第13章检测装置的干扰技术.doc

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1、第十三章、检测装置的干扰抑制技术 1）、检测装置主要应用于实际的工业生产过程，而工业现场的环境往往干扰严重。这些干扰的存在，轻则影响测量精度，重则使测量结果完全失常，因此，有效地排除和抑制各种干扰，保证检测装置能在实际应用中可靠地工作，已成为必须探讨和解决的问题。2）、本章就检测装置的干扰类型、干扰的传输途径以及干扰的硬件软件抑制技术做一介绍。 第一节、干扰的来源一、常见的干扰类型 对于检测装置总是存在着影响测量结果的各种干扰因素，这些干扰因素来自干扰源，按干扰的来源，可把干扰分成内部干扰和外部干扰两大类。 1、外部干扰 、外部干扰主要来自：自然界以及检测装置周围的电气设备，是由使用条件和外界

2、环境决定的，与系统装置本身的结构无关。 、自然界产生干扰的原因为：自然现象：如雷电、大气电离、宇宙射线、太阳黑子活动以及其他电磁波干扰。自然界的干扰不仅对通信、导航设备有较大影响，而且因为现在的检测装置中已广泛使用半导体器件，在射线作用下将激发电子，空穴对而产生电动势，以致影响检测装置的正常工作。 、检测装置周围的电气设备产生干扰的因素有：电磁场、电火花、电弧焊接、高频加热、晶闸管整流装置等强电系统的影响。这些干扰主要通过供电电源对检测装置产生影响。在大功率供电系统中，大电流输电线产生的交变电磁场，也会对检测装置产生干扰。 2、内部干扰 、内部干扰是由装置内部的各种元器件引起的。它包括固定干扰

3、和过渡干扰。、过渡干扰是：电路在动态工作时引起的干扰。、固定干扰包括：电阻中随机性电子热运动引起的热噪声；半导体及电子管内载流子随机运动引起的散粒噪声；由于两种导电材料之间不完全接触时，接触面电导率的不一致而产生的接触噪声。如继电器的动静触头接触时发生的噪声等；因布线不合理，寄生振荡引起的干扰热骚动的噪声干扰等。固定干扰是引起测量随机误差的主要原因，一般很难消除，主要靠改进工艺和元器件质量来抑制。 二、噪声与信噪比 1、噪声 噪声就是检测系统及仪表电路中混进去的无用信号。通常所说的干扰就是噪声造成的不良效应。噪声和有用信号的区别在于，有用信号可以用确定的时间函数来描述，而噪声则不可以用预先确定

4、的时间画数来描述。噪声属于随机过程，必须用描述随机过程的方法来描述，分析方法亦应采用随机过程的分析方法。 2、信噪比 、在测量过程中，人们不希望有噪声信号，但客观事实中噪声总是与有用的信号联系在一起的，而且人们也无法完全排除噪声，只能要求噪声尽可能小，究竟允许多大的噪声存在，必须与有用信号联系在一起考虑。显然，大的有用信号，允许噪声较大，而小的有用信号，允许噪声也随之减少。、为了衡量噪声对有用信号的影响，需引入信噪比(S/N)的概念。 信噪比：是指在通道中有用信号成分与噪声信号成分之比。设有用信号功率为Ps，有用信号电压为Us，噪声功率为PN，噪声电压为UN。则有： （13-1) 式（13-1

5、)表明，信噪比越大，表示噪声的影响越小。在检测装置中应尽量提高信噪比。 第二节、干扰的耦合方式及传输途径干扰必须通过一定的耦合通道或传输途径才能对检测装置的正常工作造成不良的影响。 也就是说，造成系统不能正常工作的干扰形成需要具备三个条件： 、干扰源；、对干扰敏感的接收电路；、干扰源到接收电路之间的传输途径。常见的干扰藕合方式主要有：静电藕合、电磁藕合、共阻抗藕合、漏电流藕合。 a）静电藕合的实际表示 b）等效电路图13-1、静电藕合等效电路1、静电藕合 1）、静电藕合是由于两个电路之间存在着寄生电容，使一个电路的电荷影响到另一个电路。2）、在一般情况下，静电藕合传输干扰可用图13-1表示。E

6、n为干扰源电压；Zi为被干扰电路的输入阻抗；Cm为造成静电藕合的寄生电容。3）、根据图13-1所示的电路，可以写出在Zi上干扰电压的表达式： 式中：为干扰源En的角频率。 4）、考虑到一般情况下有 jwCmZi 1，故上式可简化为： Unc=jCmZiEn （13-3) 5）、从上式可以得到以下结论： 、干扰源的频率越高，静电藕合引起的干扰也越严重。 、干扰电压Une与接收电路的输入阻抗Zi成正比；因此，降低接收电路输入阻抗，可减少静电藕合的干扰。 、应通过合理布线和适当防护措施，减少分布电容Cm，以减少静电藕合引起的干扰。6）、 图13-2所示为仪表测量线路受静电藕合而产生干扰的示意图及等效

