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1、第10章 数据采集系统的抗干扰技术,一、从干扰的来源划分 内部干扰指系统内部电子电路的各种干扰。 外部干扰指由外界窜入到系统的各种干扰。 二、按干扰出现的规律划分 固定干扰指系统附近固定的电气设备运行时发出的干扰。 半固定干扰指某些偶然使用的电气设备（如行车、电钻）引 起的干扰。 随机干扰属于偶发性的干扰。如闪电、供电系统继电保护的 动作等干扰。,10.1 数据采集系统中常见的干扰,三、从干扰产生和传播的方式划分,1、静电干扰 静电干扰实际是电场通过电容耦合的干扰。 从电路理论可知，电流流经一导体时，导体产生电场，这个电场可交连到附近的导体中，使它们感生出电位，这个电位就是干扰电压。从交流电路
2、传输来看，干扰起因于导体与导线之间、元件之间的寄生电容。外部噪声源与导体之间的寄生电容耦合到电路，造成对电路的干扰。,2、磁场耦合干扰,磁场耦合干扰是一种感应干扰。 在连接信号源的传输线经过的空间总存在着交变电磁场。在诸如动力线、变压器、电动机、继电器、电风扇等附近，都会有这种磁场。这些交变的磁场穿过传输线形成的回路，将在传输线上或闭合导线上感应出交流干扰电压。,3、电磁辐射干扰 在工厂内，各种大功率高频、中频发生装置以及各种电火花机床，都将产生高频电磁波向周围空间辐射，形成电磁辐射干扰源。 辐射能量是以与通信接收机接收无线电频率能量相同的方法耦合到电路中而产生干扰。,4、电导通路耦合干扰,电
3、导通路是指构成电回路的通路。 电导通路耦合干扰是由各单元回路之间的公共阻抗干扰。由于接地电位不同而造成的干扰为这类干扰的主要表现形式。 在数据采集系统中，“地”有两种含义：一是指大地，它是系统中各个设备的自然参考电位，二是指一个设备内部电源的参考电位。 如果一个仪器的地线不与大地连接，则称为“浮地”，否则称为接地。 理想情况下，电路中不同接地点间电位差为零，即地阻抗为零。实际上大地的电位并不是恒定值，在不同的地之间存在着电位差，尤其在高压电力设备附近，大地的电位剃度可以达到每米几伏甚至几十伏。 由于非零的公共阻抗将会给电路带来干扰，它主要发生在远距离信号传输中两端仪器接地的情况下。,5、漏电耦
4、合干扰,漏电耦合干扰是由于仪器内部的电路绝缘不良而出现的漏电流引起的电阻耦合产生的干扰，如图所示。在高输入阻抗器件组成的系统中，其阻抗与电路板绝缘电阻可以比拟，通过电路板产生漏电流，将形成干扰。,四、从干扰输入信号的关系划分,1、串模（差模）干扰 把干扰信号与被测信号串联在一起。 产生外部高压供电线交变电磁场通过寄生电容 | 耦合进传感器的一端； 原因电源交变电磁场对传感器一端的漏电流耦合。,2、共模干扰 指在信号地和仪器地（大地）之间产生的干扰。 A、B两端叠加的干扰电压相同。,在对地阻抗呈理想对称的传感器和放大器输入电路中，共模干扰理论上并不会引起数采误差。 差分放大器的两输入端A、B具有
5、相同的幅值和电位。 但实际上，由于数据传输回路、导线和放大器输入回路的电阻R或电容C对地呈非对称性，共模干扰电压将通过接地回路中的接地干扰电压转换成干扰程度不同的差模电压。,共模干扰产生原因：, 数采系统附近有大功率的电气设备、电磁场以L/C形式耦合到传感器和传输导线中； 电源绝缘不良而引起漏电或三相动力电网负载不平衡致使零线有较大电流时，存在较大的地电流和地电位差。若系统有两点以上的接地点，则地电位差就会造成共模干扰； 电气设备的绝缘性能不良时，动力电源会通过R漏耦合到采集系统的信号回路，形成干扰； 在交流供电的仪器中，交流电会通过原副边绕组间的寄生电容、整流滤波电路或信号电路与地间的寄生电
