容器，并将金属容器与地线连接。
2）电磁屏蔽 原理：利用电涡流原理，使高频干扰磁场在屏蔽金属内产生电涡流，消耗干扰磁场的能量，并利用涡流磁场抵消高频干扰磁场。实际将电磁屏蔽层接地，同时兼有静电屏蔽作用。如通常使用的铜质网状屏蔽电缆线。
3）低频磁屏蔽 原理：在低频磁场中，电涡流作用不太明显，因此，采用高导磁材料做屏蔽层，使低频干扰磁力线限制在磁阻很小的屏蔽层内。在干扰严重的地方常采用复合屏蔽电缆。最外层是低磁导率、高饱和的铁磁材料，最里层是铜质电磁屏蔽层，以进一步消耗干扰磁场能量。
工业中将屏蔽线穿在铁质蛇皮管或普通铁管内，达到双重屏蔽目的。
滤波技术的基本用途是选择信号和抑制干扰，为实现这两大功能而设计的网络都称为滤波器。通常按功用可把滤波器分为信号选择滤波器和电磁干扰 (EMI)滤波器两大类。
2.滤波技术电源
L
N
E 滤波器测量电路滤波器显示滤 波 器传 感 器滤波器抑制检测系统干扰的原理框图信号选择滤波器是以有效去除不需要的信号分量，同时是对被选择信号的幅度相位影响最小的滤波器。
电磁干扰滤波器是以能够有效抑制电磁干扰为目标的滤波器。电磁干扰滤波器常常又分为信号线 EMI滤波器、电源 EMI滤波器、印刷电路板
EMI滤波器、反射 EMI滤波器、隔离 EMI滤波器等几类。
电源
L
N
E 滤波器测量电路滤波器显示滤 波 器传 感 器滤波器抑制检测系统干扰的原理框图线路板上的导线是最有效的接收和辐射天线，由于导线的存在，往往会使线路板上产生过强的电磁辐射。
同时，这些导线又能接受外部的电磁干扰，使电路对干扰很敏感。
在导线上使用信号滤波器是一个解决高频电磁干扰辐射和接收很有效的方法。
脉冲信号的高频成分很丰富，这些高频成分可以借助导线辐射，使线路板的辐射超标。信号滤波器的使用可使脉冲信号的高频成分大大减少，由于高频信号的辐射效率较高，这个高频成分的减少，线路板的辐射将大大改善。
电源线是电磁干扰传入设备和传出设备主要途径。通过电源线，电网上的干扰可以传入设备，干扰设备的正常工作。同样，设备的干扰也可以通过电源线传到电网上，对网上其它设备造成干扰。
为了防止这两种情况的发生，必须在设备的电源入口处安装一个低通滤波器，这个滤波器只容许设备的工作频率 (50Hz,60Hz,400Hz)通过，
而对较高频率的干扰有很大的损耗，由于这个滤波器专门用于设备电源线上，所以称为电源线滤波器。
电源线上的干扰电路以两种形式出现。一种是在火线零线回路中，
其干扰被称为差模干扰。另一种是在和火线、零线与地线和大地的回路中，称为共模干扰。
通常 200Hz以下时，差模干扰成分占主要部分。 1MHz以上时，共模干扰成分占主要成分。
电源滤波器对差模干扰和共模干扰都有抑制作用，但由于电路结构不同，对差模干扰和共模干扰的抑制效果不一样。所以滤波器的技术指标中有差模插入损耗和共模插入损耗之分。
使用滤波器一般要求将干扰衰减 100%以上。选用滤波器应考虑以下几点：
# 测量电路的输出阻抗和前级放大器的输入阻抗；
# 滤波器的时间常数对检测系统性能的影响；
# 滤波器的频率特性对检测系统性能的影响；
# 滤波器的体积、安装及制造工艺。
电源
L
N
E 滤波器测量电路滤波器显示滤 波 器传 感 器滤波器抑制检测系统干扰的原理框图接地技术最早是应用在强电系统（电力系统、输变电设备、电气设备）
中，为了设备和人身的安全，将接地线直接接在大地上。由于大地的电容非常大，一般情况下可以将大地的电位视为零电位。
后来，接地技术延伸应用到弱电系统中。对于电力电子设备将接地线直接接在大地上或者接在一个作为参考电位的导体上，当电流通过该参考电位时，不应产生电压降。然而由于不合理的接地，反而会引入了电磁干扰，比如共地线干扰、地环路干扰等，从而导致电力电子设备工作不正常。
因此。接地技术是电力电子设备电磁兼容技术的重要内容之一，有必要对接地技术进行详细探讨。
3.接地技术电气设备～ 220V
L
N
E 地线外壳大地
1） 接地的种类和目的电力电子设备一般是为以下几种目的而接地：
（ 1） 安全接地安全接地即将机壳接大地 。 一是防止机壳上积累电荷,产生静电放电而危及设备和人身安全；二是当设备的绝缘损坏而使机壳带电时,促使电源的保护动作而切断电源,以便保护工作人员的安全 。
（ 2） 防雷接地当电力电子设备遇雷击时,不论是直接雷击还是感应雷击,电力电子设备都将受到极大伤害 。 为防止雷击而设置避雷针,以防雷击时危及设备和人身安全 。
上述两种接地主要为安全考虑，均要直接接在大地上。
电气设备～ 220V
L
N
E 地线外壳大地
（ 3） 工作接地工作接地是为电路正常工作而提供的一个基准电位 。 该基准电位可以设为电路系统中的某一点,某一段或某一块等 。
当该基准电位不与大地连接时,视为 相对的零电位 。 这种相对的零电位会随着外界电磁场的变化而变化,从而导致电路系统工作的不稳定 。
当该基准电位与大地连接时,基准电位视为 大地的零电位,而不会随着外界电磁场的变化而变化 。 但是不正确的工作接地反而会增加干扰 。
比如共地线干扰,地环路干扰等 。
为防止各种电路在工作中产生互相干扰，使之能相互兼容地工作。
根据电路的性质，将工作接地分为不同的种类，比如直流地、交流地、
数字地、模拟地、信号地、功率地、电源地等。上述不同的接地应当分别设置。
（ a）信号地信号地是各种物理量的传感器和信号源零电位的公共基准地线 。
由于信号一般都较弱,易受干扰,因此对信号地的要求较高 。
（ b） 模拟地模拟地是模拟电路零电位的公共基准地线 。 由于模拟电路既承担小信号的放大,又承担大信号的功率放大；既有低频的放大,又有高频放大；因此模拟电路既易接受干扰,又可能产生干扰 。 所以对模拟地的接地点选择和接地线的敷设更要充分考虑 。
（ c） 数字地数字地是数字电路零电位的公共基准地线。由于数字电路工作在脉冲状态，特别是脉冲的前后沿较陡或频率较高时，易对模拟电路产生干扰。所以对数字地的接地点选择和接地线的敷设也要充分考虑。
（ d）电源地电源地是电源零电位的公共基准地线 。 由于电源往往同时供电给系统中的各个单元,而各个单元要求的供电性质和参数可能有很大差别,因此既要保证电源稳定可靠的工作,又要保证其它单元稳定可靠的工作 。
（ e） 功率地功率地是负载电路或功率驱动电路的零电位的公共基准地线。由于负载电路或功率驱动电路的电流较强、电压较高，所以功率地线上的干扰较大。因此功率地必须与其它弱电地分别设置，以保证整个系统稳定可靠的工作。
工作接地按工作频率而采用以下几种接地方式：
(1） 单点接地工作频率低 （ <1MHz） 的采用单点接地式 （ 即把整个电路系统中的一个结构点看作接地参考点,所有对地连接都接到这一点上,并设置一个安全接地螺栓 ）,以防两点接地产生共地阻抗的电路性耦合 。
