數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)章PPT課件

1、1、靜電干擾靜電干擾實際是電場通過電容耦合的干擾。 從電路理論可知，電流流經(jīng)一導(dǎo)體時，導(dǎo)體產(chǎn)生電場，這個電場可交連到附近的導(dǎo)體中，使它們感生出電位，這個電位就是干擾電壓。從交流電路傳輸來看，干擾起因于導(dǎo)體與導(dǎo)線之間、元件之間的寄生電容。外部噪聲源與導(dǎo)體之間的寄生電容耦合到電路，造成對電路的干擾。數(shù)據(jù)采集電路外部噪聲源第1頁/共43頁2、磁場耦合干擾、磁場耦合干擾磁場耦合干擾是一種感應(yīng)干擾。在連接信號源的傳輸線經(jīng)過的空間總存在著交變電磁場。在諸如動力線、變壓器、電動機(jī)、繼電器、電風(fēng)扇等附近，都會有這種磁場。這些交變的磁場穿過傳輸線形成的回路，將在傳輸線上或閉合導(dǎo)線上感應(yīng)出交流干擾電壓。3、電磁輻

2、射干擾在工廠內(nèi)，各種大功率高頻、中頻發(fā)生裝置以及各種電火花機(jī)床，都將產(chǎn)生高頻電磁波向周圍空間輻射，形成電磁輻射干擾源。輻射能量是以與通信接收機(jī)接收無線電頻率能量相同的方法耦合到電路中而產(chǎn)生干擾。數(shù)據(jù)采集電路磁場感應(yīng)電流第2頁/共43頁4、電導(dǎo)通路耦合干擾、電導(dǎo)通路耦合干擾 電導(dǎo)通路是指構(gòu)成電回路的通路。電導(dǎo)通路耦合干擾是由各單元回路之間的公共阻抗干擾。由于接地電位不同而造成的干擾為這類干擾的主要表現(xiàn)形式。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，“地”有兩種含義：一是指大地，它是系統(tǒng)中各個設(shè)備的自然參考電位，二是指一個設(shè)備內(nèi)部電源的參考電位。如果一個儀器的地線不與大地連接，則稱為“浮地”，否則稱為接地。理想情況下，電

3、路中不同接地點(diǎn)間電位差為零，即地阻抗為零。實際上大地的電位并不是恒定值，在不同的地之間存在著電位差，尤其在高壓電力設(shè)備附近，大地的電位剃度可以達(dá)到每米幾伏甚至幾十伏。由于非零的公共阻抗將會給電路帶來干擾，它主要發(fā)生在遠(yuǎn)距離信號傳輸中兩端儀器接地的情況下。2B1AI第3頁/共43頁5、漏電耦合干擾、漏電耦合干擾漏電耦合干擾是由于儀器內(nèi)部的電路絕緣不良而出現(xiàn)的漏電流引起的電阻耦合產(chǎn)生的干擾，如圖所示。在高輸入阻抗器件組成的系統(tǒng)中，其阻抗與電路板絕緣電阻可以比擬，通過電路板產(chǎn)生漏電流，將形成干擾。ABRmUiUm第4頁/共43頁1、串模（差模）干擾把干擾信號與被測信號串聯(lián)在一起。產(chǎn)生 外部高壓供電線

4、交變電磁場通過寄生電容 | 耦合進(jìn)傳感器的一端；原因 電源交變電磁場對傳感器一端的漏電流耦合。2、共模干擾指在信號地和儀器地（大地）之間產(chǎn)生的干擾。 A、B兩端疊加的干擾電壓相同。數(shù)據(jù)采集電路UsUNUsNUsN = Us + UN在對地阻抗呈理想對稱的傳感器和放大器輸入電路中，共模干擾理論上并不會引起數(shù)采誤差。 差分放大器的兩輸入端A、B具有相同的幅值和電位。但實際上，由于數(shù)據(jù)傳輸回路、導(dǎo)線和放大器輸入回路的電阻R或電容C對地呈非對稱性，共模干擾電壓將通過接地回路中的接地干擾電壓轉(zhuǎn)換成干擾程度不同的差模電壓。數(shù)據(jù)采集電路SNA信號地儀器地B第5頁/共43頁 數(shù)采系統(tǒng)附近有大功率的電氣設(shè)備、電

