计算机测控技术第5章.ppt

第五章自动校准和抗干扰技术,5.1误差校准和自检5.2测控系统的内部自动校准5.3测控系统的抗干扰技术,5.1误差校准和自检,5.1.1测控系统的系统误差及其校准测控系统的准确度是用测量误差来衡量的。测量误差包括偶然误差和系统误差，为了保证测控系统的精度，应该减少偶然误差和系统误差。偶然误差主要是由于周围环境和测控系统内部的偶然因素的作用造成的。为了减小偶然误差，除去要稳定测量环境外，可在规定条件下对被测量进行多次测量，再利用统计方法对测量数据进行平均和滤波处理。,系统误差是由于测控系统内部和外部的固定不变或按确定规律变化的因素的作用造成的。可利用校准的方法来减小仪器的系统误差。校准有两种不同的实现方法1根据系统误差的变化规律，采用一定的测量方法或计算方法，将它从测量系统的测量结果中扣除。2准确度等级高的仪器其系统误差小。因此，可用准确度高的标准仪器去修正准确度低的被测系统。这里，有两种方案可供使用。,①采用同类型的准确度高的标准仪器（见图5－1）。校准时，标准仪器和被校测控系统同时测量信号源输出的一个信号，标准仪器的显示值作为被测信号的真值，它与被校测控系统显示值的差值即为该仪器的测量误差。由小到大改变信号源的输出，可以获得测控系统在所有测量点上的校准值。,图5－1用同类型标准仪器进行比对校准,②采用准确度高的可步进调节输出值的标准信号源（见图5－2）。校准时，信号源的指示值作为真值，它与被校测控系统指示值的差值就是该系统的测量误差。从小到大调节标准源的输出，可以测量出被校测控系统在所有测量点上的校准值。过去，在校准无内置微机的传统仪器时，信号源的输出的改变和被校仪器功能、量限的设定等都是靠手动调节的。测量的数据也是靠人工进行观测、记录和处理的。当被校仪器超过误差时，需用手动调节仪器内部的可调元器件的参数可调电阻，可调电容，可调电感来使其指示值向标准源的指示值靠拢。,图5－2用标准信号源进行校准,与传统仪器的手动校准不同，测控系统都是可程控的，在控制器的程控命令指挥下，校准完全可以自动进行，它有如下特点1它分为外部校准和内部校准两种方式。2外部校准采用上述第二种校准方法，但不需要像校准传统仪器那样，手动调节被校仪器的输入信号，也不需要打开机箱手动调节仪器内部的可调元器件，而是使用由测控系统组成的自动校准系统来实现的。3内部自动校准采用上述第一种校准方法依靠测控系统内部微机和内附标准源自动完成，即根据系统误差的变化规律，用一定的测量方法或计算方法来扣除系统误差。,5.1.2系统故障的检测和诊断测控系统可能产生故障的物理原因很多。从外部因素讲，空间强电磁场的冲击，电网电压的冲击，机械振动，温度、湿度的变化，或者使用和维护不当，都可引起系统的接插件、内部元器件和电路板的工作不良。从内部因素看，随着时间的变化，系统内部元器件和电路板的老化引起其性能下降和参数变化。这种变化超过一定的容限时就会形成测控系统故障。此外，和传统仪器不同，测控系统除硬件故障外，还可能出现软件故障。,对待故障有两种基本策略。一种是采用冗余技术，故障产生时，设法避开故障的作用，屏蔽它的影响。另一种是测试故障，在故障产生时，及时发现和排除，使系统可靠地工作。故障测试分两种。如果要求确定测控系统是否存在故障，称为故障检测。如果要求确定故障发生的具体位置故障定位，称为故障诊断。故障诊断要比故障检测难得多。,故障定位有一个细度问题。被检测的对象规模大小不同时，对故障诊断的细度要求也不同。通常，诊断一个系统时，要求故障定位到印刷电路板级，诊断一块印刷电路板时，要求故障定位到集成电路块级，诊断一块集成电路时，则希望将故障定位到其输入、输出脚或内部的元件上在集成电路设计时。依靠测控系统内部的微机和内附的故障检测电路来自动实现故障检测和故障诊断，称为自检。如果故障的测试是靠外部自动测试设备来完成的，则称为故障的外部测试。,不管是哪种检测方法，其原理都是给被测对象施加一定的检测激励信号，根据其输出响应信号来判断是否存在故障。所加的检测激励信号称为测试矢量或测试码。不是任何信号都可充当测试矢量的。测试矢量加在电路后，电路有故障和无故障时的响应信号是不同的。响应信号又称响应矢量或响应序列。,5.1.3测控系统故障的自检测控系统的自检，主要是针对下列部件1测控系统的数字电路部件。