6、容 地构成回路，形成干扰。,10.2 供电系统的抗干扰,数据采集中的设备大多使用220V，50Hz的市电，由于我国电网的频率与电压波动较大，都会直接对数据采集系统产生干扰，因此必须对数据采集系统的供电采取一些抗干扰措施。 1、采用隔离变压器 一般说来，电网与数据采集系统分别有各自的地线，在应用中，如果直接把数据采集系统与电网相连，两者的地线之间存在地电位差，如图所示，由于地电位差的存在而形成环路电流，造成共模干扰。,因此数据采集系统必须与电网隔离，通常采用隔离变压器进行隔离。考虑到高频噪声通过变压器不是靠初、次级线圈的互感耦合，而是靠初、次级间寄生电容耦合。因此隔离变压器的初级和次级之间均用屏
7、蔽层隔离，以减少其寄生电容，提高抗共模干扰能力。 数据采集系统与电网的隔离如图所示。,数据采集系统的地接入标准地线后，由于采用了隔离变压器，使电网地线的干扰不能进入系统，从而保证数据采集系统可靠的工作。,1、采用隔离变压器,2、采用电源低通滤波器,由于电网的干扰大部分是高次谐波，故采用低通滤波器来消除大于50Hz的高次谐波，以改善电源的波形。 为避免低通滤波器进入磁饱和状态，需要在干扰进入低通滤波器前加以衰减，为此，常在电源低通滤波器前，加设一个分布参数噪声衰减器。 使用低通滤波器时，应注意以下几点： 低通滤波器本身应屏蔽，而且屏蔽盒与系统的机壳要保持良 好的接触。 为减少耦合，所有导线要靠近
8、地面进行隔离。 低通滤波器的输入与输出端要进行隔离。 低通滤波器的位置应尽量靠近需要滤波的地方，其间的连线 也要进行屏蔽。 3、采用交流稳压器 用来保证交流供电的稳定性，防止交流电源的过压或欠压。对于数据采集系统来说，这是目前最普遍采用的抑制电网电压波动的方法，在具体使用时，应保证有一定的功率储备。,4、系统分别供电,为了阻止从供电系统窜入的干扰，一般采用如图所示的供电线路，即交流稳压电源串接隔离变压器、分布参数噪声衰减器和低通滤波器，以便获得较好的抗干扰效果。,当系统中使用继电器、磁带机等电感设备时，向采集系统电路供电的线路应与继电器等供电的线路分开，以避免在供电线路之间出现相互干扰。,5、
9、采用电源模块单独供电,近年来，在一些数据采集板卡上，广泛采用DC-DC电源电路模块，或三端稳压集成块组成的稳压电源单独供电。采用单独供电方式，与集中供电相比，具有以下一些优点： 每个电源模块单独对相应板卡进行电压过载保护，不会因 某个稳压器的故障而使全系统瘫痪。 有利于减小公共阻抗的相互耦合及公共电源的相互耦合， 大大提高供电系统的可靠性，也有利于电源的散热。 总线上电压的变化，不会影响板卡上的电压，有利于提高 板卡的工作可靠性。,6、供电系统要合理布线,在数据采集系统中，电源的引入线和输出线以及公共线在布线时，均需采取以下抗干扰措施： (1)电源线前面的一段布线 从电源引入口，经开关器件至低
10、通滤波器之间的馈线，尽量用粗导线。 (2)电源后面的一段布线 均应采用扭绞线，扭绞的螺距要小。如果导线较粗，无法扭 绞时，应把馈线之间的距离缩到最短。 交流线、直流稳压电源线、逻辑信号线和模拟信号线、继电 器等感性负载驱动线、非稳压的直流线均应分开布线。 (3)电路的公共线 电路中应尽量避免出现公共线，因为在公共线上，某一负载的变化引起的压降，都会影响其他负载。若公共线不能避免，则必须把公共线加粗，以降低阻抗。,10.3 模拟信号通道的抗干扰,其干扰主要是因公共地线所引起，其次，当传输线路较长时，还会受到静电和电磁波噪声的干扰。为此干扰将严重影响采样信号的准确性和可行性，因此必须予以消除或抑制
11、。 一、采用隔离技术隔离干扰 隔离干扰从电路上把干扰源与敏感电路隔离部分开来，使他们之间不存在电的联系，或削弱他们之间的电的联系。 1、光电隔离利用光电耦合器件实现电路上的隔离。 用于系统与外界的隔离 用于系统电路之间的隔离,2、电磁隔离在传感器与采集电路之间加入一个隔离放大器，利用隔离放大器的电磁耦合，将外界的模拟信号与系统进行隔离传送。,二、采用滤波器滤除干扰,滤波是一种只允许某一频带信号通过的抑制干扰措施之一，特别适用于抑制经导线传导耦合到电路中的噪声干扰。 Notes:在信号间采用R-C法滤波，会对信号造成一定损失，对于微弱信号，当采用些法抑制干扰时，应注意这一点。,三、采用浮置措施抑