5、磁場以L/C形式耦合到傳感器和傳輸導(dǎo)線中； 電源絕緣不良而引起漏電或三相動力電網(wǎng)負(fù)載不平衡致使零線有較大電流時，存在較大的地電流和地電位差。若系統(tǒng)有兩點(diǎn)以上的接地點(diǎn)，則地電位差就會造成共模干擾； 電氣設(shè)備的絕緣性能不良時，動力電源會通過R漏耦合到采集系統(tǒng)的信號回路，形成干擾； 在交流供電的儀器中，交流電會通過原副邊繞組間的寄生電容、整流濾波電路或信號電路與地間的寄生電容 地構(gòu)成回路，形成干擾。第6頁/共43頁數(shù)據(jù)采集中的設(shè)備大多使用220V，50Hz的市電，由于我國電網(wǎng)的頻率與電壓波動較大，都會直接對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，因此必須對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的供電采取一些抗干擾措施。1、采用隔離變壓器一般說

6、來，電網(wǎng)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分別有各自的地線，在應(yīng)用中，如果直接把數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與電網(wǎng)相連，兩者的地線之間存在地電位差，如圖所示，由于地電位差的存在而形成環(huán)路電流，造成共模干擾。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電源電網(wǎng)第7頁/共43頁因此數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)必須與電網(wǎng)隔離，通常采用隔離變壓器進(jìn)行隔離。考慮到高頻噪聲通過變壓器不是靠初、次級線圈的互感耦合，而是靠初、次級間寄生電容耦合。因此隔離變壓器的初級和次級之間均用屏蔽層隔離，以減少其寄生電容，提高抗共模干擾能力。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與電網(wǎng)的隔離如圖所示。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的地接入標(biāo)準(zhǔn)地線后，由于采用了隔離變壓器，使電網(wǎng)地線的干擾不能進(jìn)入系統(tǒng)，從而保證數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可靠的工作。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電源

7、電網(wǎng)隔離變壓器1、采用隔離變壓器、采用隔離變壓器第8頁/共43頁2、采用電源低通濾波器、采用電源低通濾波器由于電網(wǎng)的干擾大部分是高次諧波，故采用低通濾波器來消除大于50Hz的高次諧波，以改善電源的波形。為避免低通濾波器進(jìn)入磁飽和狀態(tài)，需要在干擾進(jìn)入低通濾波器前加以衰減，為此，常在電源低通濾波器前，加設(shè)一個分布參數(shù)噪聲衰減器。使用低通濾波器時，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：低通濾波器本身應(yīng)屏蔽，而且屏蔽盒與系統(tǒng)的機(jī)殼要保持良好的接觸。為減少耦合，所有導(dǎo)線要靠近地面進(jìn)行隔離。低通濾波器的輸入與輸出端要進(jìn)行隔離。低通濾波器的位置應(yīng)盡量靠近需要濾波的地方，其間的連線也要進(jìn)行屏蔽。3、采用交流穩(wěn)壓器 用來保證交流供電

8、的穩(wěn)定性，防止交流電源的過壓或欠壓。對于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來說，這是目前最普遍采用的抑制電網(wǎng)電壓波動的方法，在具體使用時，應(yīng)保證有一定的功率儲備。第9頁/共43頁4、系統(tǒng)分別供電、系統(tǒng)分別供電為了阻止從供電系統(tǒng)竄入的干擾，一般采用如圖所示的供電線路，即交流穩(wěn)壓電源串接隔離變壓器、分布參數(shù)噪聲衰減器和低通濾波器，以便獲得較好的抗干擾效果。當(dāng)系統(tǒng)中使用繼電器、磁帶機(jī)等電感設(shè)備時，向采集系統(tǒng)電路供電的線路應(yīng)與繼電器等供電的線路分開，以避免在供電線路之間出現(xiàn)相互干擾。交流穩(wěn)壓器隔離變壓器分布參數(shù)衰減器低通濾波器直流穩(wěn)壓器至電路數(shù)據(jù)采集220V交流穩(wěn)壓器隔離變壓器低通濾波器至繼電器磁帶機(jī)等交流穩(wěn)壓器隔離變壓器