7、电路。a) 放大器输入受静电藕合的干扰、b）等效电路 图13-2、静电藕合对测量线路的干扰 图中：A导体为对地具有电压En的干扰源；B为受干扰的输入测量电路导体；Cm为A与B之间的寄生电容；Zi为放大器输入阻抗Une为测量电路输出的干扰电压。设：Cm=0.01pF， Zi=0.1M， k=100， En=5V， f=1MHz，则有：Uni=n2fCmEn= 521060.0110-12105 =31.4mV 而经放大器输出端的干扰电压为：Une=KUni=3.14V 显而易见，这样大的干扰电压是不能容忍的。 2、电磁藕合 1）、电磁藕合又称互感藕合。当两个电路之间有互感存在时，一个电路的电流变

8、化，就会通过磁交链影响到另一个电路，从而形成干扰电压。2）、在电气设备内部，变压器及线圈的漏磁就是一种常见的电磁藕合干扰源。另外，任意两根平行导线也会产生这种干扰。 3）、在一般情况下，电磁藕合可用图13-3表示。图中：In为电路A中的干扰电流源；M为两电路之间的互感；Uen为B中所引起的感应干扰电压。a）电磁藕合的实际情况 b）等效电路图13-3、电磁藕合及等效电路4）、根据交流电路理论和等效电路可得 Une=jMIn （13-4) 式中：为电流干扰源In的角频率。 5）、分析上式可以得出：干扰电压Unc正比于干扰源的电流In。干扰源的角频率和互感M。 例：图13-4是交流电桥测量电路受磁场

9、藕合干扰的示意图。图中U。为电桥输出的不平衡电压，交流供电电源频率为10kHz，导线A在电桥附近产生干扰磁场，并藕合到电桥测量电路上。若In=10mA，M=0.1uH，干扰源的频率与交流供电电源频率相同，则由(13-4)可得: Unc=MIn=21040.110-61010-3 V=62.8V 可见，电磁藕合也是较严重的，应给以足够重视。 3、共阻抗藕合 图13-5、共阻抗藕合等效电路 1）、共阻抗藕合干扰是由于两个以上电路有公共阻抗，当一个电路中的电流流经公共阻抗产生压降时，就形成对其他电路的干扰电压。 2）、共阻抗藕合等效电路可用图13-5表示，图中Ze表示两个电路之间的共有阻抗，In表示

10、干扰源的电流，Unc表示被干扰电路的干扰电压。 3）、根据图13-5所示的共阻抗藕合等效电路，被干扰电路的干扰电压Unc的表达式为：Unc=InZc （13-5）可见：共阻抗藕合干扰电压Unc正比于共有阻抗Zc和干扰源电流In ；若要消除共阻抗搞合干扰，首先要消除两个或几个电路之间的共有阻抗。 4）、共阻抗藕合干扰在测量仪表的放大器中是很常见的干扰，由于它的影响，使放大器工作 不稳定，很容易产生自激振荡，破坏正常工作。5）、例：电源电阻的共阻抗藕合干扰：、当几个电子线路共用一个电源时，其中一个电路的电流流过电源内阻抗时就会造成对其他电路的干扰。、图13-6表示两个三级电子放大器电路由同一直流电

11、源E供电。由于电源具有内阻抗Ze；、当上面的放大器输出电流i1流过Ze时，就在Ze上产生干扰电压U1= i1Ze此电压通过电源线传导到下面的放大器，对下面的放大器产生干扰。、另外对于每个三级放大器，末级的动态电流比前级大的多，因此末级动态电流流经电源内阻扰时，所产生的压降对前两级电路来说，相当于电源被动干扰，对于多级放大器来说，这种电源波动是一种寄生反馈，当它符合正反馈条件时，轻则造成工作不稳定重则会引起自激振荡。图13-5、电源内阻产生的共阻抗藕合干扰4、漏电流藕合 1）、由于绝缘不良，流经绝缘电阻R的漏电流所引起的干扰叫图13tl漏电流干扰等效电路 做漏电流藕合。2）、图13-7表示了漏电