12、制干扰 浮置指数据采集电路的模拟信号地不接机壳或大地。对于被浮置的数据采集系统，数据采集电器机壳或大地之间无直流联系。 Notes: 浮置的目的是为了阻断干扰电流的通路。 数据采集系统被浮置后，明显加大了系统信号放大器公共地与地(或 机壳)之间的阻抗。因此，大大减小共模干扰电流。 浮置同样能抑制直流共模干扰。 只有在对电路要求高，并采用多层屏蔽的条件下，才采用浮置技术。 采集电路的浮置应该包括该电路的供电电源，即这种浮置采集电路的 供电系统应该是单独的浮置供电系统，否则浮置将无效。,四、长线传输的抗干扰措施,在长线传输信号时，除因空间感应引入的干扰外，还会因传输线两端阻抗不匹配而出现信号在传输
13、线上反射的现象，并可能在短时间内多次反射。多次反射会形成非耦合性的干扰，使信号波发生畸变。 因此，在用长线传输信号时，抗干扰的重点应是防止和抑制非耦合性（反射畸变）干扰。从技术上讲，主要解决两个问题：阻抗匹配、长线驱动。,1、长线干扰的特点 (1)长线的定义Lmax = tV / n t系统所用逻辑电路器件或组件的上升时间； V 速度，取V = 2.5108 m/s n 经验数据，一般取n = 4。 (2)长线传输信号时遇到的问题 对信号的传输速度有延迟。单位长度上传输延迟为：架空单线3.3 ns/m； 双绞线5 ns/m；同轴电缆6 ns/m； 高速的信号脉冲波在传输过程中会产生畸变和衰减，
14、引起非耦合性干扰。 长线传输易受到外界和其他传输线的干扰。 (3)长线的波阻抗Z0 长线由于存在寄生电容C寄(用电容/单位长度表示) 长线的波阻抗 寄生电感L寄(用电感/单位长度表示),(2)脉冲波在长线上引起的反射,分析： 若Z0=RS=RL，则； 1=2=0 无任何反射 若Z0=RS， 则； 1=0 =12=0 无反射，(1=0表示始端阻抗匹配) 若Z0=RL， 则； 2=0 =12=0 无反射，(2=0表示终端阻抗匹配) 传输线终端具有不同负载电阻RL下的反射系数，如表所示：,反射系数 = 12 其中1 始端发射系数 2 终端发射系数,当传输线终端不匹配时，信号便被反射；反射波到达始端时
15、，若始端也不匹配，同样又产生反射，这就发生了信号在传输线上多次往返反射的情况。,总结：,当传输线终端匹配(RL=Z0)，传输的信号电压波没有反射， 电流平稳地进入负载。 当传输线始端匹配(RS=Z0)，终端的反射波=入射波，反射 波到达始端时，则被匹配的阻抗所吸收，整个传输线被 充电而达到稳态，不再反射。 当终端电阻RLZ0，传输线上的电压产生过冲，并在稳定值 附近产生振荡，最后趋向稳定值。 当终端电阻RLZ0，传输线上的电压不再过冲，逐渐恢复到 稳定值稳定值。,2、长线传输信号的抗干扰措施,(1)阻抗匹配(阻抗匹配的好坏，直接影响长线上信号的反射的强弱) 始端匹配 a.始端串联电阻匹配通过在
16、始端串接电阻，增加长线的特性阻抗，以达到与终端阻抗匹配。 一般取R=Z0-RS,b.始端上拉电阻或阻容匹配 始端上拉电阻用于吸收一部分终端的反射波。 阻容匹配静态时 C 隔直，上拉电阻R对传输线开路 动态时 当信号从高低电平， C向传输线放电，以抵消反射波起作用,终端匹配,a. 终端并联电阻匹配,R应等于传输线的波阻Z0，E一般取输出高电平时的电压值，如2.8V左右 若R2小，则低电平拉入电流大，而使输入的低电平拉高 若R1小，则使流入电流增大，降低了高电平 一般要权衡考虑。例如：取R1 = 330 ，R2 = 470 ,b. 终端阻容匹配,当C较大时，ZC= 0，只起隔直作用，不会影响阻抗匹配。 因此，只要R = Rp即可,T 传输信号脉冲宽度 | R1
