水声计量测试系统中电压测量的干扰及抑制技术

陆渭林

（第七一五研究所，杭州，310023）

水声计量测试系统中电压测量的干扰及抑制技术

陆渭林

（第七一五研究所，杭州，310023）

开路电压的精确测量是水声换能器测量过程中的关键点，直接关系到水声计量测试系统的测量准确度。文章阐述了电压测量中的干扰及其抑制技术，采用该干扰抑制技术，可有效提升水声计量测试的电压测量信噪比，从而迅速减小水声计量的测量不确定度。

水声计量测试系统；电压测量；串模干扰；共模干扰；抑制技术

电子技术中常用的各种参量，如增益、衰减、功率、驻波比、失真度、噪声系数和频谱等直接或间接地与电压量有关。在十大计量领域中，即使是非电物理量的测量也通常需要借助对电压的测量来实现。因此，在科学实验、生产实践，或是日常生活中，电压是一个涉及面广、影响大的参量，提高电压测量的准确度对整个计量测试系统有着举足轻重的作用。被测电压的幅值、频率以及波形千变万化，所以选用电压测量仪器时要考虑的因素有：电压测量范围、频率响应范围、输入阻抗、分辨率、测量准确度、抗干扰能力。

通常电压测量有模拟和数字测量两种方法，相应的仪器可统称为模拟电压表和数字电压表。虽然数字电压表越来越普及，但就目前的技术发展现状来说，尤其是超高频率信号的测量，数字电压表还不能完全取代模拟电压表。模拟电压表的测量准确度达10-2量级，数字电压表的测量准确度达10-5～10-7量级，最高达10-8。为了提高计量测试系统电压测量准确度，尤其在被测信号为小信号、微弱信号，或者被测信号的信噪比不够高时，还必须有效抑制并减小各种干扰。

1 电压测量中的干扰

通常，电压测量中有以下两类干扰。

1）随机性干扰：在电压测量的过程中这种干扰信号是不确定的。例如DVM内部电子的热噪声、器件的散弹噪声（Shot Noise）以及测量现场的电磁干扰等。

2）确定性干扰：通常分为串模（Series Model，SM）干扰和共模（Common Model，CM）干扰两种，见图1。在图1（a）中，干扰电压Vn与被测电压Vx串联地加到DVM两个测量输入端H和L（即测量电位的高端和低端）之间，故称串模干扰，以Vsm表示。串模干扰一般来自被测信号本身，例如与信号线平行铺设的电源线、大电流控制线所产生的空间电磁场、信号源本身固有的漂移和噪声、稳压电源中的纹波电压、电源变压器屏蔽不良、测量接线上感应的工频或高频电压等均会引入串模干扰。

图1 数字多用表的组成

在计量测试系统中，连接传感器的信号线会长达一二百米，此时干扰源通过电磁感应和静电耦合作用，再加上如此之长的信号线，其感应电压数值是相当可观的。当系统的电源线与信号线平行敷设时，信号线上的电磁感应电压和静电感应电压都可达到mV级，此时，来自传感器的有效信号电压的动态范围也只有几十mV，甚至更小。另外，对计量测试系统而言，由于采样时间短，电源的工频感应电压也会渐变为干扰电压。这种干扰信号与有效直流信号一起被采样和放大，造成有效信号失真。

串模干扰的频率范围从直流、低频直至超高频；其波形有周期性的正弦或非正弦波，也有非周期性的脉冲和随机干扰。

在图1（b）中，干扰电压（即图中的Vcm）同时作用于DVM的H和L端，即DVM的H和L端受到干扰信号的同等影响（包括幅度和相位），故称为共模干扰Vcm。产生共模干扰的原因往往是因为测量系统的接地问题[1]，由于被测电压与DVM相距较远，因此两者的地电位（即它们的参考电位）不一样，有时共模电压Vcm高达几伏甚至几百伏。此外，被测信号本身也可能含有共模电压分量。共模干扰是在信号线与地之间传输，属于非对称性干扰。

