電氣測量儀表的標準（電氣測量儀器和儀表）

2023-04-30 03:53:45

一、萬用電橋

萬用電橋也稱萬用交流電橋或交流電橋，是一種用來測量交流等效阻抗、電容及其介質損耗、電感及其品質因數的精密測量儀器。

1.交流電橋的基本原理

交流電橋的結構和直流單臂電橋基本一樣，只是以交流電源代替了直流電源，4個橋臂是阻抗元件，在電橋的一條對角線上接入檢流計指零儀，另一條對角線上接入交流電源。通過調節各橋臂參數，可使檢流計上的電流為零，此時電橋4個橋臂達到平衡。

用交流電橋測量交流等效阻抗、電感和電容，要比直流電橋測量電阻複雜一些，這是因為阻抗Z是一個複數，除了要求相對臂的大小相等之外，還必須性質相同，才能使檢流計指零儀指針指零。另外，交流電橋的平衡調節需反覆進行，即交流電橋的平衡調節要比直流電橋的調節困難一些。

2.QS18A型萬用電橋

（1）組成

將幾種類型的電橋組合起來，成為能夠測量電阻、電感和電容元件參數的儀器，稱為萬用電橋。萬用電橋主要由電橋主體、音頻振蕩器、交流放大器和指示檢流計等組成，如圖1-1所示。QS18A型萬用電橋由惠斯登電橋、交流電容電橋和電感電橋組合而成。

圖1-1 萬用電橋基本組成方框圖

（2）電容電橋

電容電橋主要用於測量電容器的電容量C及介質損耗角。

① 被測電容並非理想元件，而是存在一定的介質損耗。有損耗的電容器可用兩種理想電子元件組成的等效電路來描述：一種是理想電容元件與一個理想電阻元件相串聯；另一種為理想電容與一個理想電阻元件相併聯。為方便起見，通常採用損耗因數 D 來描述電容器的損耗。

QS18A 型萬用電橋中測量電容採用了如圖 1-2 所示的串聯電阻式電容電橋。

圖1-2 串聯電阻式電容電橋

② 串聯電阻式電橋也稱維納電橋，主要用於測量損耗小的電容器的電容量和介質損耗。被測電容器等效為 CX和RX串聯，接入電橋的一個臂，與被測電容相比較的標準電容Cn接入相鄰的橋臂，同時與Cn串聯一可變電阻Rn，橋的另外兩臂接入同軸聯動的可變標準電阻R2和R3。當電橋平衡時

被測電容的損耗因數

交流電橋的平衡調節需反覆進行。要使電橋平衡，至少應調節兩個參數。通常標準電容是做成固定的，因此Cn是不能連續變動的，這樣就必須同時調節 R3/R2的比值以及 Rn，同時兼顧上述兩式。

（3）電感電橋

電感電橋測量電感器的電感量及其品質因數。由於製造工藝上的原因，標準電容器可達到的準確度常常高於標準電感，加上標準電容器不受外界磁場的影響，對溫度的變化也不敏感，所以電感電橋也常用標準電容作為比較元件，而且這個標準電容應接入與被測電感相對的橋臂上。

實際應用中的電感器用電感量和品質因數Q來描述

QS18A型萬用電橋中測量電感採用了並聯電阻式電橋。並聯電阻式電橋又稱麥克斯韋電橋，簡稱麥氏電橋。它主要適用於測量 Q＜10 的電感元件，電路如圖1-3所示。當電橋平衡時有

圖1-3 並聯電阻式電感電橋

麥氏電橋的平衡條件與頻率無關。電源為任何頻率或非正弦時，電橋都能平衡。

（4）電阻電橋

QS18A型萬用電橋測量電阻採用的是惠斯登電橋，原理同直流單臂電橋。

圖 1-4 為 QS18A型萬用電橋的結構示意圖。圖中的電橋主體為電橋的核心結構，它由標準電阻和標準電容以及轉換開關組成。交流電源為電晶體正弦波音頻振蕩器，其輸出頻率為 1kHz，輸出電壓為1.5V和0.3V，供測量電容、電感以及0.1～10Ω電阻之用。當測量大於10Ω的電阻時可使用電橋內部的9V直流電源。電橋還備有外接電源插孔。交流檢流計指零儀由交流放大器、二極體整流器和檢流計組成，稱為電晶體檢測放大器。

