水聲計量測試系統中電壓測量的干擾及抑制技術

陸渭林

（第七一五研究所，杭州，310023）

水聲計量測試系統中電壓測量的干擾及抑制技術

陸渭林

（第七一五研究所，杭州，310023）

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

水聲計量測試系統；電壓測量；串模干擾；共模干擾；抑制技術

電子技術中常用的各種參量，如增益、衰減、功率、駐波比、失真度、噪聲系數和頻譜等直接或間接地與電壓量有關。在十大計量領域中，即使是非電物理量的測量也通常需要借助對電壓的測量來實現。因此，在科學實驗、生產實踐，或是日常生活中，電壓是一個涉及面廣、影響大的參量，提高電壓測量的準確度對整個計量測試系統有著舉足輕重的作用。被測電壓的幅值、頻率以及波形千變萬化，所以選用電壓測量儀器時要考慮的因素有：電壓測量范圍、頻率響應范圍、輸入阻抗、分辨率、測量準確度、抗干擾能力。

通常電壓測量有模擬和數字測量兩種方法，相應的儀器可統稱為模擬電壓表和數字電壓表。雖然數字電壓表越來越普及，但就目前的技術發展現狀來說，尤其是超高頻率信號的測量，數字電壓表還不能完全取代模擬電壓表。模擬電壓表的測量準確度達10-2量級，數字電壓表的測量準確度達10-5～10-7量級，最高達10-8。為了提高計量測試系統電壓測量準確度，尤其在被測信號為小信號、微弱信號，或者被測信號的信噪比不夠高時，還必須有效抑制并減小各種干擾。

1 電壓測量中的干擾

通常，電壓測量中有以下兩類干擾。

1）隨機性干擾：在電壓測量的過程中這種干擾信號是不確定的。例如DVM內部電子的熱噪聲、器件的散彈噪聲（Shot Noise）以及測量現場的電磁干擾等。

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與被測電壓Vx串聯地加到DVM兩個測量輸入端H和L（即測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信號本身，例如與信號線平行鋪設的電源線、大電流控制線所產生的空間電磁場、信號源本身固有的漂移和噪聲、穩壓電源中的紋波電壓、電源變壓器屏蔽不良、測量接線上感應的工頻或高頻電壓等均會引入串模干擾。

圖1 數字多用表的組成

在計量測試系統中，連接傳感器的信號線會長達一二百米，此時干擾源通過電磁感應和靜電耦合作用，再加上如此之長的信號線，其感應電壓數值是相當可觀的。當系統的電源線與信號線平行敷設時，信號線上的電磁感應電壓和靜電感應電壓都可達到mV級，此時，來自傳感器的有效信號電壓的動態范圍也只有幾十mV，甚至更小。另外，對計量測試系統而言，由于采樣時間短，電源的工頻感應電壓也會漸變為干擾電壓。這種干擾信號與有效直流信號一起被采樣和放大，造成有效信號失真。

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干擾。

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

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電壓中的高頻干擾分量，但這要影響DVM對被測信號的響應速度，降低讀數速率，因此，在DVM中主要采用積分法來消除串模干擾。

2.1 積分式數字電壓表對串模干擾的平均作用

假設被測電壓Vx上疊加了一個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）開始積分的時刻為參考。因此，雙斜式DVM的輸入電壓Vi為

它在T1期內的平均值為

經演算得

式中，Tn為干擾信號的周期，Tn=2π/ωn。

以式（3）為依據討論對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，也與初相角φ有關。欲使，該式中必有一個因子為零，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，這證明了積分對串模干擾的平均作用。而實際的實驗情況會有所差異，現對以上兩式作進一步討論。

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

現以串模抑制比（Series Model Reject Rate，簡寫為SMRR）定量表示DVM對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量誤差；SMRR的單位為dB。將式（6）代入式（7）得

