如何消除50Hz工频对高精度测温电路的扰动
发布日期：2020-02-19
来源：致远电子
摘要：50Hz工频电磁场干扰是硬件开发中难以避免的问题，特别是敏感测量电路中，工频电磁场会使测量信号淹没在工频波形里，严重影响测量稳定度，故消除工频电磁场干扰是敏感测量电路设计中不可逃避的挑战。
PT100是当前应用最为广泛的测温方案，各位工程师在应用此方案时是否会遇到这样的问题：为什么PT100测温电路会存在周期性小波动？该如何解决？其实出现这样的现象主要可能是存在如下几个原因：
1.50Hz工频电磁场的影响；
2.周围电机或者继电器等开关动作造成的群脉冲干扰；
3.传导进去系统的工频共模干扰。
图1 工频电磁场波形
由于是测量电路存在周期性波动，那工频电磁场扰动的可能性更大，用示波器观测工频电磁场波形如图1，一般认为50Hz工频电磁场干扰是由两方面原因产生：
1.50Hz工频干扰通过传导进入系统
2.50Hz工频干扰通过空间耦合进入系统
针对上述问题，消除50Hz工频电磁场干扰的方法也相对明确，有下述四种方案可供电路设计者去参考：
1.利用电气隔离，阻断工频干扰的传导路径。
2.敏感电路处搭建共模抑制和滤波电路，滤除进入输入通道的工频扰动。
3.软件中构建IIR陷波或者FIR带阻数字滤波器，消除工频干扰对测量结果的影响。
4.降低测量引线回路面积，增加屏蔽，减弱空间耦合效应。
ZLG推出一款双通道热电阻隔离测温模块TPS02R，转为敏感电路而设计，充分考虑50Hz工频干扰，如图2，我司采用多种方案抑制工频干扰，使得TPS02R模块分辨率可达0.01℃，且可以长时间稳定运行。
图2 TPS02R系统方案
如上图系统方案所示，针对50Hz工频干扰，在“基准缓冲电路”中，采用硬件滤波电路，降低50Hz工频对ADC芯片基准电压的影响。如图3，本质上是一个电压跟随缓冲电路结合低通滤波器，R1C1针对50Hz滤波，R2R3C2C3针对50Hz高次谐波的过滤。
图3 缓冲滤波电路
具体-3dB频率响应计算如式
ADC芯片内部PGA采用仪表放大器结构大幅度衰减共模工频干扰，且内置数字处理器，对输入信号进行数字滤波处理，其中数字滤波算法频率响应如图4所示，数字滤波算法的陷波点在10Hz,20Hz,40Hz,80Hz频率的整数倍处响应，所以选择10Hz频率的输出，可以一定程度的衰减50Hz工频扰动。
图4 数字滤波器频率响应
结合电气隔离方案从源头处防止50Hz工频从电源处传导进入系统影响敏感信号采集端。模块采用四层板布局，大面积敷铜接地，让地阻抗降到极低，系统的信号回路尽可能缩短，从而抑制50Hz工频干扰的产生。
上述四种方案均运用在我司高精度测温模块TPS02R上，对于50Hz工频电磁场干扰，TPS02R有很强的适应性，现将我司TPS02R与一款RTD非隔离测量方案做对比：
图5 相关产品实测数据
如图5，在相同环境下，利用福禄克5520A源表模拟RTD测试相关产品，模拟温度为0℃，测量145次，统计相关数据。测试使用PC的USB接口供电，因此与5520A源表之间存在常见的50Hz工频干扰信号。图5的测试数据之中，非隔离RTD测量方案存在一定的波动，波动范围在[-0.44，0.44]℃，而TPS02R测量的波动范围在[0.046,0.072]℃，受50Hz工频电磁场影响非常小，用以验证以上抗50Hz工频电磁场影响的设计有效性。在供电情况复杂或存在不确定性的应用环境中，使用内置电气隔离的TPS02R模块，可以方便、稳定地实现PT100温度测量。
图6 TPS02R产品图片