2)接地方式
Ui U
O
+ Vcc
电路原理图
Ui U
O
+ Vcc
公共参考端实际采用一点接地方法
（ a）单级电路的一点接地原则：各点接地时，应接在公共参考端附近。
实际应用采用串联式和并联式两种。
（ #）串联式：数字电路或放大倍数不大的模拟电路种采用，
布线简单，易产生共阻耦合干扰。但注意，公用地线面积应尽可能大，以减小地线内阻；把最低电平的电路放在距离接地点最近的地方，即 A 点。
（ #）并联式：需要好多根地线，布线复杂，不易产生共阻耦合干扰。但在高频时易引起各地线之间的互感耦合干扰，因此，只在频率 1MHz 以下采用。高频时，应采用大面积地线面积，允许多点接地。
（ b）多级电路的一点接地原则：
电路 1 电路 3电路 2
I1 I2 I3R3R2R1
I3+ I3I2+ I3+ I2I1
A CB
电路 1 电路 3电路 2
I1 I2 I3
R3R2R1
A CB
串联式 并联式为防止工频和其它杂散电流在信号地线上产生干扰,信号地线应与功率地线和机壳地线相绝缘 。 且只在功率地,机壳地和接往大地的接地线的安全接地螺栓上相连 （ 浮地式除外 ） 。
地线的长度与截面的关系为：
S > 0.83L
式中,L——地线的长度,m；
S——地线的截面,mm2。
(2)多点接地工作频率高 （ >30MHz） 的采用多点接地式 （ 即在该电路系统中,用一块接地平板代替电路中每部分各自的地回路 ） 。
因为接地引线的感抗与频率和长度成正比,工作频率高时将增加共地阻抗,从而将增大共地阻抗产生的电磁干扰,所以要求地线的长度尽量短 。
采用多点接地时,尽量找最接近的低阻值接地面接地 。
(3)混合接地工作频率介于 1～ 30MHz的电路采用混合接地式 。 当接地线的长度小于工作信号波长的 1/20时,采用单点接地式,否则采用多点接地式 。
浮置又称浮空、浮接，它指是模拟信号的零信号电位公共线（模拟信号地线）不接机壳或大地。对于被浮置地测量系统，测量电路与机壳或大地之间无直接关系，如图。
系统被浮置后，明显加大了信号放大器的公共地线与大地（或外壳）
之间的阻抗，因此，大大减小了干扰漏电流。
浮置不可能,完全浮空,。因为，虽然信号放大器的公共地线与大地（或外壳）之间的阻抗很大（绝缘级电阻），可以大大减小电阻性漏电流干扰，但是它们之间仍然存在寄生电容，即容性漏电流干扰还存在。
(4) 浮置技术
B1
前置放大器功率放大器
B2
B3
～ 220V
+
外壳测量装置传感器外屏蔽层信号传输线浮置的温度测量系统
(1) 对接地电阻的要求接地电阻越小越好，因为当有电流流过接地电阻时，其上将产生电压。该电压除产生共地阻抗的电磁干扰外，还会使设备受到反击过电压的影响，并使人员受到电击伤害的威胁。因此一般要求接地电阻小于
4Ω ；对于移动设备，接地电阻可小于 10Ω 。
3)接地电阻
(2) 降低接地电阻的方法接地电阻由接地线电阻,接触电阻和地电阻组成 。 为此降低接地电阻的方法有以下三种：
——降低接地线电阻,为此要选用总截面大和长度短的多股细导线 。
——降低接触电阻,为此要将接地线与接地螺栓,接地极紧密又牢靠地连接并要增加接地极和土壤之间的接触面积与紧密度 。
——降低地电阻，为此要增加接地极的表面积和增加土壤的导电率
（如在土壤中注入盐水）。
(3) 接地电阻的计算垂直接地极接地电阻 R为：
R = 0.366(ρ/L)lg(4L/d)Ω
式中,ρ——土壤电阻率,Ω·m；
L——接地极在地中的深度,m；
d——接地极的直径,m。
例如,黄土 ρ 取 200Ω ·m,L为 2cm,d为 0.05m,则垂直接地极接地电阻 R为 80.67Ω 。 如在土壤中注入盐水,使 ρ 降为 20Ω ·m时 。 则接地极接地电阻 R为 8.067Ω 。
一台设备要实现设计要求,往往含有多种电路,比如低电平的信号电路 （ 如高频电路,数字电路,模拟电路等 ）,
高电平的功率电路 （ 如供电电路,继电器电路等 ） 。 为了安装电路板和其它元器件,为了抵抗外界电磁干扰而需要设备具有一定机械强度和屏蔽效能的外壳 。
设备的接地应当注意以下几点：
——50Hz电源零线应接到安全接地螺栓处,对于独立的设备
,安全接地螺栓设在设备金属外壳上,并有良好电连接；
——为防止机壳带电,危及人身安全,不许用电源零线作地线代替机壳地线；
4)设备地
——为防止高电压,大电流和强功率电路 （ 如供电电路,继电器电路 ） 对低电平电路 （ 如高频电路,数字电路,模拟电路等 ） 的干扰,将它们的接地分开 。 前者为功率地 （ 强电地
）,后者为信号地 （ 弱电地 ）,而信号地又分为数字地和模拟地,信号地线应与功率地线和机壳地线相绝缘；
——对于信号地线可另设一信号地螺栓（和设备外壳相绝缘
），该信号地螺栓与安全接地螺栓的连接有三种方法（取决于接地的效果）：一是不连接，而成为浮地式；二是直接连接，而成为单点接地式；三是通过一 3μF 电容器连接，而成为直流浮地式，交流接地式。其它的接地最后汇聚在安全接地螺栓上（该点应位于交流电源的进线处），然后通过接地线将接地极埋在土壤中。
系统的接地应当注意以下几点：
——参照设备的接地注意事项；
——设备外壳用设备外壳地线和机柜外壳相连；
——机柜外壳用机柜外壳地线和系统外壳相连；
——对于系统,安全接地螺栓设在系统金属外壳上,并有良好电连接；
5)系统地
——当系统内机柜,设备过多时,将导致数字地线,模拟地线,功率地线和机柜外壳地线过多 。 对此,可以考虑铺设两条互相并行并和系统外壳绝缘的半环形接地母线,一条为信号地母线,一条为屏蔽地及机柜外壳地母线；系统内各信号地就近接到信号地母线上,系统内各屏蔽地及机柜外壳地就近接到屏蔽地及机柜外壳地母线上；两条半环形接地母线的中部靠近安全接地螺栓,屏蔽地及机柜外壳地母线接到安全接地螺栓上；信号地母线接到信号地螺栓上；
——当系统用三相电源供电时,由于各负载用电量和用电的不同时性,
必然导致三相不平衡,造成三相电源中心点电位偏移,为此将电源零线接到安全接地螺栓上,迫使三相电源中心点电位保持零电位,从而防止三相电源中心点电位偏移所产生的干扰；
——接地极用镀锌钢管,其外直径不小于 50mm,长度不小于 2.0m；埋设时,将接地极打入地表层一定深度,并倒入盐水,一般要求接地电阻小于 4Ω,对于移动设备,接地电阻可小于 10Ω 。
电路隔离的主要目的是通过隔离元器件把噪声干扰的路径切断,从而达到抑制噪声干扰的效果 。 在采用了电路隔离的措施以后,绝大多数电路都能够取得良好的抑制噪声的效果,使设备符合电磁兼容性的要求 。
电路隔离主要有：
模拟电路的隔离,数字电路的隔离,数字电路与模拟电路之间的隔离 。
4、检测系统的电路隔离技术数字电路的隔离主要有：
