數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)章

數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)章第一頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期三三、從干擾產(chǎn)生和傳播的方式劃分1、靜電干擾靜電干擾實(shí)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(shí)，導(dǎo)體產(chǎn)生電場，這個(gè)電場可交連到附近的導(dǎo)體中，使它們感生出電位，這個(gè)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二頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期三2、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)電流第三頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期三4、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(gè)設(shè)備的自然參考電位，二是指一個(gè)設(shè)備內(nèi)部電源的參考電位。如果一個(gè)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，電路中不同接地點(diǎn)間電位差為零，即地阻抗為零。實(shí)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第四頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期三5、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第五頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期三四、從干擾輸入信號的關(guān)系劃分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?！卟罘址糯笃鞯膬奢斎攵薃、B具有相同的幅值和電位。但實(shí)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第六頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期三共模干擾產(chǎn)生原因：①數(shù)采系統(tǒng)附近有大功率的電氣設(shè)備、電磁場以L/C形式耦合到傳感器和傳輸導(dǎo)線中；②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(shí)，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；③電氣設(shè)備的絕緣性能不良時(shí)，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；④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。第七頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期三§10.2供電系統(tǒng)的抗干擾數(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)第八頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期三因此數(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?？紤]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)電源電網(wǎng)隔離變壓器1、采用隔離變壓器第九頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期三2、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(gè)分布參數(shù)噪聲衰減器。使用低通濾波器時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：①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。②為減少耦合，所有導(dǎo)線要靠近地面進(jìn)行隔離。③低通濾波器的輸入與輸出端要進(jìn)行隔離。④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(shí)，應(yīng)保證有一定的功率儲備。第十頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期三4、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(shí)，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第十一頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期三5、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)：①每個(gè)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(gè)穩(wěn)壓器的故障而使全系統(tǒng)癱瘓。②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。③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。第十二頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期三6、供電系統(tǒng)要合理布線在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，電源的引入線和輸出線以及公共線在布線時(shí)，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①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(shí)，應(yīng)把饋線之間的距離縮到最短。②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?yàn)樵诠簿€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。第十三頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期三§10.3模擬信號通道的抗干擾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(shí)，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(shí)現(xiàn)電路上的隔離。①用于系統(tǒng)與外界的隔離②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(gè)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。第十四頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期三二、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(shí)，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:

①浮置的目的是為了阻斷干擾電流的通路。②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。③浮置同樣能抑制直流共模干擾。④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)。⑤采集電路的浮置應(yīng)該包括該電路的供電電源，即這種浮置采集電路的︳

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R~UCMCφZ第十五頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期三四、長線傳輸?shù)目垢蓴_措施在長線傳輸信號時(shí)，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(shí)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(shí)，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(gè)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=tτV/ntτ－－系統(tǒng)所用邏輯電路器件或組件的上升時(shí)間；V－－速度，取V=2.5×108m/sn－－經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，一般取n

=4。(2)長線傳輸信號時(shí)遇到的問題

①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3.3ns/m； 雙絞線5ns/m；同軸電纜6ns/m；②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。③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)

第十六頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期三(2)脈沖波在長線上引起的反射分析：

①若Z0=RS=RL，則；ε1=ε2=ε=0無任何反射②若Z0=RS，則；ε1=0ε=ε1ε2=0無反射，(ε1=0表示始端阻抗匹配)③若Z0=RL，則；ε2=0ε=ε1ε2=0無反射，(ε2=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)－－ε

=ε1ε2其中ε1

－－始端發(fā)射系數(shù)

ε2

－－終端發(fā)射系數(shù)RL0(短路)0<RL<Z0RL=Z0Z0<RL<∞∞(開路)電壓反射系數(shù)KU-1(全反射)-1<KU<000<KU<+1+1(全反射)電流反射系數(shù)KI+1(全反射)+1>KI>000>KI>-1-1(全反射)當(dāng)傳輸線終端不匹配時(shí)，信號便被反射；反射波到達(dá)始端時(shí)，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。第十七頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期三總結(jié)：

①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。②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(shí)，則被匹配的阻抗所吸收，整個(gè)傳輸線被 充電而達(dá)到穩(wěn)態(tài)，不再反射。③當(dāng)終端電阻RL>Z0，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。④當(dāng)終端電阻RL<Z0，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。第十八頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期三2、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)

①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=Z0-RS74LS2074LS20R(=100Ω)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(shí)C隔直，上拉電阻R對傳輸線開路↘動態(tài)時(shí)

↘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(330Ω~4.7kΩ)+5VR220Ω+5VC43pF第十九頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期三②終端匹配a.終端并聯(lián)電阻匹配R1R2UccRE

R應(yīng)等于傳輸線的波阻Z0，E一般取輸出高電平時(shí)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

