陸渭林

（第七一五研究所，杭州，310023）

水聲計(jì)量測(cè)試系統(tǒng)中電壓測(cè)量的干擾及抑制技術(shù)

陸渭林

（第七一五研究所，杭州，310023）

開路電壓的精確測(cè)量是水聲換能器測(cè)量過程中的關(guān)鍵點(diǎn)，直接關(guān)系到水聲計(jì)量測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)量準(zhǔn)確度。文章闡述了電壓測(cè)量中的干擾及其抑制技術(shù)，采用該干擾抑制技術(shù)，可有效提升水聲計(jì)量測(cè)試的電壓測(cè)量信噪比，從而迅速減小水聲計(jì)量的測(cè)量不確定度。

水聲計(jì)量測(cè)試系統(tǒng)；電壓測(cè)量；串模干擾；共模干擾；抑制技術(shù)

電子技術(shù)中常用的各種參量，如增益、衰減、功率、駐波比、失真度、噪聲系數(shù)和頻譜等直接或間接地與電壓量有關(guān)。在十大計(jì)量領(lǐng)域中，即使是非電物理量的測(cè)量也通常需要借助對(duì)電壓的測(cè)量來實(shí)現(xiàn)。因此，在科學(xué)實(shí)驗(yàn)、生產(chǎn)實(shí)踐，或是日常生活中，電壓是一個(gè)涉及面廣、影響大的參量，提高電壓測(cè)量的準(zhǔn)確度對(duì)整個(gè)計(jì)量測(cè)試系統(tǒng)有著舉足輕重的作用。被測(cè)電壓的幅值、頻率以及波形千變?nèi)f化，所以選用電壓測(cè)量儀器時(shí)要考慮的因素有：電壓測(cè)量范圍、頻率響應(yīng)范圍、輸入阻抗、分辨率、測(cè)量準(zhǔn)確度、抗干擾能力。

通常電壓測(cè)量有模擬和數(shù)字測(cè)量兩種方法，相應(yīng)的儀器可統(tǒng)稱為模擬電壓表和數(shù)字電壓表。雖然數(shù)字電壓表越來越普及，但就目前的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀來說，尤其是超高頻率信號(hào)的測(cè)量，數(shù)字電壓表還不能完全取代模擬電壓表。模擬電壓表的測(cè)量準(zhǔn)確度達(dá)10-2量級(jí)，數(shù)字電壓表的測(cè)量準(zhǔn)確度達(dá)10-5～10-7量級(jí)，最高達(dá)10-8。為了提高計(jì)量測(cè)試系統(tǒng)電壓測(cè)量準(zhǔn)確度，尤其在被測(cè)信號(hào)為小信號(hào)、微弱信號(hào)，或者被測(cè)信號(hào)的信噪比不夠高時(shí)，還必須有效抑制并減小各種干擾。

1 電壓測(cè)量中的干擾

通常，電壓測(cè)量中有以下兩類干擾。

1）隨機(jī)性干擾：在電壓測(cè)量的過程中這種干擾信號(hào)是不確定的。例如DVM內(nèi)部電子的熱噪聲、器件的散彈噪聲（Shot Noise）以及測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的電磁干擾等。

2）確定性干擾：通常分為串模（Series Model，SM）干擾和共模（Common Model，CM）干擾兩種，見圖1。在圖1（a）中，干擾電壓Vn與被測(cè)電壓Vx串聯(lián)地加到DVM兩個(gè)測(cè)量輸入端H和L（即測(cè)量電位的高端和低端）之間，故稱串模干擾，以Vsm表示。串模干擾一般來自被測(cè)信號(hào)本身，例如與信號(hào)線平行鋪設(shè)的電源線、大電流控制線所產(chǎn)生的空間電磁場(chǎng)、信號(hào)源本身固有的漂移和噪聲、穩(wěn)壓電源中的紋波電壓、電源變壓器屏蔽不良、測(cè)量接線上感應(yīng)的工頻或高頻電壓等均會(huì)引入串模干擾。

