傳感與檢測技術(shù)課件：ch24-檢測系統(tǒng)抗干擾技術(shù)

1、 第24章 抗干擾技術(shù)和檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)124. 檢測系統(tǒng)抗干擾技術(shù)24.0 概述干擾(噪聲)：測量中來自檢測系統(tǒng)內(nèi)部和外部、影響測量裝置或傳輸環(huán)節(jié)正常工作和測試結(jié)果的各種因素的總和?？垢蓴_技術(shù)：消除或削弱各種干擾影響的全部技術(shù)措施總稱，或稱為防護(hù)?？垢蓴_的重要性：測量過程中常會遇到各種干擾。干擾的普遍存在，使任何檢測系統(tǒng)的檢測結(jié)果總是達(dá)不到百分之百的準(zhǔn)確度，嚴(yán)重的干擾甚至使檢測系統(tǒng)不能正常工作。因此，在設(shè)計(jì)、制造和使用檢測系統(tǒng)的過程中，都不能回避干擾的影響，尤其是高精度的檢測系統(tǒng)，必須通過分析干擾的產(chǎn)生原因、引入方式及作用途徑來設(shè)法有效排除和抑制干擾。形成干擾的三要素: 干擾源、干擾通道和受感系

2、統(tǒng)。224.1 干擾的類型與產(chǎn)生24.1.1 干擾的類型及一般對策 在工業(yè)現(xiàn)場和環(huán)境中有各種各樣的干擾。根據(jù)來源，干擾分為內(nèi)部和外部干擾；按產(chǎn)生原因，干擾分為以下類型。(1)電和磁干擾對傳感器與檢測儀表最為普遍和影響最嚴(yán)重的干擾，它主要由自然和周圍環(huán)境中的電氣、電子和通信設(shè)備產(chǎn)生。 (2)機(jī)械干擾普遍存在，主要是使用環(huán)境中存在振動和沖擊現(xiàn)象。主要應(yīng)對措施是減振，如采用彈簧減振、減振軟墊及隔板等措施。 (3)熱干擾普遍存在，由自身能量消耗所產(chǎn)生的熱和環(huán)境中的熱輻射源或高溫體引起。工程上通常采取熱屏蔽、恒溫法、對稱平衡結(jié)構(gòu)和溫度補(bǔ)償元件等方法進(jìn)行抑制。324.1 干擾的類型與產(chǎn)生24.1.1 干擾

3、的類型及一般對策(4) 光干擾普遍存在，主要由環(huán)境和照明光源差生。對于具有光敏作用的元件，要注意光的屏蔽問題。(5) 濕度干擾 普遍存在，主要是自然或生產(chǎn)環(huán)境的水蒸氣引起。應(yīng)對措施是避免將檢測裝置放置在潮濕處，儀器裝置定時(shí)通電加熱去潮，電子器件和印刷電路浸漆或用環(huán)氧樹脂封灌等。 (6) 化學(xué)干擾主要由環(huán)境中的氣體或液體引起。必須根據(jù)使用環(huán)境對儀器設(shè)備采取防腐措施，將關(guān)鍵器件密封并保持儀器設(shè)備清潔。(7) 射線輻射干擾來自自然環(huán)境或生產(chǎn)環(huán)境。應(yīng)對措施主要是屏蔽。424.1 干擾的類型與產(chǎn)生24.1.1 干擾的產(chǎn)生1）外部干擾指那些與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)無關(guān)，由使用條件和外界環(huán)境決定的干擾，主要由于自然現(xiàn)象或

4、周圍環(huán)境中的各種設(shè)備裝置產(chǎn)生。(1) 自然干擾 由大氣層發(fā)生的自然現(xiàn)象所引起的干擾以及來自宇宙的電磁輻射統(tǒng)稱為自然干擾，如雷電、大氣低層電場的變化，電離層變化，太陽黑子的電磁輻射，水蒸氣、雨雪、砂塵、煙塵作用的靜電放電，地磁場等。(2) 電氣設(shè)備干擾 電氣設(shè)備產(chǎn)生的干擾包括放電干擾、工頻干擾、開關(guān)干擾及射頻干擾等。 (a) 放電干擾：放電現(xiàn)象包括電暈放電(如高壓輸電線)，輝光放電(如熒光燈、霓虹燈、閘流管)，弧光放電(如電焊)，火花放電(如點(diǎn)火系統(tǒng))。 524.1 干擾的類型與產(chǎn)生24.1.1 干擾的產(chǎn)生1）外部干擾(2) 電氣設(shè)備干擾(b) 工頻干擾：供電設(shè)備和輸電線是工頻干擾源，這種干擾隨

5、處可見。 (c) 射頻干擾：無線電廣播、電視、通信設(shè)備、雷達(dá)通過天線發(fā)射強(qiáng)烈的電波，高頻加熱器也會產(chǎn)生射頻輻射。這類干擾的頻帶有限且可知，選擇合適的濾波器即可消除。2）內(nèi)部干擾系統(tǒng)內(nèi)部各種元器件、信道、負(fù)載、電源等引起的干擾。因設(shè)備內(nèi)部有不良設(shè)計(jì)或某些器件工作如整流而形成干擾。內(nèi)部干擾有熱電勢、熱噪聲、信號耦合、工頻紋波等造成的長期干擾和轉(zhuǎn)接過程、微音干擾、壓電效應(yīng)等形成的瞬時(shí)干擾。624.1 干擾的類型與產(chǎn)生24.1.1 干擾的產(chǎn)生2）內(nèi)部干擾常見內(nèi)部干擾有信號通道干擾、電源干擾和數(shù)字電路干擾。（1）信道干擾檢測系統(tǒng)的信號采集、數(shù)據(jù)處理與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制等都離不開信號通道。信號通道形成的干擾主