9、分布參數(shù)衰減器低通濾波器直流穩(wěn)壓器至電路數(shù)據(jù)采集220V第10頁/共43頁5、采用電源模塊單獨(dú)供電、采用電源模塊單獨(dú)供電近年來，在一些數(shù)據(jù)采集板卡上，廣泛采用DC-DC電源電路模塊，或三端穩(wěn)壓集成塊組成的穩(wěn)壓電源單獨(dú)供電。采用單獨(dú)供電方式，與集中供電相比，具有以下一些優(yōu)點(diǎn)： 每個電源模塊單獨(dú)對相應(yīng)板卡進(jìn)行電壓過載保護(hù)，不會因某個穩(wěn)壓器的故障而使全系統(tǒng)癱瘓。 有利于減小公共阻抗的相互耦合及公共電源的相互耦合，大大提高供電系統(tǒng)的可靠性，也有利于電源的散熱。 總線上電壓的變化，不會影響板卡上的電壓，有利于提高板卡的工作可靠性。第11頁/共43頁6 6、供電系統(tǒng)要合理布線、供電系統(tǒng)要合理布線在數(shù)據(jù)采集

10、系統(tǒng)中，電源的引入線和輸出線以及公共線在布線時，均需采取以下抗干擾措施：(1)電源線前面的一段布線從電源引入口，經(jīng)開關(guān)器件至低通濾波器之間的饋線，盡量用粗導(dǎo)線。(2)電源后面的一段布線 均應(yīng)采用扭絞線，扭絞的螺距要小。如果導(dǎo)線較粗，無法扭絞時，應(yīng)把饋線之間的距離縮到最短。 交流線、直流穩(wěn)壓電源線、邏輯信號線和模擬信號線、繼電器等感性負(fù)載驅(qū)動線、非穩(wěn)壓的直流線均應(yīng)分開布線。(3)電路的公共線電路中應(yīng)盡量避免出現(xiàn)公共線，因為在公共線上，某一負(fù)載的變化引起的壓降，都會影響其他負(fù)載。若公共線不能避免，則必須把公共線加粗，以降低阻抗。第12頁/共43頁其干擾主要是因公共地線所引起，其次，當(dāng)傳輸線路較長時

11、，還會受到靜電和電磁波噪聲的干擾。為此干擾將嚴(yán)重影響采樣信號的準(zhǔn)確性和可行性，因此必須予以消除或抑制。一、采用隔離技術(shù)隔離干擾隔離干擾從電路上把干擾源與敏感電路隔離部分開來，使他們之間不存在電的聯(lián)系，或削弱他們之間的電的聯(lián)系。1、光電隔離利用光電耦合器件實現(xiàn)電路上的隔離。 用于系統(tǒng)與外界的隔離 用于系統(tǒng)電路之間的隔離傳感器數(shù)據(jù)采集電路光電耦合器電路I電路II光電耦合器UCM2、電磁隔離在傳感器與采集電路之間加入一個隔離放大器，利用隔離放大器的電磁耦合，將外界的模擬信號與系統(tǒng)進(jìn)行隔離傳送。第13頁/共43頁二、采用濾波器濾除干擾二、采用濾波器濾除干擾濾波是一種只允許某一頻帶信號通過的抑制干擾措施

12、之一，特別適用于抑制經(jīng)導(dǎo)線傳導(dǎo)耦合到電路中的噪聲干擾。Notes:在信號間采用R-C法濾波，會對信號造成一定損失，對于微弱信號，當(dāng)采用些法抑制干擾時，應(yīng)注意這一點(diǎn)。三、采用浮置措施抑制干擾浮置指數(shù)據(jù)采集電路的模擬信號地不接機(jī)殼或大地。對于被浮置的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集電器機(jī)殼或大地之間無直流聯(lián)系。Notes: 浮置的目的是為了阻斷干擾電流的通路。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)被浮置后，明顯加大了系統(tǒng)信號放大器公共地與地(或 機(jī)殼)之間的阻抗。因此，大大減小共模干擾電流。 浮置同樣能抑制直流共模干擾。 只有在對電路要求高，并采用多層屏蔽的條件下，才采用浮置技術(shù)。 采集電路的浮置應(yīng)該包括該電路的供電電源，即這種浮

13、置采集電路的 供電系統(tǒng)應(yīng)該是單獨(dú)的浮置供電系統(tǒng)，否則浮置將無效。輸入接口電路RUCMCZ第14頁/共43頁四、長線傳輸?shù)目垢蓴_措施四、長線傳輸?shù)目垢蓴_措施在長線傳輸信號時，除因空間感應(yīng)引入的干擾外，還會因傳輸線兩端阻抗不匹配而出現(xiàn)信號在傳輸線上反射的現(xiàn)象，并可能在短時間內(nèi)多次反射。多次反射會形成非耦合性的干擾，使信號波發(fā)生畸變。因此，在用長線傳輸信號時，抗干擾的重點(diǎn)應(yīng)是防止和抑制非耦合性（反射畸變）干擾。從技術(shù)上講，主要解決兩個問題：阻抗匹配、長線驅(qū)動。1、長線干擾的特點(diǎn)(1)長線的定義Lmax = tV / nt系統(tǒng)所用邏輯電路器件或組件的上升時間；V 速度，取V = 2.5108 m/sn