脉冲变压器隔离,继电器隔离,光电耦合器隔离,光纤隔离等
。 其中数字量输入隔离方式主要采用脉冲变压器隔离,光电耦合器隔离；而数字量输出隔离方式主要采用光电耦合器隔离,继电器隔离,高频变压器隔离 （ 个别情况下采用 ） 。
模拟电路的隔离模拟电路的隔离比较复杂,主要取决于对传输通道的精度要求
,对精度要求越高,其通道的成本也就越高；然而,当性能的要求上升为主要矛盾时,应当以性能为主选择隔离元器件,把成本放在第二位；反之,应当从价格的角度出发选择隔离元器件 。
模拟电路的隔离主要采用变压器隔离,互感器隔离,直流电压隔离器隔离,线性隔离放大器隔离 。
模拟电路与数字电路之间的隔离主要采用模 /数转换装置；对于要求较高的电路,除采用模 /数转换装置外,还应在模 /数转换装置的两端分别加入模拟隔离元器件和数字隔离元器件 。
1） 模拟电路的隔离一套控制装置或者一台电子电气设备,通常包含供电系统,模拟信号测量系统,模拟信号控制系统 。
供电系统又可分为交流供电系统和直流供电系统,交流供电系统主要采用变压器隔离,直流供电系统主要采用直流电压隔离器隔离 。
模拟信号测量系统相对来说比较复杂,既要考虑其精度,频带宽度的因素,又要考虑其价格因素；对于高电压,大电流信号,一般采用互感器 （ 电压互感器,电流互感器 ） 隔离法,近年来,又出现了霍尔变送器,这些元器件都是高电压,大电流信号测量常规使用的元器件；对于微电压,微电流信号,一般采用线性隔离放大器 。
模拟信号控制系统与模拟信号测量系统的隔离类似,一般采用变压器,直流电压隔离器 。
（ 1） 供电系统的隔离
（ a） 交流供电系统的隔离由于交流电网中存在着大量的谐波,雷击浪涌,高频干扰等噪声,所以对由交流电源供电的控制装置和电子电气设备,都应采取抑制来自交流电源干扰的措施 。
采用电源隔离变压器,可以有效地抑制窜入交流电源中的噪声干扰 。 但是,普通变压器却不能完全起到抗干扰的作用,这是因为,虽然一次绕组和二次绕组之间是绝缘的,能够阻止一次侧的噪声电压,电流直接传输到二次侧,有隔离作用 。
然而,由于分布电容 （ 绕组与铁心之间,绕组之间,层匝之间和引线之间 ） 的存在,交流电网中的噪声会通过分布电容耦合到二次侧 。 为了抑制噪声,必须在绕组间加屏蔽层,这样就能有效地抑制噪声,消除干扰,提高设备的电磁兼容性 。 图 (a),(b)所示为不加屏蔽层和加屏蔽层的隔离变压器分布电容的情况 。
变 压 器 隔 离随着技术的进步,国外已研制成功了专门抑制噪声的隔离变压器 （
NoiseCutoutTransformer,简称 NCT）,这是一种绕组和变压器整体都有屏蔽层的多层屏蔽变压器 。
这类变压器的结构,铁心材料,形状及其线圈位置都比较特殊,它可以切断高频噪声漏磁通和绕组的交链,从而使差模噪声不易感应到二次侧,故这种变压器既能切断共模噪声电压,又能切断差模噪声电压,
是比较理想的隔离变压器 。
变 压 器 隔 离
（ b） 直流供电系统的隔离当控制装置和电子电气设备的内部子系统之间需要相互隔离时,它们各自的直流供电电源间也应该相互隔离,其隔离方式如下：第一种是在交流侧使用隔离变压器,如图 （ a） 所示；第二种是使用直流电压隔离器 （ 即 DC/DC变换器 ）,如图 （ b） 所示 。
直 流 电 源 系 统 的 隔 离
(a)交 流 侧 隔 离 (b)直 流 隔 离
(2） 模拟信号测量系统的隔离对于具有直流分量和共模噪声干扰比较严重的场合,在模拟信号的测量中必须采取措施,使输入与输出完全隔离,
彼此绝缘,消除噪声的耦合 。 隔离对系统有如下好处：
——防止模拟系统干扰,尤其是电力系统的接地干扰进入逻辑系统,导致逻辑系统的工作紊乱；
——在精密测量系统中,防止数字系统的脉冲波动干扰进入模拟系统,尤其是前置放大部分,因为前置放大部分的信号非常微弱,较小的骚扰波动信号就会把有用信号淹没 。
（ a） 高电压,大电流信号的隔离高电压,大电流信号采用互感器隔离,其抑制噪声的原理与隔离变压器类似,这里不再赘述 。 互感器隔离的应用如图所示 。
互 感 器 隔 离 电 路
（ b） 微电压,微电流信号的隔离微电压,微电流模拟信号的隔离系统相对来说比较复杂,既要考虑其精度,频带宽度的因素,又要考虑其价格因素 。 一般情况下,对于较小量的共模噪声,采用差动放大器或仪表放大器就能够取得良好的效果,但对于具有较大量的共模噪声,且测量精度要求比较高的场合,应该选择高精度线性隔离放大器,如 BB公司的 ISO106,其主要参数如下：
——交流耐压 3 5kV/1min,60Hz；
——直流耐压 4 95kV；
——冲击耐压 8kVPK/10s；
——非线性误差 0.007％ ；
——隔离噪声抑制比交流 130dB,直流 160dB。
ISO106的优秀参数,使其大量地应用于精密测量系统中,线性隔离放大器的应用如图所示 。
线 性 隔 离 放 大 器
(3） 数字电路的隔离与模拟系统类似,一套控制装置,或者一台电子电气设备,通常所包含的数字系统有：数字信号输入系统,数字信号输出系统 。 数字量输入系统主要采用脉冲变压器隔离,光电耦合器隔离；而数字量输出系统主要采用光电耦合器隔离,继电器隔离,个别情况也可采用高频变压器隔离 。
（ a） 光电耦合器隔离光电耦合器件是一种,电 → 光 → 电,耦合元件 。 它输入是电流,输出也是电流,两者之间在电气方面却是绝缘的 。 如图 （ a）,（ b） 所示 。
光 电 耦 合 器 电 路目前，大多数光电耦合器件的隔离电压都在 2.5kV以上，有些器件达到了 8kV，既有高压大电流大功率光电耦合器件，又有高速高频光电耦合器件（频率高达 10MHz）。常用的器件如,4N25，其隔离电压为 5.3kV； 6N137，其隔离电压为 3kV，频率在 10MHz以上。
在检测系统使用光电耦合器件越来越多，如图。
采用线形光电耦合器件的前置放大电路原理框图信号源
UO
预放大器线形光电耦合器件电源 1
放大器电源 2
UN
ZN1 ZN2
光电耦合器件特点：
# 输入、输出回路绝缘电阻高（大于 1010Ω）、耐压超过 1KV。
# 光传输是单向，所以输出回路信号不会反馈影响输入回路 。
# 输入、输出回路完全隔离，能很好解决不同电位、不同逻辑电路之间的隔离和传输问题 。如比较彻底地切断大地电位差形成地环路电流。
采用线形光电耦合器件的前置放大电路原理框图信号源
UO
预放大器线形光电耦合器件电源 1
放大器电源 2
UN
ZN1 ZN2
（ b） 脉冲变压器隔离脉冲变压器的匝数较少，而且一次绕组和二次绕组分别绕于铁氧体磁芯的两侧，这种工艺使得它的分布电容特小，仅为几个 pF，所以可作为脉冲信号的隔离元件。