圖1-4 QS18A型萬用電橋的結構示意圖

3.萬用電橋的使用與維護

（1）技術特性

QS18A型萬用電橋的主要技術特性如表1-1所示。

表1-1 QS18A型萬用電橋的主要技術特性

註：表中的⊿為滑線盤最小分格的1/2。

（2）面板布置

QS18A型萬用電橋的面板布置如圖1-5所示，各旋鈕作用如下。

圖1-5 QS18A型萬用電橋的面板布置圖

① 被測接線柱和外接插孔：連接被測元件；使用外接音頻電源時，由外接孔引入。

② 電源轉換開關和量程開關：轉換電橋電源，分內1kHz和外接兩擋；量程開關用來選擇測量範圍，上面各擋的標示值是指讀數在滿度時的最大值。

③ 測量讀數盤：由一個步進式測量盤和一個連續可調的測量盤組成。

④ 測量選擇：轉換測量功能，進行電感、電容或電阻的測量。它又兼電源開關，測量完畢後應置於「關」的位置。

⑤ 平衡指示表：指示電橋是否平衡，調節損耗平衡和讀數旋鈕時，應使指針向零位偏轉，當指針接近零點時，可認為電橋近於平衡狀態。

⑥ 靈敏度調節：調節電橋放大器的放大倍數，開始測量時，應降低靈敏度使平衡指示表指示小於滿刻度，當電橋接近平衡時，再逐漸增大靈敏度。

⑦ 損耗倍率：選擇損耗平衡的讀數範圍，分Q×1、D×0.01、D×1這3個擋。測量電感線圈時，此開關放在Q×1處；測量小損耗電容時，放在D×0.01處；測量大損耗電容時，放在D×1處；測量電阻時，此開關不起作用，可放在任何位置。

⑧ 損耗微調：微調平衡時的損耗值，一般情況下應放在「0」的位置。

⑨ 損耗平衡：被測電感或電容元件的損耗讀數由此旋鈕指示，此讀數盤上的指示值再乘以倍率開關的示值，即為測得的損耗示值。

⑩ 接地接線柱：接地點，與儀器的外殼相連。使用時應接地，以減小外幹擾的影響。

（3）萬用電橋的使用方法

① 把被測元件接在測量接線柱上，根據被測元件的性質，將測量選擇旋鈕轉至相應的位置。

② 估計被測元件的大小，將量程開關置於合適的擋位。

③ 根據被測元件的性質，合理選擇損耗倍率的擋位。

④ 調節靈敏度調節旋鈕，使平衡指示表指針略小於滿度。

⑤ 測量電感和電容時，應反覆調節測量讀數盤旋鈕和損耗平衡，使平衡指示表指針最接近於零點。測量電阻時，只調節測量讀數盤旋鈕即可。

⑥ 讀取測量值。

被測Lx、Cx、Rx的值=「量程開關」讀數×兩個「測量讀數盤」讀數之和。

Dx、Qx的值=「損耗倍率」讀數×「損耗平衡」讀數。

例：用QS18A型萬用電橋測量標稱值為470pF的電容。

問：（a）量程選擇和損耗倍率開關應放在何位置？

（b）若兩讀數盤示值分別為 0.4 和 0.056，損耗平衡示值為1.2，其電容量和損耗值各為多少？

解：（a）量程選擇開關應放在 1000pF 處，損耗倍率開關應放在D×0.01處。

（4）使用萬用電橋的注意事項

① 按照電橋說明書選擇交流電橋電源。

② 為獲取精確的測量結果，儀表的外殼應妥善接地。

③ 合理布置各種儀器，連接導線應儘可能短，以減少外界幹擾。

④ 測量前各調節旋鈕均應置於「0」位置。

⑤ 每次更換被測元件或變更電橋內電路之前，都應斷開電橋電源。

（5）萬用電橋的維護

① 電橋每次使用前，應將各旋鈕來迴旋轉幾次，使各接觸點工作良好。

② 工作之前應檢查各連線接頭的接觸情況，使用完畢應及時拆除所有連線。

③ 定期清洗電橋的開關和接觸點。

④ 電橋應避免受陽光的直接照射並遠離發熱體；也不能置於潮溼處，以免受潮後機內元件黴變受損。

⑤ 每次使用後應把電橋擦拭乾淨，並用布遮蓋好，以免細小的金屬物或其他汙物落入機內，造成短路或降低絕緣性能。

二、數字示波器

數字存儲示波器（DSO）是現代示波器發展的一個重要方向，具有頻帶寬、波形觸發、能自動測試、可存儲波形、精度高等突出特點，還能利用 GPIB 或 RS-232 等接口和計算機連接成測試分析系統，對波形數據進行進一步地分析和處理。隨著現代電子信息技術的高速發展，數字存儲示波器也日益發展並得到廣泛應用。圖 1-6 是 GDS-820數字彩色示波器的外形圖。

