1、第三章 過程通道和數據采集系統之六內容提要n概述n模擬量輸入通道: 采樣, 多路轉換器nD/A與A/D轉換技術nA/D轉換器及其與微處理器的接口n數據采集系統nD/A轉換器及其與微處理器的接口n過程通道的抗干擾措施n小結過程通道的干擾 n計算機控制系統在工業生產的現場使用的條件常常是很復雜的。被測量的參數又往往被轉換成微弱的低電平電壓信號，并通過長距離傳輸至二次表或者計算機系統。因此除了有用的信號外，經常會出現一些與被測信號無關的電壓或電流存在。這種無關的電壓或電流信號我們稱之為“干擾”（也叫噪聲）。 干擾來源 (1)n干擾的來源 從系統電源或電源引線（包括地線）侵入的干擾 從系統的信號輸入輸

2、出傳輸通道引入的干擾 空間電磁干擾 靜電噪聲 其它環境因素引起的干擾干擾源 (2) n干擾來自于干擾源，它們在儀表內外都可能存在。在控制系統外部，一些大功率的用電設備以及電力設備都可能成為干擾源，而在控制系統內部的電源變壓器、機電器、開關以及電源線等也均可能成為干擾源干擾的分類（3）n干擾的分類 不論什么樣的干擾源，對計算機控制系統的干擾總是通過傳導和直接輻射兩種途徑進入計算機控制系統的，其耦合的方式有靜電耦合、互感耦合、共阻抗耦合; 電磁場輻射耦合等傳導耦合（4）n傳導耦合傳導耦合傳導耦合是干擾源與敏感設備之間的主要耦合途徑之一。傳導耦合必須在干擾源與敏感設備之間存在有完整的電路連接，電磁干

3、擾沿著這一連接電路從干擾源傳輸電磁干擾至敏感設備，產生電磁干擾。按其耦合方式可分為電路性耦合、電容性耦合和電感性耦合。在開關電源中，這3種耦合方式同時存在，互相聯系。1電路性耦合電路性耦合電路性耦合是最常見、最簡單的傳導耦合方式。其又有以下幾種：1)直接傳導耦合導線經過存在干擾的環境時，即拾取干擾能量并沿導線傳導至電路而造成對電路的干擾。2)共阻抗耦合由于兩個以上電路有公共阻抗，當兩個電路的電流流經一個公共阻抗時，一個電路的電流在該公共阻抗上形成的電壓就會影響到另一個電路，這就是共阻抗耦合。形成共阻抗耦合干擾的有電源輸出阻抗、接地線的公共阻抗等。2電容性耦合電容性耦合(靜電耦合)電容性耦合也稱

4、為電耦合，由于兩個電路之生的尖峰電壓是一種有較大幅度的窄脈沖，其頻間存在寄生電容，使一個電路的電荷通過寄生電容影響到另一條支路。3 電感性耦合電感性耦合(電磁耦合 ) 電感性耦合也稱為磁耦合，兩個電路之間存在互感時，當干擾源是以電源形式出現時，此電流所產生的磁場通過互感耦合對鄰近信號形成干擾。輻射耦合（5）n輻射耦合輻射耦合通過輻射途徑造成的干擾耦合稱為輻射耦合。輻射耦合是以電磁場的形式將電磁能量從干擾源經空間傳輸到接受器。通常存在4種主要耦合途徑：天線耦合、導線感應耦合、閉合回路耦合和孔縫耦合。1 天線與天線間的輻射耦合天線與天線間的輻射耦合在實際工程中，存在大量的天線電磁耦合。例如，開關電

5、源中長的信號線、控制線、輸入和輸出引線等具有天線效應，能夠接收電磁干擾，形成天線輻射耦合。2 電磁場對導線的感應耦合電磁場對導線的感應耦合開關電源的電纜線一般是由信號回路的連接線、功率級回路的供電線以及地線一起構成，其中每一根導線都由輸入端阻抗、輸出端阻抗和返回導線構成一個回路。因此，電纜線是內部電路暴露在機箱外面的部分，最易受到干擾源輻射場的耦合而感應出干擾電壓或干擾電流，沿導線進入設備形成輻射干擾。3 電磁場對閉合回路的耦合電磁場對閉合回路的耦合電磁場對閉合回路的耦合是指回路受感應最大部分的長度小于波長的14。在輻射干擾電磁場的頻率比較低的情況下，輻射干擾電磁場與閉合回路的電磁耦合。4 電