包括中央处理器CPU、存储器RAM、ROM、EPROM、输入输出口、逻辑控制电路、总线等。2测控系统的模拟电路部件。包括模拟量输入通道、模拟量输出通道、电源、标准源等。3系统的软件部分。,测控系统自检采用下面几种方式①开机自检。每当接通电源或者复位之后，测控系统即进行一次自检。大多数计算机测控系统都具备开机自检的功能。②周期性自检。为保证系统长时间可靠稳定的工作，有时在其运行过程中周期性地插入自检。周期性自检是自动进行的,不需要操作者的介入。③连续监控。测控系统一般内设有专门电路或者附加专门的检错码，时刻监视系统运行状态，一旦出现某种故障，就停止测控系统工作，转入出错处理。,图5－3为系统进行内部自检的原理图。图中的被检测部件为系统仪器电路的一个组成部分，为清楚起见，将其从系统电路中分离开来表示。自检电路由测试矢量发生器、响应序列寄存器、多路转换器MUX和多路分配器DMUX组成。在MUX和DEMUX处于两种不同位置时，系统有两种不同工作方式。,图5－3系统仪器的故障自检原理图,1正常工作方式。MUX的S1和DEMUX的S2位于a点，被检测电路与系统仪器其余电路连接，完成仪器的正常工作。2自检工作方式。MUX的S1和DEMUX的S2位于b点，被检测部件与仪器的其余电路隔离，其输入端与测试矢量发生器相接，输出端与响应序列寄存器相接。测试矢量依次加在被检测部件输入端，其响应矢量寄存在响应矢量寄存器中，最后可由微机读取响应矢量进行故障分析和判断。,MUX和DEMUX的结构原理如图5－4和5－5所示。被测部件的输入、输出端越多，相对应的MUX和DEMUX的结构就越复杂。除去采用MUX和DEMUX使被检测部件在自检时与原电路中的其它部件隔离外，也可利用微机的总线，使挂接其上的各部件在自检时相互不影响例如对微机中的ROM、RAM自检。这时，不需要MUX和DEMUX。,图5－4多路转换器MUX的原理图,图5－5多路分配器DEMUX的原理图,,5.2测控系统的内部自动校准,5.2.1模拟量测量通道的零点漂移和倍率变化图5－6是测控系统中的数字电压表的模拟输入通道的组成图。其总的系统误差是由每个部件的系统误差综合而成。而每个部件的误差，可以等效地看成是由零点漂移电压e和倍率系数k的变化dk所造成的。图中，ei为部件i的输入端等效漂移电压；dki为部件i的等效的倍率系数的变化值。,图5－6测量通道的各个部件产生的等效系统误差,运算放大器的直流参数有输入失调电压、输入偏置电流、输入失调电流、开环放大倍数和倍率电阻。它们是形成e和dk的主要因素。图5－7是一个差分运算放大器采用同相输入方式时的等效电路图。同相输入方式是模拟测试通道中运算放大器最常采用的输入方式。下面我们来分析它的等效零点漂移和倍率变化。,图5－7同相输入方式运算放大器的等效图,由图可知,由于,所以,5－3,式中，A为放大器的开环放大倍数。,将式（5－2）和式（5－3）代入式（5－1）中，并考虑到Ios＝Ib2-Ib1，R＝R1R2/R1R2和I1Ri＝Uo/A（其中，Ios称为失调电压），得,令kR2/R1，则有,5－4,由式（5－4）可知1该放大器的放大倍数为1kd，系数，当放大器的开环放大倍数A1k，RiR2时，系数d→1，此时实际运算放大器的放大倍数接近理想运算放大器的放大倍数1R2/R1。由于A、Ri、R1、R2也都随温度变化而变化，因此，实际的运算放大器的放大倍数还会随温度的变化而产生温度漂移。,2输入失调电压eos和失调电流Ios对放大器输出的影响相当于在输入信号上加了一个零漂电压Uos，由UoseosRIos知，失调电压eos直接影响Uos的大小。而失调电流Ios是通过电阻R形成电压后才对Uos起作用。eos、Ios、R1和R2均是温度的函数，因此，温度变化时，等效的零漂电压Uos也会随着变化。对于反相输入工作方式的运算放大器，也可采用相类似的方法来分析其零点漂移和倍率变化。,前置放大器、预处理滤波器、采样保持器、A/D转换器等部件的输入端都存在失调电压和失调电流，它们的等效零点漂移和倍率变化的分析方法也与上述相似。在图5－6中，模拟测量通道的部件是前后级串联的，此时，怎样计算总的零漂电压和倍率呢以图5－8为例说明。k1、k2分别为部件1和部件2的实际倍率，Uos1、Uos2分别为它们输入端等效的零点漂移电压。部件1和部件2是串接的，它们的输出电压Uo1和Uo2分别为,图5－8串接部件的等效分析电路,因此，这两个串接部件可以用一个部件来等效。