脉冲变压器传递输入、输出脉冲信号时，不传递直流分量，因而在微电子技术控制系统中得到了广泛的应用。一般地说，脉冲变压器的信号传递频率在 1kHz～ 1MHz之间，新型的高频脉冲变压器的传递频率可达到 10MHz。图（ a）是脉冲变压器的示意图。脉冲变压器主要用于晶闸管
（ SCR）、大功率晶体管（ CTR）,IGBT等可控器件的控制隔离中。图（ b
）是脉冲变压器的应用实例。
脉 冲 变 压 器 的 应 用
（ a）脉 冲 变 压 器 (b) 脉 冲 变 压 器 应 用 于 开 关 电 源 中
（ c） 继电器隔离继电器是常用的数字输出隔离元件，用继电器作为隔离元件简单实用，价格低廉。
图是继电器输出隔离的实例示意图。在该电路中，通过继电器把低压直流与高压交流隔离开来，使高压交流侧的干扰无法进入低压直流侧。
继电器隔离
(4） 模拟电路与数字电路之间的隔离一般地说，模拟电路与数字电路之间的转换通过模数转换器（ A/D）
或数模转换器（ D/A）来实现。但是，若不采取一定的措施，数字电路中的高频振荡信号就会对模拟电路带来一定的干扰，影响测量的精度。
为了抑制数字电路对模拟电路带来的高频干扰，一般须将模拟地与数字地分开布线，参见图。
一 点 接 地一 点 接 地,这种布线方式不能彻底排除来自数字电路的高频干扰，
要想排除来自数字电路的高频干扰，必须把数字电路与模拟电路隔离开来
，常用的隔离方法是在 A/D转换器与数字电路之间加入光电耦合器，把数字电路与模拟电路隔离开，参见图。
单 端 隔 离 的 数 模 转 换 电 路单 端 隔 离 的 数 模 转 换 电 路,这种电路还不能从根本上解决模拟电路中的干扰问题，仍然存在着一定的缺陷，这是因为信号电路中的共模干扰和差模干扰没有得到有效的抑制，对于高精密测量的场合，还不能满足要求。
对于具有严重干扰的测量场合，可采用下图所示的电路。在该电路中
，把信号接收部分与模拟处理部分也进行了隔离，因为在前置处理级与模数转换器（ A/D）之间加入线性隔离放大器，把信号地与模拟地隔开，同时在模数转换器（ A/D）与数字电路之间采用光电耦合器隔离，把模拟地与数字地隔开，这样一来，既防止了数字系统的高频干扰进入模拟部分，
又阻断了来自前置电路部分的共模干扰和差模干扰。当然，这种系统的造价较高，一般只用于高精度的测量系统中。
双 端 隔 离 的 数 模 转 换 电 路
测量系统射线辐射干扰电磁干扰机械干扰热干扰光干扰湿度变化干扰化学干扰一、干扰源
1、机械干扰,
是由于机械振动或冲击，使检测装置中的元件发生振动、
变形，使连接线发生位移，使指针发生抖动。
声波的干扰类似于机械振动，从效果上看，也可以列入这一类。
抗机械干扰主要采用减震措施，如减震弹簧、减震橡皮垫等。
2、热干扰,
工作时，检测系统产生的热量所引起温度波动和环境温度的变化等引起检测电路元器件参数发生变化，或产生附加的热电动势等。
抗热干扰主要采用：
1）采用热屏蔽，如将关键元器件用导热良好的金属屏蔽罩包围起来。
2）采用恒温措施，如将基准稳压管（与精度密切相关的器件）置于恒温槽中。
3）电路采用对称平衡结构，如差动放大电路、桥式电路等。
4）采用温度补偿元件，如温补电阻。
3、光干扰,
检测系统广泛采用半导体元器件，半导体材料在光线的作用下会激发出电子空穴对，使半导体元器件产生电势或引起阻值的变化。
抗光干扰主要采用光屏蔽，如将对光敏感的半导体元器件用不透光的屏蔽罩包围起来。
4、湿度变化干扰,
湿度增加会使元件的绝缘电阻下降，漏电流增加，高值电阻阻值下降，电介质的介电常数增加，吸潮的线圈骨架膨胀等等。
抗湿度干扰主要采用密封防潮措施，如将电气元件印刷电路板浸漆、环氧树脂封灌和硅橡胶封灌等。
5、化学干扰,
如酸碱盐及腐蚀性气体会通过化学腐蚀作用损坏检测位置。
抗化学干扰主要采用良好的密封和注意清洁。
6、电磁干扰,
电和磁可以通过电路和磁路对检测系统产生干扰作用。
电场和磁场的变化也会在有关电路中感应出干扰电压。
电磁干扰对于检测系统来说是最为普遍和影响最严重的干扰。有关抑制电磁干扰的方法下面将进一步讨论。
7、射线辐射干扰,
射线会使气体电离，半导体激发电子空穴对和金属逸出电子等。
因此，用于原子能、核装置等领域的检测系统尤其要注意射线辐射干扰。
二、干扰途径
1.噪声：
各种干扰在检测系统的输出端往往反映为一些与检测量无关的信号，这些无用的信号称为噪声。
2.干扰途径：
噪声通过一定的途径侵入检测装置才会对测量结果造成影响。干扰的途径有,路,和,场,两种形式。
凡噪声通过电路的形式作用于被干扰对象的，都属于
,路,干扰。如通过漏电流引入的干扰。
凡噪声通过电场、磁场的形式作用于被干扰对象的，都属于,场,干扰。如通过分布电容、分布电感引入的干扰。
1),路,干扰：
（ 1） 漏电流耦合形成的干扰：
是由于绝缘不良，电流经绝缘电阻的漏电流所引起的干扰，如图。
En
Ra
Zi UN
噪声电势漏电阻干扰电路的输入阻抗干扰电压其中：
n
a
i
N
n
ia
i
N
E
R
Z
U
E
ZR
Z
U
漏电流耦合形成的干扰经常发生在下列情况：
# 当用传感器测量较高的直流电压时。
# 在传感器附近有较高的直流电压源时。
# 在高输入阻抗的直流放大电路中。
如图，设直流放大电路的输入阻抗 Zi=108Ω,En=15V,Ra=1010Ω
VE
ZR
Z
U
E
ZR
Z
U
n
ia
i
N
n
ia
i
N
149.015
1010
10
810
8
可得由
En
Ra
ZiUNUi Uo
噪声经导线耦合到电路中去是最明显的干扰现象。
当导线经过有噪声的环境时，即拾取噪声，并经导线传送到电路而造成干扰。如经电源线引入的噪声。
E
ZiUi Uo
+ 电源线
（ 2）传导耦合形成的干扰：
共阻抗耦合是由于两个电路共有的阻抗，当一个电路张有电流流过时，通过共有的阻抗便在另一个电路上产生干扰电压。如几个电路由同一个电源供电时，会通过电源内阻互相干扰，在放大器中，各级放大器通过接地线电阻互相干扰。
如图，为共阻抗耦合等效电路。图中,ZC- 两个电路共有的阻抗,
In-噪声电流源,UN-被干扰电路感应的电压。
。同阻抗消除几个电路之间的共是可见：消除干扰的核心
C
CnN
Z
ZIU
（ 3）共阻抗耦合形成的干扰：
In
Zi
ZC UN
2),场,干扰
(1)静电耦合形成的干扰电场耦合实质上是电容性耦合，它是由于两个电路之间存在寄生电容，可使一个电路的电荷变化影响到另一个电路。
如图，为两根导线 1,2之间通过电容性耦合形成的干扰。图中：
C12-导线 1,2间的分布电容,C2,R2 -导线 1对地电容、电阻,UN1-导线 1
噪声电压,UNO -导线 2感应出来的噪声干扰电压。当 R2 比 (C12+C2 )的阻抗小得多时,可求得 UNO
2
1
UN1
C1
C2
UNOC12
R2