1.GDS-800系列雙通道數字存儲示波器的特點

GDS-800系列雙通道數字存儲示波器的頻寬最高達250MHz，每一通道的取樣率均為100MSa/s；最快可觀測到10ns的短時脈衝；單色或彩色LCD顯示；兩個輸入通道，每一通道的記錄長度為125K點和 8 個字節的垂直解析度，兩個通道可同時採集波形；時基為1ns/DIV～10s/DIV；具有6位觸發計頻器；自動快速調整和手動操作；4種採集模式為取樣、峰值偵測、平均和累加；遊標和15種連續可調，自動測量以下15種參數為Vhi、Vio、Vmax、Vmin、Vpp、Vaverage、Vrms、Vamp、上升時間、下降時間、工作周期、頻率、周期、正脈寬和負脈寬；15組儲存器用於前面板設置存取；2組存儲器可用于波形軌跡記錄；FFT 頻譜分析；具備「program mode」和「Go/No Go」功能；視頻和脈衝寬度觸發；8×12格波形顯示（關閉菜單）；具有印表機接口， RS-232和USB輸出接口，GPIB界面模塊；可儲存高達100組的自動編輯程序。

圖1-6 GDS-820 數字彩色示波器的外形圖

32 位微處理器控制的 GDS-800 系列數字存儲示波器可以滿足大多數工業應用要求。易於操作的「Autoset」功能可自動調整測量參數；屏幕讀出和電壓、頻率的遊標測量功能使操作變得很方便；可存儲15組不同用戶在儀器上的設置並可不受約束的調出使用；利用內置的RS-232系列接口可以用PC遠程控制操作；6位計頻器提供用戶較精確的頻率值；標準USB接口可用特殊軟體將示波器LCD的屏幕轉移至計算機；「Program」模式可幫助用戶記錄所有必要的測量指令和重放所有指令；「Go/No Go」功能用來判斷新採集的波形是否與先前的存儲波形一致，以決定如何輸出。

2.GDS-800系列雙通道數字存儲示波器的前後面板

GDS-820前面板如圖1-7所示，主要分為顯示區、垂直控制、水平控制、觸發控制、其他控制及BNC控制幾個部分。

圖1-7 GDS-820 前面板

後面板如圖1-8所示，主要有電源開關及插孔、GPIB接口、「Go/No Go」輸出端、USB連接器、印表機和RS-232接口等。

圖1-8 GDS-820 後面板

圖1-8中的（1）～（9）所代表的功能依次如下：

主電源開關；

AC電源插座；

GPIB接口；

熔絲座；

自校正輸出端；

「Go/No Go」輸出端；

USB連接器；

印表機接口；

RS-232接口。

3.應用舉例

數字存儲示波器可以實現對被測波形上任意兩點之間的電位差、時間差的測量，也可以觀測波形的平均值、峰-峰值、有效值以及波形的周期、頻率、脈寬及前後沿時間，實現對波形的疊加運算等，還可以對信號進行分析。（如快速傅立葉變換、對被測信號波形進行失真度分析、調製特性分析等。）

數字存儲示波器對波形參數的測量分為自動測量和手動測量。一般參數測量為自動測量，即示波器自動完成測量工作，並將測量結果以數字形式顯示在屏幕上；特殊值的測量使用手動光標進行，即在示波管的屏幕上設置兩條水平光標線和兩條垂直光標線，這4條光標線可在測量程序控制下，根據光標位置來完成測量工作，並將測量結果以數字的形式顯示在顯示屏上。

（1）使用前的檢查與校準

① 儀器的初始化。

（a）打開主電源（見圖1-8），合上電源（見圖1-7）。

（b）按Utility（功能）鍵，見圖1-9，顯示副菜單。

（c）連接探頭到校準信號，並將校準信號接到CH1連接器接口。

（d）按 AUTOSET（自動設置）鍵，見圖 1-9，觀測校準輸出的方波信號。

圖1-9 前面板其他控制部分按鈕

② 顯示區功能介紹。

圖1-10所示為常見的顯示區功能。

圖1-10 常見顯示區功能

圖中的（1）～（16）所代表的功能依次如下：

波形記錄指示條；

觸發位置（T）指示；

顯示波形的記錄片段；

Run/Stop指示；

觸發狀態；

觸發準位指示；

信道位置指示；

延遲觸發指示；

CH1和CH2的狀態顯示；

取樣速率讀出；

水平狀態讀出；

觸發源和狀態讀出；

觸發類型和模式讀出；

採集狀態；

界面類型指示；

觸發計頻器。

③ 垂直部分、水平部分、觸發部分旋鈕的操作。

（a）VERTICAL（垂直部分），面板見圖1-11。

圖1-11 垂直控制面板

按 CH1（或 CH2）鈕，顯示副菜單，設定耦合方式、帶寬、探棒衰減；使用POSITION位置鈕和VOLTS/DIV鈕，調節垂直標尺和位置；按MATH（數學值功能）鈕，顯示副菜單，選擇數學處理功能。