该部件的倍率为k1k2，零点漂移电压为Uos1Uos2/k1，其中Uos2/k1为第二个部件输入的零漂电压折算到第一个部件输入端后的值。对于多个串接部件组成的电路，同样可分析它的等效零漂电压和倍率。,5.2.2零点漂移的内部自动校准零点漂移电压Uos是模拟输入通道的主要系统误差，应该对它进行校准。图5－9是校准电路的原理图。S1、S2、S3为模拟量开关，在仪器内部微机控制下，它们可以使模拟测量通道的输入端依次与地、仪器内部标准源Uref和外部被测量Ui相接。Uos为折合到模拟测量通道输入端的零点漂移电压。,图5－9模拟通道的内部自校准原理图,现在分两种情况来讨论对Uos的校准方法。1零点漂移电压Uos恒定不变时，校准分三步进行①在微机控制下，切断开关S2、S3，闭合开关S1，此时输入端与地短接。Uos输入模拟测量通道。设此时的输出A/D转换器的输出为D0，则有,式中，k为总的倍率和转换系数。,②在微机控制下，切断开关S1、S2，闭合开关S3，被测信号Ui和Uos一起输入模拟测量通道。设此时的输出为D1，则有,D1kUiUos,③微机对上述两次测量数据进行计算,DD1-D0kUi,计算后的数值D，消去了零点漂移电压Uos的影响，真正代表了Ui的值。这里要注意的是二次测量过程中，假设Uos和k恒定不变。为了消去Uos，需进行两次测量，用了双倍时间，测量速度减慢一半以上。,2零点漂移电压Uos如果在上述两次测量之间发生变化，上述方法就不能用，必须对Uos进行插值处理，如图5－10所示。假设Uos随时间线性变化，则对它进行校准的步骤如下①合上开关S1，设这时的零漂电压为Uos1。在微机启动A/D转换器测量Uos1的同时，要启动测控系统的内部计时单元，使它开始对测试时间计时。设起始时间为t1，A/D的输出为D1。,②打开开关S1合上开关S3，假设这时的零漂电压为Uos2。Uos2和被测量Ui一起输入到模拟测量通道的输入端，设输出为D2，则,D2＝kUiUos2,当微机启动A/D转换器测量Ui时，要读取内部计时单元的时间，设为t2。,③打开开关S2，再次合上开关S1，假设这时的零漂电压为Uos3，输出为D3，则,D3＝kUos3,当微机启动A/D转换器测量Uos3时，要读取内部计时单元的时间，设为t3。由于从时间t1到t3之间Uos呈线性变化，可利用线性插值法求Uos2如图5－10所示。,因为,所以,微机进行上列计算后所得数值D，已消去了零漂电压Uos2的影响，真正代表了Ui的值。由于温度变化惯性大，速度慢，由它引起的Uos变化范围小，如果测量的间隔时间不太长，完全可以近似地认为零漂电压Uos2是线性变化的。,图5－10Uos的线性插值,5.2.3倍率偏移的内部自动校准利用内附标准源Uref可以消除倍率偏离额定值对测量产生的影响，参看图5－9。其校准步骤如下假设此时Uos01在微机控制下，切断S1、S3，闭合S2。标准源Uref被接入。设输出为Dref则,Dref＝kUref,2在微机控制下，切断S1、S2，闭合S3。被测量Ui被接入，设输出为D1，则,D1＝kU,3微机将测试数据进行下列计算,所以,这样得到的数值与倍率k没有关系，消除了因k偏离额定值所引起的系统误差。注意这里假设零漂电压Uos为零；在两次测量中，假设k不变；内附标准源的稳定性好，其准确的数值为已知。,实际进行内部自动校准时，既要考虑零点的漂移，也要考虑倍率的偏离。此时的校准步骤如下（参看图5－9，在校准过程中，假设Uos和k都是固定不变值）1微机控制S1接通，断开S2、S3，设输出Dos，则,Dos＝kUos,2微机控制S2接通，断开S1、S3，设输出Dref，则,Dref＝k（Uref＋Uos）,3微机控制S3接通，断开S1、S2，设输出Dx，则,Dx＝k（Ui＋Uos）,4微机进行下列计算,所以,注意，在上述自校准时1每测量一个被测量要进行三次测量，测量时间增加2倍。2三次测量中，认为Uos和k为不变值。通常，在连续的三次测量期间，温度填空，测量间隔时间短而测试速度很快时，可认为此条件满足。3内附标准源应稳定性好，其准确数值为已知。,在设计测控系统时，安排系统内部自动校准有两种方案①每测量一个被测量都进行零点漂移和倍率偏离的自动校准。这时，测试速率会显著降低，这是以牺牲速度求测量的准确度。