12、流引起干扰的等效电路；图13-7、漏电流引起干扰的等效电路图中：En表示噪声电动势；Rn为漏电阻；Zi为漏电流流入电路的输入阻抗；Unc为干扰电压。3）、从图13-7的等效电路中可以写出 Une的表达式： （13-6） 4）、漏电流藕合经常发生在：用仪表测量较高的直流电压的场合、或在检测装置附近有较高的直流电压源时；或在高输入阻抗的直流放大器中。 5）、举例：如图13-7所示，直流放大器的输入阻抗Zi=108，干扰源电动势En=15V，绝缘电阻Rn=1010。估算漏电流干扰对此放大器的影响。根据上述给出的数据可以得出： 6)、从以上估算可知，对于高输入阻抗放大器来说，即使是微弱的漏电流干扰，也

13、将造成严重的后果。所以必须提高与输入端有关电路的绝缘水平。 第三节、差模干扰和共模干扰各种噪源产生的干扰必然通过各种藕合方式及传输途径进入检测装置。根据干扰进入测量电路的方式以及与有用信号的关系，可将噪声干扰分为差模干扰和共模干扰。 1、差模干扰 1）、差模干扰又称串模干扰、正态干扰、常态干扰、横向干扰等；是指干扰电压与有效信号串联叠如后作用到检测装置的输入端，如图13-8所示。2）、差模干扰通常来自高压输电线、与信号线平行铺设的电源线及大电流控制线所产生的空间电磁场。由传感器来的信号线有时长达一二百米，干扰源通过电磁感应和静电藕合的作用再加上如此之长的信号线上的感应电压，数值是相当可观的。3

14、）、例如：一路电线与信号线平行敷设时，信号线上的电磁感应电压和静电感应电压分别都可达到毫伏级，然而来自传感器的有效信号电压的动态范围通常仅有几十毫伏，甚至更小。图13-8、差模干扰等效电路4）、由此可知:、由于栓测装置的信号线较长，通过电磁和静电桐合所产生的感应电压有可能达到与被测有效信号相同的数量级，甚至比后者大得多；、对检测装置，除了信号线引人的串模干扰外，信号源本身固有的漂移、纹波，以及电源变压器不良屏蔽等也会引人串模干扰。 5）、图13-9所示，就是一种较常见的外来交变磁通对传感器的一端进行电磁藕合产生串模干扰的典型例子。外交变磁通穿过其中一条传输线，产生的感应干扰电动势Unm便与热电

15、偶电动势e，相串联。 图13-9、产生差模干扰的典型例子6）、消除串模干扰的方法常用的有:、可用低通输入滤波器滤除交流干扰；、应尽可能早地对被测信号进行前置放大，以提高回路中的信噪比；、在选取组成检测系统的元器件时，可以采用高抗扰度的逻辑器件，通过提高阈值电平来抑制低噪声的干扰，或采用低速逻辑部件来抑制高频干扰；、信号线应选用带屏蔽层的双绞钱或电缆线；并有良好的接地系统。 2、共模干扰 1）、共模干扰又称纵向干扰、对地干扰、间相干扰、共态干扰等，它是指检测装置两个输入端对地共有的干扰电压。这种干扰可以是直流电压，也可以是交流电压，其幅值可达几伏甚至更高。2）、造成共模干扰的主要原因是被测信号的

16、参考接地点和检测装置输入信号的参考接地点不同。因此就会产生一定的电压。如图13-10所示。虽然它不直接影响测量结果，但当信号输入电路不对称时，它会转化为差模干扰，对测量产生影响。a）示意图、 b）等效电路图13-10、共模干扰的形成3）、由图13-10b可知，共模干扰电压Ucm对两个输入端形成两个电流回路，每个输入端A、B的共摸电压为：；两个输入端之间呈现的共模电压为： （13-7）其中r1、r2是长电缆导线电阻， Z1，Z2是共模电压通道中放大器输入端的对地等效阻抗，它与放大器本身的输入阻抗、传输线对地的漏抗以及分布电容有关。 4）、式（13-7)说明:、由于共模干扰电压Ucm的存在，在放大

17、器输入端产生一个等效的电压UAB，如果此时r1=r2、Z1=Z2则UAB=O表示不会引入共模干扰，但实际上无法满足上述条件，一般情况下，共模干扰电压总是转化成一定的串模干扰出现在两个输入端之间；、共模干扰作用与电路对称程度有关；r1、r2的数值愈接近，Z1、Z2愈平衡，则UAB愈小。 3、共模干扰抑制比 1）、根据共模干扰只有转换成差模干扰才能对检测装置产生干扰作用的原理，共模干扰对检测装置的影响大小直接取决于共模干扰转换成差模干扰的大小。2）、为了衡量检测系统对共模干扰的抑制能力，引人共模干扰抑制比这一重要概念。共模干扰抑制比定义为作用于检测系统的共模干扰信号与使该系统产生同样输出所需的差模

