第3章 過程通道數(shù)據(jù)采集7

1、第三章 過程通道和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)之六內(nèi)容提要n概述n模擬量輸入通道: 采樣, 多路轉(zhuǎn)換器nD/A與A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)nA/D轉(zhuǎn)換器及其與微處理器的接口n數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)nD/A轉(zhuǎn)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(jié)過程通道的干擾 n計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)場(chǎng)使用的條件常常是很復(fù)雜的。被測(cè)量的參數(shù)又往往被轉(zhuǎn)換成微弱的低電平電壓信號(hào)，并通過長(zhǎng)距離傳輸至二次表或者計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。因此除了有用的信號(hào)外，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一些與被測(cè)信號(hào)無(wú)關(guān)的電壓或電流存在。這種無(wú)關(guān)的電壓或電流信號(hào)我們稱之為“干擾”（也叫噪聲）。 干擾來(lái)源 (1)n干擾的來(lái)源 從系統(tǒng)電源或電源引線（包括地線）侵入的干擾 從系統(tǒng)的信號(hào)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(huán)境因素引起的干擾干擾源 (2) n干擾來(lái)自于干擾源，它們?cè)趦x表內(nèi)外都可能存在。在控制系統(tǒng)外部，一些大功率的用電設(shè)備以及電力設(shè)備都可能成為干擾源，而在控制系統(tǒng)內(nèi)部的電源變壓器、機(jī)電器、開關(guān)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(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的干擾總是通過傳導(dǎo)和直接輻射兩種途徑進(jìn)入計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的，其耦合的方式有靜電耦合、互感耦合、共阻抗耦合; 電磁場(chǎng)輻射耦合等傳導(dǎo)耦合（4）n傳導(dǎo)耦合傳導(dǎo)耦合傳導(dǎo)耦合是干擾源與敏感設(shè)備之間的主要耦合途徑之一。傳導(dǎo)耦合必須在干擾源與敏感設(shè)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(shè)備，產(chǎn)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(guān)電源中，這3種耦合方式同時(shí)存在，互相聯(lián)系。1電路性耦合電路性耦合電路性耦合是最常見、最簡(jiǎn)單的傳導(dǎo)耦合方式。其又有以下幾種：1)直接傳導(dǎo)耦合導(dǎo)線經(jīng)過存在干擾的環(huán)境時(shí)，即拾取干擾能量并沿導(dǎo)線傳導(dǎo)至電路而造成對(duì)電路的干擾。2)共阻抗耦合由于兩個(gè)以上電路有公共阻抗，當(dāng)兩個(gè)電路的電流流經(jīng)一個(gè)公共阻抗時(shí)，一個(gè)電路的電流在該公共阻抗上形成的電壓就會(huì)影響到另一個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)電路之間存在互感時(shí)，當(dāng)干擾源是以電源形式出現(xiàn)時(shí)，此電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)通過互感耦合對(duì)鄰近信號(hào)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(chǎng)的形式將電磁能量從干擾源經(jīng)空間傳輸?shù)浇邮芷鳌Ｍǔ４嬖?種主要耦合途徑：天線耦合、導(dǎo)線感應(yīng)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(shí)際工程中，存在大量的天線電磁耦合。例如，開關(guān)電

5、源中長(zhǎng)的信號(hào)線、控制線、輸入和輸出引線等具有天線效應(yīng)，能夠接收電磁干擾，形成天線輻射耦合。2 電磁場(chǎng)對(duì)導(dǎo)線的感應(yīng)耦合電磁場(chǎng)對(duì)導(dǎo)線的感應(yīng)耦合開關(guān)電源的電纜線一般是由信號(hào)回路的連接線、功率級(jí)回路的供電線以及地線一起構(gòu)成，其中每一根導(dǎo)線都由輸入端阻抗、輸出端阻抗和返回導(dǎo)線構(gòu)成一個(gè)回路。因此，電纜線是內(nèi)部電路暴露在機(jī)箱外面的部分，最易受到干擾源輻射場(chǎng)的耦合而感應(yīng)出干擾電壓或干擾電流，沿導(dǎo)線進(jìn)入設(shè)備形成輻射干擾。3 電磁場(chǎng)對(duì)閉合回路的耦合電磁場(chǎng)對(duì)閉合回路的耦合電磁場(chǎng)對(duì)閉合回路的耦合是指回路受感應(yīng)最大部分的長(zhǎng)度小于波長(zhǎng)的14。在輻射干擾電磁場(chǎng)的頻率比較低的情況下，輻射干擾電磁場(chǎng)與閉合回路的電磁耦合。4 電

