第六章智能仪表抗干扰技术_智能仪表原理与设计

第六章智能仪表抗干扰技术华东理工大学信息学院自动化系6.1干扰与噪声源本章主要内容：6.2硬件抗干扰措施6.3软件抗干扰技术6.1干扰与噪声源6.1.0概述6.1.1串模干扰6.1.2共模干扰6.1.3数字电路干扰6.1.4电源干扰干扰来源6.1.0概述空间(电磁感应)传输通道配电系统主机I/O电路传感执行器对象直流稳压电源直流稳压电源干扰市电智能仪表传输通道6.1.0概述抗干扰措施主要是：尽力切断来自传输通道和配电系统的干扰，并抑制部分已进入仪表的干扰作用。干扰分类按干扰进入仪表的渠道分为：•串模干扰•共模干扰•数字电路干扰•电源和地线系统的干扰VsVcm输入通道信号源干扰源智能仪表6.1.1串模干扰串模干扰：指干扰电压与有效信号串联叠加后作用到仪表上的干扰，如下图所示：串模干扰的主要来源：•高压输电线•与信号平行敷设的输电线•大电流控制线所产生的空间电磁场串模干扰示意图由于测量控制系统的信号线比较长，通过电磁和静电耦合在信号线上的感应电压数值有可能大到与被测有效信号相同的数量级，有时比后者还大；同时，对测量系统来说，由于采样时间短，工频的感应电压也相当于缓慢变化的干扰电压，这些干扰信号与有效直流信号一起被采样、放大，造成有效信号失真。另外：信号源本身固有的漂移、纹波和噪声，电源变压器不良屏蔽等均可引入串模干扰Vs输入通道Vcm信号源干扰源智能仪表6.1.2共模干扰共模干扰：指输入通道两个输入端上共有的干扰电压，可以是直流，也可以是交流，干扰幅值可达数伏甚至更高，取决于现场产生干扰的环境条件和仪表的接地情况。在测控系统中，检测元件和传感器分散在现场的各个地方，因此，被测信号的参考地和仪表输入信号的参考地之间存在着电位差。如左图所示：共模干扰示意图对于输入通道的两个输入端来说，该电压是两个输入端上共有的干扰电压，因此称共模电压。信号的两种输入方式：单端对地输入双端不对地输入Vs输入通道Vcm信号源干扰源智能仪表单端对地输入：VcmVsZSZi单端对地输入示意图存在公模干扰时如果采用单端对地输入，则共模电压全部转化为串模干扰电压进入仪表。双端不对地输入示意图VcmVSZS1Zcm1Zcm2ZS2AB双端不对地输入：共模干扰电压Vcm在仪表的输入端A、B端形成的共模电压计算如下：111()cmAcmscmVVZZZ222()cmBcmscmVVZZZ因为：所以可得VAB121122121122()()cmcmABABcmcmscmscmcmcmcmscmscmVVVVVZZZZZZZZVZZZZ其中：Zs1、Zs2为信号源内阻，Zcm1、Zcm2为输入通道的输入阻抗。VcmVSZS1Zcm1Zcm2ZS2AB如果Zs1=Zs2且Zcm1=Zcm2，则VAB=0，不会引入共模干扰。但该条件很难满足，一般地，VAB不等于0，也就是说总存在共模干扰电压。一般地，共模干扰电压总是转化成一定的串模干扰出现在两个输入端之间。121122cmcmABABcmscmscmZZVVVVZZZZ6.1.3数字电路干扰数字电路的元件和元件之间、导线和导线之间、导线和元件之间、导线与结构件之间存在着分布电容。如果某一导体上的信号电压（噪声、干扰电压）通过分布电容使其它导体上的电压受到影响，这种现象称为电容性耦合。6.1.3数字电路干扰例如布线干扰：假设A、B两导线的两端均接有门电路，如下图。当门1输出一个方波脉冲，而受感线(B线)正处于低电平时，则会对门4的输出产生影响。`AB门1门3门2门4CADCABCBDR6.1.3数字电路干扰可以从示波器上观察到如下图所示的波形（干扰脉冲）。`AB门1门3门2门4CADCABCBDRVAVOHVOLt(a)门1输出VBVTVOLt(b)门4输入t1VOHVOLt(c)门4输出6.1.3数字电路干扰另外还有：电容耦合干扰由印刷电路板电源线与地线之间的开关电流和阻抗引起的干扰元器件的热噪声静电感应噪声等等6.1.4电源干扰电源干扰主要有以下几种：•同一电源系统中的可控硅器件通断时产生的尖峰，通过变压器的初级与次级间的电容耦合，在直流电源中产生干扰。