18、信号之比。通常以对数形式表示为： （13-8） 式中：Ucm是作用此检测系统的实际共模干扰信号；Unm是检测系统产生同样输出所需的差模信号。 3）、共模干扰抑制比也可以定义为检测系统的差模增益与共模增益之比。可用数学式表示为：式中：Knm是差模增益； Kcm是共模增益。 以上两种定义都说明了CMRR愈高，检测装置对共模干扰的抑制能力愈强。 4）、共模干扰是一种常见的干扰源，抑制共模干扰有许多方法，常采用的有:、采用双端输入的差分放大器作为仪表输入通道的前置放大器，是抑制共模干扰的有效方法，设计比较完善的差分放大器，在不平衡电阻为1kn的条件下，共模抑制比CMRR可达100160Db；、采用变压

19、器或光藕合器把各种模拟负载与数字信号隔离开来，也就是把“模拟地”与“数字地”断开，被测信号通过变压器藕合或光电搞合获得通路，共模干扰由于不成回路而得到有效的抑制；、还可以采用浮地输入双层屏蔽放大器来抑制共模干扰，这是利用屏蔽方法使输入信号的模拟地浮空，从而达到抑制共模干扰的目的。第四节、干扰抑制技术 1）、检测装置的干扰抑制技术，着眼点还是放在抑制形成干扰的三要素上；即：消除或抑制干扰源；阻断或减弱干扰的藕合通道或传输途径；削弱接收电路对干扰的灵敏度。2）、三种措施比较起来消除干扰源是最有效、最彻底的方法。但在实际中不少干扰源是很难消除的。因此：就必须采取防护措施来抑制干扰。削弱接收电路对干扰

20、的灵敏度；可通过电子线路板的合理布局，如输入电路采用对称结构、信号的数字传输、信号传输线采用双绞线等措施来实现。3）、干扰抑制技术主要是研究如何阻断干扰的传输途径和藕合通道。4）、通过分析可知，干扰信号主要是通过电磁感应、传输通道和电源线三种途径进入检测装置内部的。因此，检测装置的干扰抑制技术也是针对这三种情况采取相应的有效措施。5）、常采用的措施有：硬件抗干扰措施：屏蔽技术、接地技术、浮空技术、隔离技术、滤波器等；软件的抗干扰措施：数字滤波、冗余技术等微机软件的抗干扰措施。 一、屏蔽技术 1）、屏蔽技术主要是抑制电磁感应对检测装置的干扰，它是利用铜或铝等低阻材料或磁性材料把元件、电路、组合件

21、或传输线等包围起来以隔离内外电磁的相互干扰；2）、屏蔽包括静电屏蔽、电磁屏蔽、低频磁屏蔽、驱动屏蔽。 、静电屏蔽 、在静电场作用下，导体内部无电力线，即各点等电位。因此采用导电性能良好的金属作屏蔽盒，并将它接地，使其内部的电力线不外传，同时也不使外部的电力线影响其内部。 、静电屏蔽能防止静电场的影响，用它可以消除或削弱两电路之间由于寄生分布电容藕合而产生的干扰。 、电磁屏蔽 、电磁屏蔽是采用导电良好的金属材料做成屏蔽层，利用高频干扰电磁场在屏蔽体内产生涡流，再利用涡流消耗高频干扰磁场的能量，从而削弱高频电磁场的影响。 、若将电磁屏蔽层接地，同时兼有静电屏蔽的作用。也就是说，用导电良好的金属材料

22、做成的接地电磁屏蔽层，可同时起到电磁屏蔽和静电屏蔽两种作用。 、低频磁屏蔽 、电磁屏蔽的措施对低频磁场干扰的屏蔽效果是很差的，因此对低频磁场的屏蔽，要用高导磁材料作屏蔽层，以便将干扰磁通限制在磁阻很小的磁屏蔽体的内部，防止其干扰。 、通常采用坡莫合金等对低频磁通有高磁导率的材料。同时要有一定厚度，以减少磁阻。 某些高导磁材料，如坡莫合金，经机械加工后，其磁性能会降低。因此用这些材料制成的屏蔽体，在加工后应进行热处理。 、驱动屏蔽. 、驱动屏蔽就是使被屏蔽导体的电位与屏蔽导体的电位相等。、驱动屏蔽原理如图13-11所示。图13-11、驱动屏蔽示意图、若1:1电压跟随器是理想的，即在工作中导体B与

23、屏蔽层D之间的绝缘电阻为无穷大，并且等电位，那么，在导体B与屏蔽层D之间的空间无电力线，各点等电位。这说明：导体图13-11驱动屏蔽示意图A噪声源的电场En影响不到导体B。、这时尽管导体B与屏蔽层D之间有寄生电容Ca2存在，但是，因B与D是等电位，故此寄生电容也不起作用。因此驱动屏蔽能有效抑制通过寄生电容的藕合干扰。 二、接地技术 1）、正确接地是检测系统抑制干扰所必须注意的问题。在设计中若能把接地和屏蔽正确地结合，就能很好地消除外界干扰的影响。 2）、接地技术的基本目的是消除各电路电流流经公共地线时所产生的噪声电压，以及免受电磁场和地电位差的影响，即不使其形成地环路。 3）、在检测装置中，有