6、磁場(chǎng)通過孔縫的耦合電磁場(chǎng)通過孔縫的耦合電磁場(chǎng)通過孔縫的耦合是指輻射干擾電磁場(chǎng)通過非金屬設(shè)備外殼、金屬設(shè)備外殼上的孔縫、電纜的編織金屬屏蔽體等對(duì)其內(nèi)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(shè)備以及電力設(shè)備都一些大功率的用電設(shè)備以及電力設(shè)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(duì)的兩物體中，如其一的電位發(fā)生變化，則由于物體間的電容使另一物體的電位也發(fā)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(chǎng)相互作用的結(jié)果。如圖示 原理n圖中，導(dǎo)線1的電位會(huì)在導(dǎo)線2上感應(yīng)出對(duì)地的電壓ec消除n當(dāng)把兩根信號(hào)線與動(dòng)力線平行敷設(shè)時(shí)，由于動(dòng)力線到兩信號(hào)線的

7、距離不相等，分布電容也不相等。它在兩根信號(hào)導(dǎo)線上能產(chǎn)生電位差，有時(shí)可達(dá)幾十毫伏甚至更大。當(dāng)把信號(hào)線扭絞時(shí)能使電場(chǎng)在兩信號(hào)線上產(chǎn)生的電位差大為減小。而在采用靜電屏蔽后，能使感應(yīng)電勢(shì)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(gè)電路之間存在互感時(shí)，當(dāng)干擾源是以電源形式出現(xiàn)時(shí)，此電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)通過互感耦合對(duì)鄰近信號(hào)形成干擾。nen感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；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(shí)測(cè)消除n圖中數(shù)據(jù)為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。為降低感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，B、A或COS等項(xiàng)必須盡量減小。所以將導(dǎo)線遠(yuǎn)離這些強(qiáng)用電設(shè)備及動(dòng)力網(wǎng)，調(diào)整走線方

8、向以及減小導(dǎo)線回路面積都是必要的。僅由于把兩根信號(hào)線以短的節(jié)距絞合，磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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(jù)控制系統(tǒng)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(cè)信號(hào)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(tài)干擾：疊加在被測(cè)信號(hào)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(lái)源:信號(hào)源中本來(lái)就有干擾電壓存在;磁場(chǎng)與信號(hào)線耦合;干擾電流流過與信號(hào)線串接的阻抗。在某些變送器中有用的直流信號(hào)中本來(lái)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(tài)

9、干擾：A/D轉(zhuǎn)換器兩個(gè)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(diǎn)之間往往存在電位差。尤其在大功率的用電設(shè)備附近，當(dāng)這些設(shè)備的絕緣性能較差時(shí)，電位差更大。而在控制系統(tǒng)的使用中往往又會(huì)有意或無(wú)意的是輸入回路存在兩個(gè)以上的接地點(diǎn)。這樣就會(huì)把不同接地點(diǎn)的電位差引入系統(tǒng)，這種地電位差有時(shí)能達(dá)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(shè)備。因而，抑制電磁干擾也應(yīng)該從這三方面人手，采取適當(dāng)措施。首先應(yīng)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(shè)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(shè)備的抗

10、擾能力，減低其對(duì)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(shè)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(shù)（14-1）n1)采用屏蔽技術(shù)可以有效地抑制開關(guān)電源的電磁輻射干擾，即用電導(dǎo)率良好的材料對(duì)電場(chǎng)進(jìn)行屏蔽，用磁導(dǎo)率高的材料對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行屏蔽。屏蔽有兩個(gè)目的，一是限制內(nèi)部輻射的電磁能量泄漏出，二是防止外來(lái)的輻射干擾進(jìn)入該內(nèi)部區(qū)域。其原理是利用屏蔽體對(duì)電磁能量的反射、吸收和引導(dǎo)作用。為了抑制開關(guān)電源產(chǎn)生的輻射，電磁干擾對(duì)其他電子設(shè)備的影響，可完全按照對(duì)磁場(chǎng)屏蔽的方法來(lái)加工屏蔽罩，然后將整個(gè)屏蔽罩與系統(tǒng)的機(jī)殼和地連接為一體，就能對(duì)電磁

11、場(chǎng)進(jìn)行有效的屏蔽。接地技術(shù)（ 14-2 ）n2)所謂接地，就是在兩點(diǎn)間建立傳導(dǎo)通路，以便將電子設(shè)備或元器件連接到某些叫作“地”的參考點(diǎn)上。接地是開關(guān)電源設(shè)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(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)遵循“一點(diǎn)接地”的原則，如果形成多點(diǎn)接地，會(huì)出現(xiàn)閉合的接地環(huán)路，當(dāng)磁力線穿過該環(huán)路時(shí)將產(chǎn)生磁感應(yīng)噪聲。實(shí)際上很難實(shí)現(xiàn)“一點(diǎn)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(diǎn)接地，利用一個(gè)導(dǎo)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(jìn)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(tǒng)中，應(yīng)分別將