2 串模干扰的抑制方法

常见抑制串模干扰的方法有两种：输入滤波法和积分平均法[2]。输入滤波法是利用低通滤波器滤除被测电压中的高频干扰分量，但这要影响DVM对被测信号的响应速度，降低读数速率，因此，在DVM中主要采用积分法来消除串模干扰。

2.1 积分式数字电压表对串模干扰的平均作用

假设被测电压Vx上叠加了一个平均值为零的正弦波干扰电压Vn（即使是非正弦波电压也可以分解为各种频率的正弦波分量），即

式中：Vn为干扰电压的幅值；ωn是干扰电压的角频率；φ为干扰电压的初相角，它以T1期（采样期）开始积分的时刻为参考。因此，双斜式DVM的输入电压Vi为

它在T1期内的平均值为

经演算得

式中，Tn为干扰信号的周期，Tn=2π/ωn。

以式（3）为依据讨论对串模干扰的抑制问题。串模干扰引起的误差电压既与T1和Tn有关，也与初相角φ有关。欲使，该式中必有一个因子为零，可分以下两种情况。

若能满足式（4）或式（5）条件，则串模干扰就能全部被抑制掉，这证明了积分对串模干扰的平均作用。而实际的实验情况会有所差异，现对以上两式作进一步讨论。

鉴于干扰信号的初相角是随机的，因此式（3）中最后一项因子的取值在−1和+1之间，现考虑最不利情况为+1，则式（3）可能表示为

现以串模抑制比（Series Model Reject Rate，简写为SMRR）定量表示DVM对串模干扰的抑制能力，它定义为

式中：Vn为串模干扰电压的幅度值；是干扰电压引起的最大测量误差；SMRR的单位为dB。将式（6）代入式（7）得

针对积分式DVM，根据式（8）并以T1为变量，可以得到如下几点结论：

（1）当T1/Tn为整数，即双斜式A/D的采样期T1为干扰信号周期Tn的整数倍时，SMRR=∝，此时称为理想抑制条件。

（2）当采样期T1一定时，干扰信号频率fn越高（即Tn越小），双斜式A/D对串模干扰的抑制能力越强；同理，当Tn一定时，采样期T1一定时，采样期T1越大，对串模干扰抑制能力也越强。

（3）当干扰信号的周期偏离理想抑制点，使T1/Tn不等于整数时，SMRR便急剧下降。如果干扰周期偏离理想抑制点不远，例如工频周期偏离理想点（20 ms）为1%，则代入式（8），可得SMRR≈40 dB，即减小了100倍。

由上式可见，当T1和Tn为定值时，干扰信号的也一定，因此将是一个随干扰信号初相角φ变化的正弦函数。如果合理选择φ，使其正弦函数值为零，那么串模干扰的影响也将被完全抑制。由式（9）可知，使的最佳初相角为

3 共模干扰的抑制方法

3.1 共模抑制比的定义[3]

通常DVM和被测信号源相距较远，需要较长的接线。这样不仅因为长线会引入串模干扰，而且还会因为接地不良引入共模干扰，如图2所示。图中Vcm为共模的等效干扰电压；rcm为接地电阻；r1、r2为测量线内阻；rs为信号源内阻；Z1为DVM的输入阻抗。现在讨论由于共模干扰电压Vcm的影响，在DVM的输入端H和L之间产生的等效干扰电压Vcm[参照图1(b)]。在图2中因为Z1＞＞r1、Z1＞＞r2、Z1＞＞rs、Z1＞＞rcm，故得

又因为rcm＜＜r2，式（10）可以表示为

共模抑制比CMRR（Common Model Reject Rate）为

式中：Vcm为电压测量系统中DVM受到的共模干扰电压；Vcn是共模干扰电压在DVM的H、L端引入的等效干扰电压（相当于串模干扰电压）。CMRR单位为dB。

图2 测量系统中的共模干扰等效

将式（10）代入式（11），得

因为rcm＜＜r2，故CMRR≈20lg1，即

对上述分析小结如下：从式（10）可见，DVM的共模干扰可以转换为串模干扰电压，串模干扰电压和被测电压串联后加到DVM的输入端，所以对于测量误差来说最终仍是由串模干扰引起；图2的测量系统不能抑制共模干扰（因为CMRR=0 dB），故需要采取改进措施。