6、要有：共模干擾、靜電耦合干擾、傳導(dǎo)耦合干擾 （2）電源干擾對于電子、電氣設(shè)備，電源干擾較為普遍。實(shí)用的檢測系統(tǒng)大多由工業(yè)電網(wǎng)供電。工業(yè)系統(tǒng)中的某些大設(shè)備的啟、停等都可能引起電源的過壓、欠壓、浪涌、下陷及尖峰等。（3）數(shù)字電路引起的干擾數(shù)字集成電路邏輯門的直流電流一般為mA級。在頻率較低時(shí)對此問題考慮不多，但在高速采樣及信道切換等場合，即當(dāng)電路處在高速開關(guān)狀態(tài)時(shí)，會形成較大的干擾。724.1 干擾的類型與產(chǎn)生24.1.2 干擾信號的耦合方式耦合(引入)方式：干擾信號進(jìn)入電路或測量裝置內(nèi)的途徑。干擾是一種破壞因素，但它必須通過一定的傳播途徑才能影響到測量系統(tǒng)。對干擾的引入或傳播進(jìn)行必要的分析，切斷

7、或抑制耦合通道，采取使接收電路對干擾不敏感或使用濾波等手段，有效地消除干擾。分析研究的方法：先分清干擾源、被干擾系統(tǒng)及干擾源和被干擾系統(tǒng)間的耦合方式，明確干擾性質(zhì)，再采取相應(yīng)抗干擾措施.主要耦合方式：靜電電容耦合、電磁耦合、共阻抗耦合及漏電流耦合。824.1 干擾的類型與產(chǎn)生24.1.2 干擾信號的耦合方式1) 靜電電容耦合產(chǎn)生原因：任何兩個絕緣的導(dǎo)體之間都存在電容（分布或寄生）。由于兩個電路之間存在電容，產(chǎn)生靜電效應(yīng)，使一個電路的電荷變化影響到另一個電路。例如平行導(dǎo)線間存在靜電耦合，導(dǎo)線1和2分別是干擾源和檢測系統(tǒng)的傳輸線，Cl和C2分別為導(dǎo)線1、2的對地寄生電容。根據(jù)電路理論，一般有：VN

8、= jwRC12V1。式中， VN為導(dǎo)線2上產(chǎn)生的對地干擾電壓；Vl，分別為干擾源電壓及其角頻率；R為導(dǎo)線2的對地電阻；C12為導(dǎo)線1和2之間的寄生電容。924.1 干擾的類型與產(chǎn)生24.1.2 干擾信號的耦合方式1) 靜電電容耦合 上式表明干擾電壓VN與干擾源的電壓及角頻率成正比?？芍焊唠妷盒‰娏鞯母哳l干擾源主要通過靜電耦合形成干擾；干擾電壓VN與C12成正比，因此，通過合理布線(包括加大導(dǎo)線間的距離)和適當(dāng)防護(hù)措施可減小電路之間的寄生電容；干擾電壓VN與R成正比，因此，降低接收電路的輸入阻抗，可減小靜電耦合干擾。 1024.1 干擾的類型與產(chǎn)生24.1.2 干擾信號的耦合方式2)電磁耦合

9、(電感性耦合)產(chǎn)生原因：由于電路之間存在互感，一個電路的電流變化，通過磁交變影響到另一個電路，如圖所示。導(dǎo)線1為干擾源，導(dǎo)線2為檢測系統(tǒng)的一段電路，兩導(dǎo)線間的互感系數(shù)為M。當(dāng)導(dǎo)線1中電流Il變化時(shí)，根據(jù)電路理論，通過電磁耦合在導(dǎo)線2上產(chǎn)生的干擾電壓為：VN= jwMI1。 可知：干擾電壓與干擾源的電流及角頻率成正比，與互感系數(shù)成正比。對電磁干擾，降低接收電路輸入阻抗，并不減小干擾。應(yīng)盡量采取遠(yuǎn)離干擾源或設(shè)法降低M等措施，也可采用導(dǎo)線絞合或屏蔽措施，屏蔽部分應(yīng)正確接地。圖 電磁耦合1124.1 干擾的類型與產(chǎn)生24.1.2 干擾信號的耦合方式3)共阻抗耦合產(chǎn)生原因：由于兩個電路間有公共阻抗，當(dāng)一

10、個電路中有電流流過時(shí)，通過共阻抗便在另一個電路上產(chǎn)生干擾電壓。 一般情況下，共阻抗耦合可用下圖所示電路表示。圖中ZC為兩電路之間的共有阻抗，In為干擾源電流，VN為產(chǎn)生的干擾電壓，則有： VN =In ZC 可見，消除共阻抗耦合干擾的核心是消除兩個或幾個電路之間的共阻抗。1224.1 干擾的類型與產(chǎn)生24.1.2 干擾信號的耦合方式4) 漏電流耦合 由于絕緣不良，流經(jīng)絕緣電阻R的漏電流作用于有關(guān)電路所引起的干擾稱為漏電流耦合。 一般情況下，漏電流耦合可用下圖所示等效電路表示。圖中V1表示干擾源電動勢，R表示漏電阻，Zi表示被干擾電路的輸入阻抗，VN表示干擾電壓可得： 漏電流常發(fā)生在：用儀表測量

11、較高幅值的直流電壓、在測量儀表附近有較高的直流電源場合或在高輸入阻抗的直流放大器中。要削弱漏電流干擾必須改善絕緣性。1324.1 干擾的類型與產(chǎn)生24.1.3 干擾信號引入測量電路的方式 各種干擾源對檢測系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾，必然是通過各種耦合通道進(jìn)入測量裝置，引起測量誤差。根據(jù)干擾進(jìn)入測量電路的方式不同，干擾可分為串模干擾與共模干擾。1) 串模干擾串模干擾：干擾電壓與有效信號串聯(lián)疊加后作用到系統(tǒng)上。常見串?dāng)_：外部交變磁場對傳感器的一端進(jìn)行電磁耦合；外部高壓交變電磁場對傳感器的一端進(jìn)行漏電流耦合。串模干擾的等效電路如圖所示。其中，Us為輸入信號，Un為干擾信號?？勾８蓴_能力用串模抑制比來表示： S