14、 經(jīng)驗數(shù)據(jù)，一般取n = 4。(2)長線傳輸信號時遇到的問題對信號的傳輸速度有延遲。單位長度上傳輸延遲為：架空單線3.3 ns/m；雙絞線5 ns/m；同軸電纜6 ns/m；高速的信號脈沖波在傳輸過程中會產(chǎn)生畸變和衰減，引起非耦合性干擾。長線傳輸易受到外界和其他傳輸線的干擾。(3)長線的波阻抗Z0長線由于存在 寄生電容C寄(用電容/單位長度表示) 長線的波阻抗 寄生電感L寄(用電感/單位長度表示) RCZ 0第15頁/共43頁(2)脈沖波在長線上引起的反射脈沖波在長線上引起的反射LLRZRZ002ssRZRZ001分析： 若Z0=RS=RL，則； 1=2=0 無任何反射 若Z0=RS， 則；

15、1=0 =12=0 無反射，(1=0表示始端阻抗匹配) 若Z0=RL， 則； 2=0 =12=0 無反射，(2=0表示終端阻抗匹配)傳輸線終端具有不同負(fù)載電阻RL下的反射系數(shù)，如表所示：Z0RSUSX=0X=LRL反射系數(shù) = 12其中1 始端發(fā)射系數(shù)2 終端發(fā)射系數(shù)RL0(短路短路)0 RL Z0RL =Z0Z0 RL (開路開路)電壓反射系數(shù)電壓反射系數(shù)KU-1(全反射全反射)-1KU000KUKI000KI-1-1(全反射全反射)當(dāng)傳輸線終端不匹配時，信號便被反射；反射波到達(dá)始端時，若始端也不匹配，同樣又產(chǎn)生反射，這就發(fā)生了信號在傳輸線上多次往返反射的情況。第16頁/共43頁總結(jié)：總結(jié)：

16、當(dāng)傳輸線終端匹配(RL=Z0)，傳輸?shù)男盘栯妷翰]有反射，電流平穩(wěn)地進(jìn)入負(fù)載。當(dāng)傳輸線始端匹配(RS=Z0)，終端的反射波=入射波，反射波到達(dá)始端時，則被匹配的阻抗所吸收，整個傳輸線被充電而達(dá)到穩(wěn)態(tài)，不再反射。當(dāng)終端電阻RLZ0，傳輸線上的電壓產(chǎn)生過沖，并在穩(wěn)定值附近產(chǎn)生振蕩，最后趨向穩(wěn)定值。當(dāng)終端電阻RLZ0，傳輸線上的電壓不再過沖，逐漸恢復(fù)到穩(wěn)定值穩(wěn)定值。第17頁/共43頁2、長線傳輸信號的抗干擾措施、長線傳輸信號的抗干擾措施(1)阻抗匹配(阻抗匹配的好壞，直接影響長線上信號的反射的強(qiáng)弱) 始端匹配a.始端串聯(lián)電阻匹配通過在始端串接電阻，增加長線的特性阻抗，以達(dá)到與終端阻抗匹配。一般取R=

17、Z0-RS74LS2074LS20R(=100)b.始端上拉電阻或阻容匹配始端上拉電阻用于吸收一部分終端的反射波。阻容匹配 靜態(tài)時 C 隔直，上拉電阻R對傳輸線開路 動態(tài)時 當(dāng)信號從高低電平， C向傳輸線放電，以抵消反射波 起作用R (3304.7k)+5VR 220+5VC 43pF第18頁/共43頁終端匹配終端匹配2121RRRRRa.終端并聯(lián)電阻匹配R1R2UccRE212RRRUEccR應(yīng)等于傳輸線的波阻Z0，E一般取輸出高電平時的電壓值，如2.8V左右 若R2小，則低電平拉入電流大，而使輸入的低電平拉高 若R1小，則使流入電流增大，降低了高電平一般要權(quán)衡考慮。例如：取R1 = 330