等效电路电容性耦合示意图
1122 NNO UCRjU
C12
R2UN1
UNO
C1 C2
由上式可以得到下面结论：
# 被接收的噪声干扰电压 UNO与噪声源的角频率 ω成正比。这表明：频率越高，静电耦合干扰越严重。但是，对于微弱信号（极低电平）的接受电路，即使在音频范围（ 20 Hz~20KHz），静电耦合干扰也不能忽视。
# 干扰电压 UNO与 接受电路的输入电阻 R2成正比。这表明：降低接受电路的输入电阻 R2，可减少静电耦合干扰。对于微弱信号（极低电平）的放大器，其输入电阻应尽可能低，一般希望在数百欧姆以下。
# 干扰电压 UNO正比 于噪声源与 接受电路之间的 分布电容 C12。 这表明：
减小 分布电容 C12，可降低静电耦合干扰。通常采用合理布线和适当防护措施减小 分布电容 。
电容性耦合示意图
1122 NNO UCRjU
注意：
当有几个噪声源同时经 静电耦合干扰同一接收电路，只要是线形电路，就可以使用迭加原理进行分析。
2
1
UN1
C1
C2
UN
O
C12
R2
(2)电磁耦合形成的干扰电磁耦合又称互感耦合，它是由于两个电路之间存在互感，一个电路的电流变化，通过磁交链会影响到另一个电路。
如图，为电磁耦合干扰等效电路。图中,M12-1,2两个电路之间的互感系数,In-电路 1噪声电流源,UNO -电路 2通过电磁耦合感应出来的噪声干扰电压。令噪声源的角频率为 ω,可求得 UNO
电磁耦合干扰等效电路
nNO IMjU 12
比如，在传感器内部，线圈或变压器的漏磁对邻近电路会产生严重干扰；在电子装置外部，当两根导线在较长一段区间平行架设时，也会产生电磁耦合干扰。
In
M12
R
UNO
1 2
电磁耦合干扰等效电路
nNO IMjU 12
显然，对于电磁耦合干扰，降低传感器的输入阻抗，并不会减少干扰。电磁耦合干扰电压是与传感器接收电路导线相串联的，这不同于电场耦合干扰。
由上式可以得到下面结论：
# 被接收的噪声干扰电压 UNO与噪声源的角频率 ω成正比。
# 干扰电压 UNO与噪声源的电流 In成正比。
# 干扰电压 UNO正比 于噪声源 电路 与 接受电路之间的 互感系数 M12。
In
M12
R
UNO
1 2
(3)辐射电磁场耦合形成的干扰辐射电磁场通常来源于大功率高频电气设备、
广播发射台、电视发射台等。
比如，在辐射电磁场中放置一个导体，则在导体上产生正比于电场强度 E的感应电动势 。配电线，特别是架空配电线都将在辐射电磁场中 感应出干扰电动势，并通过供电线路侵入传感器，造成干扰。
在大功率广播发射机附近的强电磁场中，传感器的外壳或传感器内部尺寸较小的导体也能感应出较大的干扰电势。如，当中波广播发射的垂直极化波的强度为 100mV/m，长度为 10cm的垂直导体可以产生 5mV 的感应电动势。
三、抑制干扰的基本措施途径
1.形成干扰的三要素：
形成干扰必须同时具备三项因素：干扰源、干扰途径以及对噪声敏感性较高的接收电路 —检测装置的前级电路。
干扰源 干扰途径 接收器形成干扰的三要素之间的联系
2.抑制干扰的基本措施：
消除干扰源是积极主动的措施。继电器、接触器和断路器等的电触点，在通断电时的电火花是较强的干扰源，可以采取触点消弧电容等。对于接触不良、电路接头松动、虚焊也是造成干扰的原因，
应于消除。
某些自然现象的干扰，邻近工厂用电设备的干扰等，就必须采取保护措施来抑制干扰源。
1）消除或抑制干扰源
2）破坏干扰途径
# 对于,路,形式干扰：
采用提高绝缘性能的办法来抑制漏电流干扰；
采用隔离变压器、光电耦合器等切断环路干扰途径；
采用滤波器、扼流圈等技术，将干扰信号除去；
对于数字信号采用整形、限幅等信号处理方法切断干扰；
改变接地形式以消除共阻抗耦合干扰等。
3）削弱接收电路对于干扰信号的敏感性电路设计、系统结构等都与干扰有关。比如：高输入阻抗比低输入阻抗易受干扰；布局松散的电子装置比结构紧凑的电子装置更易受干扰；模拟电路比数字电路的抗干扰的能力差。
因此，系统布局要合理，设计电路要用对干扰信号不敏感的电路。
# 对于以,场,形式的干扰，一般采用各种屏蔽措施。
总的来说，消除干扰的措施可以用疾病预防来比喻：
消灭病菌来源，阻止病菌传播和提高人体抵抗能力。
四、抗干扰的技术
1.屏蔽技术
1）静电屏蔽 原理：在静电场中，密闭的空心导体内部无电力线，
即内部各点的电位相等。实际以铜或铝等导电良好地金属为材料，制作封闭地金属容器，并将金属容器与地线连接。
2）电磁屏蔽 原理：利用电涡流原理，使高频干扰磁场在屏蔽金属内产生电涡流，消耗干扰磁场的能量，并利用涡流磁场抵消高频干扰磁场。实际将电磁屏蔽层接地，同时兼有静电屏蔽作用。如通常使用的铜质网状屏蔽电缆线。
3）低频磁屏蔽 原理：在低频磁场中，电涡流作用不太明显，因此，采用高导磁材料做屏蔽层，使低频干扰磁力线限制在磁阻很小的屏蔽层内。在干扰严重的地方常采用复合屏蔽电缆。最外层是低磁导率、高饱和的铁磁材料，最里层是铜质电磁屏蔽层，以进一步消耗干扰磁场能量。
工业中将屏蔽线穿在铁质蛇皮管或普通铁管内，达到双重屏蔽目的。
滤波技术的基本用途是选择信号和抑制干扰，为实现这两大功能而设计的网络都称为滤波器。通常按功用可把滤波器分为信号选择滤波器和电磁干扰 (EMI)滤波器两大类。
2.滤波技术电源
L
N
E 滤波器测量电路滤波器显示滤 波 器传 感 器滤波器抑制检测系统干扰的原理框图信号选择滤波器是以有效去除不需要的信号分量，同时是对被选择信号的幅度相位影响最小的滤波器。
电磁干扰滤波器是以能够有效抑制电磁干扰为目标的滤波器。电磁干扰滤波器常常又分为信号线 EMI滤波器、电源 EMI滤波器、印刷电路板
EMI滤波器、反射 EMI滤波器、隔离 EMI滤波器等几类。
电源
L
N
E 滤波器测量电路滤波器显示滤 波 器传 感 器滤波器抑制检测系统干扰的原理框图线路板上的导线是最有效的接收和辐射天线，由于导线的存在，往往会使线路板上产生过强的电磁辐射。
同时，这些导线又能接受外部的电磁干扰，使电路对干扰很敏感。
在导线上使用信号滤波器是一个解决高频电磁干扰辐射和接收很有效的方法。
脉冲信号的高频成分很丰富，这些高频成分可以借助导线辐射，使线路板的辐射超标。信号滤波器的使用可使脉冲信号的高频成分大大减少，由于高频信号的辐射效率较高，这个高频成分的减少，线路板的辐射将大大改善。
电源线是电磁干扰传入设备和传出设备主要途径。通过电源线，电网上的干扰可以传入设备，干扰设备的正常工作。同样，设备的干扰也可以通过电源线传到电网上，对网上其它设备造成干扰。
为了防止这两种情况的发生，必须在设备的电源入口处安装一个低通滤波器，这个滤波器只容许设备的工作频率 (50Hz,60Hz,400Hz)通过，