圖1-12所示為POSITION旋鈕操作時的示意圖，圖中的「（1）」表示如果信道1或2的位置改變，垂直位置的讀數在此處顯示。

圖1-13為MATH功能操作示意圖，圖中給出了CH1 CH2的波形圖。數學處理設定鍵MATH功能被選擇時，可用F1選擇CH1 CH2、CH1−CH2或FFT（快速傅立葉變換）功能。

圖1-12 POSITION 旋鈕的操作

圖1-13 MATH 功能操作

（b）HORIZONTAL（水平部分），面板見圖1-14。

圖1-14 水平控制面板

按HORIMENU（水平功能）鈕，顯示副菜單，選擇主時基，觸發鈕設定為電平；使用POSITION位置鈕和TIME/DIV鈕，調節水平標尺位置；按HORIMENU鈕，控制所選波形的時基、水平位置和水平值。

圖1-15 波形縮放功能操作

圖 1-15 所示為波形縮放功能操作示意圖，其中的Main顯示主時基、Window選擇正常顯示或縮放（按下F2）、Window Zoom顯示縮放後的波形（按F3）、Roll選擇滾動方式顯示波形（按F4）、XY模式讓CH1和CH2信號分別顯示在水平和垂直方向，如圖1-16所示。

圖1-16 X-Y 功能操作

（c）TRIGGER（觸發部分），面板見圖1-17。觸發功能分為視頻觸發、脈衝寬度觸發和近階觸發等。

圖1-17 觸發控制面板

（2）用 GDS-820 數字存儲示波器測量1Hz的低頻信號

數字示波器可以連續更新慢變化波形的軌跡，而模擬示波器只能顯示慢速移動的光點。

① 先將信號源提供輸出的 1Hz 正弦信號（幅值任意，探頭衰減1×）送至CH1連接器，並關閉CH2；

② 將CH1的垂直標尺設為1V/DIV，水平標尺設為1s/DIV，調節相關旋鈕，觀測波形。

（3）振幅變化的快前沿信號的測試

數字示波器可以觀測到脈衝信號的上升沿或下降沿，能提供快速變化信號的有用信息。

① 將信號源提供輸出的10Hz方波信號送至CH1連接器，並關閉CH2；

② 將CH1的垂直標尺設為1V/DIV，水平標尺設為50ns/DIV（或25ns/DIV）；

③ 按儀器初始化的步驟調節相關旋鈕，使顯示的波形穩定；

④ 按 HORI MENU（水平功能）鈕，設定上升沿為視窗區域，並將視窗擴展，觀測波形。

（4）帶毛刺信號的測試

數字示波器具有峰值檢測功能，可以在峰值檢測模式中捕獲信號波形。

① 將信號源提供輸出的 200Hz 窄脈衝方波信號送至 CH1 連接器，並關閉CH2；

② 將CH1的垂直標度設為500mV/DIV，水平標度設為1ms/DIV；

③ 按MENU（觸發功能）鈕，在副菜單中選擇邊沿觸發、斜率下降、自動觸發方式，調節觸發電平，使波形穩定；

④ 按ACQUIRE（獲取）鈕，在副菜單中選擇峰值檢測，即可檢測到毛刺；

⑤ 調節時基旋鈕（將時基擴展），將毛刺展寬。

（5）單次信號的捕捉

數字示波器能在示波器的全帶寬內精確地捕獲單次信號。

① 將垂直標度設為 500mV/DIV，時基設為 5ns/DIV，觸發電平設為1.5V左右；

② 按MENU（觸發功能）鈕，在副菜單觸發方式中選擇單次觸發；按凍結鍵，進入預觸發準備；

③ 將探頭連接到單次信號上，按一下按鍵以生成單脈衝信號。

三、電子測量裝置的防幹擾技術

所謂幹擾是指有用信號因噪聲或受惡劣環境影響而使信號變化部分的總稱。在測量元件中，混入幹擾信號會使測量值產生誤差；在控制系統中，幹擾信號可能導致誤操作。因此，為使測控系統正常、可靠地工作，必須研究系統的抗幹擾技術。

1.幹擾信號源和侵入的途徑

幹擾信號來自於幹擾源。幹擾有的來自設備內部，有的來自設備外部。外部幹擾與系統結構無關，取決於使用條件和外部環境；內部幹擾則取決於系統結構布局、生產工藝及電路設計等因素。