②有选择地进行自校准。测控系统设置“自校准”功能，只有选择此功能时，测量才进行零点漂移和倍率的校准。,,5.3测控系统的抗干扰技术,5.3.1测控系统中常见的干扰1.从干扰的来源划分1内部干扰。内部干扰是指测控系统内部电子电路的各种干扰。如电路中的电阻热噪声；晶体管、场效应管等器件内部分配噪声和闪烁噪声；放大电路正反馈引起的自激振荡等。2外部干扰。外部干扰是指由外界窜入到测控系统内的各种干扰。如电动机电刷引起的火花放电；其它设备电路的脉冲开关接触所产生的电磁信号；自然界的闪电、宇宙辐射的电磁波等。,2.按干扰出现的规律划分1固定干扰。固定干扰是指在测控系统工作环境附近固定的电气设备运行时发出的干扰。例如，邻近的“强电”设备的启停有可能引入一个固定时刻的干扰。2半固定干扰。半固定干扰是指某些偶然使用的电气设备如行车、电钻等引起的干扰。3随机干扰。随机干扰属于偶发性的干扰。如闪电、供电系统继电保护的动作等干扰。半固定干扰和随机干扰的区分在于，前者是可预测的，后者是难以预测的。,3.从干扰产生和传播的方式划分1静电干扰。静电干扰实际是电场通过电容耦合的干扰，如图5－11所示。从电路理论可知，电流流经一导体时，导体产生电场，这个电场可耦合到附近的导体中，使它们感应出电位，这个电位就是干扰电压。从交流电路传输来看，干扰起因于导线与导线之间、导线与元件之间的寄生电容。外部噪声通过噪声源与导体之间的寄生电容耦合到电路，造成对电路的干扰。,图5－11静电耦合干扰,2磁场耦合干扰。磁场耦合干扰是一种感应干扰。如图5－12所示，在连接信号源的传输线经过的空间总存在着交变电磁场。诸如动力线、变压器、电动机、继电器、电风扇等附近，都会有这种磁场。这些交变的磁场穿过传输线形成的回路将在传输线上或闭合导线上感应出交流干扰电压。,图5－12磁场干扰,3电磁辐射干扰。在工厂内，各种大功率高频、中频发生装置如高频感应加热装置、可控硅中频炉以及各种电火花机床，都将产生高频电磁波向周围空间辐射，形成电磁辐射干扰源。辐射能量是以与通信接收机接收无线电频率能量相同的方法耦合到电路中而产生干扰。,4电导通路耦合干扰。电导通路是指构成电回路的通路。电导通路耦合干扰是由各单元回路之间的公共阻抗产生的干扰。由于接地电位不同而造成的干扰是这类干扰的主要表现形式。在测控系统中，“地”有两种含义一是指大地，它是系统中各个设备的自然参考电位；二是指一个设备内部电源的参考电位。如果一个仪器的地线不与大地连接，则称为“浮地”，否则称为接地。,理想情况下电路中不同接地点间电位差为零，即地阻抗为零。实际上大地的电位并不是恒定值，在不同的地之间存在着电位差，尤其在高压电力设备附近，大地的电位梯度可以达到每米几伏甚至几十伏。由于非零的公共地阻抗将会给电路带来干扰，它主要发生在远距离信号传输中，两端仪器接地的情况下。如图5－13所示，两个电路系统1，2的接地点分别为A和B，A和B的地电位不同，在这两个接地点的公共连线上有电流流过。这种多个接地点的公共连线部分称之为“接地环路”，接地环路上的环行电流通过接地环路的阻抗把瞬态噪声干扰耦合到下一级电路。,图5－13接地环路,5漏电耦合干扰。漏电耦合干扰是由于测控系统内部的电路绝缘不良，而出现的漏电流引起的电阻耦合产生的干扰，如图5－14所示。或在高输入阻抗器件组成的系统中，其阻抗与电路板绝缘电阻可以比拟，通过电路板产生漏电流，形成干扰。,图5－14漏电耦合干扰,4.从干扰输入信号的关系划分1串模差模干扰。串模干扰是指干扰信号与被测信号串联在一起，其形式如图5－15所示。图a中被测信号为Us，串模干扰为Un，在信号放大器输入端AE处合成为Usn＝Us＋Un，如图5－15b所示。Un叠加在被测信号Us之上，成为被测信号的一部分，被送到放大器进行放大。产生串模干扰的原因是外部高压供电线交变电磁场通过寄生电容耦合进传感器一端；电源交变电磁场对传感器一端的漏电流耦合。,图5－15串模干扰,2共模干扰。共模干扰是指在信号地和仪器地大地之间产生的干扰。如图5－16所示，图中E为信号地，F为仪器地，被测信号为Us，Un是出现在被测信号Us与仪器地之间的干扰信号。A，B两端叠加的干扰电压相同。由于有干扰信号Un的存在，使被测信号Us受到干扰，如图5－16所示。