而对较高频率的干扰有很大的损耗，由于这个滤波器专门用于设备电源线上，所以称为电源线滤波器。
电源线上的干扰电路以两种形式出现。一种是在火线零线回路中，
其干扰被称为差模干扰。另一种是在和火线、零线与地线和大地的回路中，称为共模干扰。
通常 200Hz以下时，差模干扰成分占主要部分。 1MHz以上时，共模干扰成分占主要成分。
电源滤波器对差模干扰和共模干扰都有抑制作用，但由于电路结构不同，对差模干扰和共模干扰的抑制效果不一样。所以滤波器的技术指标中有差模插入损耗和共模插入损耗之分。
使用滤波器一般要求将干扰衰减 100%以上。选用滤波器应考虑以下几点：
# 测量电路的输出阻抗和前级放大器的输入阻抗；
# 滤波器的时间常数对检测系统性能的影响；
# 滤波器的频率特性对检测系统性能的影响；
# 滤波器的体积、安装及制造工艺。
电源
L
N
E 滤波器测量电路滤波器显示滤 波 器传 感 器滤波器抑制检测系统干扰的原理框图接地技术最早是应用在强电系统（电力系统、输变电设备、电气设备）
中，为了设备和人身的安全，将接地线直接接在大地上。由于大地的电容非常大，一般情况下可以将大地的电位视为零电位。
后来，接地技术延伸应用到弱电系统中。对于电力电子设备将接地线直接接在大地上或者接在一个作为参考电位的导体上，当电流通过该参考电位时，不应产生电压降。然而由于不合理的接地，反而会引入了电磁干扰，比如共地线干扰、地环路干扰等，从而导致电力电子设备工作不正常。
因此。接地技术是电力电子设备电磁兼容技术的重要内容之一，有必要对接地技术进行详细探讨。
3.接地技术电气设备～ 220V
L
N
E 地线外壳大地
1） 接地的种类和目的电力电子设备一般是为以下几种目的而接地：
（ 1） 安全接地安全接地即将机壳接大地 。 一是防止机壳上积累电荷,产生静电放电而危及设备和人身安全；二是当设备的绝缘损坏而使机壳带电时,促使电源的保护动作而切断电源,以便保护工作人员的安全 。
（ 2） 防雷接地当电力电子设备遇雷击时,不论是直接雷击还是感应雷击,电力电子设备都将受到极大伤害 。 为防止雷击而设置避雷针,以防雷击时危及设备和人身安全 。
上述两种接地主要为安全考虑，均要直接接在大地上。
电气设备～ 220V
L
N
E 地线外壳大地
（ 3） 工作接地工作接地是为电路正常工作而提供的一个基准电位 。 该基准电位可以设为电路系统中的某一点,某一段或某一块等 。
当该基准电位不与大地连接时,视为 相对的零电位 。 这种相对的零电位会随着外界电磁场的变化而变化,从而导致电路系统工作的不稳定 。
当该基准电位与大地连接时,基准电位视为 大地的零电位,而不会随着外界电磁场的变化而变化 。 但是不正确的工作接地反而会增加干扰 。
比如共地线干扰,地环路干扰等 。
为防止各种电路在工作中产生互相干扰，使之能相互兼容地工作。
根据电路的性质，将工作接地分为不同的种类，比如直流地、交流地、
数字地、模拟地、信号地、功率地、电源地等。上述不同的接地应当分别设置。
（ a）信号地信号地是各种物理量的传感器和信号源零电位的公共基准地线 。
由于信号一般都较弱,易受干扰,因此对信号地的要求较高 。
（ b） 模拟地模拟地是模拟电路零电位的公共基准地线 。 由于模拟电路既承担小信号的放大,又承担大信号的功率放大；既有低频的放大,又有高频放大；因此模拟电路既易接受干扰,又可能产生干扰 。 所以对模拟地的接地点选择和接地线的敷设更要充分考虑 。
（ c） 数字地数字地是数字电路零电位的公共基准地线。由于数字电路工作在脉冲状态，特别是脉冲的前后沿较陡或频率较高时，易对模拟电路产生干扰。所以对数字地的接地点选择和接地线的敷设也要充分考虑。
（ d）电源地电源地是电源零电位的公共基准地线 。 由于电源往往同时供电给系统中的各个单元,而各个单元要求的供电性质和参数可能有很大差别,因此既要保证电源稳定可靠的工作,又要保证其它单元稳定可靠的工作 。
（ e） 功率地功率地是负载电路或功率驱动电路的零电位的公共基准地线。由于负载电路或功率驱动电路的电流较强、电压较高，所以功率地线上的干扰较大。因此功率地必须与其它弱电地分别设置，以保证整个系统稳定可靠的工作。
工作接地按工作频率而采用以下几种接地方式：
(1） 单点接地工作频率低 （ <1MHz） 的采用单点接地式 （ 即把整个电路系统中的一个结构点看作接地参考点,所有对地连接都接到这一点上,并设置一个安全接地螺栓 ）,以防两点接地产生共地阻抗的电路性耦合 。
2)接地方式
Ui U
O
+ Vcc
电路原理图
Ui U
O
+ Vcc
公共参考端实际采用一点接地方法
（ a）单级电路的一点接地原则：各点接地时，应接在公共参考端附近。
实际应用采用串联式和并联式两种。
（ #）串联式：数字电路或放大倍数不大的模拟电路种采用，
布线简单，易产生共阻耦合干扰。但注意，公用地线面积应尽可能大，以减小地线内阻；把最低电平的电路放在距离接地点最近的地方，即 A 点。
（ #）并联式：需要好多根地线，布线复杂，不易产生共阻耦合干扰。但在高频时易引起各地线之间的互感耦合干扰，因此，只在频率 1MHz 以下采用。高频时，应采用大面积地线面积，允许多点接地。
（ b）多级电路的一点接地原则：
电路 1 电路 3电路 2
I1 I2 I3R3R2R1
I3+ I3I2+ I3+ I2I1
A CB
电路 1 电路 3电路 2
I1 I2 I3
R3R2R1
A CB
串联式 并联式为防止工频和其它杂散电流在信号地线上产生干扰,信号地线应与功率地线和机壳地线相绝缘 。 且只在功率地,机壳地和接往大地的接地线的安全接地螺栓上相连 （ 浮地式除外 ） 。
地线的长度与截面的关系为：
S > 0.83L
式中,L——地线的长度,m；
S——地线的截面,mm2。
(2)多点接地工作频率高 （ >30MHz） 的采用多点接地式 （ 即在该电路系统中,用一块接地平板代替电路中每部分各自的地回路 ） 。
因为接地引线的感抗与频率和长度成正比,工作频率高时将增加共地阻抗,从而将增大共地阻抗产生的电磁干扰,所以要求地线的长度尽量短 。
采用多点接地时,尽量找最接近的低阻值接地面接地 。
(3)混合接地工作频率介于 1～ 30MHz的电路采用混合接地式 。 当接地线的长度小于工作信号波长的 1/20时,采用单点接地式,否则采用多点接地式 。
浮置又称浮空、浮接，它指是模拟信号的零信号电位公共线（模拟信号地线）不接机壳或大地。对于被浮置地测量系统，测量电路与机壳或大地之间无直接关系，如图。
系统被浮置后，明显加大了信号放大器的公共地线与大地（或外壳）
之间的阻抗，因此，大大减小了干扰漏电流。
浮置不可能,完全浮空,。因为，虽然信号放大器的公共地线与大地（或外壳）之间的阻抗很大（绝缘级电阻），可以大大减小电阻性漏电流干扰，但是它们之间仍然存在寄生电容，即容性漏电流干扰还存在。