12、低頻電路、高頻電路、功率電路的地線單獨(dú)連接后，再連接到公共參考點(diǎn)上。濾波技術(shù)（ 14-3 ）n3)濾波是抑制傳導(dǎo)干擾的有效方法，在設(shè)備或系統(tǒng)的電磁兼容設(shè)計(jì)中具有極其重要的作用。EMI濾波器作為抑制電源線傳導(dǎo)干擾的重要單元，可以抑制來(lái)自電網(wǎng)的干擾對(duì)電源本身的侵害，也可以抑制由開關(guān)電源產(chǎn)生并向電網(wǎng)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(huán)，它們能夠改善電路的濾波特性。恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)或選擇濾波器，并正確地安裝和使用濾波器，是抗干擾技術(shù)的重要組成部分。常態(tài)干擾的抑制（15）n串模干擾與被測(cè)信號(hào)所處的地位相同，因此一旦產(chǎn)生串模干擾，就不容易消除。所以應(yīng)當(dāng)首先防止

13、它的產(chǎn)生。 常態(tài)干擾的抑制（15-1）n* 信號(hào)導(dǎo)線的扭絞。由于把信號(hào)導(dǎo)線扭絞在一起能使信號(hào)回路包圍的面積大為減少，而且是兩根信號(hào)導(dǎo)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(chǎng)和電場(chǎng)通過感應(yīng)耦合進(jìn)入回路的串模干擾大為減小。常態(tài)干擾的抑制（ 15-2）n* 屏蔽。為了防止電場(chǎng)的干擾，可以把信號(hào)導(dǎo)線用金屬包起來(lái)。通常的做法是在導(dǎo)線外包一層金屬網(wǎng)（或者鐵磁材料），外套絕緣層。屏蔽的目的就是隔斷“場(chǎng)”的耦合，抑制各種“場(chǎng)”的干擾。屏蔽層需要接地，才能夠防止干擾。常態(tài)干擾的抑制（ 15-3）常態(tài)干擾的抑制（ 15-4）n圖中導(dǎo)線1為干擾源，導(dǎo)線2為信號(hào)導(dǎo)線，導(dǎo)線2對(duì)地電阻可認(rèn)為是無(wú)限

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

15、頻譜的兩側(cè)，則應(yīng)用帶通濾波器較為適宜 p.70 圖3-39 二級(jí)阻容濾波網(wǎng)絡(luò)常態(tài)干擾的抑制（15-7） 當(dāng)尖峰型常態(tài)干擾成為主要干擾源時(shí)，用雙斜率積分式A/D轉(zhuǎn)換器可以削弱常態(tài)干擾的影響 (輸入信號(hào)的平均值, 非瞬時(shí)值) 在常態(tài)干擾主要來(lái)自電磁感應(yīng)的情況下，對(duì)被測(cè)信號(hào)應(yīng)盡可能早地進(jìn)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(lái)抑制常態(tài)干擾常態(tài)干擾的抑制（ 15-8） 若常態(tài)干擾的變化速度與被測(cè)信號(hào)相當(dāng)，則可采取下述方法： 從根本上消除產(chǎn)生常態(tài)干擾的原因，對(duì)測(cè)量?jī)x表進(jìn)行良好的電磁屏蔽 利用數(shù)字濾波技術(shù)對(duì)已進(jìn)入計(jì)算機(jī)的帶有常態(tài)干擾的數(shù)據(jù)進(jìn)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(hào)源外殼為安全起見都接大地，保持零電位。信號(hào)源電路以及儀表系統(tǒng)也需要穩(wěn)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(gè)輸入電路抑制干擾的能力，常用共模抑制比CMRR（Common Mode Rejection Rate）來(lái)表示： 式中 是共模干擾電壓， 是由 轉(zhuǎn)化成的常態(tài)干擾電壓。CMRR越大，表明抗共模干擾能力越強(qiáng)。)dB(lg20CMRRncmUUcmUcmUnU過程通道的抗干擾措施（16-3） 利用雙端輸入的運(yùn)算放大器作為A/D轉(zhuǎn)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(fù)載與數(shù)字信息源隔離開來(lái)，也就是把“模擬地”與“數(shù)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(fā)光管在電流狀態(tài)下工作，故可被抑制 光耦在封閉狀態(tài)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(lái)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(qiáng)、輸入阻抗高、漂移低、增益可調(diào)等特點(diǎn),是一種專門用來(lái)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(hào) 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(qiáng) 過程通道的抗干擾措施（17-2） 對(duì)來(lái)自電源或由電源回路產(chǎn)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(huán)狀型 在每一塊集成電路芯片的電源與地引入端接一個(gè)無(wú)感的瓷片電容器，其容量一般為0.010.1F 若一個(gè)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(gè)10100F的大電容和一個(gè)0.010.1 F的無(wú)感瓷片電容 防止驅(qū)動(dòng)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(duì)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(qū)動(dòng)器的輸出線以及交流、直流供電線等聚集在一起，套以獨(dú)立的鐵殼屏蔽管，并遠(yuǎn)離其它類型的輸入輸出等信號(hào)線 過程通道的抗干擾措施（17-2） 對(duì)直流輸出驅(qū)動(dòng)器來(lái)說，大電流直流信號(hào)應(yīng)采用外接線，有時(shí)還用獨(dú)立的直流電源來(lái)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)電源過程通道的抗