（1）設備內部幹擾

① 熱動幹擾。

熱動幹擾是電阻元件在不合適的溫度下，導體內部原子由於受熱運動產生的幹擾，它隨溫度的升高而增大。一般來說，傳感器輸出的電壓信號是很微弱的，因此必須把它放大到所需的電量等級。在傳感器和放大器之間距離很長的情況下，可以通過電纜傳送信號。由於傳感器有內阻，在電纜中有等效串聯電阻，所以傳感器信號經過這些電阻至放大器時就可能產生熱動幹擾。

② 元器件的物理噪聲幹擾。

如元器件的噪聲、散粒噪聲、觸點熱電勢等。包括晶體內部產生的動態噪聲，元器件質量或特性不良產生的噪聲幹擾以及插接件和開關的接觸不良等所產生的幹擾。

③ 由於電路參數及工作點選擇不適當引起的振蕩或波形畸變。

在具有放大功能的電路中，由於不恰當的耦合而產生的正反饋所引起的振蕩。

④ 尖峰或振鈴幹擾。

在有電感元件的電路中，由於電流突變而產生的衝擊或衰減振蕩形成的幹擾。

⑤ 交流電源紋波幹擾。

整流及濾波電路不佳所形成的幹擾。

⑥ 感應幹擾。

由於電路中布線和元器件安放位置不合理所引起的相互間的靜電感應和電磁感應幹擾。

（2）設備外部幹擾

設備外部幹擾可分為工業電網瞬變所引起的幹擾以及自然界幹擾。

① 工業電網瞬變幹擾。

（a）由高壓迴路及強電場產生的靜電感應噪聲。如圖1-18所示，如果信號線1靠近高壓變流輸電線2平行敷設時，在交變電場的作用下，通過線間分布電容（C1、C2）會使控制裝置受到相應分布電容產生的幹擾。

圖1-18 交變電場幹擾

（b）大電流迴路及強磁場形成的電磁感應噪聲。如圖1-19所示，在大功率變壓器、交流電動機和大電流的交流電源線2附近均有較強的磁場。若信號線1敷設不合理，形成線環，則交變磁通穿過線環形成端間幹擾。

圖1-19 交變磁場幹擾

（c）由於繼電器、接觸器、斷路器、電磁閥等電氣設備的吸合與釋放所產生的開關噪聲。

（d）由電焊機以及大功率設備啟動和跳閘所引起的電流脈衝的幹擾。

（e）由高頻振蕩設備及火花放電所致的電磁波引起的幹擾。

（f）大功率晶閘管的導通與截止所致的噪聲。

（g）高壓電器的高壓飛弧所致的幹擾。

② 自然界幹擾。

（a）雷擊造成的過電壓和過電流所產生的幹擾。

（b）宇宙輻射的自由電磁波所致的噪聲。

此外，還有光幹擾、溼度幹擾以及化學幹擾等隨機幹擾。下面主要分析傳感器以及電路元器件產生噪聲的原因。

2.傳感器噪聲的產生原因

（1）外部噪聲

最大的外部噪聲源有連接在交流電源上的電動機、焊機等產生火花的機器以及脈衝電動機、繼電器等。這些噪聲源和傳感器電路之間通過靜電幹擾或電磁耦合幹擾產生了噪聲，如圖1-20所示。

圖1-20 考慮了噪聲感應的等效電路

（2）數字電路噪聲

在傳感器電路中，模擬電路和數字電路混在一起，數字電路工作時，其電流的變化影響模擬電路而產生噪聲。有以下兩種情況：

① 模擬系統和數字系統的地線連在一起；

② 模擬系統和數字系統共用一個電源。

（3）共用一個電源時的噪聲

如圖 1-21 所示，外部噪聲源和傳感器電路共用一個交流電源，這時，噪聲通過電源線進入傳感器電路。另外，無線機器也會成為噪聲源。

圖1-21 共用一個電源時的噪聲傳播情況

3.噪聲的耦合方式

在測量裝置中獲得噪聲或幹擾的途徑叫噪聲耦合方式。噪聲耦合方式歸納如下。

（1）靜電耦合

圖 1-22 給出了兩根導線之間電容性耦合的表示方法及等效電路。圖中C12是導線1和導線2之間分布電容的總和，Clg和C2g是導線1和導線2分別對地的總電容，R是導線2的對地電阻。幹擾源V1使導線2和地之間產生的噪聲幹擾電壓Vn為：