6、磁場通過孔縫的耦合電磁場通過孔縫的耦合電磁場通過孔縫的耦合是指輻射干擾電磁場通過非金屬設備外殼、金屬設備外殼上的孔縫、電纜的編織金屬屏蔽體等對其內部的電磁干擾。 電的耦合與磁耦合（6）n一些大功率的用電設備以及電力設備都一些大功率的用電設備以及電力設備都可能成為干擾源可能成為干擾源 n2電容性耦合電容性耦合(靜電耦合)在相對的兩物體中，如其一的電位發生變化，則由于物體間的電容使另一物體的電位也發生變化。干擾源是通過電容性的耦合在回路中形成干擾。它是兩電場相互作用的結果。如圖示 原理n圖中，導線1的電位會在導線2上感應出對地的電壓ec消除n當把兩根信號線與動力線平行敷設時，由于動力線到兩信號線的

7、距離不相等，分布電容也不相等。它在兩根信號導線上能產生電位差，有時可達幾十毫伏甚至更大。當把信號線扭絞時能使電場在兩信號線上產生的電位差大為減小。而在采用靜電屏蔽后，能使感應電勢減小到1/1001/1000。磁耦合（7）n3 電感性耦合電感性耦合(電磁耦合 ) 電感性耦合也稱為磁耦合，兩個電路之間存在互感時，當干擾源是以電源形式出現時，此電流所產生的磁場通過互感耦合對鄰近信號形成干擾。nen感應電動勢；B磁通密度；A閉合回路的面積；磁力線與面積A的垂線的夾角。 磁耦合實測消除n圖中數據為實驗數據。為降低感應電動勢，B、A或COS等項必須盡量減小。所以將導線遠離這些強用電設備及動力網，調整走線方

8、向以及減小導線回路面積都是必要的。僅由于把兩根信號線以短的節距絞合，磁感應電動勢就能降為原有的1/101/100。串模干擾與共模干擾（8）n干擾的分類根據控制系統輸入端干擾的作用方式，可分為串模干擾和共模干擾。串模干擾是指疊加在被測信號上的干擾；共模干擾是加在儀表任一輸入端與地之間的干擾。 串模干擾（9） 常態干擾：疊加在被測信號上的干擾噪聲，又稱為串模干擾串模干擾（10）串模干擾有3種來源:信號源中本來就有干擾電壓存在;磁場與信號線耦合;干擾電流流過與信號線串接的阻抗。在某些變送器中有用的直流信號中本來就存在交流干擾電壓,這樣就不能消除它而只能通過濾波器把它衰減下去。 共模干擾（11） 共態

9、干擾：A/D轉換器兩個輸入端上公有的干擾電壓，又稱為共模干擾 共模干擾（12）不同地電位引入的干擾。大地中不同點之間往往存在電位差。尤其在大功率的用電設備附近，當這些設備的絕緣性能較差時，電位差更大。而在控制系統的使用中往往又會有意或無意的是輸入回路存在兩個以上的接地點。這樣就會把不同接地點的電位差引入系統，這種地電位差有時能達110伏以上過程通道的抗干擾措施（13）n形成干擾的三要素是干擾源、傳播途徑和受擾設備。因而，抑制電磁干擾也應該從這三方面人手，采取適當措施。首先應該抑制干擾源，直接消除干擾原因；其次是消除干擾源和受擾設備之間的耦合和輻射，切斷電磁干擾的傳播途徑；第三是提高受擾設備的抗

