如何消除50Hz工頻對(duì)高精度測(cè)溫電路的擾動(dòng)

摘要：50Hz工頻電磁場(chǎng)干擾是硬件開(kāi)發(fā)中難以避免的問(wèn)題，特別是敏感測(cè)量電路中，工頻電磁場(chǎng)會(huì)使測(cè)量信號(hào)淹沒(méi)在工頻波形里，嚴(yán)重影響測(cè)量穩(wěn)定度，故消除工頻電磁場(chǎng)干擾是敏感測(cè)量電路設(shè)計(jì)中不可逃避的挑戰(zhàn)。

PT100是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的測(cè)溫方案，各位工程師在應(yīng)用此方案時(shí)是否會(huì)遇到這樣的問(wèn)題：為什么PT100測(cè)溫電路會(huì)存在周期性小波動(dòng)？該如何解決？其實(shí)出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象主要可能是存在如下幾個(gè)原因：

1. 50Hz工頻電磁場(chǎng)的影響；

2. 周圍電機(jī)或者繼電器等開(kāi)關(guān)動(dòng)作造成的群脈沖干擾；

3. 傳導(dǎo)進(jìn)去系統(tǒng)的工頻共模干擾。

圖1 工頻電磁場(chǎng)波形

由于是測(cè)量電路存在周期性波動(dòng)，那工頻電磁場(chǎng)擾動(dòng)的可能性更大，用示波器觀測(cè)工頻電磁場(chǎng)波形如圖1，一般認(rèn)為50Hz工頻電磁場(chǎng)干擾是由兩方面原因產(chǎn)生：

1. 50Hz工頻干擾通過(guò)傳導(dǎo)進(jìn)入系統(tǒng)

2. 50Hz工頻干擾通過(guò)空間耦合進(jìn)入系統(tǒng)

針對(duì)上述問(wèn)題，消除50Hz工頻電磁場(chǎng)干擾的方法也相對(duì)明確，有下述四種方案可供電路設(shè)計(jì)者去參考：

1. 利用電氣隔離，阻斷工頻干擾的傳導(dǎo)路徑。

2. 敏感電路處搭建共模抑制和濾波電路，濾除進(jìn)入輸入通道的工頻擾動(dòng)。

3. 軟件中構(gòu)建IIR陷波或者FIR帶阻數(shù)字濾波器，消除工頻干擾對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

4. 降低測(cè)量引線回路面積，增加屏蔽，減弱空間耦合效應(yīng)。

ZLG推出一款雙通道熱電阻隔離測(cè)溫模塊TPS02R，轉(zhuǎn)為敏感電路而設(shè)計(jì)，充分考慮50Hz工頻干擾，如圖2，我司采用多種方案抑制工頻干擾，使得TPS02R模塊分辨率可達(dá)0.01℃，且可以長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。

圖2 TPS02R系統(tǒng)方案

如上圖系統(tǒng)方案所示，針對(duì)50Hz工頻干擾，在“基準(zhǔn)緩沖電路”中，采用硬件濾波電路，降低50Hz工頻對(duì)ADC芯片基準(zhǔn)電壓的影響。如圖3，本質(zhì)上是一個(gè)電壓跟隨緩沖電路結(jié)合低通濾波器，R1C1針對(duì)50Hz濾波，R2R3C2C3針對(duì)50Hz高次諧波的過(guò)濾。

圖3 緩沖濾波電路

具體-3dB頻率響應(yīng)計(jì)算如式1

ADC芯片內(nèi)部PGA采用儀表放大器結(jié)構(gòu)大幅度衰減共模工頻干擾，且內(nèi)置數(shù)字處理器，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波處理，其中數(shù)字濾波算法頻率響應(yīng)如圖4所示，數(shù)字濾波算法的陷波點(diǎn)在10Hz,20Hz,40Hz,80Hz頻率的整數(shù)倍處響應(yīng)，所以選擇10Hz頻率的輸出，可以一定程度的衰減50Hz工頻擾動(dòng)。

圖4 數(shù)字濾波器頻率響應(yīng)

結(jié)合電氣隔離方案從源頭處防止50Hz工頻從電源處傳導(dǎo)進(jìn)入系統(tǒng)影響敏感信號(hào)采集端。模塊采用四層板布局，大面積敷銅接地，讓地阻抗降到極低，系統(tǒng)的信號(hào)回路盡可能縮短，從而抑制50Hz工頻干擾的產(chǎn)生。

    上述四種方案均運(yùn)用在我司高精度測(cè)溫模塊TPS02R上，對(duì)于50Hz工頻電磁場(chǎng)干擾，TPS02R有很強(qiáng)的適應(yīng)性，現(xiàn)將我司TPS02R與一款RTD非隔離測(cè)量方案做對(duì)比：

圖5 相關(guān)產(chǎn)品實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

如圖5，在相同環(huán)境下，利用福祿克5520A源表模擬RTD測(cè)試相關(guān)產(chǎn)品，模擬溫度為0℃，測(cè)量145次，統(tǒng)計(jì)相關(guān)數(shù)據(jù)。測(cè)試使用PC的USB接口供電，因此與5520A源表之間存在常見(jiàn)的50Hz工頻干擾信號(hào)。圖5的測(cè)試數(shù)據(jù)之中，非隔離RTD測(cè)量方案存在一定的波動(dòng)，波動(dòng)范圍在[-0.44，0.44]℃，而TPS02R測(cè)量的波動(dòng)范圍在[0.046,0.072]℃，受50Hz工頻電磁場(chǎng)影響非常小，用以驗(yàn)證以上抗50Hz工頻電磁場(chǎng)影響的設(shè)計(jì)有效性。在供電情況復(fù)雜或存在不確定性的應(yīng)用環(huán)境中，使用內(nèi)置電氣隔離的TPS02R模塊，可以方便、穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)PT100溫度測(cè)量。

圖6  TPS02R產(chǎn)品圖片