圖1-22 兩導線間的電容性耦合及其等效電路

當 jωR（Clg C2g）<<1 時，上式可近似為：

由此式可以得出如下結論：幹擾電壓與頻率、幅值、輸入阻抗以及耦合電容C1g成正比。因此，低電平信號放大器輸入阻抗應儘可能小，一般希望在幾百歐以下。

當導線2對地電阻R很大時，即jωR（Clg C2g）遠遠大於1時即可簡化為：

在這種情況下，導線2 與地之間產生的噪聲電壓由 Clg和 C2g決定，與頻率無關。

（2）電磁耦合

在任何載流電路周圍空間中都會產生磁場。交變磁場則對其周圍閉合電路產生感應電勢。在設備內部，線圈或變壓器的漏磁是一個很大的幹擾；在設備外部，當兩根導線在很長一段區間平行架設時，也會產生電磁幹擾。這是由感應電磁場引起的耦合，其感應電壓為：

式中，ω為電流噪聲源Ing的角頻率，如圖1-23所示。

圖1-23 兩個電路間的電感性耦合

（3）共阻抗耦合

公共阻抗的耦合一般發生在兩個電路的電流流經一個公共阻抗時，一個電路在該阻抗上的電壓降會影響到另一個電路，如圖 1-24所示。

圖1-24 經供電電源或控制電路的耦合

常見的共阻抗耦合有公共地和公共電阻兩種。圖 1-24 是經公共電源或控制設備工作線路的內阻和連線而產生的耦合。這裡幹擾源的電流流過供電電源電路，這些電流在電源、電路所有阻抗上產生電壓降。這些阻抗的一部分Zc接在接收器電路中，在Zc上的壓降將為接收器接收。阻抗 Zc的值與感應電壓頻率有關。低頻時它基本上等於連接線的電阻和電源濾波器輸出電容的容抗；在高頻時，它基本上等於連接導線的感抗和電源濾波器輸出電容的容抗。

為了防止由電源輸出阻抗引起的幹擾電壓的耦合，一般應減小電源輸出阻抗或在電路中採用去耦電路。

（4）電磁場輻射耦合

電磁場輻射也會造成幹擾耦合。當高頻電流流過導體時，在該導體周圍產生的電力線和磁力線，將隨導體各部分瞬時電荷的變化而變化。這就成為一種在空間傳播的電磁波，處於電磁波中的導體，由於電磁波的作用便會感應出相應頻率的電動勢。

電磁場幹擾是一種無規則的幹擾，這種幹擾極易通過電源耦合到系統中來。另外，較長的信號輸入線、輸出線和控制線也具有天線效應，也就是能輻射幹擾波和接收幹擾波。

各種幹擾信號侵入途徑所佔百分比如圖1-25所示。

4.消除幹擾的方法

在檢測和控制裝置中，為保證正常工作，採用抗幹擾措施是非常必要的。幹擾信號的形成原因多種多樣，故對不同的系統及不同的工作環境所採用的措施不盡相同。通常從以下幾個方面去考慮。

（1）裝置配線技術與信號電纜的選擇

正確設計布線系統，正確選擇傳感器和正確設計信號處理裝置是一個重要的問題。目前國內外工業控制技術發展動向主要有3方面：①趨向計算機化，即智能化；②工業控制系統體積小型化；③採用標準化、通用化的組合系統。但是，幹擾信號通過各種線纜侵入電控裝置所佔的比例可達90%以上，因而控制裝置的配線技術是首先應該考慮的。對於靜電噪聲，可在信號線上包一層導體屏蔽層，若將屏蔽層兩端接地則效果更好。各種電纜的靜電屏蔽效果見表1-2。

圖1-25 幹擾信號的各種侵入途徑所佔的比重

表1-2 各種電纜的靜電屏蔽效果（1kHz）

對於電磁感應噪聲，配線應儘量使信號線遠離強電線，以便減小互感和電磁感應噪聲。信號電纜還可用導磁體來屏蔽，並使屏蔽的兩端接地。各種電纜的電磁屏蔽效果見表1-3。

表1-3 各種電纜的電磁屏蔽效果（50Hz）

除此之外，採用雙絞信號線對抑制噪聲也很有效，因為噪聲信號在雙絞線上所產生的磁通相互抵消。

一般說來，從傳感器輸出的微弱信號需用放大器先進行放大，理想的方法是將這些放大器用雙屏蔽層加以防護，即讓輸入信號的模擬地「浮空」，不與任何點連接，而在它們的外面套上一個屏蔽盒，外屏蔽盒並不與屏蔽線的屏蔽層連接。

降低外部噪聲或混入噪聲的方法舉例：降低外部噪聲和傳感器電路噪聲的方法是在它們之間施行靜電屏蔽，具體做法如圖1-26所示，把傳感器的輸出信號線擰在一起，這樣，可以減小磁力線耦合感應的影響。