10、擾能力，減低其對噪聲的敏感度。過程通道的抗干擾措施（14）n目前抑制干擾的幾種措施基本上都是用切斷電磁干擾源和受擾設備之間的耦合通道。常用的方法是屏蔽、接地和濾波。屏蔽技術（14-1）n1)采用屏蔽技術可以有效地抑制開關電源的電磁輻射干擾，即用電導率良好的材料對電場進行屏蔽，用磁導率高的材料對磁場進行屏蔽。屏蔽有兩個目的，一是限制內部輻射的電磁能量泄漏出，二是防止外來的輻射干擾進入該內部區域。其原理是利用屏蔽體對電磁能量的反射、吸收和引導作用。為了抑制開關電源產生的輻射，電磁干擾對其他電子設備的影響，可完全按照對磁場屏蔽的方法來加工屏蔽罩，然后將整個屏蔽罩與系統的機殼和地連接為一體，就能對電磁

11、場進行有效的屏蔽。接地技術（ 14-2 ）n2)所謂接地，就是在兩點間建立傳導通路，以便將電子設備或元器件連接到某些叫作“地”的參考點上。接地是開關電源設備抑制電磁干擾的重要方法，電源某些部分與大地相連可以起到抑制干擾的作用。在電路系統設計中應遵循“一點接地”的原則，如果形成多點接地，會出現閉合的接地環路，當磁力線穿過該環路時將產生磁感應噪聲。實際上很難實現“一點接地”，因此，為降低接地阻抗，消除分布電容的影響而采取平面式或多點接地，利用一個導電平面作為參考地，需要接地的各部分就近接到該參考地上。為進一步減小接地回路的壓降，可用旁路電容減少返回電流的幅值。在低頻和高頻共存的電路系統中，應分別將

12、低頻電路、高頻電路、功率電路的地線單獨連接后，再連接到公共參考點上。濾波技術（ 14-3 ）n3)濾波是抑制傳導干擾的有效方法，在設備或系統的電磁兼容設計中具有極其重要的作用。EMI濾波器作為抑制電源線傳導干擾的重要單元，可以抑制來自電網的干擾對電源本身的侵害，也可以抑制由開關電源產生并向電網反饋的干擾。在濾波電路中，還采用很多專用的濾波元件，如穿心電容器、三端電容器、鐵氧體磁環，它們能夠改善電路的濾波特性。恰當地設計或選擇濾波器，并正確地安裝和使用濾波器，是抗干擾技術的重要組成部分。常態干擾的抑制（15）n串模干擾與被測信號所處的地位相同，因此一旦產生串模干擾，就不容易消除。所以應當首先防止

13、它的產生。 常態干擾的抑制（15-1）n* 信號導線的扭絞。由于把信號導線扭絞在一起能使信號回路包圍的面積大為減少，而且是兩根信號導線到干擾源的距離能大致相等，分布電容也能大致相同，所以能使由磁場和電場通過感應耦合進入回路的串模干擾大為減小。常態干擾的抑制（ 15-2）n* 屏蔽。為了防止電場的干擾，可以把信號導線用金屬包起來。通常的做法是在導線外包一層金屬網（或者鐵磁材料），外套絕緣層。屏蔽的目的就是隔斷“場”的耦合，抑制各種“場”的干擾。屏蔽層需要接地，才能夠防止干擾。常態干擾的抑制（ 15-3）常態干擾的抑制（ 15-4）n圖中導線1為干擾源，導線2為信號導線，導線2對地電阻可認為是無限

14、大，并在導線外包裹屏蔽層.如圖2.1中所示，屏蔽層不接地，因為干擾源與屏蔽層之間存在分布電容，在導線2的屏蔽層上就會感應出電壓: 常態干擾的抑制（ 15-5）n由于導線2與屏蔽層之間存在有電容C2s,在C2s上無電流存在，所以導線2感應的電壓ec=es。如果把屏蔽層接地，如圖所示，es=0，導線2上感應電壓也減小到接近于0。因此在實際使用中，屏蔽層必須接地。否則對減小感應電壓沒有效果。 常態干擾的抑制（15-6）n* 濾波。 若常態干擾頻率比被測信號頻率高，則采用輸入低通濾波器來抑制高頻常態干擾；若常態干擾頻率比被測信號頻率低，則采用輸入高通濾波器來抑制低頻常態干擾；若常態干擾頻率落在被測信號