圖1 數(shù)字多用表的組成

在計(jì)量測(cè)試系統(tǒng)中，連接傳感器的信號(hào)線會(huì)長達(dá)一二百米，此時(shí)干擾源通過電磁感應(yīng)和靜電耦合作用，再加上如此之長的信號(hào)線，其感應(yīng)電壓數(shù)值是相當(dāng)可觀的。當(dāng)系統(tǒng)的電源線與信號(hào)線平行敷設(shè)時(shí)，信號(hào)線上的電磁感應(yīng)電壓和靜電感應(yīng)電壓都可達(dá)到mV級(jí)，此時(shí)，來自傳感器的有效信號(hào)電壓的動(dòng)態(tài)范圍也只有幾十mV，甚至更小。另外，對(duì)計(jì)量測(cè)試系統(tǒng)而言，由于采樣時(shí)間短，電源的工頻感應(yīng)電壓也會(huì)漸變?yōu)楦蓴_電壓。這種干擾信號(hào)與有效直流信號(hào)一起被采樣和放大，造成有效信號(hào)失真。

串模干擾的頻率范圍從直流、低頻直至超高頻；其波形有周期性的正弦或非正弦波，也有非周期性的脈沖和隨機(jī)干擾。

在圖1（b）中，干擾電壓（即圖中的Vcm）同時(shí)作用于DVM的H和L端，即DVM的H和L端受到干擾信號(hào)的同等影響（包括幅度和相位），故稱為共模干擾Vcm。產(chǎn)生共模干擾的原因往往是因?yàn)闇y(cè)量系統(tǒng)的接地問題[1]，由于被測(cè)電壓與DVM相距較遠(yuǎn)，因此兩者的地電位（即它們的參考電位）不一樣，有時(shí)共模電壓Vcm高達(dá)幾伏甚至幾百伏。此外，被測(cè)信號(hào)本身也可能含有共模電壓分量。共模干擾是在信號(hào)線與地之間傳輸，屬于非對(duì)稱性干擾。

2 串模干擾的抑制方法

常見抑制串模干擾的方法有兩種：輸入濾波法和積分平均法[2]。輸入濾波法是利用低通濾波器濾除被測(cè)電壓中的高頻干擾分量，但這要影響DVM對(duì)被測(cè)信號(hào)的響應(yīng)速度，降低讀數(shù)速率，因此，在DVM中主要采用積分法來消除串模干擾。

2.1 積分式數(shù)字電壓表對(duì)串模干擾的平均作用

假設(shè)被測(cè)電壓Vx上疊加了一個(gè)平均值為零的正弦波干擾電壓Vn（即使是非正弦波電壓也可以分解為各種頻率的正弦波分量），即

式中：Vn為干擾電壓的幅值；ωn是干擾電壓的角頻率；φ為干擾電壓的初相角，它以T1期（采樣期）開始積分的時(shí)刻為參考。因此，雙斜式DVM的輸入電壓Vi為

它在T1期內(nèi)的平均值為

經(jīng)演算得

式中，Tn為干擾信號(hào)的周期，Tn=2π/ωn。

以式（3）為依據(jù)討論對(duì)串模干擾的抑制問題。串模干擾引起的誤差電壓既與T1和Tn有關(guān)，也與初相角φ有關(guān)。欲使，該式中必有一個(gè)因子為零，可分以下兩種情況。

若能滿足式（4）或式（5）條件，則串模干擾就能全部被抑制掉，這證明了積分對(duì)串模干擾的平均作用。而實(shí)際的實(shí)驗(yàn)情況會(huì)有所差異，現(xiàn)對(duì)以上兩式作進(jìn)一步討論。

鑒于干擾信號(hào)的初相角是隨機(jī)的，因此式（3）中最后一項(xiàng)因子的取值在?1和+1之間，現(xiàn)考慮最不利情況為+1，則式（3）可能表示為