圖1-26 降低外部噪聲方法的例子

下面主要討論設備內部抗幹擾的布線問題。

布線包括印製電路板的布線和電氣控制箱走線。合理的走線就是要設法減小電路的分布電容、雜散的電磁場所引起的幹擾。

① 強弱信號線分開，高低壓電路分開。

強電信號與弱電信號線綑紮在一起或互相平行且走線距離過長，都可能把50Hz的幹擾信號傳給迴路。在一般儀器或設備中都將交流220V 電源通過面板開關又返回變壓器。在這種情況下採用如圖1-27所示的雙絞線結構，或用屏蔽線將電源線屏蔽。這時一般採用雙芯屏蔽線，且金屬網一端接地，如圖1-28所示。

圖1-27 雙絞線結構

圖1-28 雙芯屏蔽線

② 大、小電流分開。

電路中有電流流過就會產生磁場，流過電流越大，產生的電磁場越強。有大電流工作的迴路，必將是一個大的電磁幹擾源，特別是在頻率較高時，這種影響更為顯著。因此在設計電路時，應注意將大電流迴路與弱電流迴路分開走線，以避免強信號對弱信號產生幹擾。在無法完全分開的情況下，應儘量縮短大電流迴路的長度和減小環路的面積。從圖1-29中可知，對於同樣的電路，圖1-29（b）要比圖1-29（a）優越。

圖1-29 大、小電流分開布線

③ 印製線路板的走線。

印製板是整個電路設計的重要環節。一般而言，對於信號迴路，印製銅箔條的相互距離要有足夠的尺寸，而且這個尺寸要隨信號頻率或者電壓的升高而增大，尤其是頻率極高或前沿十分陡的脈衝電路更要注意，這是由於印製板銅箔條之間有分布電容的存在。設計線路時，有時布線要平行走線，從抗幹擾的角度要注意如下工藝。

（a）採用隔離走線。在許多不得不平行走線的電路中可先考慮採用圖1-30所示的方法，即兩條信號線中加一條接地的隔離走線。

（b）短接線。在線路無法排列或只有繞大圈才能走通的情況下，乾脆用絕緣「飛線」連接而不用印製線，或採用雙面板印製飛線，或用阻容元件引線直接跨接，如圖1-31所示。

圖1-30 採用隔離走線

圖1-31 短接線

（c）拐角採用鈍角斜線如圖 1-30所示。由於幹擾信號的尖端效應，連線拐角採用銳角或直角容易引入幹擾信號，將拐角改成鈍角後可大大降低電路板導線的尖端效應，從而達到隔離幹擾信號的目的。

（d）採用屏蔽線。如前所述，也可採用將信號迴路屏蔽或將幹線屏蔽的方法，將屏蔽線外的金屬網接地而截斷電力線，從而達到抑制幹擾的目的。

（2）接地技術

在測量儀器和控制裝置中，接地技術是抗幹擾性能優劣的關鍵。接地有兩種目的：一種是保護和工作性接地，另一種則用於防止噪聲的幹擾。在控制系統中，地線的種類可分為：模擬地、信號地、電源地、屏蔽地（也叫機殼地）、直流地、計算機地等。這些不同的地線如何處理，是浮地還是接地，是一點接地還是多點接地等，都是值得研究的問題。

若把信號地、模擬地、計算機地、各機架的電源地隔離開，且使它們在系統接地網絡中呈放射狀排列，最後匯總到系統基準地，就能防止幹擾。系統基準地的接地電阻應儘量小於 2.5Ω，各系統內部的各個地要採用並聯形式，以免形成迴路，如圖1-32所示。

圖1-32 系統內部各地並聯接法

理想情況下一個系統的所有接地與大地之間應具有零電阻抗。但實際上系統與大地之間總有一定阻抗而產生電壓降。加之，電容及電感耦合幹擾等使系統各接地點電位不同，如圖1-33所示。圖1-33 （a）是信號源（熱電偶、應變片等傳感器）的現場地與系統地處於不同電位。兩個地之間的共模噪聲電壓 VCM產生的地迴路電流對系統構成幹擾。圖 1-33（b）中即使信號源外殼接地，地電位差 VCM仍會通過信號源與其外殼之間分布電容 C1及外殼對地分布電容 C2耦合而影響系統。因此，系統良好的接地是抑制外部噪聲最重要的措施之一。

