传感与检测技术课件：ch24-检测系统抗干扰技术

1、 第24章 抗干扰技术和检测系统设计124. 检测系统抗干扰技术24.0 概述干扰(噪声)：测量中来自检测系统内部和外部、影响测量装置或传输环节正常工作和测试结果的各种因素的总和。抗干扰技术：消除或削弱各种干扰影响的全部技术措施总称，或称为防护。抗干扰的重要性：测量过程中常会遇到各种干扰。干扰的普遍存在，使任何检测系统的检测结果总是达不到百分之百的准确度，严重的干扰甚至使检测系统不能正常工作。因此，在设计、制造和使用检测系统的过程中，都不能回避干扰的影响，尤其是高精度的检测系统，必须通过分析干扰的产生原因、引入方式及作用途径来设法有效排除和抑制干扰。形成干扰的三要素: 干扰源、干扰通道和受感系

2、统。224.1 干扰的类型与产生24.1.1 干扰的类型及一般对策 在工业现场和环境中有各种各样的干扰。根据来源，干扰分为内部和外部干扰；按产生原因，干扰分为以下类型。(1)电和磁干扰对传感器与检测仪表最为普遍和影响最严重的干扰，它主要由自然和周围环境中的电气、电子和通信设备产生。 (2)机械干扰普遍存在，主要是使用环境中存在振动和冲击现象。主要应对措施是减振，如采用弹簧减振、减振软垫及隔板等措施。 (3)热干扰普遍存在，由自身能量消耗所产生的热和环境中的热辐射源或高温体引起。工程上通常采取热屏蔽、恒温法、对称平衡结构和温度补偿元件等方法进行抑制。324.1 干扰的类型与产生24.1.1 干扰

3、的类型及一般对策(4) 光干扰普遍存在，主要由环境和照明光源差生。对于具有光敏作用的元件，要注意光的屏蔽问题。(5) 湿度干扰 普遍存在，主要是自然或生产环境的水蒸气引起。应对措施是避免将检测装置放置在潮湿处，仪器装置定时通电加热去潮，电子器件和印刷电路浸漆或用环氧树脂封灌等。 (6) 化学干扰主要由环境中的气体或液体引起。必须根据使用环境对仪器设备采取防腐措施，将关键器件密封并保持仪器设备清洁。(7) 射线辐射干扰来自自然环境或生产环境。应对措施主要是屏蔽。424.1 干扰的类型与产生24.1.1 干扰的产生1）外部干扰指那些与系统结构无关，由使用条件和外界环境决定的干扰，主要由于自然现象或

4、周围环境中的各种设备装置产生。(1) 自然干扰 由大气层发生的自然现象所引起的干扰以及来自宇宙的电磁辐射统称为自然干扰，如雷电、大气低层电场的变化，电离层变化，太阳黑子的电磁辐射，水蒸气、雨雪、砂尘、烟尘作用的静电放电，地磁场等。(2) 电气设备干扰 电气设备产生的干扰包括放电干扰、工频干扰、开关干扰及射频干扰等。 (a) 放电干扰：放电现象包括电晕放电(如高压输电线)，辉光放电(如荧光灯、霓虹灯、闸流管)，弧光放电(如电焊)，火花放电(如点火系统)。 524.1 干扰的类型与产生24.1.1 干扰的产生1）外部干扰(2) 电气设备干扰(b) 工频干扰：供电设备和输电线是工频干扰源，这种干扰随

5、处可见。 (c) 射频干扰：无线电广播、电视、通信设备、雷达通过天线发射强烈的电波，高频加热器也会产生射频辐射。这类干扰的频带有限且可知，选择合适的滤波器即可消除。2）内部干扰系统内部各种元器件、信道、负载、电源等引起的干扰。因设备内部有不良设计或某些器件工作如整流而形成干扰。内部干扰有热电势、热噪声、信号耦合、工频纹波等造成的长期干扰和转接过程、微音干扰、压电效应等形成的瞬时干扰。624.1 干扰的类型与产生24.1.1 干扰的产生2）内部干扰常见内部干扰有信号通道干扰、电源干扰和数字电路干扰。（1）信道干扰检测系统的信号采集、数据处理与执行机构的控制等都离不开信号通道。信号通道形成的干扰主

6、要有：共模干扰、静电耦合干扰、传导耦合干扰 （2）电源干扰对于电子、电气设备，电源干扰较为普遍。实用的检测系统大多由工业电网供电。工业系统中的某些大设备的启、停等都可能引起电源的过压、欠压、浪涌、下陷及尖峰等。（3）数字电路引起的干扰数字集成电路逻辑门的直流电流一般为mA级。在频率较低时对此问题考虑不多，但在高速采样及信道切换等场合，即当电路处在高速开关状态时，会形成较大的干扰。724.1 干扰的类型与产生24.1.2 干扰信号的耦合方式耦合(引入)方式：干扰信号进入电路或测量装置内的途径。干扰是一种破坏因素，但它必须通过一定的传播途径才能影响到测量系统。对干扰的引入或传播进行必要的分析，切断