12、MR=20lg(Ucm/Un)式中：Ucm為串模干擾源的電壓峰值； Un為串模干擾引起的誤差電壓。Un檢測系統(tǒng)Us 1424.1 干擾的類型與產(chǎn)生24.1.3 干擾信號引入測量電路的方式2) 共模干擾相對于公共的電位基準(zhǔn)點(diǎn)(通常為接地點(diǎn))，在信號接收器的兩個端子上同時(shí)出現(xiàn)的干擾。它不直接影響結(jié)果，但是，當(dāng)信號接收器的輸入電路不對稱時(shí)，它會轉(zhuǎn)為串模干擾，對測量結(jié)果產(chǎn)生影響。信號通道間可能存在共模干擾，此類干擾可以歸納為下面三類。(1) 由被測信號源的特點(diǎn)產(chǎn)生共模干擾如圖所示，具有雙端輸出的差分放大器和不平衡電橋等不具有對地電位地的形式產(chǎn)生的共模干擾。差模電壓=RU/(R+Rt)；共模電壓=U/2

13、；1524.1 干擾的類型與產(chǎn)生24.1.3 干擾信號引入測量電路的方式2) 共模干擾(2) 電磁場干擾引起共模干擾 當(dāng)高壓設(shè)備產(chǎn)生的電場同時(shí)通過分布電容耦合到無屏蔽的雙輸入線，使之具有對地電位時(shí)，或者交流大電流設(shè)備的磁場通過雙輸入線的互感在雙輸入線中感應(yīng)出相同大小的電勢時(shí)，都有可能產(chǎn)生共模電壓施加在兩個輸入端。 如圖，若UH很高，通過局部電容CC1，CC2，CC3，CC4耦合到無屏蔽的雙輸入線上的對地電壓是UH在相應(yīng)電容上的分壓值：U1=UHCC1/(CC1+CC3);U2=UHCC2/(CC2+CC4);1624.1 干擾的類型與產(chǎn)生24.1.3 干擾信號引入測量電路的方式2) 共模干擾(

14、2) 電磁場干擾引起共模干擾 當(dāng)U1=U2時(shí)，它們即是共模干擾電壓；當(dāng)U1U2時(shí)，則既有共模干擾電壓，又有差模干擾電壓。下圖表示大電流導(dǎo)體的電磁場在雙輸入線中感應(yīng)產(chǎn)生的干擾電動勢E1及E2也具有相似的性質(zhì)。即當(dāng)E1E2時(shí)，產(chǎn)生共模干擾；當(dāng)E1E2時(shí)，既產(chǎn)生共模干擾又產(chǎn)生差模干擾電動勢En=E1E2。1724.1 干擾的類型與產(chǎn)生24.1.3 干擾信號引入測量電路的方式2) 共模干擾(3) 由不同地電位引起的共模干擾 當(dāng)被測信號源與檢測裝置相隔較遠(yuǎn)，不能實(shí)現(xiàn)共同的“大地點(diǎn)”上接地時(shí)，由于來自強(qiáng)電設(shè)備的大電流流經(jīng)大地或接地系統(tǒng)導(dǎo)體，使得各點(diǎn)電位不同，并造成兩個接地點(diǎn)的電位差Uce，即會產(chǎn)生共模干擾

15、電壓，如圖所示。圖中Re為兩個接地點(diǎn)間的等效電阻。1824.2 抑制干擾的常用措施 為保證檢測系統(tǒng)正常工作，必須削弱和防止干擾影響，例如消除或抑制干擾源、破壞干擾途徑以及削弱被擾對象(接收電路)對干擾的敏感性。通過采取各種抗干擾措施，使系統(tǒng)能穩(wěn)定可靠工作，從而提高檢測精度。目前主要從硬件和軟件兩方面考慮干擾抑制問題。其中，屏蔽、接地、濾波以及軟件抗干擾等是主要方法。24.2.1 屏蔽技術(shù) 利用銅或鋁等低電阻值材料制成容器，將需防護(hù)的部分包起來或利用導(dǎo)磁性良好的鐵磁材料制成的容器將需要防護(hù)的部分包起來，這種防靜電或電磁的相互感應(yīng)所采用的技術(shù)措施稱為屏蔽。 屏蔽的目的就是隔斷電、磁場的耦合通道。

16、1924.2 抑制干擾的常用措施24.2.1 屏蔽技術(shù)(1) 靜電屏蔽利用與大地相連接的導(dǎo)電性良好的金屬容器，使其內(nèi)部無電場線，即各點(diǎn)電位相等，同時(shí)外部的電場也不影響其內(nèi)部。 (2) 電磁屏蔽采用良導(dǎo)體材料制成屏蔽層，利用高頻干擾電磁場在屏蔽金屬內(nèi)產(chǎn)生渦流，再利用渦流磁場抵消高頻干擾磁場的影響，從而達(dá)到抗高頻電磁場干擾的效果。 (3) 低頻磁屏蔽 采用高導(dǎo)磁材料作屏蔽層，將低頻磁干擾限制在磁阻很小的磁屏蔽體內(nèi)，起到抗干擾的作用。(4) 驅(qū)動屏蔽利用被屏蔽導(dǎo)體的電位，通過1:1電壓跟隨驅(qū)動屏蔽層導(dǎo)體的電位，實(shí)現(xiàn)等電位。2024.2 抑制干擾的常用措施24.2.2 接地技術(shù) 通過正確接地，可消除各