•附近的断电器动作时产生的浪涌电压，由电源线通过变压器的初级与次级间的电容耦合产生的干扰。•共用同一电源的附近设备接通或断开时产生的干扰。6.2硬件抗干扰措施6.2.1串模干扰的抑制6.2.2共模干扰的抑制6.2.3过程通道的抗干扰6.2.4电源与电网干扰的抑制6.2.5地线系统干扰的抑制串模抑制比NMR——衡量串模干扰的抑制能力。120lg()nmnmVNMRdBV其中：Vnm——串模干扰电压。Vnm1——仪表输入端由串模干扰引起的等效差模电压。(1)串模干扰抑制的基本概念6.2.1串模干扰的抑制例如：假设有效信号的动态范围为30mV，要求测量准确度为0.1%，则串模干扰必须被抑制到0.03mV以下，即Vnm1≤0.03mV。则应做到一般要求NMR大于等于40~80dB。(1)串模干扰抑制的基本概念)(6003.030lg20dBNMR(2)串模干扰的抑制方法•采用滤波器，要求：串模干扰频率与被测信号频率不同。主要采用的滤波器有：高通滤波器：串模干扰频率被测信号频率低通滤波器：串模干扰频率被测信号频率带通滤波器：串模干扰频率落在被测信号频率两侧带阻滤波器：串模干扰频率落在被测信号频率中间智能仪表中，主要的抗串模干扰措施是利用低通滤波器常用的低通滤波器有RC滤波器、LC滤波器、双T滤波器、有源滤波器，见下图。(a)(b)RCC1LC2RRC2CR/2CR1R2C1C2(c)(d)滤波器原理图RC滤波器优点：结构简单，成本低，不需调整缺点：NMR不高，需要2~3级才能达到需要的NMR指标。时间常数较大，影响放大器的动态特性。LC滤波器优点：NMR比较高缺点：需要绕制电感，体积大、成本高双T滤波器特点：对固定频率的干扰具有很高的NMR，但偏离该频率后抑制比迅速减小。主要滤除工频干扰，对高频干扰无能为力，调整麻烦有源滤波器特点：可获得较理想的频率特性，但对仪表输入级来说，有源器件的共模抑制比不能满足要求，其本身还可能带来较大噪声。仪表的输入滤波器一般采用2级RC低通滤波器输入信号输入通道75757575500500屏蔽层两级RC滤波电路•对于主要来自电磁感应的串模干扰，尽可能早的对被测信号进行前置放大，提高回路中的信噪比；或者尽可能早地完成模/数转换，或采取隔离和屏蔽措施。•从选择器件（双积分形A/D）入手，可以采用高抗扰度逻辑器件，通过提高阈值电平抑制低噪声的干扰；采用低速逻辑器件来抑制高频干扰；人为地通过附加电容器，降低某个逻辑电路的工作速度来抑制高频干扰。6.2.2共模干扰的抑制(1)共模干扰抑制的基本概念共模抑制比CMR——衡量共模干扰的抑制能力。120lg()cmcmVCMRdBV其中：Vcm——共模干扰电压。Vcm1——仪表输入端由共模干扰引起的等效电压。(2)共模干扰的抑制方法共模干扰是智能仪表常见的干扰源，常见的抑制共模干扰的方法有：•采用双端输入的运算放大器作为输入通道的前置放大器。如下图：VcmVSZS1Zcm1Zcm2ZS2AB双端输入•利用变压器或光电耦合器把“模拟地”与“数字地”隔离开（即把模拟负载和数字信号隔离开），被测信号通过变压器或光电耦合器构成通路，而共模干扰由于不成回路而得到有效的抑制。Vs变压器或光耦输入通道输入隔离•采用浮地输入双层屏蔽放大器来抑制共模干扰：利用屏蔽方法使输入信号的“模拟地”浮空，达到抑制共模干扰的目的。ABRCIcm1Icm2Z1Z2ZsVsVcm模拟地内屏蔽外屏蔽(机壳)浮地输入双层屏蔽放大器6.2.3过程通道的抗干扰过程通道直接与对象相连，是干扰串入的渠道之一。切断渠道的方法：去掉对象与过程通道之间的公共地线，实现彼此电隔离以抑制干扰。隔离常采用的器件有：变压器、光电耦合器(1)隔离器件——光电耦合器•光电耦合器原理：光电耦合器原理•光电耦合器具有强抗干扰能力的原因：①光电耦合器的输入阻抗很低，而干扰源的内阻一般很大。