,图5－16共模干扰,在对地阻抗呈理想对称的传感器和放大器输入电路中，共模干扰在理论上并不会引起数据采集误差，这是因为差分放大器的两个输入端A和B具有相同的幅值和电位。然而，实际上由于数据传输回路、导线和放大器输入回路的电阻或电容对地呈非对称性，共模干扰电压将通过接地回路中的接地干扰电压转换成干扰程度不同的差模电压。,产生对地共模干扰的原因有①在测控系统附近有大功率的电气设备，电磁场以电感或电容形式耦合到传感器和传输导线中。②电源绝缘不良而引起漏电或三相动力电网负载不平衡致使零线有较大的电流时，存在着较大的地电流和地电位差。如果系统有两个以上的接地点，则地电位差就会造成共模干扰。③电气设备的绝缘性能不良时，动力电源会通过漏电阻耦合到测控系统的信号回路，形成干扰。④在交流供电的仪器中，交流电会通过初、次级绕组间的寄生电容、整流滤波电路、信号电路与地之间的寄生电容构成回路，形成干扰。,5.3.2模拟信号输入通道的抗干扰,1.采用隔离技术隔离干扰所谓隔离干扰，就是从电路上把干扰源与敏感电路部分隔离开来，使它们之间不存在电的联系，或者削弱它们之间电的联系。隔离技术从原理上可分为光电隔离和电磁隔离。1光电隔离光电隔离是利用光电耦合器实现电路上的隔离。光电耦合器能够隔离电路的原因如下1光电耦合器的输入端为发光二极管，输出端为光敏三极管，输入端与输出端之间是通过光传递信息的，而且又是在密封条件下进行，故不会受到外界光的影响。光电耦合器的结构如图5－17所示。,图5－17二极管三极管型的光电耦合器,2光电耦合器的输入阻抗很低，一般在100～1000Ω，而干扰源的内阻一般很大，通常为105～106Ω，根据分压原理可知，这时能馈送到光电耦合器输入端的噪声自然很小。3由于干扰噪声源的内阻一般很大，尽管它能提供较大幅度的干扰电压，但能提供的能量却很小，即只能形成微弱的电流。而光电耦合器输入端的发光二极管，只有当流过的电流超过其阈值时才能发光，输出端的光敏三极管只在一串强光下才能工作。因此即使是电压幅值很高的干扰，由于没有足够的能量而不能使发光二极管发光，从而被抑制掉。,4光电耦合器的输入端与输出端之间的寄生电容极小，一般仅为0.5～2pF，而绝缘电阻又非常大，通常为1011～1013Ω，因此输出端的各种干扰噪声很难反馈到输入端中去。,由于光电耦合器的以上优点，使光电耦合器在测控系统中有以下方面的应用1用于系统与外界的隔离。在实际应用中，因为测控系统采集的信号来源于工业现场，所以需把待采集的信号与系统隔离。其做法是在传感器与数据采集电路之间，加上一个光电耦合器，如图5－18所示。,图5－18信号与系统的隔离,2用于系统电路之间的隔离。这种方法是在两个电路之间加入一个光电耦合器，如图5－19所示。电路Ⅰ的信号向电路Ⅱ传递是靠光传递，切断了两个电路之间电的联系，使两电路之间的电位差Ucm不能形成干扰。电路Ⅰ的信号加到发光二极管上，使发光二极管发光，它的光照正比于电路Ⅰ输出的信号电流。这个光被光电三极管接收，再产生正比于光照的电流输送到电路Ⅱ。由于光电耦合器的线性范围比较小，所以，它主要用于传输数字信号。,图5－19电路光电耦合隔离,2用于系统电路之间的隔离。这种方法是在两个电路之间加入一个光电耦合器，如图5－19所示。电路Ⅰ的信号向电路Ⅱ传递是靠光传递，切断了两个电路之间电的联系，使两电路之间的电位差Ucm不能形成干扰。电路Ⅰ的信号加到发光二极管上，使发光二极管发光，它的光照正比于电路Ⅰ输出的信号电流。这个光被光电三极管接收，再产生正比于光照的电流输送到电路Ⅱ。由于光电耦合器的线性范围比较小，所以，它主要用于传输数字信号。,2电磁隔离这种方法是在传感器与采集电路之间加入一个隔离放大器，利用隔离放大器的电磁耦合，将外界的模拟信号与系统进行隔离传送。隔离放大器在测控系统中的使用如图5－20所示。由图5－20可以看到，外界的模拟信号由隔离放大器进行隔离放大，然后以高电平低阻抗的特性输出至多路开关。为抑制市电频率对系统的影响，电源部分由变压器隔离。另外，A/D转换输出采取光电隔离后送入计算机总线，以防止模拟通道的干扰馈入计算机；计算机总线的控制信号也经光电隔离传送至多路开关、采样/保持和A/D转换芯片。,图5－20测控系统的隔离,2.采用滤波器滤除干扰滤波是一种只允许某一频带信号通过的抑制干扰措施之一，特别适用于抑制经导线传输耦合到电路中的噪声干扰。从工业现场采集到的信号，经过传输线送入采集电路或微机的接口电路。