圖1-33 接地電位差影響

在測量裝置中，由信號源（或傳感器）發出的幾十毫伏的微弱信號，經放大器與變換器到控制裝置（或計算機）模擬地的接法極為重要。測量裝置的信號放大器公共地線不接外殼或大地則稱浮置。測量線路被浮置後，明顯加大了系統信號放大器公共地與地（或外殼）之間的阻抗，短接幹擾電流流經自己的通路，如圖 1-34 所示。圖中信號線屏蔽外皮A點接保護屏蔽端G，不接機殼B。信號源的信號用雙花信號屏蔽線傳輸，R1、R2為信號傳輸線電阻，R3為屏蔽外皮電阻。Z1、Z2為信號傳輸線對地阻抗（包括傳輸線漏電阻、對地分布電容等）， Z3為新加保護屏蔽層相對機殼的絕緣阻抗。

圖1-34 測量線路浮置

（3）廣泛使用光電耦合隔離器

光電耦合隔離器的輸入/輸出絕緣電阻很高，而且輸出阻抗也比較高，使「模擬地」與「數字地」分開，共模幹擾電壓無法在輸入地和輸出地之間形成迴路。光電耦合隔離對數位訊號、開關信號更為有效，如圖 1-35 所示。從圖中可以看出，在光電耦合器件裡，信息的傳送介質是光。由於信息的轉換和傳送過程是在不透明的密閉環境下進行，因此它既不會受到通常的電磁信號幹擾，也不會受到外界光的幹擾，於是它能有效地在外界現場與控制系統或微機之間實現電隔離，去掉兩部分間的公共地線和一切電氣聯繫。加之，光電耦合隔離器的輸入與輸出之間分布電容極小，一般為0.5～1pF，而絕緣電阻大，一般為1012～1013Ω，因此各種現場幹擾都很難通過。

圖1-35 光電耦合隔離

（4）抗幹擾的特殊對策

以上介紹的幾條抗幹擾措施是工程中常用的方法。下面主要討論電子裝置抗幹擾措施。

① 電源迴路抗幹擾措施。

噪聲通過電源線侵入時，因電流大可能產生浪湧衝擊幹擾，並有可能在其他迴路中產生感應噪聲，其抗幹擾措施如下。

電源變壓器的一次和二次繞組間加靜電屏蔽，屏蔽層和二次繞組的一端同時接地，到電源變壓器的配線要短，並要獨立配線。把電源的往複線用絞線做成最短的配線，用配線槽與其他控制迴路的配線完全分開。

② 信號的輸入、輸出迴路抗幹擾措施。

在工業自動化裝置中，從信號輸入輸出迴路侵入的電湧噪聲造成的故障最多，因此必須採用如下的措施。

在輸入電路中不使用微分電路而使用積分電路，如圖 1-36（a）所示；圖 1-36（b）為傳感器激勵源的波形，顯然其供電採取了脈動直流方式。

圖1-36 改進後的電路

正半周時，傳感器輸入端有激勵源，相應地傳感器有信號輸出；負半周時，傳感器輸入端無激勵源，因此傳感器的輸出信號為零。電子模擬開關S對應激勵源的負半周接通，正半周斷開。Vo是放大電路的輸出信號。負半周時，傳感器無輸出信號，此時放大電路的輸出Vo即為噪聲電平。積分電路輸出接到放大電路的Vz端。積分電路的設計思路如下。

負半周時，S接通，積分電路對噪聲電平Vo進行積分，積分電路的輸出信號反饋到放大電路的Vz端，使Vo逐步降低至零。當Vo降為零時，積分電路停止工作，此時的Vz將被記錄下來並保持不變。正半周時，由於S斷開，所以在負半周積分得到的Vz值仍將保持不變。因為噪聲電平Vo已被Vz抵消，所以正半周時放大電路的輸出信號已無噪聲電平成分，僅和傳感器的輸出信號成正比，達到了自動消除噪聲電平的目的。

③ 合理選擇濾波器。

模擬濾波器主要用於濾去模擬幹擾信號。由於幹擾信號表現形式不一，測量信號在性質上各異，因而需要選用不同的濾波器。

（a）若串模幹擾信號頻率fn大於被測信號頻率fs，選用低通濾波器。因低通濾波器常採用電感元件，所以常在較大的設備中採用。

（b）若串模幹擾信號頻率fn小於被測信號頻率fs，選用輸入高通濾波器。在電源進線中加接電容元件，可有效地濾去信號源中的高頻幹擾信號。

（c）若串模幹擾信號頻率fn超出被測信號頻譜範圍，選用帶通濾波器。

（d）若串模幹擾信號頻率fn與被測信號頻率fs相當，可不使用模擬濾波器。

在控制裝置的輸入端加濾波電路，可使混雜在有用信號中的交流幹擾信號大幅衰減。目前已生產出商用線路濾波器供選擇使用，如圖1-37所示，圖1-37（a）為T形濾波器，圖1-37（b）為R形濾波器，圖1-37 （c）為E形濾波器。合理選擇濾波器可使噪聲電壓衰減10dB。