17、電路電流流經(jīng)公共地線阻抗時(shí)所產(chǎn)生的噪聲電壓；避免磁場和地電位差的影響，不使其形成地環(huán)路，避免噪聲耦合的影響。合理的接地是抑制電容性、電感性及電阻耦合，減小或削弱干擾的重要措施。1) 電測裝置的地線類別保安接地：以安防為目的，將裝置的機(jī)殼、底盤等接地。信號地線：指電測裝置中的零電位(基準(zhǔn)電位)接地線，但不一定真正接大地。信號地線分為模擬和數(shù)字信號地。前者指模擬信號的零電平公共線，后者指數(shù)字信號的零電平公共線，兩種地線應(yīng)分別設(shè)置。信號源地線：傳感器本身的零電位電平基準(zhǔn)公共線。 負(fù)載接地 2124.2 抑制干擾的常用措施24.2.2 接地技術(shù)2) 電路一點(diǎn)接地準(zhǔn)則(1)單級電路的一點(diǎn)接地例如，單級選

18、頻放大器的原理電路有7條線需接地，若只按原理圖要求接線，這7個線端可任意接在接地母線的不同位置。若是這樣，不同點(diǎn)之間存在的電位差就可能成為這級電路的干擾信號。所以這7個線端應(yīng)接在接地母線的同一點(diǎn)。(2)多級電路的一點(diǎn)接地圖 多級電路的一點(diǎn)接地a)多級電路的串聯(lián)接地 b)多級電路的并聯(lián)接地2224.2 抑制干擾的常用措施24.2.2 接地技術(shù)2) 電路一點(diǎn)接地準(zhǔn)則(3) 系統(tǒng)內(nèi)印制電路板的接地基本原則：高頻(10MHz)電路就近多點(diǎn)接地；低頻(1MHz以下)電路一點(diǎn)接地；在110MHz之間時(shí)，如果采用一點(diǎn)接地的方式，其地線長度不應(yīng)超過波長的1/20。否則，應(yīng)采用多點(diǎn)接地的方式。原因：低頻電路中主

19、要是公共阻抗耦合干擾的影響較大，因此常以一點(diǎn)接地。高頻電路中各地線電路形成的環(huán)路會產(chǎn)生電感耦合，增加地線阻抗，同時(shí)各地線之間會產(chǎn)生電感耦合。在高頻、甚高頻時(shí)，尤其是線長等于1/4波長的奇數(shù)倍時(shí)，地線阻抗會變得很高，這時(shí)的地線就成了天線。所以這時(shí)地線長度應(yīng)小于信號波長的1/2，才能防止輻射干擾，并降低地線阻抗。2324.2 抑制干擾的常用措施24.2.2 接地技術(shù)2) 電路一點(diǎn)接地準(zhǔn)則(4)測量裝置的兩點(diǎn)接地一個系統(tǒng)若在兩點(diǎn)接地，如傳感器現(xiàn)場接地、放大器在主控室接地，因大地各處電位不同，對兩點(diǎn)接地電路造成干擾。此時(shí)地電位差是共模干擾源。 下例說明兩點(diǎn)接地對測量的影響。圖中VS、RS為信號電壓及內(nèi)

20、阻，R1、R2為傳輸線等效電阻，Ri為放大器輸入電阻，VG、RG為兩接地點(diǎn)的地電位差和電阻。設(shè)VG=100mV, RG=0.01, RS=1k, Rl=R2=1，Ri=10k，由R2Rs+Ri+R1可得干擾電壓VN=90mV，即地電壓大部分都加到放大器輸入端，可能使系統(tǒng)無法正常工作。若只在一點(diǎn)如放大器輸入端接地，保持信號源與地隔離，上述干擾將下降到uV級。 一點(diǎn)接地可使干擾得到顯著抑制。2424.2 抑制干擾的常用措施24.2.2 接地技術(shù)5) 檢測系統(tǒng)的接地 通常檢測系統(tǒng)至少有三個分開的地線，即信號地線、保護(hù)地線和電源地線。這三種地線應(yīng)分開設(shè)置，并通過一點(diǎn)接地。如右圖所示，這三種地線最后要匯

21、集在一點(diǎn)，再通過專用地線與大地相連，構(gòu)成系統(tǒng)地線。這是消除共阻抗耦合干擾的重要方法。 系統(tǒng)地線含地線帶、接地干線和接地極板。 6）浮置 浮置又稱浮空、浮接，是指測量儀表的輸入信號放大器公共線不接機(jī)殼，也不接大地的一種抑制干擾的措施。 圖 各種地線的分開設(shè)置2524.2 抑制干擾的常用措施24.2.2 接地技術(shù)5）其他接地功率地：這種地線的電流較大，接地線的線徑應(yīng)較粗，且與小信號地線分開，連直流地。 小信號前置放大電路與內(nèi)存放大電路的地。這種放大電路輸入信號微弱，一般以微伏、毫伏計(jì)。因此地線更要小心。放大電路本身采用一點(diǎn)接地，不能一個電路多點(diǎn)接地，否則地線中的電位差將對放大電路產(chǎn)生干擾。A/D前

22、置放大電路一般浮空。內(nèi)存放大電路的印刷電路板上一點(diǎn)入地。這類放大器的地線一定要遠(yuǎn)離功率地和噪聲地(即繼電器、電動機(jī)等的地)。2624.2 抑制干擾的常用措施24.2.3 其他抑制干擾的措施 抑制干擾除常用的屏蔽、接地、浮置等技術(shù)外，還有隔離、濾波、平衡電路等方法。1）隔離 隔離是破壞干擾途徑、切斷噪聲耦合通道，從而達(dá)到抑制干擾目的。常用電路方法有變壓器隔離和光電隔離。(1)變壓器隔離 如圖所示，在信號傳輸通道中接入一個變壓器，使信號源和放大器在電氣上相互絕緣，斷開地環(huán)回路，從而切斷噪聲傳輸通道，有效地抑制干擾。變壓器隔離法適用于一定頻率范圍內(nèi)的傳輸交變信號的電路噪聲抑制，但不能傳輸直流信號或接