3.2 提高共模抑制比的措施

为了在电压测量中提高抗共模干扰能力，减小测量误差，必须对图2所示测量系统的结构进行改进。通常有这样一些方法：①浮置DVM的低端；②采用双端对称差分输入电路；③浮置双端对称输入电路；④采用双重屏蔽和浮置。本文重点介绍第①和第④种措施。

3.2.1 浮置DVM的低端

在图2的电路中，共模干扰的影响主要由I2造成的，因此要设法削弱I2的影响。有效方法是浮置低端，即将DVM的L端与仪器的机壳相隔离（在DVM中L端的电位是其模拟电路的参考电位），如图3所示。图中的L端与机壳之间有一个很大的阻抗Z2表示它们之间是相隔离的，这里在DVM输入端的等效干扰电压为（考虑到Z1＞＞r2）

因为Z1＞＞r1、Z1＞＞rs，所以

又因为Z2＞＞r2、Z2＞＞rcm，所以，因此，图3电路的共模抑制比为。把Vcn的表示式代入上式得

对比式（15）和式（12）可以看出：由于浮置DVM的L端，并且Z2/r2＞＞1，所以CMRR不再为零。由此可见，浮置DVM的L端可以提高电压测量的抗共模干扰能力；并且L端与机壳之间隔离得越好，Z2值就越大，共模抑制比也就越高。

图3 浮置DVM低端的电压测量系统

3.2.2 DVM采用双重屏蔽和浮置[2]

目前高精度DVM都采用这种技术，如图4所示，用机壳作为外屏蔽，在机壳内设置一个内屏蔽盒，将DVM的模拟电路屏蔽起来，在DVM模拟电路被浮置的L端与内层屏蔽之间、内外层屏蔽之间都是高度绝缘的，绝缘阻抗Z2、Z3都很大。由图4可见，共模干扰电压Vcm经Z3、rcm和r3分压，并认为rcm很小可以忽略不计，因此r3上的压降V’cm为

V’cm再经Z2和r2分压，又因为Z2＞＞r2；Z3＞＞r3，故在r2上的压降为，因此得共模抑制比为

上式表明，要提高CMRR就要加大Z2、Z3，即将内部电路浮置起来，内屏蔽层也要浮置起来，例如，当Z2=Z3=106Ω，r2=r3=1 kΩ，由式（16）得CMRR=120 dB，达到了较高的共模抑制水平。在图4中一共有三条线和DVM相连接，基于上述原因，通常采用具有屏蔽的双芯线，这主要是因为屏蔽层就相当于具有内阻r3的接线，而双芯线具有的内阻则分别为r1和r2。由于屏蔽能使CMRR有很大提高，因此在实际测量中使用的信号线应尽量采用优质屏蔽线并按要求正确连接。

图4 双重屏蔽与浮置的电路原理图

4 结束语

通常情况下水听器的开路电压相对比较微弱，为此我们首先需要利用前置放大器实现与水听器输出端阻抗的匹配和部分信号放大，其次利用测量放大器实现水听器的电压信号放大，再利用滤波器滤去噪声和其它频率的无用信号，以此来提高水声计量测试系统被测信号的信噪比。科学分析并有效识别计量测试系统电压测量中可能存在的各种干扰，深入研究并有效抑制或消除各种干扰，提高计量测试系统电压测量的准确度[4]，对提升计量测试系统的整体性能是极为重要。

[1]高攸纲.屏蔽与接地[M].北京:北京邮电大学出版社,2004.

[2]陈尚松.电子测量与仪器[M].北京:电子工业出版社,2005.

[3]宋悦孝.电子测量与仪器[M].北京:电子工业出版社,2003.

[4]叶培德.JJF1001-2011通用计量术语及定义[M].北京:国家质量监督检验检疫总局,2011.