第3章 过程通道数据采集7

1、第三章 过程通道和数据采集系统之六内容提要n概述n模拟量输入通道: 采样, 多路转换器nD/A与A/D转换技术nA/D转换器及其与微处理器的接口n数据采集系统nD/A转换器及其与微处理器的接口n过程通道的抗干扰措施n小结过程通道的干扰 n计算机控制系统在工业生产的现场使用的条件常常是很复杂的。被测量的参数又往往被转换成微弱的低电平电压信号，并通过长距离传输至二次表或者计算机系统。因此除了有用的信号外，经常会出现一些与被测信号无关的电压或电流存在。这种无关的电压或电流信号我们称之为“干扰”（也叫噪声）。 干扰来源 (1)n干扰的来源 从系统电源或电源引线（包括地线）侵入的干扰 从系统的信号输入输

2、出传输通道引入的干扰 空间电磁干扰 静电噪声 其它环境因素引起的干扰干扰源 (2) n干扰来自于干扰源，它们在仪表内外都可能存在。在控制系统外部，一些大功率的用电设备以及电力设备都可能成为干扰源，而在控制系统内部的电源变压器、机电器、开关以及电源线等也均可能成为干扰源干扰的分类（3）n干扰的分类 不论什么样的干扰源，对计算机控制系统的干扰总是通过传导和直接辐射两种途径进入计算机控制系统的，其耦合的方式有静电耦合、互感耦合、共阻抗耦合; 电磁场辐射耦合等传导耦合（4）n传导耦合传导耦合传导耦合是干扰源与敏感设备之间的主要耦合途径之一。传导耦合必须在干扰源与敏感设备之间存在有完整的电路连接，电磁干

3、扰沿着这一连接电路从干扰源传输电磁干扰至敏感设备，产生电磁干扰。按其耦合方式可分为电路性耦合、电容性耦合和电感性耦合。在开关电源中，这3种耦合方式同时存在，互相联系。1电路性耦合电路性耦合电路性耦合是最常见、最简单的传导耦合方式。其又有以下几种：1)直接传导耦合导线经过存在干扰的环境时，即拾取干扰能量并沿导线传导至电路而造成对电路的干扰。2)共阻抗耦合由于两个以上电路有公共阻抗，当两个电路的电流流经一个公共阻抗时，一个电路的电流在该公共阻抗上形成的电压就会影响到另一个电路，这就是共阻抗耦合。形成共阻抗耦合干扰的有电源输出阻抗、接地线的公共阻抗等。2电容性耦合电容性耦合(静电耦合)电容性耦合也称

4、为电耦合，由于两个电路之生的尖峰电压是一种有较大幅度的窄脉冲，其频间存在寄生电容，使一个电路的电荷通过寄生电容影响到另一条支路。3 电感性耦合电感性耦合(电磁耦合 ) 电感性耦合也称为磁耦合，两个电路之间存在互感时，当干扰源是以电源形式出现时，此电流所产生的磁场通过互感耦合对邻近信号形成干扰。辐射耦合（5）n辐射耦合辐射耦合通过辐射途径造成的干扰耦合称为辐射耦合。辐射耦合是以电磁场的形式将电磁能量从干扰源经空间传输到接受器。通常存在4种主要耦合途径：天线耦合、导线感应耦合、闭合回路耦合和孔缝耦合。1 天线与天线间的辐射耦合天线与天线间的辐射耦合在实际工程中，存在大量的天线电磁耦合。例如，开关电

5、源中长的信号线、控制线、输入和输出引线等具有天线效应，能够接收电磁干扰，形成天线辐射耦合。2 电磁场对导线的感应耦合电磁场对导线的感应耦合开关电源的电缆线一般是由信号回路的连接线、功率级回路的供电线以及地线一起构成，其中每一根导线都由输入端阻抗、输出端阻抗和返回导线构成一个回路。因此，电缆线是内部电路暴露在机箱外面的部分，最易受到干扰源辐射场的耦合而感应出干扰电压或干扰电流，沿导线进入设备形成辐射干扰。3 电磁场对闭合回路的耦合电磁场对闭合回路的耦合电磁场对闭合回路的耦合是指回路受感应最大部分的长度小于波长的14。在辐射干扰电磁场的频率比较低的情况下，辐射干扰电磁场与闭合回路的电磁耦合。4 电

