测控仪器干扰源分析与抗干扰技术研究

摘要：本文对测控仪器在实际应用中面临的电源噪声、电磁辐射及地线环路等主要干扰源进行了深入分析，探讨了其产生机理及对仪器性能的影响。从电源滤波、电磁屏蔽及地线优化布局等方面提出了抗干扰技术方案，并通过实际应用验证了其有效性。采用多级电源滤波技术可降低电源噪声，电磁屏蔽技术能有效抑制电磁辐射干扰，地线优化布局方案则解决了地线环路干扰问题，提升测控仪器的抗干扰能力，为复杂电磁环境下测控仪器的稳定运行提供技术支撑。

关键词：测控仪器；干扰源；抗干扰技术

测控仪器在工业自动化、环境监测及科学研究等领域发挥着重要作用，但其性能易受多种干扰源影响，导致测量精度下降甚至系统失效。电源噪声、电磁辐射及地线环路干扰是测控仪器面临的主要干扰源，其产生机理复杂且影响广泛。为提升测控仪器的抗干扰能力，需从干扰源分析入手，结合硬件与软件技术，提出针对性的解决方案。本文通过对干扰源的深入分析，探讨了电源滤波、电磁屏蔽及地线优化等抗干扰技术，旨在为测控仪器的设计与应用提供理论依据和实践指导。

一、测控仪器干扰源

（一）电源噪声干扰分析

电源作为仪器的能量供应源头，其输出的电压或电流并非绝对稳定纯净。电网中的电压波动、谐波成分以及电源内部的电子元件特性，均是电源噪声的产生根源。电网电压波动受多种因素影响，大功率设备的启停，会导致电网瞬间电流变化，引起电压波动，这些波动经电源进入测控仪器，会对信号的测量与处理产生干扰，导致测量结果出现偏差。谐波成分则源于非线性负载在电网中产生的非正弦电流，这些电流在电网阻抗上产生压降，形成谐波电压，混入电源输出中。开关电源中的功率开关管，其在导通与截止瞬间会产生快速的电流变化，形成尖峰噪声，而整流二极管在反向恢复过程中也会产生电流尖峰，这些噪声若不能有效抑制，将通过电源线传导至仪器的各个部分，干扰电路的正常工作。

（二）电磁辐射干扰机理

电磁辐射干扰机理较为复杂，涉及电场与磁场的相互作用以及电磁波的传播。任何载流导体周围都会产生磁场，当导体中的电流随时间变化时，其周围的磁场也随之变化，产生变化的电场，这种电场与磁场的交替变化便形成了电磁辐射。在测控仪器内部，高速数字电路中的信号传输线、微处理器以及各类通信接口等，都是潜在的电磁辐射源。高速信号在传输线上快速跳变，其上升沿与下降沿的陡峭程度决定了信号中高频成分的丰富程度，这些高频成分会向周围空间辐射电磁波。微处理器在运行过程中，其内部的时钟信号频率不断变化，产生的电磁辐射会对周边电路产生干扰。而仪器外部的电磁环境同样复杂，附近的通信基站、工业设备等产生的强电磁辐射，也能通过空间耦合进入测控仪器，影响其内部电路的正常工作。

（三）地线环路干扰成因

在测控系统中，为了保证电路的正常工作以及人员和设备的安全，需要将各个部分的地线连接在一起。然而，实际的地线并非理想的零阻抗导体，当地线中有电流通过时，会在地线阻抗上产生压降。当多个设备通过地线连接形成环路时，若不同接地点之间存在电位差，就会在地线环路中产生电流。在一个包含多个测量模块的测控系统中，各个模块可能分别接地，由于不同模块的工作电流不同，其接地点的电位也会有所差异，导致地线环路电流的产生。这种电流在经过其他电路的地线时，会产生额外的电压降，干扰该电路的正常信号传输。