在信号传输过程中，可能会引进干扰，为使信号在进入采集电路或接口电路之前就消除或减弱这种干扰，可在信号传输线上加滤波器。图5－21为热电偶测温系统信号滤波原理图。Z为热电偶到地的漏阻抗；φ为干扰磁通；Ucm为不稳定的地电位差。电阻R和电容C组成RC滤波器。,图5－21信号线间滤波,3.采用浮置措施抑制干扰浮置又称浮空、浮接，它是指数据采集电路的模拟信号地不接机壳或大地。对于被浮置的测控系统，数据采集电路与机壳或大地之间无直流联系。注意浮置的目的是为了阻断干扰电流的通路。测控系统被浮置后，明显地加大了系统的信号放大器公共线与地或机壳之间的阻抗。因此，浮置能大大地减少共模干扰电流。但是，浮置不是绝对的，不可能做到“完全浮置”。其原因是信号放大器公共线与地或机壳之间，虽然电阻值很大是绝缘电阻级，但是，它们之间仍然存在着寄生电容，即容性漏电流干扰。,测控系统被浮置后，由于共模干扰电流大大减少，因此，其共模抑制能力大大提高。下面以图5－22所示的浮置桥式传感器测控系统为例进行分析。,图5－22桥式传感器浮置输入采集系统,取C2C30.01μF，C13pF，Ecm为50Hz工频干扰，则有Xc1RL，Xc2RL，Xc3Rs，RL两端的干扰电压Un可以表示为,共模抑制比,根据给定的电路参数，则有RsRL/Xc2Xc3RL/Xc1，所以,若用漏电阻R1、R2、R3代替寄生电容C1、C2、C3，则可以看出，浮置同样能抑制直流共模干扰。这里需要指出的是，只有在对电路要求高，并采用多层屏蔽的条件下，才采用浮置技术。采集电路的浮置应该包括该电路的供电电源，即这种浮置采集电路的供电系统应该是单独的浮置供电系统，否则浮置将无效。,4.长线传输的抗干扰措施,1长线的定义。长线Lmax的判断可以用下式得出,式中，tτ为系统所用逻辑电路器件或组件的上升时间；v为速度，取v2.5108m/s；n是经验数据，一般取n＝4。,例如，某高速组件的tτ10ns，则,即在该系统中，超过0.62m的传输线就可算作长线。,表5.1常用逻辑电路的上升时间tτ,2长线传输信号时遇到的问题。长线传输信号时遇到的问题有三个①对信号的传输速度有延迟。根据实验和计算可知，单位长度上传输延迟为架空单线3.3ns/m；双绞线5ns/m；同轴电缆6ns/m。②高速的信号脉冲波在传输过程中会产生畸变和衰减，引起非耦合性干扰。③长线传输易受到外界和其它传输线的干扰。这里需要指出的是，问题②是非耦合性干扰，即使无外界的干扰，它自身也会产生干扰。,3长线的波阻抗Zo。长线由于存在寄生电容用单位长度上的电容C来表示和寄生电感用单位长度上的电感L来表示，长线的波阻抗。实际上，长线本身还有分布电阻，故波阻抗一般为非纯电阻。,4脉冲信号波在长线上引起的反射。图5－23所示为地面上的单根传输长线，其长度为L，电源Us的输出电阻电源内阻为Rs，负载电阻为RL，则有反射系数,ε＝ε1ε2,其中,ε1为始端发射系数,ε1＝－（Zo-Rs）/ZoRs,ε2为终端发射系数,ε1＝－（Zo-Rs）/ZoRL,从上式可以看出，如果Zo＝Rs＝RL，则ε1＝ε2＝ε＝0，无任何反射；若Zo＝Rs，则ε1＝0，此时ε＝ε1ε2＝0；若Zo＝RL，则ε2＝0，此时ε＝ε1ε2＝0，也可以无反射。ε1＝0表示始端阻抗匹配，ε2＝0表示终端阻抗匹配。传输线终端具有不同负载电阻下的反射系数如表5.2所示。,表5.2不同负载电阻下的反射系数,当传输线终端不匹配时，信号便被反射；反射波到达始端时，若始端也不匹配，同样又产生反射，这样就发生了信号在传输线上多次往返反射的情况。实际上，信号传输多处于这种情况，下面举例说明。如图5－24a所示，假设信号内阻Rs60Ω，传输线波阻抗Zo90Ω，传输线终端电阻RL270Ω。当信号源单独和波阻抗Zo90Ω的传输线串联时，电压值必定是Zo两端的电压，即,图5－24传输线原理及电压反射（a）传输线原理图；b传输线电压反射示意图,当这个电压向终端传输时，将要发生反射，下面求终端反射系数,始端反射系数KUI为,因此终端第一次反射电压为,当它传到始端时，又被反射回终端，第二次反射电压为,当它传到终端时，又被反射回始端，第三次反射电压为,当它传到始端时，又被反射回终端，第四次反射电压为,如此继续，最后达到稳定值，其反射情况可用图5－24b表示。