24、以下几种地线。 、屏蔽接地线及机壳接地线：这类地线是对电磁场的屏蔽，也能达到安全防护的目的，一般是接大地。 、信号接地线：、它只是电子装置的输入与输出的零信号电位公共线(基准电位线) ，它本身可能与大地是隔绝的。、信号地线又分两种：模拟信号地线及数字信号地线。模拟信号一般较弱，容易受干扰，故对地线要求较高；数字信号一般较强，对地线要求可降低些。为了避免两者之间相互干扰，两种地线应分别设置。 、功率地线：这种地线是大电流网络部件(如中间继电器的驱动电路等)的零电平。这种大电流网络部件电路的电流在地线中产生的干扰作用大，因此，有时在电路上功率地线与信号地是互相绝缘的。 、交流电源地线：(即交流50

25、Hz地线)它是噪声源；必须与直流地线相互绝缘，在布线上也应使两种地线远离。 4）、接地设计应注意以下几点： 、一点接地和多点接地的使用原则是：、一般高频电路应就近多点接地，低频电路应一点接地。、因为在低频电路中，布线和元件间的电感影响很小，而公共阻抗影响很大，因此应一点接地。、在高频时，地线具有电感，因而增加了地线阻扰，而且地线变成了天线，向外辐射噪声信号，因此要多点接地。、通常频率在1MHz以下用一点接地，频率在10MHz以上用多点接地。 、交流地线、功率地线同信号地线不能共用；流过交流地线和功率地线的电流较大，会产生数毫伏甚至几伏电压，这会严重地干扰低电平信号电路。因此信号地线应与交流地线

26、、功率地线分开。 、屏蔽层与公共端连接：当一个接地的放大器与一个不接地的信号源连接，则连接电跑屏蔽层应接到放大器公共端，反之应接到信号源公共端。高增益放大器的屏蔽层应接到放大器的公共端。 、屏蔽(或机壳)的接地方式随屏蔽目的不同而异。、电场屏蔽是为了解决分布电容问题，一般接大地；、电磁屏蔽主要避免雷达、短波电台等高频电磁场的辐射干扰，地线用低阻金属材料做成，可接大地，也可不接。、低频磁屏蔽是防止磁铁、电机、变压器等的磁感应和藕合的，一般接大地。 、电缆和接插件屏蔽时：、高电平线和低电平线不应走同一条电缆；、高电平线和低电平线直使用同一接插件；、设备上进出电缆的屏蔽应保持完整。电缆和屏蔽线也要经

27、插件连接。、两条以上屏蔽电缆共用一个插件时，每条电缆的屏蔽层都要用一个单独接线端子，以免电流在屏蔽层流动。 5）、常见电路及用电设备的接地方式 、印制电路板内的接地方式：、在印刷电路板内接地的基本原则是低频电路需一点接 ，高频电路应就近多点接地。、一点接地分单级电路一点接地和多级电路一点接地两种情况。 a）、单级电路一点接地：图13-12为单级电路的一点接地方式。图中单级选频放大器电路中有7个线需要接地，如果只从原理图的要求进行接线，则这7个钱端可以任意接在接地母的各个点上，如图13-12a所示。由于母线本身存在电阻，不同点间的电位差就有能成为这级电路的干扰信号，如果这种扰信号来自后级，则可能

28、由于内部寄生 馈而引起自激振荡，因此采用图13b的一点接地方式就会避免这种现象发生。a）任意点接地 b）一点接地图13-12、单级电路的一点接地b）、多级电路一点接地图13-13为多级电路的一点接地方式；a)、串联接地方式 b)、并联接地方式图13-13、多级电路的一点接地方式图13-13a为串联接地方式，即多级电路通过一段公用地线后再在一点接地，它虽然避免了多点接地可能产生的干扰，但是在这段公用地线上仍存在着A、B、C三点不同的地电位差，由于这种接地方式布线简便，因此常用在级数不多、各种电平相差不大以及抗 扰能力较强的数字电路中。 图13-13b是各电路地钱并联一点接地。这种接地方法最适用于