=330Ω，R2

=470

Ω

b.終端阻容匹配當(dāng)C較大時(shí)，ZC=0，只起隔直作用，不會影響阻抗匹配。因此，只要R

=Rp即可CRRp↗T－－傳輸信號脈沖寬度|R1

－－始端低電平輸出阻抗(約20Ω)|

Rp

－－長線特性阻抗↘R－－匹配電阻第二十頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期三②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)果使電路傳錯(cuò)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?！卟顒臃糯笃饔泻軓?qiáng)的共模抑制能力，且工作在線性區(qū)，易做到阻抗匹配。第二十一頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期三(3)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(shí)，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，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(shí)，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)采電路第二十二頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期三3、傳輸線的使用(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?！擗J它在電纜屏蔽層的外部產(chǎn)生的磁場=0↘同時(shí)，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(jià)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(shí)用，因而廣泛使用?！弑馄綆铍娎|的導(dǎo)線較細(xì)，當(dāng)長距離傳輸時(shí)，用它作地線，地電位會發(fā)生變化?！嘧詈貌捎秒p端傳送信號；當(dāng)采用單端傳送信號時(shí)，每條信號線應(yīng)配有一條接地線。第二十三頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期三五、ADC抗干擾1、ADC的抗干擾措施(1)抗串模干擾的措施

①在串模干擾嚴(yán)重的場合，可用積分式/雙斜積分式ADC。②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。③盡量把ADC直接附在傳感器上，↓傳輸線引入的干擾。④當(dāng)傳感器與ADC距離較遠(yuǎn)時(shí)，容易引起干擾。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

①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(shí)驗(yàn)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。②采用隔離技術(shù)。③采用電容記憶法，ADC工作在脫離信號連線的情況下。④利用屏蔽法來改善高頻共模抑制比。第二十四頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期三五、ADC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二十五頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期三六、印刷電路板及電路的抗干擾設(shè)計(jì)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(jì)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

|采用脈沖隔離門抑制干擾

↘采用削波器抑制干擾

第二十六頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期三§10.4接地問題接地問題在數(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(jì)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二十七頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期三二、接地問題的處理

實(shí)踐證明，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)受到的干擾與系統(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(shí)，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(shí)，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(gè)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(shí)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，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：第二十八頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期三(1)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

+I3R3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)滿足下述條件：①、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(shí)不能使用，因?yàn)楦叩仉娢蛔酉到y(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。②、應(yīng)把低地電位子系統(tǒng)放在距離接地點(diǎn)最近的地方。第二十九頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期三模擬子系統(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?cái)?shù)字子系統(tǒng)2I4R4D低電平數(shù)字地各子系統(tǒng)建立一個(gè)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

=I3R3

UD

=I4

R4各子系統(tǒng)的地電流之間不會形成耦合，因此沒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)接地第三十頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期三R1電路1L1R2電路2L2R3電路3L32、多點(diǎn)接地原則每個(gè)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(gè)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(shí)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(shí)可以使用一點(diǎn)接地方式，當(dāng)頻率高于10MHz時(shí)，應(yīng)采用多點(diǎn)接地方式，頻率在1MHz--10MHz之間，如用一點(diǎn)接地時(shí)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?yàn)樵S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：第三十一頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期三在采用一點(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(gè)子系統(tǒng)的地只在電源供電處才相接一點(diǎn)入地。只有這樣才能既保證幾個(gè)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?yàn)榻拥鼐€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。第三十二頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期三§10.5微機(jī)總線的抗干擾措施微機(jī)總線性能的可靠性直接關(guān)系到整個(gè)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(shí)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)，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(gè)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(shí)的電位固定在高電平上。第三十三頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期三§10.6數(shù)據(jù)采集軟件的抗干擾一、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(gè)方面：1、不正確的算法產(chǎn)生錯(cuò)誤的結(jié)果33=273*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)中的零電平漂移第三十四頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期三第11章采樣數(shù)據(jù)的預(yù)處理§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，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(shí)，采用線性變換。2、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(shí)，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(xiàng)式變換法(3)表格法第三十五頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期三§11.2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(jì)算程序處理，減少干擾信號在有用信號中所占的比例，故實(shí)質(zhì)上是一種程序?yàn)V波。數(shù)字濾波克服了模擬濾波器的不足，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(gè)輸入通道“共用”一個(gè)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(shí)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(shí)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。①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。②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(gè)平均值，信號在某一數(shù)值范圍附近上下波動。

③加權(quán)平均濾波法－－適用于系統(tǒng)純滯后時(shí)間常數(shù)τ

較大、采樣周期較短的過程。它對以不同采樣時(shí)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。

④一階滯后濾波法（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α有關(guān)。⑤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。第三十六頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期三§11.3剔除采樣數(shù)據(jù)中的奇異項(xiàng)采樣數(shù)據(jù)中的奇異項(xiàng)－－是指采樣數(shù)據(jù)序列中有明顯錯(cuò)誤（丟失或粗大）的個(gè)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(xiàng)，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(xiàng)的方法，一般可選用差分法、多項(xiàng)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，其它方面大致相同。第三十七頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期三§11.4去除或提取采樣數(shù)據(jù)的趨勢項(xiàng)等待處理的數(shù)據(jù)中，一般都包含有兩種分量：↗周期大于數(shù)據(jù)采樣周期的頻率成分，稱為趨勢項(xiàng)；↘周期小于數(shù)據(jù)采樣周期的頻率成分，稱為