神秘的干扰(一):工频干扰的概念和来源

当核探测器的输出被50Hz固定频率的方波盖住时,我是很懵逼的。几方搜索确定了这也是工频干扰,早年间只在电赛设计心电仪时遇到过。工频干扰的概念由来已久,但是其定义并不明确,关于其来源和解决方法的阐述也不甚明了,今天专门对工频干扰进行分析。

一、工频

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 50Hz和60Hz工频

工频(mains frequency)是“电网工作频率”的简称,又称电源频率,指电网中交流电的频率,同一电网中的所有发电机、输配电设备和用户均使用这一频率的交流电。目前世界上大多数国家使用50Hz作为电网工作频率,但也有美国、部分亚洲国家和地区使用60Hz工频。

在第二次工业革命过程中,许多不同的频率和电压曾被使用过。由于建设电网的设备投资巨大,电网规格的标准化进展缓慢。尽管如此,21世纪以来,使用50 Hz工频的电网趋向于使用220–240伏电压;使用60 Hz工频的电网趋向于100–127 V供电。 两种频率目前在世界上同时使用(日本同时使用这两个频率),而且在技术上、两种频率没有优劣之分。目前,没有在全世界范围内对电网频率进行标准化的动力。

除非特别注明可以同时在50 Hz和60 Hz工频上运行,电器不在设计的工频的电网上工作可能导致效率降低甚至安全隐患。

二、50Hz工频干扰的来源

1.无线传输

供电设备和输电线都产生工频干扰,这种干扰随处可见。人体和电源线之间、设备和电源线之间、电极线和电源线之间有寄生电容,干扰就通过电容耦合入电路系统交流电就会耦合到信号线上成为干扰。

平行导线形成电容

一般来说,工频干扰是正弦波。正弦电压施加在线性无源元件电阻 、电感和电容上其电流和电压分别为比例、积分和微分关系仍为同频率的正弦波 。 但当正弦电压施加在非线性电路上时电流就变为非正弦波,非正弦电流在电网阻抗上产生压降,会使电压波形也变为非正弦波 ; 非正弦电压施加在线性电路上时,电流也是非正弦波。

如何消除50Hz工频对高精度测温电路的扰动? - OFweek电子工程网

比较经典的工频干扰波形 

一种前置放大器产生的工频干扰,还可以看到可能由耦合电容产生的上升毛刺和下降毛刺

在分析工频干扰的频谱特性时,可以通过傅里叶变换分析工频的谐波,把工频干扰分为加性工频干扰和乘性工频方法。

2.有线传输

直流电源输出端也可能出现不同程度的交流干扰,它发生在系统内部。

电源所产生的干扰主要是从电源和电源引线侵入系统。当系统与其它经常变动的大负载共用电源时,会产生电源噪声。当使用较长的电源引线来进行传输时,所产生电压降及感应电势等也会形成噪声。系统所需的直流电源,一般均为由电网交流电经滤波、稳压后提供,有时会因某种原因净化不佳,对系统产生干扰。这种干扰常给高精度系统带来麻烦,应引起重视。

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