如何消除50Hz工頻對高精度測溫電路的擾動

摘要：50Hz工頻電磁場干擾是硬件開發(fā)中難以避免的問題，特別是敏感測量電路中，工頻電磁場會使測量信號淹沒在工頻波形里，嚴重影響測量穩(wěn)定度，故消除工頻電磁場干擾是敏感測量電路設(shè)計中不可逃避的挑戰(zhàn)。

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

1. 50Hz工頻電磁場的影響；

2. 周圍電機或者繼電器等開關(guān)動作造成的群脈沖干擾；

3. 傳導(dǎo)進去系統(tǒng)的工頻共模干擾。

圖1 工頻電磁場波形

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

1. 50Hz工頻干擾通過傳導(dǎo)進入系統(tǒng)

2. 50Hz工頻干擾通過空間耦合進入系統(tǒng)

針對上述問題，消除50Hz工頻電磁場干擾的方法也相對明確，有下述四種方案可供電路設(shè)計者去參考：

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，濾除進入輸入通道的工頻擾動。

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

4. 降低測量引線回路面積，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溫模塊TPS02R，轉(zhuǎn)為敏感電路而設(shè)計，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0.01℃，且可以長時間穩(wěn)定運行。

圖2 TPS02R系統(tǒng)方案

如上圖系統(tǒng)方案所示，針對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ADC芯片基準(zhǔn)電壓的影響。如圖3，本質(zhì)上是一個電壓跟隨緩沖電路結(jié)合低通濾波器，R1C1針對50Hz濾波，R2R3C2C3針對50Hz高次諧波的過濾。

圖3 緩沖濾波電路

具體-3dB頻率響應(yīng)計算如式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，對輸入信號進行數(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。

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)進入系統(tǒng)影響敏感信號采集端。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。

    上述四種方案均運用在我司高精度測溫模塊TPS02R上，對于50Hz工頻電磁場干擾，TPS02R有很強的適應(yīng)性，現(xiàn)將我司TPS02R與一款RTD非隔離測量方案做對比：

圖5 相關(guān)產(chǎn)品實測數(shù)據(jù)

如圖5，在相同環(huán)境下，利用福祿克5520A源表模擬RTD測試相關(guān)產(chǎn)品，模擬溫度為0℃，測量145次，統(tǒng)計相關(guān)數(shù)據(jù)。測試使用PC的USB接口供電，因此與5520A源表之間存在常見的50Hz工頻干擾信號。圖5的測試數(shù)據(jù)之中，非隔離RTD測量方案存在一定的波動，波動范圍在[-0.44，0.44]℃，而TPS02R測量的波動范圍在[0.046,0.072]℃，受50Hz工頻電磁場影響非常小，用以驗證以上抗50Hz工頻電磁場影響的設(shè)計有效性。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)定地實現(xiàn)PT100溫度測量。

圖6  TPS02R產(chǎn)品圖片