根据分压原理，分到光电耦合器输入端的噪声就很小。由于其所提供的能量很小，只能形成很微弱的电流。而光电耦合器输入部分的发光二极管，只有在通过一定强度的电流时才能发光；输出部分的光敏三极管只在一定光强下才能工作。电压幅值很高的干扰，由于没有足够的能量不能使二极管发光，从而得到有效抑制。②输入回路与输出回路之间的分布电容很小，绝缘电阻又非常大，回路一边的各种干扰噪声很难通过光电耦合器馈送到另一边去。③输入回路与输出回路之间是光耦合的，又是在密封条件下进行的，因此不会受到外界光的干扰。注意：光电耦合器的输入部分与输出部分必须分别采用独立的电源，如果两端共用一个电源，则隔离作用失去意义。KR1R2D1D2D3D4C1C2R3RLTTL+5V采用交流电源的开关量输入隔离电路(2)开关量输入输出通道的抗干扰开关量输出电路直接控制动力设备的启停，由它引入的干扰比较强烈。隔离方式有：•继电器隔离：继电器触点的负载能力大，能直接驱动动力回路。采用继电器隔离输出时，在输出锁存器与继电器之间要使用驱动器。继电器的响应延迟时间需要几十毫秒，因此用于对响应速度要求不是很高的启停操作。•光电耦合器隔离：采用光电耦合器隔离，不需要使用驱动器，使用一般的三态门即可。光电耦合器的延迟时间较短，用于对启停操作的响应时间要求很高的输出控制。(3)模拟量输入/输出通道的抗干扰模拟量I/O电路与外界的电气隔离可用安全栅来实现。它的输入输出信号都是标准电信号。经过安全栅处理后，能够防止一些故障性的干扰损害智能仪表。但是，一些强电干扰还是会经此途径或其他的一些途径，从模拟量输入、输出电路窜入系统。所以，一般在设计智能仪表的输入、输出回路时都要加隔离措施。必须对所有的信号(包括数字量信号、控制信号、状态信号)全部隔离，使得两边没有任何电器上的联系。模拟量信号的有效状态有无数个，所以叠加在模拟量信号上的任何干扰都有实际意义，都会对仪表产生干扰。数字量信号的状态只有两个，因此，叠加在数字量信号上的干扰只有在幅度和宽度都达到一定量值时才能起到作用。这说明抗干扰屏蔽的位置越往外推越好，最好能推到模拟量的入、出口处。理论上：模拟量输入通道：隔离器件应设置在A/D电路模拟量输入的位置上。模拟量输出通道：隔离器件应设置在D/A电路模拟量输出的位置上。光电耦合器件设置在这两个位置上，就要求其必须具有线性变换和传输的特性。但条件不允许。目前用的较多的是逻辑光耦。抗干扰屏蔽就应该设置在最先遇到的开关信号的工作位置上。实际上：模拟量输入通道：光电耦合器件应设置在A/D芯片和模拟多路开关芯片这两类电路的数字信号上。模拟量输出通道：光电耦合器件应设置在D/A芯片和模拟多路开关芯片的数字信号上。下面看几个模拟量输入通道的例子。例①：4通道模拟量输入通道的抗干扰电路（P176图6-15）DCLKQINT1＋5V＋5V＋5V＋5V＋5V＋5V＋2V－5V0.1u470K470K0.1uVccC1C1/R1R1VRVREVo1Vo2VxCLK1CLK2OREOCDUVSSVAG1443386421715131112141618357974LS74PC2PC0PC1PA7PA0815574LS244GND1G2GOUT1OUT2INHIN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7(+)(+)(+)(+)(-)(-)(-)(-)+5VAB40528155图具有4个模拟量输入通道的抗干扰A/D转换电路（于8155接口）例②：采用并-串转换技术，把A/D转换结果和必要的标志信号转换成串行数据，以串行方式输入主机，节省光电耦合器件。下图是以A/D芯片7135为主的输入通道与主机8031的连接图。（P177图6-16）要使用移位寄存器。7135输出85CH4014SELP/SCLK111093109QHP/SCLKCH4014QH3+5V+5V+5V+5VP1.6P1.5P1.4