23、近直流的低頻信號。 2724.2 抑制干擾的常用措施24.2.3 其他抑制干擾的措施1）隔離(2) 光電耦合器隔離方法如圖所示。它在電路上接入一個光耦合器，即用一個光耦合器代替上圖中的變壓器，用光作為信號傳輸?shù)拿浇?，則兩個電路之間既無電耦合，也無磁耦合，切斷了電和磁的干擾耦合通道，從而抑制了干擾。 光電耦合傳輸信號的精度較差，非線性強(qiáng)，在模擬系統(tǒng)中很少采用。對于數(shù)字信號，只需考慮邏輯電平，其電平精度無關(guān)緊要，因此在數(shù)字系統(tǒng)中普遍采用。圖 光電耦合隔離器 2824.2 抑制干擾的常用措施24.2.3 其他抑制干擾的措施1）隔離(2)隔離放大器隔離放大器使輸入電路、輸出電路、電源電路三者無公共地線

24、，原理如下圖所示。這里，輸入電路、輸出電路、供電電路之間無共地連接，既傳輸了信號，又避免了接地干擾。 2924.2 抑制干擾的常用措施24.2.3 其他抑制干擾的措施2）濾波 采用濾波器抑制干擾是最有效手段之一，特別是對抑制經(jīng)導(dǎo)線耦合到電路中的干擾。它是根據(jù)信號及噪聲頻率分布范圍，將相應(yīng)頻帶的濾波器接入信號傳輸通道中，濾去或盡可能衰減噪聲，達(dá)到提高信噪比、抑制干擾的目的。以下為電源凈化的濾波技術(shù)。(1)交流電源進(jìn)線的對稱濾波器圖 高頻干擾電壓對稱濾波電路 圖 低頻干擾電壓濾波電路 3024.2 抑制干擾的常用措施24.2.3 其他抑制干擾的措施2）濾波(2) 直流電源輸出的濾波器(3) 去耦濾

25、波器 當(dāng)一個直流電源同時(shí)為幾個電路供電時(shí)，為避免由電源內(nèi)阻造成幾個電路之間互相干擾，可在每個電路的直流電源進(jìn)線與地之間加型RC或LC濾波器。 對于一臺多級放大器，各放大器之間會通過電源的內(nèi)阻產(chǎn)生耦合干擾，故多級放大器各級供電必須加RC濾波器。圖 高、低頻干擾電壓濾波器 3124.2 抑制干擾的常用措施24.2.3 其他抑制干擾的措施3）脈沖電路的噪聲抑制技術(shù)(1) 整形削波器整形: 當(dāng)噪聲電壓小于脈沖波峰值，且二者時(shí)間上又不重合時(shí)，可使混有這種噪聲的脈沖波通過削波器。如圖所示，使只有高于電壓V1(稍高于干擾電壓的最大值)的電壓信號通過，結(jié)果削波器的輸出僅保留了脈沖波的峰值部分，濾除了干擾信號。

26、 (a)混有噪聲的脈沖波 (b)輸入信號經(jīng)削波器整形 (c)整形后的脈沖波 圖 削波器整形3224.2 抑制干擾的常用措施24.2.3 其他抑制干擾的措施3）脈沖電路的噪聲抑制技術(shù)(1) 整形平滑器整形: 當(dāng)幅值比脈沖波小的噪聲與脈沖波在時(shí)間上發(fā)生一定的重合，即噪聲在脈沖的波谷、波峰都出現(xiàn)時(shí)，如圖 所示，可使混有這種噪聲的脈沖通過平滑器，截出了不受噪聲影響的脈沖部分，結(jié)果平滑器輸出一個與脈沖波完全相似而不含有噪聲的波。 (a)輸入信號 (b)輸入信號經(jīng)平滑器整形 (c)輸出信號圖 平滑器整形 3324.2 抑制干擾的常用措施24.2.3 其他抑制干擾的措施3）脈沖電路的噪聲抑制技術(shù)(2) 積分

27、電路 基于積分電路輸出值大小與輸入脈沖寬度成比例的理論，使混有噪聲的脈沖信號通過一個積分電路，如圖所示。由于脈沖的寬度比噪聲的寬度大，所以在積分電路輸出中其幅值也大，而噪聲輸出的幅值相對變小，此波形再經(jīng)整形，即消除噪聲的影響。圖 積分電路消除干擾脈沖3424.2 抑制干擾的常用措施24.2.3 其他抑制干擾的措施3）脈沖電路的噪聲抑制技術(shù)(3) 脈沖干擾隔離 利用穩(wěn)壓二極管可組成干擾隔離門，阻擋幅值較小的干擾脈沖通過，允許幅值較大的脈沖信號通過。 下圖是利用硅二極管組成的脈沖隔離門，它是利用硅二極管正向壓降比較高的特征，使幅值小于脈沖信號、時(shí)間上又不重疊的噪聲干擾得到限制。 圖 脈沖隔離門 3