由此可画出始端和终端的电压波形，如图5－25所示。可以看出，此时终端电压波形将产生过冲，并逐渐达到稳定值。对于终端电阻小于波阻抗的情况，可根据上面的讨论，类似推导得出终端电压产生过冲，较慢地逐渐趋于稳定值。此时始端和终端电压波形如图5－26所示。,图5－25始端和终端阻抗都不匹配（RL＜Zo的波形,图5－26始端和终端阻抗都不匹配（RLZo的波形,对于始端匹配的电压波形也不难画出，图5－27表示了这种波形。这时Rs应等于Zo，电压将以Us/2的电压波形式进行传输，到达终端时进行反射，以Us/2幅度的反射波反射向始端，当到达始端时，则整个传输线被充电到Us。这样只经过一个来回，电压便达到稳定值。,图5－27始端匹配时的电压波形,总结以上讨论可得出1当传输线终端匹配时即RLZo，传输的信号电压波没有反射，电流波平稳地进入负载。2当传输线始端匹配时即RsZo，终端的反射波等于入射波，反射波到达始端时，则被匹配的阻抗所吸收，整个传输线被充电而到达稳定状态，不再有反射。3当终端电阻小于波阻抗时，传输线上的电压不再有过冲，逐渐地恢复到稳定值。4当终端电阻大于波阻抗时，传输线上的电压将产生过冲，并在稳定值的附近产生振荡，最后趋向于稳定值。,表5.3几种常用传输线的波阻抗,2长线传输信号的抗干扰措施1阻抗匹配。阻抗匹配可以从以下两方面解决①始端匹配。始端匹配的方法有两种始端串联电阻匹配。如图5－28所示，始端匹配是通过在始端串接电阻，增大长线的特性阻抗，以便达到与终端阻抗相匹配。一般选取,R＝Zo-Rs,其中，Rs表示门电路的输出内阻，Zo为传输线波阻抗。如果与非门电路输出低电平时，输出内阻约为几十欧姆，则对于波阻抗为150Ω的传输线，R可选取在100Ω左右。,图5－28始端串联电阻匹配,始端上拉电阻或阻容匹配。图5－29a所示为始端采用上拉电阻的方法进行匹配。它用于吸收一部分终端的反射波。图5－29b所示为始端采用上拉电阻串接电容的方法进行匹配。上拉电阻通过43pF电容接至门电路发送端的始端，在静态时，由于电容隔直流，上拉电阻对传输线是开路的。当信号由高电平变为低电平时，其电容向传输线放电，以抵消反射波，这种匹配在动态时起作用。,图5－29始端上拉电阻或阻容匹配,②终端匹配。终端匹配的方法有三种终端并联阻抗匹配。这种方法如图5－30a所示。在长线终端处，电阻R1、R2构成一个分压回路，这相当于把终端经过一个等效电阻R接到等效电源E上，如图5－30b所示。此时,5－5,（5－6）,图5－30终端并联阻抗匹配,终端阻容匹配。这种方法如图5－31所示，把电容C与电阻R串联后与匹配电路并联。当C较大时，其阻抗接近于零，只起隔直流作用，不会影响阻抗匹配。因此，只要使RRp就可以了。电容C的选取应满足下述关系,其中,T为传输信号脉冲宽度；R1为始端低电平输出阻抗约20Ω；R为匹配电阻；Rp为长线特性阻抗。这种终端阻容匹配方法有助于提高信号电平的抗干扰能力。,图5－31终端阻容匹配,终端接箝位二极管匹配。终端接箝位二极管匹配的方法如图5－32所示。这种匹配方法的好处是由于把门B输入端的低电平箝至0.3V以内，可以减少反冲与振荡现象；有了二极管，可以吸收反射波，减少了波的反射现象；大大减少线间串扰，提高动态抗干扰能力。,图5－32终端接箝位二极管匹配,2长线驱动。长线如果用TTL电路直接驱动，有可能使电信号幅值不断减小，抗干扰能力下降及存在串扰和噪声，结果使电路传错信号。因此，在长线传输中，需采用驱动电路和接收电路。图5－33为驱动电路和接收电路组成的信号传输线路的原理图。,图5－33长线驱动示意图,①驱动电路将TTL信号转为差分信号，再经长线传至接收电路。为了使多个驱动电路能共用一条传输线，一般驱动电路都附有禁止电路，以便在该驱动电路不工作时，禁止其输出。②接收电路具有差分输入端，把接收到的信号放大后，再转换成TTL信号输出。由于差动放大器有很强的共模抑制能力，而且工作在线性区，所以容易做到阻抗匹配。,3用光电耦合器隔离、浮置传输线。当传输线很长或数据采集现场干扰十分强烈时，为了进一步提高信号传输的可靠性，可以通过光电耦合器将传输线隔离和完全“浮置”起来。所谓“浮置”是指去掉传输线两端之间的公共地线，由于传输线两端不共地，也就阻断了地环路，从而也就消除了地电位差带来的共模干扰。,图5－34传输长线完全隔离和浮置处理,图5－34所示的传输长线是一条单工线路，传输方向是从左到右。