二、测控仪器抗干扰技术

（一）电源滤波技术应用

电源滤波技术旨在通过特定的电路设计，抑制电源噪声，确保输入到测控仪器的电源尽可能纯净。在实际应用中，常采用多种滤波器组合的方式。以低通滤波器为例，其能够有效抑制高频噪声，使低频的有用信号顺利通过。基于电容和电感对不同频率信号的阻抗特性，电容在高频时阻抗较低，可将高频噪声旁路到地，而电感在高频时阻抗较高，阻碍高频噪声进入后续电路。在设计电源滤波电路时，可选用合适参数的电容与电感组成π型低通滤波器，其对高频噪声的衰减效果显著。还可加入带通滤波器，针对特定频率范围的噪声进行针对性过滤[1]。在一些对电源稳定性要求极高的测控仪器中，会采用多级滤波的方式，先通过一级低通滤波器去除大部分高频噪声，再利用二级带通滤波器对剩余的特定频段噪声进行精细过滤，最后通过稳压器对电压进行稳定输出，确保电源的纹波系数控制在极低水平，为仪器内部电路提供稳定可靠的电源供应，降低电源噪声对测量精度的影响。

（二）电磁屏蔽技术设计

电磁屏蔽技术的设计核心在于构建一个封闭的屏蔽空间，阻挡外部电磁辐射进入仪器内部，防止仪器内部的电磁辐射泄漏出去。在材料选择上，常采用铜、铝、铁镍合金等高导磁率的金属材料，这些材料能够对电磁波产生反射和吸收作用，有效削弱电磁辐射强度。对于仪器的外壳，可采用金属材质并进行良好的接地处理，形成一个完整的电磁屏蔽罩。仪器内部的敏感电路部分，也可通过金属屏蔽盒进行单独屏蔽。在设计高速数字电路模块时，将其放置在金属屏蔽盒内，屏蔽盒与仪器外壳通过低阻抗的导体连接，确保良好的电气连续性[2]。对于信号传输线，可采用屏蔽线缆，其外层的金属屏蔽层能有效屏蔽外界电磁干扰对线缆内信号的影响，防止线缆内信号产生的电磁辐射泄漏。在通信接口部分，也可安装电磁屏蔽滤波器，抑制电磁辐射干扰，保证信号传输的稳定性与准确性，避免因电磁辐射干扰导致的信号失真、误触发等问题。

（三）地线优化布局方案

地线优化布局方案着眼于通过合理规划地线连接方式，降低地线环路干扰，提高仪器的抗干扰性能。明确单点接地和多点接地的适用场景，对于低频电路，单点接地能有效避免地线环路电流的产生，即将电路中的所有接地点连接到一个公共接地点上，减少不同接地点之间的电位差。对于高频电路，由于高频信号的趋肤效应，多点接地更为合适，能够为高频电流提供多个低阻抗的接地路径，降低地线阻抗[3]。在实际的测控系统中，往往是低频与高频电路并存，此时可采用混合接地方式，将低频部分采用单点接地，高频部分采用多点接地，通过电容或电感等元件将两者的接地点进行适当连接，既避免了低频的地线环路干扰，又满足了高频信号的接地需求。注意地线的布线方式，尽量加粗地线宽度，降低地线电阻，减少地线阻抗上的电压降。避免地线形成环路，若无法避免，可通过在环路中串联电感或电阻的方式，增大环路阻抗，抑制地线环路电流。在多层PCB设计中，合理分配电源层和地层，使地线平面尽可能完整，为信号提供良好的回流路径，优化地线布局，提升仪器整体的抗干扰能力。

结束语：

通过以上分析得出以下结论：电源滤波技术有效抑制了电源噪声，为仪器内部电路提供了稳定可靠的电源供应；电磁屏蔽技术有效阻挡了外部电磁辐射的干扰，保证了仪器内部电路的正常工作；地线优化布局方法降低了地线环路干扰，提高了仪器的测量精度和稳定性。未来，应深入研究新型抗干扰材料和技术，采用更高效的滤波器、开发更先进的电磁屏蔽材料，提高测控仪器的抗干扰性能，结合智能化技术，实现测控仪器的自适应抗干扰，提高其在复杂环境下的稳定性和可靠性，为扩展测控仪器的应用领域奠定坚实基础。

参考文献：

[1]麻军德，王海伟.试验台测控仪器隔振装置振动传递特性分析[J].动力学与控制学报，2022，20（6）：49-57.

[2]宣建丽.测控仪器干扰源分析及抗干扰技术[J].百科论坛电子杂志，2020（11）：420.

[3]胡长武，李鹏，侯凯.基于Apache Spark的大数据电能质量干扰源分析[J].自动化与仪器仪表，2024（9）：365-369.