6、磁场通过孔缝的耦合电磁场通过孔缝的耦合电磁场通过孔缝的耦合是指辐射干扰电磁场通过非金属设备外壳、金属设备外壳上的孔缝、电缆的编织金属屏蔽体等对其内部的电磁干扰。 电的耦合与磁耦合（6）n一些大功率的用电设备以及电力设备都一些大功率的用电设备以及电力设备都可能成为干扰源可能成为干扰源 n2电容性耦合电容性耦合(静电耦合)在相对的两物体中，如其一的电位发生变化，则由于物体间的电容使另一物体的电位也发生变化。干扰源是通过电容性的耦合在回路中形成干扰。它是两电场相互作用的结果。如图示 原理n图中，导线1的电位会在导线2上感应出对地的电压ec消除n当把两根信号线与动力线平行敷设时，由于动力线到两信号线的

7、距离不相等，分布电容也不相等。它在两根信号导线上能产生电位差，有时可达几十毫伏甚至更大。当把信号线扭绞时能使电场在两信号线上产生的电位差大为减小。而在采用静电屏蔽后，能使感应电势减小到1/1001/1000。磁耦合（7）n3 电感性耦合电感性耦合(电磁耦合 ) 电感性耦合也称为磁耦合，两个电路之间存在互感时，当干扰源是以电源形式出现时，此电流所产生的磁场通过互感耦合对邻近信号形成干扰。nen感应电动势；B磁通密度；A闭合回路的面积；磁力线与面积A的垂线的夹角。 磁耦合实测消除n图中数据为实验数据。为降低感应电动势，B、A或COS等项必须尽量减小。所以将导线远离这些强用电设备及动力网，调整走线方

8、向以及减小导线回路面积都是必要的。仅由于把两根信号线以短的节距绞合，磁感应电动势就能降为原有的1/101/100。串模干扰与共模干扰（8）n干扰的分类根据控制系统输入端干扰的作用方式，可分为串模干扰和共模干扰。串模干扰是指叠加在被测信号上的干扰；共模干扰是加在仪表任一输入端与地之间的干扰。 串模干扰（9） 常态干扰：叠加在被测信号上的干扰噪声，又称为串模干扰串模干扰（10）串模干扰有3种来源:信号源中本来就有干扰电压存在;磁场与信号线耦合;干扰电流流过与信号线串接的阻抗。在某些变送器中有用的直流信号中本来就存在交流干扰电压,这样就不能消除它而只能通过滤波器把它衰减下去。 共模干扰（11） 共态

9、干扰：A/D转换器两个输入端上公有的干扰电压，又称为共模干扰 共模干扰（12）不同地电位引入的干扰。大地中不同点之间往往存在电位差。尤其在大功率的用电设备附近，当这些设备的绝缘性能较差时，电位差更大。而在控制系统的使用中往往又会有意或无意的是输入回路存在两个以上的接地点。这样就会把不同接地点的电位差引入系统，这种地电位差有时能达110伏以上过程通道的抗干扰措施（13）n形成干扰的三要素是干扰源、传播途径和受扰设备。因而，抑制电磁干扰也应该从这三方面人手，采取适当措施。首先应该抑制干扰源，直接消除干扰原因；其次是消除干扰源和受扰设备之间的耦合和辐射，切断电磁干扰的传播途径；第三是提高受扰设备的抗