左边的光电耦合由缓冲器驱动，它的光敏三极管与三极管V接成复合管，复合管按射极跟随器工作。负载电阻等于双绞线波阻抗与Ro的并联值。传输长线的发送端按射极跟随器方式工作时，长线驱动和阻抗匹配的问题都好解决，始端阻抗匹配可以通过调整Ro和电位器W来实现。电位器W还有另一作用，这就是可以改变射极跟随器的工作点，因而可以抵消因光电耦合器及三极管V的电参数不一致所造成的工作点偏离。,3传输线的使用（1）屏蔽线的使用。屏蔽线是在信号线的外面包裹了一层铜质屏蔽层而构成的。采用屏蔽线可以有效地克服静电感应的干扰。对理想的屏蔽层来说，它的串联阻抗很低，可以忽略不计，所以由瞬时干扰电压引起的干扰电流只通过屏蔽层流入大地，由于干扰电流不流经信号线，故信号传输不受干扰。为了达到屏蔽的目的，屏蔽层要一端接地，另一端悬空。接地点一般可选在数据采集设备的接地点上，如图5－35所示。,图5－35屏蔽线接地方法图,2同轴电缆的使用。同轴电缆的使用情况如图5－36所示，电流I由信号源通过电缆中心导体流入接收负载，再沿屏蔽层流回信号源。电缆中心导体内的电流＋I和屏蔽层内的电流-I产生的磁场相互抵消，因此，它在电缆屏蔽层的外部产生的磁场为零。同样，外界磁场对同轴电缆内部的影响也为零。在使用同轴电缆时，一定要把屏蔽层的两端都接地，如图5－36所示。否则电流将沿电缆中心导体和地形成环路，使屏蔽层无电流流过，造成屏蔽层不起屏蔽的作用，如图5－37所示。当两端接地时，屏蔽层流过的电流实际上与中心导体相同，因而能有效地防止电磁干扰。,图5－36同轴电缆外部磁通为零,图5－37两端不接地的电流回路,3双绞线的使用。双绞线是最常用的一种信号传输线，与同轴电缆相比，具有波阻抗高，体积小，价格低的优点。缺点是传送信号的频带不如同轴电缆宽。用双绞线传输信号可以消除电磁场的干扰。这是因为在双绞线中，感应电势的极性取决于磁场与线环的关系。图5－38示出外界磁场干扰在双绞线中引起感应电流的情况。由此图可以看出，外界磁场干扰引起的感应电流在相邻绞线回路的同一根导线上方向相反，相互抵消，从而使干扰受到抑制。双绞线的使用比较简单、方便和经济，用一般塑料护套线扭绞起来即可。,图5－38双绞线中的电磁感应,双绞的节距越短，电磁感应干扰就越低。图5－39所示为双绞线的应用例子，它可以接在门电路的输出端和输入端之间，也可以接在晶体管射极跟随器发射极电阻的两端，双绞线中途不能接地。,图5－39双绞线使用实例,4扁平带状电缆的使用。目前，使用扁平带状电缆作为传输线的情况很普遍，这是因为市场上有很多与扁平带状电缆相配套的接插件可供选择，用相应的接插件压接在扁平带状电缆上或接在印刷电路板上都很方便。虽然它的抗干扰能力比双绞线要差一些，但由于很实用，因而使用很广泛。若采取一些措施，也可成为一种很好的传输线。,由于扁平带状电缆的导线较细，当传输距离较近时，用它做地线，地电位会发生变化。因此，最好采用双端传送信号的办法。当单端传送信号时，每条信号线都应配有一条接地线。扁平带状电缆的接地方法如图5－40所示，即在每一对信号线之间留出一根导线作为接地线。这种扁平带状电缆接地方法，对减小两条信号线之间的电容耦合和电感耦合是很有效的。这种方法只适合于信号在10～20m以内的传输，再长就不适用了，原因是地电位明显地出现电位差。,图5－40扁平电缆接地法,5.A/D转换器的抗干扰1A/D转换器的抗干扰措施下面从三个方面来讨论A/D转换器的抗干扰措施。1抗串模干扰的措施①在串模干扰严重的场合，可以用积分式或双斜积分式A/D转换器。由于转换的是平均值，瞬间干扰和高频噪声对转换结果的影响较小。同时由同一积分电路进行的正反两次积分，使积分电路的非线性误差得到了补偿，所以转换精度较高，动态性能好，其缺点是A/D转换的速度较慢。,②对于高频干扰，可以采用低通滤波器加以滤除。对于低频干扰，可采用同步采样的方法加以消除。这需要先检测出干扰的频率，例如50Hz的工频干扰，然后选取与干扰频率成整数倍的采样频率，并使两者同步，如图5－41所示。,图5－41同步采样滤除干扰,图5－42电流传输代替电压传输,③尽量把A/D转换器直接附在传感器上，这样可以减小传输线引进的干扰。④当传感器和A/D转换器相距较近时，容易引起干扰。解决的办法是用电流传输代替电压传输。如图5－42所示，传感器直接输出