15、頻譜的兩側，則應用帶通濾波器較為適宜 p.70 圖3-39 二級阻容濾波網絡常態干擾的抑制（15-7） 當尖峰型常態干擾成為主要干擾源時，用雙斜率積分式A/D轉換器可以削弱常態干擾的影響 (輸入信號的平均值, 非瞬時值) 在常態干擾主要來自電磁感應的情況下，對被測信號應盡可能早地進行前置放大，或者盡可能早地完成A/D變換或采取隔離和屏蔽等措施 從選擇邏輯器件入手，利用邏輯器件的特性來抑制常態干擾常態干擾的抑制（ 15-8） 若常態干擾的變化速度與被測信號相當，則可采取下述方法： 從根本上消除產生常態干擾的原因，對測量儀表進行良好的電磁屏蔽 利用數字濾波技術對已進入計算機的帶有常態干擾的數據進行

16、處理共模干擾的抑制（ 16）n共模干擾的抑制 接地。 通常儀表和信號源外殼為安全起見都接大地，保持零電位。信號源電路以及儀表系統也需要穩定接地。 共模干擾的抑制（16-2）n共模干擾的抑制 為了衡量一個輸入電路抑制干擾的能力，常用共模抑制比CMRR（Common Mode Rejection Rate）來表示： 式中 是共模干擾電壓， 是由 轉化成的常態干擾電壓。CMRR越大，表明抗共模干擾能力越強。)dB(lg20CMRRncmUUcmUcmUnU過程通道的抗干擾措施（16-3） 利用雙端輸入的運算放大器作為A/D轉換器前面的前置放大器 過程通道的抗干擾措施（16-4） 利用變壓器或光電耦合

17、器把各種模擬負載與數字信息源隔離開來，也就是把“模擬地”與“數字地”斷開 光電耦合器能隔離干擾的原因 輸入阻抗小：1k以下 干擾形式一般為大電壓、小電流，而光電耦輸入 發光管在電流狀態下工作，故可被抑制 光耦在封閉狀態下工作 輸入回路與輸出回路之間分布電容小，而絕緣電阻大過程通道的抗干擾措施（16-5） 采用浮地輸入雙層屏蔽放大器來抑制共模干擾 工作原理?過程通道的抗干擾措施（16-6） 用儀表放大器提高共模干擾抑制比 儀表放大器具有共模抑制能力強、輸入阻抗高、漂移低、增益可調等特點,是一種專門用來分離共模干擾器件過程通道的抗干擾措施（17）n其它干擾措施 采用雙絞線傳輸信號 與同軸電纜相比，

18、雙絞線頻帶窄而波阻高，抗共模噪聲能力強 過程通道的抗干擾措施（17-2） 對來自電源或由電源回路產生的干擾的處理措施： 在邏輯電路板上的電源線與地線的布線盡可能短，防止布成回路型或菊花鏈環狀型 在每一塊集成電路芯片的電源與地引入端接一個無感的瓷片電容器，其容量一般為0.010.1F 若一個裝置中有多塊邏輯電路板，則一般在電源和地線的引入處附近并接一個10100F的大電容和一個0.010.1 F的無感瓷片電容 防止驅動器通過邏輯電路板的電源線和地線引入干擾過程通道的抗干擾措施（18） 對輸出電路干擾采取的措施：少見,但 把同一類型的所有輸出驅動器的輸出線以及交流、直流供電線等聚集在一起，套以獨立的鐵殼屏蔽管，并遠離其它類型的輸入輸出等信號線 過程通道的抗干擾措施（17-2） 對直流輸出驅動器來說，大電流直流信號應采用外接線，有時還用獨立的直流電源來提供電流過程通道的抗干擾措施（18） 采用能抑制交流電源干擾的計算機系統電源過程通道的抗