10、扰能力，减低其对噪声的敏感度。过程通道的抗干扰措施（14）n目前抑制干扰的几种措施基本上都是用切断电磁干扰源和受扰设备之间的耦合通道。常用的方法是屏蔽、接地和滤波。屏蔽技术（14-1）n1)采用屏蔽技术可以有效地抑制开关电源的电磁辐射干扰，即用电导率良好的材料对电场进行屏蔽，用磁导率高的材料对磁场进行屏蔽。屏蔽有两个目的，一是限制内部辐射的电磁能量泄漏出，二是防止外来的辐射干扰进入该内部区域。其原理是利用屏蔽体对电磁能量的反射、吸收和引导作用。为了抑制开关电源产生的辐射，电磁干扰对其他电子设备的影响，可完全按照对磁场屏蔽的方法来加工屏蔽罩，然后将整个屏蔽罩与系统的机壳和地连接为一体，就能对电磁

11、场进行有效的屏蔽。接地技术（ 14-2 ）n2)所谓接地，就是在两点间建立传导通路，以便将电子设备或元器件连接到某些叫作“地”的参考点上。接地是开关电源设备抑制电磁干扰的重要方法，电源某些部分与大地相连可以起到抑制干扰的作用。在电路系统设计中应遵循“一点接地”的原则，如果形成多点接地，会出现闭合的接地环路，当磁力线穿过该环路时将产生磁感应噪声。实际上很难实现“一点接地”，因此，为降低接地阻抗，消除分布电容的影响而采取平面式或多点接地，利用一个导电平面作为参考地，需要接地的各部分就近接到该参考地上。为进一步减小接地回路的压降，可用旁路电容减少返回电流的幅值。在低频和高频共存的电路系统中，应分别将

12、低频电路、高频电路、功率电路的地线单独连接后，再连接到公共参考点上。滤波技术（ 14-3 ）n3)滤波是抑制传导干扰的有效方法，在设备或系统的电磁兼容设计中具有极其重要的作用。EMI滤波器作为抑制电源线传导干扰的重要单元，可以抑制来自电网的干扰对电源本身的侵害，也可以抑制由开关电源产生并向电网反馈的干扰。在滤波电路中，还采用很多专用的滤波元件，如穿心电容器、三端电容器、铁氧体磁环，它们能够改善电路的滤波特性。恰当地设计或选择滤波器，并正确地安装和使用滤波器，是抗干扰技术的重要组成部分。常态干扰的抑制（15）n串模干扰与被测信号所处的地位相同，因此一旦产生串模干扰，就不容易消除。所以应当首先防止

13、它的产生。 常态干扰的抑制（15-1）n* 信号导线的扭绞。由于把信号导线扭绞在一起能使信号回路包围的面积大为减少，而且是两根信号导线到干扰源的距离能大致相等，分布电容也能大致相同，所以能使由磁场和电场通过感应耦合进入回路的串模干扰大为减小。常态干扰的抑制（ 15-2）n* 屏蔽。为了防止电场的干扰，可以把信号导线用金属包起来。通常的做法是在导线外包一层金属网（或者铁磁材料），外套绝缘层。屏蔽的目的就是隔断“场”的耦合，抑制各种“场”的干扰。屏蔽层需要接地，才能够防止干扰。常态干扰的抑制（ 15-3）常态干扰的抑制（ 15-4）n图中导线1为干扰源，导线2为信号导线，导线2对地电阻可认为是无限

14、大，并在导线外包裹屏蔽层.如图2.1中所示，屏蔽层不接地，因为干扰源与屏蔽层之间存在分布电容，在导线2的屏蔽层上就会感应出电压: 常态干扰的抑制（ 15-5）n由于导线2与屏蔽层之间存在有电容C2s,在C2s上无电流存在，所以导线2感应的电压ec=es。如果把屏蔽层接地，如图所示，es=0，导线2上感应电压也减小到接近于0。因此在实际使用中，屏蔽层必须接地。否则对减小感应电压没有效果。 常态干扰的抑制（15-6）n* 滤波。 若常态干扰频率比被测信号频率高，则采用输入低通滤波器来抑制高频常态干扰；若常态干扰频率比被测信号频率低，则采用输入高通滤波器来抑制低频常态干扰；若常态干扰频率落在被测信号