28、524.2 抑制干擾的常用措施24.2.3 其他抑制干擾的措施3）脈沖電路的噪聲抑制技術(shù)(4) 與門 由同一脈沖源來的信號Vi及與它同步的參考信號Vx分別作為與門的兩個輸入。設(shè)Vi中混有噪聲。因Vx與Vi中的脈沖在時(shí)間上完全同步、同頻率、同相位，當(dāng)這兩個信號同時(shí)作用于與門時(shí)，門被打開，脈沖信號通過。 噪聲干擾與參考信號不完全同步，存在相位差，不會同時(shí)作用于與門，噪聲不能通過與門，使與門只輸出所需脈沖，濾去了噪聲。圖 用與門抑制脈沖信號中的噪聲干擾3624.2 抑制干擾的常用措施24.2.3 其他抑制干擾的措施4）布線抗干擾措施 在檢測系統(tǒng)中，印制板上電力線、信號線等線路的布局、板上器件空余管腳

29、安排、測試設(shè)備與儀器儀表的信號傳輸線的連接等，都是實(shí)際應(yīng)用中要考慮的問題。（1）走線原則 在長線傳輸中，為了防止竄擾，行之有效的辦法是采用交叉走線法。長線傳送時(shí)，應(yīng)遵循功率線、載流線和信號線要分開，電位線和脈沖線分開的原則。在傳送050mv的小信號時(shí)，更應(yīng)該如此。 電力電纜最好用屏蔽電纜，并且單獨(dú)走線，與信號線不能平行，更不能將電力線與信號線裝在同一電纜中。3724.2 抑制干擾的常用措施24.2.3 其他抑制干擾的措施4）布線抗干擾措施（2）元器件空余輸入端的處理 電路設(shè)計(jì)中常常會出現(xiàn)器件管腳空余的現(xiàn)象，一般不能將這些管腳隨意處置，特別是元器件空余輸入端，處理不好往往可能造成較大的干擾輸入，

30、所以應(yīng)采取一定的處理方法，以降低干擾。實(shí)踐中常采取如下方法： 把空余的輸入端與使用輸入端并聯(lián)。這種方法簡單易行，但增加了前級電路的輸出負(fù)擔(dān)； 把空余的輸入端通過一個電阻接高電平。這種方法適用于慢速、多干擾的場合； 把空余的輸入端懸空，用一反相器接地。這種方法適用于要求嚴(yán)格的場合，但多用了一個組件。3824.2 抑制干擾的常用措施24.2.3 其他抑制干擾的措施4）布線抗干擾措施（3）數(shù)字電路的抗干擾措施 每個數(shù)字電路組件上都有高頻去耦電容，一般為0.010.02F。這些電容的放置應(yīng)充分靠近集成塊，且不應(yīng)集中在印刷板上每一端。每塊印刷板上的電源輸入端也應(yīng)加10100F的去耦電容。直流配電線的引出

31、端也應(yīng)盡可能地做成低阻抗傳輸線的形式。 快速邏輯電路會產(chǎn)生高頻干擾，這些電路應(yīng)按高頻電路處理。所有裝有大量邏輯電路的印制板，都必須有良好的接地。實(shí)際設(shè)計(jì)中，這個地可以是低阻泄流排，或者是印制板上大面積的銅箔作接地，其接地面積應(yīng)占印制板面積的60以上。這個接地面可對供電回路提供一個低感回路。并可為信號交連電路提供一個阻抗固定的線路。此外，應(yīng)檢查印制板的接地是否接觸良好、可靠。3924.2 抑制干擾的常用措施24.2.3 其他抑制干擾的措施4）布線抗干擾措施（3）數(shù)字電路的抗干擾措施 各種邏輯電路產(chǎn)生噪聲的程度不同，其中TTL(晶體管-晶體管邏輯電路)產(chǎn)生的噪聲最大，而HTL(高閾值邏輯電路)產(chǎn)生

32、的噪聲最小。一般，開關(guān)速度越快，噪聲越大(ECL除外，其電路的供電電流，在導(dǎo)通和截止時(shí)都一樣，在門的開關(guān)中，電流變化率為0，因此產(chǎn)生的噪聲低)。另外，門電路的速度與傳播延時(shí)成比例，ECL(發(fā)射極耦合邏輯電路)的速度最高，HTL最慢。通常TTL的速度較ECL略低，但噪聲卻大10倍。 數(shù)字電路對噪聲敏感。RTL(電阻晶體管邏輯電路)對噪聲極為敏感，而HTL和CMOS最不敏感。40檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)（選講）24.3 檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟24.4 檢測系統(tǒng)的組建原則與性能評價(jià)24.5 傳感器的選用原則4124.3 檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟（選講）1）確定被測量 設(shè)計(jì)檢測系統(tǒng)，先要確定被測量，包括被測量的狀態(tài)

33、、性質(zhì)、動態(tài)范圍和變化頻率等因素。所確定的被測量必須是:最能反映問題本質(zhì)規(guī)律性的量, 具有可測性和易測性。2）擬定檢測方案 擬定檢測方案是設(shè)計(jì)工作的重要內(nèi)容。對一個物理量，可采用多種檢測方案，應(yīng)將能考慮到的所有方案都列出，畫成方案框圖，通過比對和方案論證，選出最優(yōu)方案。擬訂方案涉及四個步驟： 確定系統(tǒng)的工作帶寬；根據(jù)被測量特征或外部效應(yīng)，選擇相應(yīng)的物理規(guī)律；推導(dǎo)出計(jì)算公式、關(guān)系式；設(shè)計(jì)有關(guān)機(jī)構(gòu)和裝置。4224.3 檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟3）構(gòu)造檢測系統(tǒng)在構(gòu)造檢測系統(tǒng)中主要有以下四個步驟：選擇合適的傳感器；設(shè)計(jì)或選用檢測電路(放大、濾波、整形、隔離等)；選擇記錄、顯示及存儲設(shè)備；選擇主控器(單片