18、 ，R2 = 470 b.終端阻容匹配當(dāng)C較大時，ZC= 0，只起隔直作用，不會影響阻抗匹配。因此，只要R = Rp即可CRRp2110CRRT取 T 傳輸信號脈沖寬度| R1 始端低電平輸出阻抗(約20 )| Rp 長線特性阻抗 R 匹配電阻第19頁/共43頁終端匹配終端匹配c.終端接鉗位二極管匹配好處 由于把B門輸入端的低電平鉗至0.3V以內(nèi)，可減小反沖和振蕩現(xiàn)象。| 有了二極管，可吸收反射波，減小波的反射現(xiàn)象。 大大減小線間串?dāng)_，提高動態(tài)抗干擾能力。AB(2)長線驅(qū)動長線如果用TTL電路直接驅(qū)動，有可能使電信號幅值不斷減小，抗干擾能力下降的特性阻抗，以達(dá)到與及存在串?dāng)_和噪聲，結(jié)果使電路傳

19、錯信號。因此，在長線傳輸中，需要采用驅(qū)動電路和接收電路。選通TTL電平始端匹配電阻驅(qū)動電路接收電路終端匹配電阻TTL電平禁止端 驅(qū)動電路將TTL差分信號，再經(jīng)長線傳至接收電路。(禁止端的使用) 接收電路具有差分輸入端，接收到信號放大后，轉(zhuǎn)換成TTL信號輸出。差動放大器有很強(qiáng)的共模抑制能力，且工作在線性區(qū)，易做到阻抗匹配。第20頁/共43頁(3)用光電耦合器隔離、浮置傳輸線用光電耦合器隔離、浮置傳輸線當(dāng)傳輸線很長或數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場干擾十分強(qiáng)烈時，為進(jìn)一步提高信號傳輸?shù)目煽啃?，可以通過光電耦合器將傳輸線隔離和完全浮置起來。浮置是指去掉傳輸線兩端之間的公共地線。(由于傳輸線兩端不共地，也就阻斷了地環(huán)路，

20、從而消除了地電位差帶來的共模干擾。)3、傳輸線的使用長線傳輸時，有很多類型的傳輸線可供使用。(1)屏蔽線可有效克服靜電感應(yīng)的干擾。Notes：屏蔽層要一端接地，另一端懸空。接地點(diǎn)一般可選擇在數(shù)據(jù)采集設(shè)備的接地點(diǎn)上。傳感器數(shù)采電路第21頁/共43頁(2)同軸電纜電流I由信號源(+I)電纜中心導(dǎo)體接收電路(-I)屏蔽層信號源I和-I產(chǎn)生磁場相互抵消。 它在電纜屏蔽層的外部產(chǎn)生的磁場=0 同時，外電場對同軸電纜內(nèi)部的影響=0Notes：一定要把屏蔽層兩端都接地。(3)雙絞線與同軸 優(yōu)點(diǎn)Z0高，體積小，價低 可消除電磁場干擾電纜 缺點(diǎn)傳送信號的頻帶窄 雙絞節(jié)距越短，電磁感應(yīng)干擾越小Notes：雙絞線中

21、途不能接地?？偨Y(jié)： 抑制靜電干擾應(yīng)該用屏蔽線 抑制電磁感應(yīng)干擾應(yīng)該用雙絞線。(4)扁平帶狀電纜雖然它的抗干擾能力比雙絞線差一些，但由于很實用，因而廣泛使用。扁平帶狀電纜的導(dǎo)線較細(xì)，當(dāng)長距離傳輸時，用它作地線，地電位會發(fā)生變化。最好采用雙端傳送信號；當(dāng)采用單端傳送信號時，每條信號線應(yīng)配有一條接地線。第22頁/共43頁五、五、ADC抗干擾抗干擾1、ADC的抗干擾措施(1)抗串模干擾的措施在串模干擾嚴(yán)重的場合，可用積分式/雙斜積分式ADC。對于高頻干擾，可用低通濾波器加以濾除；對于低頻干擾，可用同步采樣的方法加以濾除。盡量把ADC直接附在傳感器上，傳輸線引入的干擾。當(dāng)傳感器與ADC距離較遠(yuǎn)時，容易引

22、起干擾。解決方法：用電流傳輸代替電壓傳輸。（電流型傳感器）(2)抗共模干擾的措施采用三線采樣雙層屏蔽浮置技術(shù)。三線采樣將信號線和地線一起采樣。實驗表明：這種雙層屏蔽技術(shù)是抗共模干擾最有效的方法。Notes：a.要注意屏蔽層的接法，否則會引起干擾。 b. AD的電流應(yīng)自成系統(tǒng)，不能與大地相接。采用隔離技術(shù)。采用電容記憶法，ADC工作在脫離信號連線的情況下。利用屏蔽法來改善高頻共模抑制比。第23頁/共43頁五、五、ADC抗干擾抗干擾2、ADC的位置的確定(1)靠近微機(jī)放置由于ADC遠(yuǎn)離采集現(xiàn)場，模擬信號傳送線路較長，分布參數(shù)以及干擾的影響，易引起模擬信號的衰減，直接影響AD轉(zhuǎn)換的精度。(2)靠近采