(4) 浮置技术
B1
前置放大器功率放大器
B2
B3
～ 220V
+
外壳测量装置传感器外屏蔽层信号传输线浮置的温度测量系统
(1) 对接地电阻的要求接地电阻越小越好，因为当有电流流过接地电阻时，其上将产生电压。该电压除产生共地阻抗的电磁干扰外，还会使设备受到反击过电压的影响，并使人员受到电击伤害的威胁。因此一般要求接地电阻小于
4Ω ；对于移动设备，接地电阻可小于 10Ω 。
3)接地电阻
(2) 降低接地电阻的方法接地电阻由接地线电阻,接触电阻和地电阻组成 。 为此降低接地电阻的方法有以下三种：
——降低接地线电阻,为此要选用总截面大和长度短的多股细导线 。
——降低接触电阻,为此要将接地线与接地螺栓,接地极紧密又牢靠地连接并要增加接地极和土壤之间的接触面积与紧密度 。
——降低地电阻，为此要增加接地极的表面积和增加土壤的导电率
（如在土壤中注入盐水）。
(3) 接地电阻的计算垂直接地极接地电阻 R为：
R = 0.366(ρ/L)lg(4L/d)Ω
式中,ρ——土壤电阻率,Ω·m；
L——接地极在地中的深度,m；
d——接地极的直径,m。
例如,黄土 ρ 取 200Ω ·m,L为 2cm,d为 0.05m,则垂直接地极接地电阻 R为 80.67Ω 。 如在土壤中注入盐水,使 ρ 降为 20Ω ·m时 。 则接地极接地电阻 R为 8.067Ω 。
一台设备要实现设计要求,往往含有多种电路,比如低电平的信号电路 （ 如高频电路,数字电路,模拟电路等 ）,
高电平的功率电路 （ 如供电电路,继电器电路等 ） 。 为了安装电路板和其它元器件,为了抵抗外界电磁干扰而需要设备具有一定机械强度和屏蔽效能的外壳 。
设备的接地应当注意以下几点：
——50Hz电源零线应接到安全接地螺栓处,对于独立的设备
,安全接地螺栓设在设备金属外壳上,并有良好电连接；
——为防止机壳带电,危及人身安全,不许用电源零线作地线代替机壳地线；
4)设备地
——为防止高电压,大电流和强功率电路 （ 如供电电路,继电器电路 ） 对低电平电路 （ 如高频电路,数字电路,模拟电路等 ） 的干扰,将它们的接地分开 。 前者为功率地 （ 强电地
）,后者为信号地 （ 弱电地 ）,而信号地又分为数字地和模拟地,信号地线应与功率地线和机壳地线相绝缘；
——对于信号地线可另设一信号地螺栓（和设备外壳相绝缘
），该信号地螺栓与安全接地螺栓的连接有三种方法（取决于接地的效果）：一是不连接，而成为浮地式；二是直接连接，而成为单点接地式；三是通过一 3μF 电容器连接，而成为直流浮地式，交流接地式。其它的接地最后汇聚在安全接地螺栓上（该点应位于交流电源的进线处），然后通过接地线将接地极埋在土壤中。
系统的接地应当注意以下几点：
——参照设备的接地注意事项；
——设备外壳用设备外壳地线和机柜外壳相连；
——机柜外壳用机柜外壳地线和系统外壳相连；
——对于系统,安全接地螺栓设在系统金属外壳上,并有良好电连接；
5)系统地
——当系统内机柜,设备过多时,将导致数字地线,模拟地线,功率地线和机柜外壳地线过多 。 对此,可以考虑铺设两条互相并行并和系统外壳绝缘的半环形接地母线,一条为信号地母线,一条为屏蔽地及机柜外壳地母线；系统内各信号地就近接到信号地母线上,系统内各屏蔽地及机柜外壳地就近接到屏蔽地及机柜外壳地母线上；两条半环形接地母线的中部靠近安全接地螺栓,屏蔽地及机柜外壳地母线接到安全接地螺栓上；信号地母线接到信号地螺栓上；
——当系统用三相电源供电时,由于各负载用电量和用电的不同时性,
必然导致三相不平衡,造成三相电源中心点电位偏移,为此将电源零线接到安全接地螺栓上,迫使三相电源中心点电位保持零电位,从而防止三相电源中心点电位偏移所产生的干扰；
——接地极用镀锌钢管,其外直径不小于 50mm,长度不小于 2.0m；埋设时,将接地极打入地表层一定深度,并倒入盐水,一般要求接地电阻小于 4Ω,对于移动设备,接地电阻可小于 10Ω 。
电路隔离的主要目的是通过隔离元器件把噪声干扰的路径切断,从而达到抑制噪声干扰的效果 。 在采用了电路隔离的措施以后,绝大多数电路都能够取得良好的抑制噪声的效果,使设备符合电磁兼容性的要求 。
电路隔离主要有：
模拟电路的隔离,数字电路的隔离,数字电路与模拟电路之间的隔离 。
4、检测系统的电路隔离技术数字电路的隔离主要有：
脉冲变压器隔离,继电器隔离,光电耦合器隔离,光纤隔离等
。 其中数字量输入隔离方式主要采用脉冲变压器隔离,光电耦合器隔离；而数字量输出隔离方式主要采用光电耦合器隔离,继电器隔离,高频变压器隔离 （ 个别情况下采用 ） 。
模拟电路的隔离模拟电路的隔离比较复杂,主要取决于对传输通道的精度要求
,对精度要求越高,其通道的成本也就越高；然而,当性能的要求上升为主要矛盾时,应当以性能为主选择隔离元器件,把成本放在第二位；反之,应当从价格的角度出发选择隔离元器件 。
模拟电路的隔离主要采用变压器隔离,互感器隔离,直流电压隔离器隔离,线性隔离放大器隔离 。
模拟电路与数字电路之间的隔离主要采用模 /数转换装置；对于要求较高的电路,除采用模 /数转换装置外,还应在模 /数转换装置的两端分别加入模拟隔离元器件和数字隔离元器件 。
1） 模拟电路的隔离一套控制装置或者一台电子电气设备,通常包含供电系统,模拟信号测量系统,模拟信号控制系统 。
供电系统又可分为交流供电系统和直流供电系统,交流供电系统主要采用变压器隔离,直流供电系统主要采用直流电压隔离器隔离 。
模拟信号测量系统相对来说比较复杂,既要考虑其精度,频带宽度的因素,又要考虑其价格因素；对于高电压,大电流信号,一般采用互感器 （ 电压互感器,电流互感器 ） 隔离法,近年来,又出现了霍尔变送器,这些元器件都是高电压,大电流信号测量常规使用的元器件；对于微电压,微电流信号,一般采用线性隔离放大器 。
模拟信号控制系统与模拟信号测量系统的隔离类似,一般采用变压器,直流电压隔离器 。
（ 1） 供电系统的隔离
（ a） 交流供电系统的隔离由于交流电网中存在着大量的谐波,雷击浪涌,高频干扰等噪声,所以对由交流电源供电的控制装置和电子电气设备,都应采取抑制来自交流电源干扰的措施 。
采用电源隔离变压器,可以有效地抑制窜入交流电源中的噪声干扰 。 但是,普通变压器却不能完全起到抗干扰的作用,这是因为,虽然一次绕组和二次绕组之间是绝缘的,能够阻止一次侧的噪声电压,电流直接传输到二次侧,有隔离作用 。
然而,由于分布电容 （ 绕组与铁心之间,绕组之间,层匝之间和引线之间 ） 的存在,交流电网中的噪声会通过分布电容耦合到二次侧 。 为了抑制噪声,必须在绕组间加屏蔽层,这样就能有效地抑制噪声,消除干扰,提高设备的电磁兼容性 。 图 (a),(b)所示为不加屏蔽层和加屏蔽层的隔离变压器分布电容的情况 。