現(xiàn)以串模抑制比（Series Model Reject Rate，簡寫為SMRR）定量表示DVM對(duì)串模干擾的抑制能力，它定義為

式中：Vn為串模干擾電壓的幅度值；是干擾電壓引起的最大測(cè)量誤差；SMRR的單位為dB。將式（6）代入式（7）得

針對(duì)積分式DVM，根據(jù)式（8）并以T1為變量，可以得到如下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）當(dāng)T1/Tn為整數(shù)，即雙斜式A/D的采樣期T1為干擾信號(hào)周期Tn的整數(shù)倍時(shí)，SMRR=∝，此時(shí)稱為理想抑制條件。

（2）當(dāng)采樣期T1一定時(shí)，干擾信號(hào)頻率fn越高（即Tn越?。?，雙斜式A/D對(duì)串模干擾的抑制能力越強(qiáng)；同理，當(dāng)Tn一定時(shí)，采樣期T1一定時(shí)，采樣期T1越大，對(duì)串模干擾抑制能力也越強(qiáng)。

（3）當(dāng)干擾信號(hào)的周期偏離理想抑制點(diǎn)，使T1/Tn不等于整數(shù)時(shí)，SMRR便急劇下降。如果干擾周期偏離理想抑制點(diǎn)不遠(yuǎn)，例如工頻周期偏離理想點(diǎn)（20 ms）為1%，則代入式（8），可得SMRR≈40 dB，即減小了100倍。

由上式可見，當(dāng)T1和Tn為定值時(shí)，干擾信號(hào)的也一定，因此將是一個(gè)隨干擾信號(hào)初相角φ變化的正弦函數(shù)。如果合理選擇φ，使其正弦函數(shù)值為零，那么串模干擾的影響也將被完全抑制。由式（9）可知，使的最佳初相角為

3 共模干擾的抑制方法

3.1 共模抑制比的定義[3]

通常DVM和被測(cè)信號(hào)源相距較遠(yuǎn)，需要較長的接線。這樣不僅因?yàn)殚L線會(huì)引入串模干擾，而且還會(huì)因?yàn)榻拥夭涣家牍材８蓴_，如圖2所示。圖中Vcm為共模的等效干擾電壓；rcm為接地電阻；r1、r2為測(cè)量線內(nèi)阻；rs為信號(hào)源內(nèi)阻；Z1為DVM的輸入阻抗?，F(xiàn)在討論由于共模干擾電壓Vcm的影響，在DVM的輸入端H和L之間產(chǎn)生的等效干擾電壓Vcm[參照?qǐng)D1(b)]。在圖2中因?yàn)閆1＞＞r1、Z1＞＞r2、Z1＞＞rs、Z1＞＞rcm，故得

又因?yàn)閞cm＜＜r2，式（10）可以表示為

共模抑制比CMRR（Common Model Reject Rate）為

式中：Vcm為電壓測(cè)量系統(tǒng)中DVM受到的共模干擾電壓；Vcn是共模干擾電壓在DVM的H、L端引入的等效干擾電壓（相當(dāng)于串模干擾電壓）。CMRR單位為dB。

圖2 測(cè)量系統(tǒng)中的共模干擾等效

將式（10）代入式（11），得

因?yàn)閞cm＜＜r2，故CMRR≈20lg1，即

對(duì)上述分析小結(jié)如下：從式（10）可見，DVM的共模干擾可以轉(zhuǎn)換為串模干擾電壓，串模干擾電壓和被測(cè)電壓串聯(lián)后加到DVM的輸入端，所以對(duì)于測(cè)量誤差來說最終仍是由串模干擾引起；圖2的測(cè)量系統(tǒng)不能抑制共模干擾（因?yàn)镃MRR=0 dB），故需要采取改進(jìn)措施。

3.2 提高共模抑制比的措施

為了在電壓測(cè)量中提高抗共模干擾能力，減小測(cè)量誤差，必須對(duì)圖2所示測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。通常有這樣一些方法：①浮置DVM的低端；②采用雙端對(duì)稱差分輸入電路；③浮置雙端對(duì)稱輸入電路；④采用雙重屏蔽和浮置。本文重點(diǎn)介紹第①和第④種措施。