29、低频电路，因为各电路之的地电流不致耦合。各点电位只与本电路的地电流、地线阻抗有关，它们之间互不相关。但是这种接地方式不能用于高频。因为高频时地线电感增加了电路阻扰，同时造成各地线间电感耦合，而且地线间的分布电容也会造成彼此藕合。、传感器接口电路的接地方式：、图13-14为传感器接口电路的接地方式；、图13-14a为两点接地系统：传感器在现场接地，检测装置部分在主控室接地，把大地看作等电位体。实际上大地各处电位是不相同的，两点接地会产生较大的共模干扰电压Ucm，它所产生的干扰电流流经信号线，转化为串模干扰，对检测装置带来很大的影响。 、图13-14b为一点接地系统：从图中可以 看出屏蔽层也在传感

30、器处接地，这样共模干扰电流icm大大减少，而且也不再流经信号线，只流经电缆屏蔽层，因此对检测装置影响很小，干扰情况有较大的改善。 a)两点接地系统的干扰 b)一点接地减少干扰 图13-14、传感器接口电路的接地方式 、检测装置与计算机系统的一点接地：、检测装置与计算机系统中有多种地钱，归纳起来主要有三种性质的地线；a）、输入信号的低电平地线；b）、功率地线(亦称噪声地线)；c）、机壳的金属件地线。、这三种地线应分开设置，本身要遵循一点接地。、此外这三种地线最后要汇集在一起，它们在一点上再通过专用地线和大地相连，这就构成了所谓系统地线，如图13-15所示。 图13-15、三条地线与系统地线相连、

31、系统地线包括：地线带、接地线、接地极板。系统地线使系统以大地某一点作为公共参考点。接地电阻越小，抗干扰效果就越显著，它是衡量接地装置与大地结合好坏的指标，计算机系统的接地电阻应在10以下。、电缆屏蔽层的接地方式如果检测电路是一点接地，电缆的屏蔽层也应一点接地。下面通过具体例子说明接地点的选择准则。 、如果信号源不接地，而测量电路(放大器)接地时，电缆屏蔽层应接到测量电路的接地端。 、图13-16和图13-17中信号源不接地，而测量电路接地。若电缆屏蔽层B点接信号源A点，电缆通过绝缘层与地相连，Ucm为两接地点的电位差。分析图13-16显然可见，共模干扰电压Ucm在检测电路输入端要产生差模干扰电

32、压U12。图13-17中，电缆屏蔽层C点接地，由共模干扰电压Ucm产生的差模干扰电压U120。 图13-16电缆屏蔽层不正确接地方式之一图13-16电缆屏蔽层正确接地方式之一、如果信号源接地，而检测装置不接地时电缆屏蔽层应接到信号源的接地端。图13-18和图13-19所示为信号端接地，而检测装置不接地的检测系统。在图13-18中，共模干扰电压Ucm 会在检测装置的输入端产生差模干扰电压U12；在图13-19中，差模电压U120，因而圈13-19是正确的接地方式。 图13-18电缆屏蔽层不正确接地方式之二 图13-19电缆屏蔽层正确接地方式之二三、浮空技术 1）、浮空又称浮置、浮接。如果检测装置

33、的输入放大器的公共线，既不接机壳也不接大地，即为浮空。2）、被浮空的检测系统，其检测装置与机壳、大地没有任何导电性的直接联系。 3）、浮空的目的是要阻断干扰电流的通路。浮空后，检测电路的公共线与大地(或机壳)之间的阻抗很大；因此，浮空与接地相比能更强的抑制共模干扰电流。 4）、图13-20为目前较流行的浮空加保护屏蔽方式。、浮空加保护屏蔽方式示意图图13-20、浮空加保护屏蔽方式、图中：检测电路有两层屏蔽，检测电路与内层保护屏蔽层不相连接，属于浮置输入。信号屏蔽线外皮A点接保护屏蔽层G点；r3为双芯蔽线外皮电阻；Z3为保护屏蔽层相对机壳的绝缘阻抗；机壳B点接地。 、共模电压Ucm先经r3、Z3

34、分压，再由rl、r2、Zl、Z2分压后才形成Unm其关系式为： （13-10）显然：只要增加屏蔽层对机壳的绝缘电阻，减少相应的分布电容，使得： 成立，则由Uem引起的差模噪声Unm有显著的减少。说明浮空加屏蔽的方法是从阻抗上截断了共模噪声电压Ucm与信号回路的通路。 四、隔离技术 1）、当检测装置的信号测量电路及信号源在两端接地时，很容易形成环路电流，引起干扰。这时就需要采用隔离的方法。特别当测量系统含有模拟与数字、低压与高压混合电路时，必须对电路各环节进行隔离，这样还可以同时起到抑制漂移和安全保护的作用。2）、隔离的方法主要是采用变压器隔离或光电搞合。 3）、在两个电路间加入隔离变压器以切断