34、機(jī)及工控機(jī)等)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，編制相應(yīng)軟件。4）考慮環(huán)境，采取抗干擾措施 分析檢測系統(tǒng)工作環(huán)境的具體情況并確定存在的干擾源，采取一定的抗干擾措施使其在工作環(huán)境中準(zhǔn)確并可靠工作。4324.3 檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟5）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以改進(jìn)檢測系統(tǒng)的性能 對檢測系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，包括對檢測系統(tǒng)的動態(tài)特性驗(yàn)證。分析檢測系統(tǒng)的動態(tài)特性，判斷其頻率響應(yīng)是否滿足檢測誤差要求。要求系統(tǒng)的工作帶寬應(yīng)覆蓋被測信號的有效帶寬，以保證測得信號的動態(tài)響應(yīng)誤差在允許范圍內(nèi)。利用測試結(jié)果和系統(tǒng)的傳輸特性，分析被測信號精度。若實(shí)驗(yàn)后不能滿足要求，應(yīng)從第二步起進(jìn)行檢查修改，直到結(jié)果滿足要求。4424.4 檢測系統(tǒng)的組建原則與性能評

35、價(jià)（選件） 自動檢測系統(tǒng)由傳感器、檢測電路、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集與處理等多環(huán)節(jié)組成。設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮系統(tǒng)性能設(shè)計(jì)指標(biāo)與各組成環(huán)節(jié)性能指標(biāo)的關(guān)系，合理分配誤差，以最低成本、最簡實(shí)施方案獲得最佳系統(tǒng)靜態(tài)和動態(tài)性能指標(biāo)目標(biāo)。24.4.1 檢測系統(tǒng)的組建原則 將傳感器、檢測電路和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組建為檢測系統(tǒng)的基本原則: 使檢測系統(tǒng)的基本參數(shù)、靜態(tài)和動態(tài)性能均達(dá)到預(yù)定要求。 組建過程中預(yù)估工作非常重要，預(yù)估工作是根據(jù)對檢測系統(tǒng)規(guī)定的參數(shù)指標(biāo)要求，選擇和確定系統(tǒng)各環(huán)節(jié)。正確的預(yù)估表現(xiàn)在：根據(jù)預(yù)估確定的環(huán)節(jié)組成檢測系統(tǒng)后，經(jīng)過標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，評定性能能達(dá)到規(guī)定要求，同時(shí)測算系統(tǒng)的總成本最低。預(yù)估過程是一個反復(fù)設(shè)定、權(quán)衡調(diào)整

36、直至最后確定的過程，屬于誤差分配問題。 4524.4 檢測系統(tǒng)的組建原則與性能評價(jià)24.4.1 檢測系統(tǒng)的組建原則 以下圖所示基本檢測系統(tǒng)為例，討論組建檢測系統(tǒng)的基本方法。 圖中的環(huán)節(jié)P1代表傳感器；P2代表檢測電路；P3代表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心即具有采樣/保持器的A/D轉(zhuǎn)換器。這里, 檢測電路為最簡單的信號調(diào)理放大器。圖中傳感器和放大器的頻率特性分別為H1(j)和H2(j)。圖11-1 基本檢測系統(tǒng) 4624.4 檢測系統(tǒng)的組建原則與性能評價(jià)24.4.1 檢測系統(tǒng)的組建原則1）基本參數(shù)的預(yù)估 包括分辨力和量程的預(yù)估。 設(shè)檢測系統(tǒng)總靈敏度為S，可用下式表示。預(yù)估：按系統(tǒng)的精度與量程及工作環(huán)境等要

37、求，先確定傳感器類型及其靈敏度；再按系統(tǒng)要求(由量程及精度指標(biāo)得到)確定ADC的分辨力；最后，根據(jù)ADC的量程與傳感器的輸出范圍確定放大器的增益。式中，傳感器的靈敏度；，放大器的增益； ，A/D轉(zhuǎn)換器的分度值。4724.4 檢測系統(tǒng)的組建原則與性能評價(jià)24.4.1 檢測系統(tǒng)的組建原則 2）動態(tài)性能的預(yù)估(1) 模擬部分 傳感器與放大器各自的頻率特性分別為因此，模擬部分總的頻率特性為故動態(tài)幅值誤差為式中，| H(jw) | = | H1(jw) | | H2(jw) |； | HN(jw) | = | H(0) |，為執(zhí)行信號傳遞功能的理想頻率特性。4824.4 檢測系統(tǒng)的組建原則與性能評價(jià)24

38、.4.1 檢測系統(tǒng)的組建原則 2）動態(tài)性能的預(yù)估(1) 模擬部分 一般傳感器為一階或二階系統(tǒng)，放大器為一階系統(tǒng)。當(dāng)傳感器與放大器均為一階系統(tǒng)時(shí)，動態(tài)幅值誤差為: 式中，1傳感器的時(shí)間常數(shù)；2放大器的時(shí)間常數(shù)，放大器的帶寬為fb， ,則2=1/(2fb).將所選1和2代入式(11-6)，應(yīng)使= 2fmax時(shí)滿足允許值，例如: |5%.4924.4 檢測系統(tǒng)的組建原則與性能評價(jià)24.4.1 檢測系統(tǒng)的組建原則 2）動態(tài)性能的預(yù)估(2) 數(shù)字部分 數(shù)字部分與動態(tài)誤差有關(guān)的器件指標(biāo)是ADC的轉(zhuǎn)換時(shí)間Tc、采樣/保持器的孔徑時(shí)間TAP與孔徑抖動時(shí)間TAJ。 若不用采樣/保持器，在保證ADC的轉(zhuǎn)換誤差不大