3.2.1 浮置DVM的低端

在圖2的電路中，共模干擾的影響主要由I2造成的，因此要設(shè)法削弱I2的影響。有效方法是浮置低端，即將DVM的L端與儀器的機(jī)殼相隔離（在DVM中L端的電位是其模擬電路的參考電位），如圖3所示。圖中的L端與機(jī)殼之間有一個(gè)很大的阻抗Z2表示它們之間是相隔離的，這里在DVM輸入端的等效干擾電壓為（考慮到Z1＞＞r2）

因?yàn)閆1＞＞r1、Z1＞＞rs，所以

又因?yàn)閆2＞＞r2、Z2＞＞rcm，所以，因此，圖3電路的共模抑制比為。把Vcn的表示式代入上式得

對(duì)比式（15）和式（12）可以看出：由于浮置DVM的L端，并且Z2/r2＞＞1，所以CMRR不再為零。由此可見，浮置DVM的L端可以提高電壓測(cè)量的抗共模干擾能力；并且L端與機(jī)殼之間隔離得越好，Z2值就越大，共模抑制比也就越高。

圖3 浮置DVM低端的電壓測(cè)量系統(tǒng)

3.2.2 DVM采用雙重屏蔽和浮置[2]

目前高精度DVM都采用這種技術(shù)，如圖4所示，用機(jī)殼作為外屏蔽，在機(jī)殼內(nèi)設(shè)置一個(gè)內(nèi)屏蔽盒，將DVM的模擬電路屏蔽起來，在DVM模擬電路被浮置的L端與內(nèi)層屏蔽之間、內(nèi)外層屏蔽之間都是高度絕緣的，絕緣阻抗Z2、Z3都很大。由圖4可見，共模干擾電壓Vcm經(jīng)Z3、rcm和r3分壓，并認(rèn)為rcm很小可以忽略不計(jì)，因此r3上的壓降V’cm為

V’cm再經(jīng)Z2和r2分壓，又因?yàn)閆2＞＞r2；Z3＞＞r3，故在r2上的壓降為，因此得共模抑制比為

上式表明，要提高CMRR就要加大Z2、Z3，即將內(nèi)部電路浮置起來，內(nèi)屏蔽層也要浮置起來，例如，當(dāng)Z2=Z3=106?，r2=r3=1 k?，由式（16）得CMRR=120 dB，達(dá)到了較高的共模抑制水平。在圖4中一共有三條線和DVM相連接，基于上述原因，通常采用具有屏蔽的雙芯線，這主要是因?yàn)槠帘螌泳拖喈?dāng)于具有內(nèi)阻r3的接線，而雙芯線具有的內(nèi)阻則分別為r1和r2。由于屏蔽能使CMRR有很大提高，因此在實(shí)際測(cè)量中使用的信號(hào)線應(yīng)盡量采用優(yōu)質(zhì)屏蔽線并按要求正確連接。

圖4 雙重屏蔽與浮置的電路原理圖

4 結(jié)束語

通常情況下水聽器的開路電壓相對(duì)比較微弱，為此我們首先需要利用前置放大器實(shí)現(xiàn)與水聽器輸出端阻抗的匹配和部分信號(hào)放大，其次利用測(cè)量放大器實(shí)現(xiàn)水聽器的電壓信號(hào)放大，再利用濾波器濾去噪聲和其它頻率的無用信號(hào)，以此來提高水聲計(jì)量測(cè)試系統(tǒng)被測(cè)信號(hào)的信噪比?？茖W(xué)分析并有效識(shí)別計(jì)量測(cè)試系統(tǒng)電壓測(cè)量中可能存在的各種干擾，深入研究并有效抑制或消除各種干擾，提高計(jì)量測(cè)試系統(tǒng)電壓測(cè)量的準(zhǔn)確度[4]，對(duì)提升計(jì)量測(cè)試系統(tǒng)的整體性能是極為重要。

[1]高攸綱.屏蔽與接地[M].北京:北京郵電大學(xué)出版社,2004.

[2]陳尚松.電子測(cè)量與儀器[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005.

[3]宋悅孝.電子測(cè)量與儀器[M].北京:電子工業(yè)出版社,2003.

[4]葉培德.JJF1001-2011通用計(jì)量術(shù)語及定義[M].北京:國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局,2011.