15、频谱的两侧，则应用带通滤波器较为适宜 p.70 图3-39 二级阻容滤波网络常态干扰的抑制（15-7） 当尖峰型常态干扰成为主要干扰源时，用双斜率积分式A/D转换器可以削弱常态干扰的影响 (输入信号的平均值, 非瞬时值) 在常态干扰主要来自电磁感应的情况下，对被测信号应尽可能早地进行前置放大，或者尽可能早地完成A/D变换或采取隔离和屏蔽等措施 从选择逻辑器件入手，利用逻辑器件的特性来抑制常态干扰常态干扰的抑制（ 15-8） 若常态干扰的变化速度与被测信号相当，则可采取下述方法： 从根本上消除产生常态干扰的原因，对测量仪表进行良好的电磁屏蔽 利用数字滤波技术对已进入计算机的带有常态干扰的数据进行

16、处理共模干扰的抑制（ 16）n共模干扰的抑制 接地。 通常仪表和信号源外壳为安全起见都接大地，保持零电位。信号源电路以及仪表系统也需要稳定接地。 共模干扰的抑制（16-2）n共模干扰的抑制 为了衡量一个输入电路抑制干扰的能力，常用共模抑制比CMRR（Common Mode Rejection Rate）来表示： 式中 是共模干扰电压， 是由 转化成的常态干扰电压。CMRR越大，表明抗共模干扰能力越强。)dB(lg20CMRRncmUUcmUcmUnU过程通道的抗干扰措施（16-3） 利用双端输入的运算放大器作为A/D转换器前面的前置放大器 过程通道的抗干扰措施（16-4） 利用变压器或光电耦合

17、器把各种模拟负载与数字信息源隔离开来，也就是把“模拟地”与“数字地”断开 光电耦合器能隔离干扰的原因 输入阻抗小：1k以下 干扰形式一般为大电压、小电流，而光电耦输入 发光管在电流状态下工作，故可被抑制 光耦在封闭状态下工作 输入回路与输出回路之间分布电容小，而绝缘电阻大过程通道的抗干扰措施（16-5） 采用浮地输入双层屏蔽放大器来抑制共模干扰 工作原理?过程通道的抗干扰措施（16-6） 用仪表放大器提高共模干扰抑制比 仪表放大器具有共模抑制能力强、输入阻抗高、漂移低、增益可调等特点,是一种专门用来分离共模干扰器件过程通道的抗干扰措施（17）n其它干扰措施 采用双绞线传输信号 与同轴电缆相比，

18、双绞线频带窄而波阻高，抗共模噪声能力强 过程通道的抗干扰措施（17-2） 对来自电源或由电源回路产生的干扰的处理措施： 在逻辑电路板上的电源线与地线的布线尽可能短，防止布成回路型或菊花链环状型 在每一块集成电路芯片的电源与地引入端接一个无感的瓷片电容器，其容量一般为0.010.1F 若一个装置中有多块逻辑电路板，则一般在电源和地线的引入处附近并接一个10100F的大电容和一个0.010.1 F的无感瓷片电容 防止驱动器通过逻辑电路板的电源线和地线引入干扰过程通道的抗干扰措施（18） 对输出电路干扰采取的措施：少见,但 把同一类型的所有输出驱动器的输出线以及交流、直流供电线等聚集在一起，套以独立的铁壳屏蔽管，并远离其它类型的输入输出等信号线 过程通道的抗干扰措施（17-2） 对直流输出驱动器来说，大电流直流信号应采用外接线，有时还用独立的直流电源来提供电流过程通道的抗干扰措施（18） 采用能抑制交流电源干扰的计算机系统电源过程通道的抗