35、地回路，可实现前后电路的隔离，两个电路接地点就不会产生共模干扰。但由于变压器不能用于直流信号(直流信号经调制后也可以使用，但使系统复杂程度和戚本提高) ，因此这种隔离方法在测量直流或低频信号时受很大限制。 4）、在直流或低频测量系统中，多采用光电藕合的方法来隔离，如图13-21所示。光藕合器是由发光二极管和光敏晶体管组成，若发光二极管有信号输入，它就输出与电流大小成正比的光通量，光敏晶体管把光通量变成相应的电流。由于采用了光的耦合，因此完全隔离了两个电路上的电气联系。 图14-21光电精合原理框图五、滤波器、有时尽管采用了良好的电、磁屏蔽措施，但在传感器输出到下一环节的过程中仍不可避免地含有各

36、种噪声信号，而这些无用的信号将同有用信号一起被与传感器配用的电路放大。为了获得被测量的真实值，必须有效地抑制无用信号的影响，滤波器就可以起到这种作用。、滤波器是一种允许某一频带信号通过，而阻止某些频带通过的网络，是抑制干扰的最有效的手段之一，特别是对抑制经导线耦合到电路中的噪声干扰效果更显著。 、实践表明，通过电源窜入的干扰噪声，往往占有很宽的频带，可以近似从直流到1000MHz；要想完全抑制这样宽的频率范围的干扰，只采取单一的滤波措施是很难办到的，必须在交流侧和直流侧同时采取滤波措施，而且还要与隔离变压器配合使用，才能收到良好的效果。、下面介绍在数据采集系统中广泛使用的各种滤波器。1、交流电

37、源进线对称滤波器 1）、一般说来，通过交流电源窜入的干扰信号中，频率在100MHz以上的干扰，对工业数据采集装置没有多大影响，而主要的是100MHz以下的干扰信号。2）、干扰信号的产生：工业电网中，有多种电器和设备接入同一供电网络中，因此，瞬变过程是经常发生的，而瞬变过程常会产生大的电压及电流的变化，这不仅使电网波形产生一定程度的畸变，而且还通过电源线耦合到各种电路中去，对检测系统形成干扰。3）、为了抑制这种高频噪声干扰，可在交流电源进线端串联一个电源滤波器。如图13-22所示。图13-22、高频干扰电压对称滤波器 其中：图a为线间电压滤披器；图b为钱间电压和对地电压滤波器图c为简化的线间电压

38、和对地电压滤波器。这种高频干扰电压对称滤波器，可以较有效地抑制频率为中波段的高频噪声干扰的入侵。 4）、低频干扰电压滤波电路 主要作用是许50Hz的基波通过，而滤除其他高次谐波。此电路对抑制因电源波形失真而引起的较多高C谐波的干扰很有效。13-23、低频干扰电压滤波电路2、直流输出滤波器 1）、在检测装置中常需要直流电源，一般都采用直流稳压电源。2）、它不仅可以进一步抑制来自流电网的干扰，而且还可以抑制由于负载变化造成的直流电压的波动。3）、由于直流电源往往几个电路公用的，因此为了减弱公用电源内阻在电路之间形成的噪声耦合，对直流电源的输出需加高低频成分的滤波器；4）、如图13-24所示。图中：

39、Ci为高频滤波电容， C2为低频滤波电容。图13-24、高频、低频干扰电压滤波器3、退藕滤波器 1）、当一个直流电源对几个电路同时供电时，为了避免通过电源内阻造成几个电路之间互相干扰，应在每个电路电源进线与地线之间加装退耦滤披器，如图13-25所示。 图13-25、直流电源退藕滤波器2）、例如，一个多级放大器，每个放大器之间会通过电源内阻产生藕合干扰，故各级放大电路供电必须加入RC去耦滤波器。 3）、滤波器的安装和使用应注意以下几点: 、为了防止由于滤波器输入线路和输出线路的感应而导致性能下降，滤波器的输入及输出线必采用屏蔽电缆或将导线置于金属管中，电缆外壳金属管应与滤波器外壳连接，并要接地。

40、 、在浮地系统中，滤波器外壳应与设备机架或机箱绝缘，以防止设备带电。 、滤波器接地不仅是为了安全，主要还在于可提高滤波器抑制共模干扰的能力。因此，在可能的情况下，设备和滤波器均应有可靠的接地装置。、在浮地系统中，滤波器和电网之间应接入1:1的隔离变压器，然后将滤波器外壳与系统的地可靠联接。 六、软件干扰抑制技术 、前面介绍的干扰抑制技术是采用硬件的方法阻断干扰进入检测装置的耦合通道和传输途径，这是十分必要的，但是由于干扰存在的随机性，尤其是在一些比较恶劣的外部环境下工作的检测装置，尽管采用了硬件抗干扰措施，但并不能把各种干扰完全拒之门外。因此将微机的软件干扰抑制技术与硬件干扰抑制技术相结合，可