变 压 器 隔 离随着技术的进步,国外已研制成功了专门抑制噪声的隔离变压器 （
NoiseCutoutTransformer,简称 NCT）,这是一种绕组和变压器整体都有屏蔽层的多层屏蔽变压器 。
这类变压器的结构,铁心材料,形状及其线圈位置都比较特殊,它可以切断高频噪声漏磁通和绕组的交链,从而使差模噪声不易感应到二次侧,故这种变压器既能切断共模噪声电压,又能切断差模噪声电压,
是比较理想的隔离变压器 。
变 压 器 隔 离
（ b） 直流供电系统的隔离当控制装置和电子电气设备的内部子系统之间需要相互隔离时,它们各自的直流供电电源间也应该相互隔离,其隔离方式如下：第一种是在交流侧使用隔离变压器,如图 （ a） 所示；第二种是使用直流电压隔离器 （ 即 DC/DC变换器 ）,如图 （ b） 所示 。
直 流 电 源 系 统 的 隔 离
(a)交 流 侧 隔 离 (b)直 流 隔 离
(2） 模拟信号测量系统的隔离对于具有直流分量和共模噪声干扰比较严重的场合,在模拟信号的测量中必须采取措施,使输入与输出完全隔离,
彼此绝缘,消除噪声的耦合 。 隔离对系统有如下好处：
——防止模拟系统干扰,尤其是电力系统的接地干扰进入逻辑系统,导致逻辑系统的工作紊乱；
——在精密测量系统中,防止数字系统的脉冲波动干扰进入模拟系统,尤其是前置放大部分,因为前置放大部分的信号非常微弱,较小的骚扰波动信号就会把有用信号淹没 。
（ a） 高电压,大电流信号的隔离高电压,大电流信号采用互感器隔离,其抑制噪声的原理与隔离变压器类似,这里不再赘述 。 互感器隔离的应用如图所示 。
互 感 器 隔 离 电 路
（ b） 微电压,微电流信号的隔离微电压,微电流模拟信号的隔离系统相对来说比较复杂,既要考虑其精度,频带宽度的因素,又要考虑其价格因素 。 一般情况下,对于较小量的共模噪声,采用差动放大器或仪表放大器就能够取得良好的效果,但对于具有较大量的共模噪声,且测量精度要求比较高的场合,应该选择高精度线性隔离放大器,如 BB公司的 ISO106,其主要参数如下：
——交流耐压 3 5kV/1min,60Hz；
——直流耐压 4 95kV；
——冲击耐压 8kVPK/10s；
——非线性误差 0.007％ ；
——隔离噪声抑制比交流 130dB,直流 160dB。
ISO106的优秀参数,使其大量地应用于精密测量系统中,线性隔离放大器的应用如图所示 。
线 性 隔 离 放 大 器
(3） 数字电路的隔离与模拟系统类似,一套控制装置,或者一台电子电气设备,通常所包含的数字系统有：数字信号输入系统,数字信号输出系统 。 数字量输入系统主要采用脉冲变压器隔离,光电耦合器隔离；而数字量输出系统主要采用光电耦合器隔离,继电器隔离,个别情况也可采用高频变压器隔离 。
（ a） 光电耦合器隔离光电耦合器件是一种,电 → 光 → 电,耦合元件 。 它输入是电流,输出也是电流,两者之间在电气方面却是绝缘的 。 如图 （ a）,（ b） 所示 。
光 电 耦 合 器 电 路目前，大多数光电耦合器件的隔离电压都在 2.5kV以上，有些器件达到了 8kV，既有高压大电流大功率光电耦合器件，又有高速高频光电耦合器件（频率高达 10MHz）。常用的器件如,4N25，其隔离电压为 5.3kV； 6N137，其隔离电压为 3kV，频率在 10MHz以上。
在检测系统使用光电耦合器件越来越多，如图。
采用线形光电耦合器件的前置放大电路原理框图信号源
UO
预放大器线形光电耦合器件电源 1
放大器电源 2
UN
ZN1 ZN2
光电耦合器件特点：
# 输入、输出回路绝缘电阻高（大于 1010Ω）、耐压超过 1KV。
# 光传输是单向，所以输出回路信号不会反馈影响输入回路 。
# 输入、输出回路完全隔离，能很好解决不同电位、不同逻辑电路之间的隔离和传输问题 。如比较彻底地切断大地电位差形成地环路电流。
采用线形光电耦合器件的前置放大电路原理框图信号源
UO
预放大器线形光电耦合器件电源 1
放大器电源 2
UN
ZN1 ZN2
（ b） 脉冲变压器隔离脉冲变压器的匝数较少，而且一次绕组和二次绕组分别绕于铁氧体磁芯的两侧，这种工艺使得它的分布电容特小，仅为几个 pF，所以可作为脉冲信号的隔离元件。
脉冲变压器传递输入、输出脉冲信号时，不传递直流分量，因而在微电子技术控制系统中得到了广泛的应用。一般地说，脉冲变压器的信号传递频率在 1kHz～ 1MHz之间，新型的高频脉冲变压器的传递频率可达到 10MHz。图（ a）是脉冲变压器的示意图。脉冲变压器主要用于晶闸管
（ SCR）、大功率晶体管（ CTR）,IGBT等可控器件的控制隔离中。图（ b
）是脉冲变压器的应用实例。
脉 冲 变 压 器 的 应 用
（ a）脉 冲 变 压 器 (b) 脉 冲 变 压 器 应 用 于 开 关 电 源 中
（ c） 继电器隔离继电器是常用的数字输出隔离元件，用继电器作为隔离元件简单实用，价格低廉。
图是继电器输出隔离的实例示意图。在该电路中，通过继电器把低压直流与高压交流隔离开来，使高压交流侧的干扰无法进入低压直流侧。
继电器隔离
(4） 模拟电路与数字电路之间的隔离一般地说，模拟电路与数字电路之间的转换通过模数转换器（ A/D）
或数模转换器（ D/A）来实现。但是，若不采取一定的措施，数字电路中的高频振荡信号就会对模拟电路带来一定的干扰，影响测量的精度。
为了抑制数字电路对模拟电路带来的高频干扰，一般须将模拟地与数字地分开布线，参见图。
一 点 接 地一 点 接 地,这种布线方式不能彻底排除来自数字电路的高频干扰，
要想排除来自数字电路的高频干扰，必须把数字电路与模拟电路隔离开来
，常用的隔离方法是在 A/D转换器与数字电路之间加入光电耦合器，把数字电路与模拟电路隔离开，参见图。
单 端 隔 离 的 数 模 转 换 电 路单 端 隔 离 的 数 模 转 换 电 路,这种电路还不能从根本上解决模拟电路中的干扰问题，仍然存在着一定的缺陷，这是因为信号电路中的共模干扰和差模干扰没有得到有效的抑制，对于高精密测量的场合，还不能满足要求。
对于具有严重干扰的测量场合，可采用下图所示的电路。在该电路中
，把信号接收部分与模拟处理部分也进行了隔离，因为在前置处理级与模数转换器（ A/D）之间加入线性隔离放大器，把信号地与模拟地隔开，同时在模数转换器（ A/D）与数字电路之间采用光电耦合器隔离，把模拟地与数字地隔开，这样一来，既防止了数字系统的高频干扰进入模拟部分，
又阻断了来自前置电路部分的共模干扰和差模干扰。当然，这种系统的造价较高，一般只用于高精度的测量系统中。
双 端 隔 离 的 数 模 转 换 电 路