23、集現(xiàn)場放置優(yōu)點(diǎn) 模擬量傳輸線較短 AD轉(zhuǎn)換的精度 長線傳輸數(shù)字量 抗干擾能力 保證信號傳輸精度缺點(diǎn) 并行傳輸 傳輸線多 串行傳輸 傳輸速度慢另對AD的控制不方便。傳感器微機(jī)A/DI/O接口模擬量傳輸線傳感器微機(jī)A/DI/O接口數(shù)字量傳輸線控制線第24頁/共43頁六、印刷電路板及電路的抗干擾設(shè)計措施六、印刷電路板及電路的抗干擾設(shè)計措施1、合理布置印刷電路板上的器件原則：電氣干擾小，易于散熱。2、合理分配印刷電路板插腳3、印刷電路板合理布線4、電源線布置5、印刷電路板接地線設(shè)計6、印刷電路板屏蔽 屏蔽線 屏蔽環(huán)7、去耦電容器的配置8、數(shù)字電路的抗干擾措施 采用積 分 電 路抑制干擾 | 采用脈沖隔

24、離門抑制干擾 采用削 波 器抑制干擾 第25頁/共43頁接地問題在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)抗干擾占有非常重要的位置，可以這樣說，如果把接地問題處理好，就解決了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的大部分干擾問題。一、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中地線的類型1 、信號地 模擬信號地模擬電路的零電位基準(zhǔn)。(如A/D、S/H等) |數(shù)字信號地數(shù)字電路的零電位基準(zhǔn)，又稱邏輯地。 信 號 源 地信號源(傳感器)的零電位基準(zhǔn)。 2 、功率地 是指大電流網(wǎng)絡(luò)部件的零電位基準(zhǔn)。3 、屏蔽地 又稱機(jī)殼地，是為了防止靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)而設(shè)計的。4 、交流地 是指交流50Hz電源的地線5 、直流地 是指直流電源的地線第26頁/共43頁實踐證明，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)受到的干

25、擾與系統(tǒng)的接地有很大關(guān)系，接地往往是抑制干擾的重要手段之一。良好的接地可以很大程度上抑制內(nèi)部噪聲的耦合，防止外部干擾的侵入，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。反之，如果接地處理不當(dāng)，將會導(dǎo)致噪聲耦合，產(chǎn)生干擾。因此應(yīng)該重視接地問題。通常在考慮數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接地時，應(yīng)遵循以下接地原則：1 、 一點(diǎn)接地原則 任何導(dǎo)體，包括大地在內(nèi)，都有電阻抗，當(dāng)其中流過電流時，導(dǎo)體中呈現(xiàn)出電位。如果數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在兩點(diǎn)接地，由于大地各地電位很不一致，因而兩個分開的接地點(diǎn)很難保證有等電位，造成它們之間有一電位差，形成地環(huán)路電流，從而對兩點(diǎn)接地電路產(chǎn)生干擾，這時地電位差是采集系統(tǒng)輸入端共模干擾的主要來源。 如果在信號輸入端一點(diǎn)接地，

26、就可以有效地避免共模干擾。在低頻情況下，由于信號線上分布電感不是大問題，故往往要求一點(diǎn)接地。一點(diǎn)接地的形式可以分為以下兩種： 第27頁/共43頁(1)串聯(lián)一點(diǎn)接地串聯(lián)一點(diǎn)接地子系統(tǒng)1I1R1子系統(tǒng)2I2R2子系統(tǒng)3I3R3ABC其中，R1 、R2 、R3分別表示各地段的等效電阻。顯然，A 、B 、C各點(diǎn)的電位不為零，而是 UA = (I1 + I2 + I3) R1 UB = (I2 + I3 ) R2 + UA UC = UA + UB + I3 R3由此可見，串聯(lián)一點(diǎn)接地存在著各接地點(diǎn)電位不同的問題，將造成子系統(tǒng)之間的相互干擾。但是由于這種接地方式布線比較簡單，現(xiàn)在仍在使用，不過應(yīng)滿足下述