39、于量化誤差的條件下，被測信號的頻率最大值式中，nADC的位數(shù)。 若上述條件不能滿足，則需在ADC前加采樣/保持器。一般，TAP的延時(shí)影響可通過軟件提前下達(dá)指令的措施消除，故被測試信號的頻率最大值5024.4 檢測系統(tǒng)的組建原則與性能評價(jià)24.4.1 檢測系統(tǒng)的組建原則 3）靜態(tài)性能的預(yù)估 預(yù)估靜態(tài)性能是按總誤差的限定值，對組成系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)進(jìn)行誤差分配。這是一個從誤差預(yù)分配、綜合調(diào)整、再分配、再綜合調(diào)整直至選定環(huán)節(jié)的靜態(tài)性能滿足系統(tǒng)性能要求的過程。以一個壓力檢測系統(tǒng)為例，確定其傳感器、放大器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的靜態(tài)性能，精度指標(biāo)要求在2015環(huán)境溫度內(nèi)達(dá)到1.0級。 根據(jù)系統(tǒng)的靈敏度可得系統(tǒng)輸出：y

40、=S1S2S3x 可得：dy/y=dS1/S1+dS2/S2+dS3/S3+dx/x 由于x是被測量，其誤差不屬于檢測系統(tǒng)本身的誤差，所以不予考慮。5124.4 檢測系統(tǒng)的組建原則與性能評價(jià)24.4.1 檢測系統(tǒng)的組建原則 3）靜態(tài)性能的預(yù)估 由上式得：y=1+2+3式中r1, r2, r3分別是三個環(huán)節(jié)的相對誤差, i=dSi/Si； y=dSy/Sy 上式用于已知各環(huán)節(jié)誤差的大小和方向時(shí)的誤差綜合，適用于系統(tǒng)誤差。 對于以計(jì)算機(jī)為核心的自動檢測系統(tǒng)，由各環(huán)節(jié)的系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的整機(jī)系統(tǒng)誤差可通過標(biāo)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。 因此，在對靜態(tài)性能進(jìn)行預(yù)估時(shí)可只關(guān)心變化的系統(tǒng)誤差(系統(tǒng)不確定度)和隨機(jī)誤差

41、(隨機(jī)不確定度)。5224.4 檢測系統(tǒng)的組建原則與性能評價(jià)24.4.1 檢測系統(tǒng)的組建原則(1)傳感器的預(yù)選設(shè)傳感器參數(shù)如下: 量程Lx=2.5x105Pa; 靈敏度Sl=1.x10-6V/Pa; 遲滯誤差H=.2%; 重復(fù)性誤差R=.2%; 電源波動系數(shù)E=.1%; 零位溫漂0=4.9x10-6V/; 靈敏度溫漂S=5.1x10-10V/Pa；工作溫度范圍為2015。 遲滯引起的隨機(jī)不確定度為：式中，Lu1傳感器輸出電壓u1的范圍。 重復(fù)性引起的不確定度為:電源波動引起的隨機(jī)不確定度為5324.4 檢測系統(tǒng)的組建原則與性能評價(jià)24.4.1 檢測系統(tǒng)的組建原則(1)傳感器的預(yù)選 零位溫漂引起

42、的系統(tǒng)不確定度為: eT0= aoT= (4.910-6V/) 15=0.074mV 滿量程下靈敏度溫漂引起的系統(tǒng)不確定度為: eTS=aS TLx=(5.110-10V/Pa)152.5105Pa=1.9mV 最后，采用方和根法求出傳感器輸出電壓u1的隨機(jī)不確定度和系統(tǒng)不確定度的疊加，即綜合不確定度為 上式也可表示成引用誤差的形式，即:5424.4 檢測系統(tǒng)的組建原則與性能評價(jià)24.4.1 檢測系統(tǒng)的組建原則 (2)A/D 轉(zhuǎn)換器的預(yù)選 由于系統(tǒng)精度的要求為1.0級，據(jù)此可初選8位A/D轉(zhuǎn)換器。8位A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率約0.4，能分辨小于系統(tǒng)要求的引用誤差(1.0)對應(yīng)的量值，可認(rèn)為滿足要求

43、。另外，A/D轉(zhuǎn)換器的誤差主要來自量化誤差。對于8位A/D轉(zhuǎn)換器，量化誤差為:式中， y(S3)A/D轉(zhuǎn)換器環(huán)節(jié)所造成的輸出y的誤差； LyA/D轉(zhuǎn)換器的輸出范圍。 5524.4檢測系統(tǒng)的組建原則與性能評價(jià)24.4.1 檢測系統(tǒng)的組建原則 (3) 放大器的預(yù)選 根據(jù)系統(tǒng)的靈敏度，可得y=S2S3u1，因此傳感器誤差對輸出y的影響為：式中，gy(S1)S1傳感器環(huán)節(jié)造成輸出y的綜合不確定度。 根據(jù)前面確定的傳感器與系統(tǒng)的綜合不確定度相對值，并注意到Ly=S2S3Lu1可得到： gy(S1)=S2S3x0.82%xLu1=0.82%Ly另外，根據(jù)串聯(lián)系統(tǒng)的靈敏度，可得y=S3u2，放大器誤差u2對輸出y的影響y(S2)為：5624.4 檢測系統(tǒng)的組建原則與性能評價(jià)24.4.1 檢測系統(tǒng)的組建原則 (3) 放大器的預(yù)選 設(shè)放大器的引用誤差為qu2 =u2/ Lu2，代入上式得： y(S2)=S3qu2Lu2=qu2Ly 由于檢測系統(tǒng)要求輸出y的引用誤差qy 1，即輸出y的綜合不確定度為： 將gy(S1)、 y(S2)和y(S3)代入上式可得：即：qu20.54，即要求放大器的精度為0.5級。 綜合以上分析，采用所選傳感器 (引用誤差0.82) 、所選放大器 (引用誤差小于0.5)和所選A/D轉(zhuǎn)換器(引用誤差為0.2)可實(shí)現(xiàn)整機(jī)精度為1.0級