針對積分式DVM，根據式（8）并以T1為變量，可以得到如下幾點結論：

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

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

（3）當干擾信號的周期偏離理想抑制點，使T1/Tn不等于整數時，SMRR便急劇下降。如果干擾周期偏離理想抑制點不遠，例如工頻周期偏離理想點（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T1和Tn為定值時，干擾信號的也一定，因此將是一個隨干擾信號初相角φ變化的正弦函數。如果合理選擇φ，使其正弦函數值為零，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和被測信號源相距較遠，需要較長的接線。這樣不僅因為長線會引入串模干擾，而且還會因為接地不良引入共模干擾，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為測量線內阻；rs為信號源內阻；Z1為DVM的輸入阻抗?，F在討論由于共模干擾電壓Vcm的影響，在DVM的輸入端H和L之間產生的等效干擾電壓Vcm[參照圖1(b)]。在圖2中因為Z1＞＞r1、Z1＞＞r2、Z1＞＞rs、Z1＞＞rcm，故得

又因為rcm＜＜r2，式（10）可以表示為

共模抑制比CMRR（Common Model Reject Rate）為

式中：Vcm為電壓測量系統中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（相當于串模干擾電壓）。CMRR單位為dB。

圖2 測量系統中的共模干擾等效

將式（10）代入式（11），得

因為rcm＜＜r2，故CMRR≈20lg1，即

對上述分析小結如下：從式（10）可見，DVM的共模干擾可以轉換為串模干擾電壓，串模干擾電壓和被測電壓串聯后加到DVM的輸入端，所以對于測量誤差來說最終仍是由串模干擾引起；圖2的測量系統不能抑制共模干擾（因為CMRR=0 dB），故需要采取改進措施。

3.2 提高共模抑制比的措施

為了在電壓測量中提高抗共模干擾能力，減小測量誤差，必須對圖2所示測量系統的結構進行改進。通常有這樣一些方法：①浮置DVM的低端；②采用雙端對稱差分輸入電路；③浮置雙端對稱輸入電路；④采用雙重屏蔽和浮置。本文重點介紹第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端與機殼之間有一個很大的阻抗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）

因為Z1＞＞r1、Z1＞＞rs，所以

又因為Z2＞＞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端可以提高電壓測量的抗共模干擾能力；并且L端與機殼之間隔離得越好，Z2值就越大，共模抑制比也就越高。

圖3 浮置DVM低端的電壓測量系統

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，如圖4所示，用機殼作為外屏蔽，在機殼內設置一個內屏蔽盒，將DVM的模擬電路屏蔽起來，在DVM模擬電路被浮置的L端與內層屏蔽之間、內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Z3、rcm和r3分壓，并認為rcm很小可以忽略不計，因此r3上的壓降V’cm為

V’cm再經Z2和r2分壓，又因為Z2＞＞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，即將內部電路浮置起來，內屏蔽層也要浮置起來，例如，當Z2=Z3=106?，r2=r3=1 k?，由式（16）得CMRR=120 dB，達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，這主要是因為屏蔽層就相當于具有內阻r3的接線，而雙芯線具有的內阻則分別為r1和r2。由于屏蔽能使CMRR有很大提高，因此在實際測量中使用的信號線應盡量采用優質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 結束語

通常情況下水聽器的開路電壓相對比較微弱，為此我們首先需要利用前置放大器實現與水聽器輸出端阻抗的匹配和部分信號放大，其次利用測量放大器實現水聽器的電壓信號放大，再利用濾波器濾去噪聲和其它頻率的無用信號，以此來提高水聲計量測試系統被測信號的信噪比?？茖W分析并有效識別計量測試系統電壓測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，提高計量測試系統電壓測量的準確度[4]，對提升計量測試系統的整體性能是極為重要。

[1]高攸綱.屏蔽與接地[M].北京:北京郵電大學出版社,2004.

[2]陳尚松.電子測量與儀器[M].北京:電子工業出版社,2005.

[3]宋悅孝.電子測量與儀器[M].北京:電子工業出版社,2003.

[4]葉培德.JJF1001-2011通用計量術語及定義[M].北京:國家質量監督檢驗檢疫總局,2011.