27、條件：、各子系統(tǒng)的對應(yīng)電位應(yīng)相差不大。當(dāng)各子系統(tǒng)對地電位相差很大時不能使用，因為高地電位子系統(tǒng)將會產(chǎn)生很大的地電流，經(jīng)共接地線阻抗對低地電位子系統(tǒng)產(chǎn)生很大的干擾。、應(yīng)把低地電位子系統(tǒng)放在距離接地點(diǎn)最近的地方。第28頁/共43頁模擬子系統(tǒng)1I1R1模擬子系統(tǒng)2I2R2數(shù)字子系統(tǒng)1I3R3ABC小信號地線大信號地線高電平數(shù)字地數(shù)字子系統(tǒng)2I4R4D低電平數(shù)字地各子系統(tǒng)建立一個獨(dú)立的接地線路，然后各子系統(tǒng)并聯(lián)一點(diǎn)接地。 各子系統(tǒng)的地電位僅與本子系統(tǒng)的地電流和地電阻有關(guān)，即： UA = I1 R1 UB = I2 R2 UC = I3 R3 UD = I4 R4各子系統(tǒng)的地電流之間不會形成耦合，因此沒

28、有共接地線阻抗噪聲影響。這種接地方式對低頻電路最為適用，共接地線噪聲得以有效抑制。Notes：避免數(shù)字信號耦合到模擬信號的一條基本原則是：電路的全部模擬地與數(shù)字地僅僅在一點(diǎn)相連。(2)并聯(lián)一點(diǎn)接地并聯(lián)一點(diǎn)接地第29頁/共43頁R1電路1L1R2電路2L2R3電路3L32、多點(diǎn)接地原則、多點(diǎn)接地原則每個電路的接地線要盡可能降低其阻抗，即接地線越短越好，因而每個電路應(yīng)就近接地。這樣由于地線很短，阻抗又低，可以防止高頻時地線向外輻射噪聲，由于地線阻抗低起且互相遠(yuǎn)離，大大減小了噪聲的磁場耦合和電場耦合。一般說來，頻率低于1MHz時可以使用一點(diǎn)接地方式，當(dāng)頻率高于10MHz時，應(yīng)采用多點(diǎn)接地方式，頻率在

29、1MHz-10MHz之間，如用一點(diǎn)接地時地線長度不得超過波長的1/20，否則應(yīng)采用多點(diǎn)接地。如前所述，并聯(lián)一點(diǎn)接地方式僅適用于低頻電路，不能適用于高頻電路，這是因為許多根相互靠近又很長的地線，對于高頻信號會呈現(xiàn)出電感而使地線阻抗增大，也會造成各地線之間的磁場耦合。因此在高頻電路中不能采用一點(diǎn)接地，應(yīng)該采用多點(diǎn)接地方式。 多點(diǎn)接地方式如圖所示：第30頁/共43頁在采用一點(diǎn)接地的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，不同性質(zhì)接地線應(yīng)采取以下原則連接： 在弱信號模擬電路、數(shù)字電路和大功率驅(qū)動電路混雜的場合，強(qiáng)信號地線與弱信號地線應(yīng)分開，模擬地與數(shù)字地應(yīng)分開，高電平數(shù)字地與低電平信號地應(yīng)分開，各個子系統(tǒng)的地只在電源供電處才

30、相接一點(diǎn)入地。 只有這樣才能既保證幾個地線系統(tǒng)有統(tǒng)一的地電位，又避免形成公共阻抗。4、接地線應(yīng)盡量加粗的原則 因為接地線越細(xì)，其阻抗越高，接地電位隨電流的變化越大，致使系統(tǒng)的基準(zhǔn)電平信號不穩(wěn)定，導(dǎo)致抗干擾能力下降，所以接地線應(yīng)盡量加粗。3、不同性質(zhì)接地線的連接原則、不同性質(zhì)接地線的連接原則第31頁/共43頁微機(jī)總線性能的可靠性直接關(guān)系到整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的可靠性?？偩€的接收，尤其是從一塊印刷線路板到時另一塊印刷線路板之間的傳送接收，由于總線信號線上存在寄生電容，總會耦合一些干擾；另外，這些額外電容的作用，使得總線信號產(chǎn)生延遲。所以為了提高總線接收的抗干擾性能，一般在接收端配有緩沖器(又稱總線驅(qū)動