41、大大地提高检测装置工作的可靠性。、常用的软件干扰抑制技术主要有：数字滤波、冗余技术等。、数字滤波主要解决来自检测装置输入通道的干扰信号；、冗余技术主要解决的是干扰信号已经通过某种途径作用到CPU上使CPU不能按正常状态执行程序，从而引起误动作的场合。 1、数字滤波 1）、数字滤波具有很多硬件滤波器没有的优点。它是由软件算法实现的，不需要增加硬件设备；只要在程序进入控制算法之前，附加一段数字滤波的程序。各个通道可以共用一个数字滤波器，而不像硬件滤波器那样存在阻抗匹配问题。它使用灵活，只要改变滤波程序或运算 数，就可实现不同的滤波效果，很容易解决较低频信号的滤波问题。2）、常用的数字滤波方法有：算

42、术平均值法、中位值法、抑制脉冲算术平均法(复合滤波法。 图13-36、N=8算术平均值法程序框图、算术平均值法：、算术平均值法是对同一采样点连续采样N次，然后取其平均值，其算式为： （ 13-11）式中：y为N次测量的平均值；Xk为第k次测量值；N为测量次数。 、算术平均值法是用的最多和最简单的方法，对周期性波动的信号有良好的平滑作用，其平滑滤波程度完全取决于N。、当N较大时，平滑度高，但灵敏度低，即外界信号的变化对测量计算结果y的影响小；当N较小时，平滑度低，但灵敏度高。因此应按具体情况选取N。如对一般流量测量，可取N=816，对压力测量可取N=4。、图13-26为N=8的算术平均值程序框图

43、。 、中位值法、中位值滤波法是对某一被测参数连续采样n次(一般取n为奇数) .然后把n次采样值按大小排列取中间值为本次采样值。、中位值滤波能有效地克服偶然因素引起的波动和脉冲干扰。对温度、液位等缓慢变化的被测参数采用此法能收到良好的滤波效果，但对于流量、压力等快速变化的参数一般不易采用中位值滤波。、图13-27是对某点连续采样三次中位值法的程序流程图。 图13-27、中位值法的程序流程图、抑制脉冲算术平均法：、从以上的讨论分析可知，算术平均值对周期性波动信号有良好的平滑作用，但对脉冲干扰的抑制能力较差。而中位值法有良好的去脉冲干扰能力，然而，由于它又受各采样点连续采样次数的限制，阻碍了其性能的

44、提高。、在实际应用中往往把前面介绍的两种方法结合起来使用，形成复合滤披算法，其特点是先用中位值法滤掉采图13-26 N=8算术平均值样值中的脉冲干扰，然后把剩下的各采样值进行平滑滤波。、其基本算法如下: 如果XlX2X，其中3n14，Xl和分别是所有采样值中的最小值和最大值，则： (13-12)由于这种滤波方法兼容了算术平均值法和中位值法的优点，所以无论是对缓慢变化的过程信号还是对快速变化的过程信号，都能起到很好的滤波效果。 2、冗余技术 、当干扰信号通过某种途径作用到CPU上时，使CPU不能按正常状态执行程序，从而引起混乱，这就是所说的程序 跑飞。对程序跑飞后使其恢复正常的一个最简单的方法

45、是通过人工复位，使CPU重新执行程序。采用这种方法虽然单，但需要人的参与，而且复位不及时。人工复位一般是在整个系统已经瘫痪，无计可施 情况下才不得已而为之的，因此在进行软件设计时就要考虑到万一程序跑飞，应让其能自动恢复到正常状态下运行。、冗余技术就是经常用到的方法。它包括指令的冗余设计和数据程序的冗余设计；、所谓指令冗余，就是在一些关键的地方人为地插入一些单字节的空操指令NOP。当程序跑飞到某条单字节指令上时，就不会发生将操作数当成指令来执行错误。、例如MCS-51系列单片机所有的指令都不会超过3个字节，因此在某条指令前面插两条NOP指令，则该条指令就不会被前面冲下来的失控程序折散，而会得到完整的执行，而使程序重新纳入正常轨道。、应该注意的是在一个程序中指令冗余不能使用过多，否会降低程序的执行效率。数据和程序的冗余设计的基本方法是在EPROM的空白区域，再加入一些重要的数据表和程序作为备份，以便系统程序被破坏时仍有备份参数和程序维持系的正常工作。 思考题与习题1.论述检测装置的干扰来源。 2.硬件干扰抑制方法有哪些? 3.软件干扰抑制方法有哪些? 4.接地设计时应注意什么问题? 22