31、)，其中施密特觸發(fā)器組成的緩沖器能有效地將干擾濾除掉。抑制總線浮空干擾的措施在數(shù)據(jù)總線上加所謂的上拉電阻，即在電源和總線之間接入一個大小適中（要遠(yuǎn)比驅(qū)動端負(fù)載?。┑碾娮?，把總線在高阻抗?fàn)顟B(tài)時的電位固定在高電平上。第32頁/共43頁一、軟件干擾的產(chǎn)生和抑制軟件對系統(tǒng)的干擾主要表現(xiàn)在以下幾個方面：1、不正確的算法產(chǎn)生錯誤的結(jié)果 33 = 27 3*3*3 = 27 或 (33-27)0.00012 、由于精度不高而引起的噪聲二、軟件的抗干擾措施1、用軟件消除多路開關(guān)的抖動2、用軟件消除采樣數(shù)據(jù)中的零電平漂移第33頁/共43頁11.1 采樣數(shù)據(jù)的標(biāo)度變換把AD轉(zhuǎn)換的數(shù)字量變換為帶有工程單位的數(shù)字量，

32、這種變換稱為標(biāo)度變換。也稱工程變換。標(biāo)度變換有多種形式，它取決于被測物理量所用的傳感器或變換器的類型。1、線性參數(shù)標(biāo)的度變換 當(dāng)被測物理量與傳感器工儀表的輸出之間呈線性關(guān)系時，采用線性變換。)(0000NXNNYYYYmm2、非線性參數(shù)的標(biāo)度變換 當(dāng)被測物理量與傳感器工儀表的輸出之間是非線性關(guān)系時，則應(yīng)根據(jù)具體問題詳細(xì)分析，求出被測量對應(yīng)的度變換公式，然后再進(jìn)行變換。(1)公式變換法(2)多項式變換法(3)表格法第34頁/共43頁11.2 采樣數(shù)據(jù)的數(shù)字濾波采樣數(shù)據(jù)的數(shù)字濾波所謂“數(shù)字濾波”，就是通過特定的計算程序處理，減少干擾信號在有用信號中所占的比例，故實質(zhì)上是一種程序濾波。數(shù)字濾波克服了

33、模擬濾波器的不足，與模擬濾波器相比，它有以下優(yōu)點(diǎn)： (1) 不需要增加硬件設(shè)備，可以多個輸入通道“共用”一個濾波程序。| (2) 由于不需要硬件設(shè)備，因而可靠性高、穩(wěn)定性好，各回路之間不存在 |阻抗匹配等問題。 (3) 數(shù)字濾波可對頻率很低(如0.01Hz)的信號實現(xiàn)濾波，克服了模擬濾波器的缺陷，而且通過改寫數(shù)字濾波程序，可以實現(xiàn)不同的濾波方法或改變?yōu)V波參數(shù)，這比模擬濾波器的硬件要靈活方便。 中值濾波法對去除脈動性質(zhì)的干擾較有效，對快速變化過程的參數(shù)（如流量等）則不宜采用。 算術(shù)平均法適用于對壓力、流量一類信號的平滑處理，這類信號的特點(diǎn)是有一個平均值，信號在某一數(shù)值范圍附近上下波動。 加權(quán)平均

34、濾波法適用于系統(tǒng)純滯后時間常數(shù) 較大、采樣周期較短的過程。它對以不同采樣時間得到的采樣值分別給予不同的權(quán)數(shù)，以便能迅速反應(yīng)系統(tǒng)當(dāng)前所受干擾的嚴(yán)重程度。 一階滯后濾波法（慣性濾波法） 適用于波動頻繁的被測量的濾波，它能很好地消除周期性干擾，但也帶來了相位滯后。滯后角的大小與有關(guān)。 防脈沖干擾復(fù)合濾波法先用中值法濾去由于脈沖干擾而有偏差的采樣值，然后把剩下的采樣值做算術(shù)平均，就可得到防脈沖干擾復(fù)合濾波法。第35頁/共43頁11.3 剔除采樣數(shù)據(jù)中的奇異項剔除采樣數(shù)據(jù)中的奇異項采樣數(shù)據(jù)中的奇異項是指采樣數(shù)據(jù)序列中有明顯錯誤（丟失或粗大）的個別數(shù)據(jù)。這此數(shù)據(jù)的存在，會使數(shù)據(jù)處理后的誤差大大增加。在采樣數(shù)據(jù)序列中確定哪些是奇異項，要根據(jù)具體的被測物理過程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的精度而定。剔除奇異項的方法，一般可選用差分法、多項式逼近和最小二乘法。它們之間的區(qū)別只是在于所選的算法上，其它方面大