7、或抑制耦合通道，采取使接收电路对干扰不敏感或使用滤波等手段，有效地消除干扰。分析研究的方法：先分清干扰源、被干扰系统及干扰源和被干扰系统间的耦合方式，明确干扰性质，再采取相应抗干扰措施.主要耦合方式：静电电容耦合、电磁耦合、共阻抗耦合及漏电流耦合。824.1 干扰的类型与产生24.1.2 干扰信号的耦合方式1) 静电电容耦合产生原因：任何两个绝缘的导体之间都存在电容（分布或寄生）。由于两个电路之间存在电容，产生静电效应，使一个电路的电荷变化影响到另一个电路。例如平行导线间存在静电耦合，导线1和2分别是干扰源和检测系统的传输线，Cl和C2分别为导线1、2的对地寄生电容。根据电路理论，一般有：VN

8、= jwRC12V1。式中， VN为导线2上产生的对地干扰电压；Vl，分别为干扰源电压及其角频率；R为导线2的对地电阻；C12为导线1和2之间的寄生电容。924.1 干扰的类型与产生24.1.2 干扰信号的耦合方式1) 静电电容耦合 上式表明干扰电压VN与干扰源的电压及角频率成正比。可知：高电压小电流的高频干扰源主要通过静电耦合形成干扰；干扰电压VN与C12成正比，因此，通过合理布线(包括加大导线间的距离)和适当防护措施可减小电路之间的寄生电容；干扰电压VN与R成正比，因此，降低接收电路的输入阻抗，可减小静电耦合干扰。 1024.1 干扰的类型与产生24.1.2 干扰信号的耦合方式2)电磁耦合

9、(电感性耦合)产生原因：由于电路之间存在互感，一个电路的电流变化，通过磁交变影响到另一个电路，如图所示。导线1为干扰源，导线2为检测系统的一段电路，两导线间的互感系数为M。当导线1中电流Il变化时，根据电路理论，通过电磁耦合在导线2上产生的干扰电压为：VN= jwMI1。 可知：干扰电压与干扰源的电流及角频率成正比，与互感系数成正比。对电磁干扰，降低接收电路输入阻抗，并不减小干扰。应尽量采取远离干扰源或设法降低M等措施，也可采用导线绞合或屏蔽措施，屏蔽部分应正确接地。图 电磁耦合1124.1 干扰的类型与产生24.1.2 干扰信号的耦合方式3)共阻抗耦合产生原因：由于两个电路间有公共阻抗，当一

10、个电路中有电流流过时，通过共阻抗便在另一个电路上产生干扰电压。 一般情况下，共阻抗耦合可用下图所示电路表示。图中ZC为两电路之间的共有阻抗，In为干扰源电流，VN为产生的干扰电压，则有： VN =In ZC 可见，消除共阻抗耦合干扰的核心是消除两个或几个电路之间的共阻抗。1224.1 干扰的类型与产生24.1.2 干扰信号的耦合方式4) 漏电流耦合 由于绝缘不良，流经绝缘电阻R的漏电流作用于有关电路所引起的干扰称为漏电流耦合。 一般情况下，漏电流耦合可用下图所示等效电路表示。图中V1表示干扰源电动势，R表示漏电阻，Zi表示被干扰电路的输入阻抗，VN表示干扰电压可得： 漏电流常发生在：用仪表测量

11、较高幅值的直流电压、在测量仪表附近有较高的直流电源场合或在高输入阻抗的直流放大器中。要削弱漏电流干扰必须改善绝缘性。1324.1 干扰的类型与产生24.1.3 干扰信号引入测量电路的方式 各种干扰源对检测系统产生的干扰，必然是通过各种耦合通道进入测量装置，引起测量误差。根据干扰进入测量电路的方式不同，干扰可分为串模干扰与共模干扰。1) 串模干扰串模干扰：干扰电压与有效信号串联叠加后作用到系统上。常见串扰：外部交变磁场对传感器的一端进行电磁耦合；外部高压交变电磁场对传感器的一端进行漏电流耦合。串模干扰的等效电路如图所示。其中，Us为输入信号，Un为干扰信号。抗串模干扰能力用串模抑制比来表示： S

12、MR=20lg(Ucm/Un)式中：Ucm为串模干扰源的电压峰值； Un为串模干扰引起的误差电压。Un检测系统Us 1424.1 干扰的类型与产生24.1.3 干扰信号引入测量电路的方式2) 共模干扰相对于公共的电位基准点(通常为接地点)，在信号接收器的两个端子上同时出现的干扰。它不直接影响结果，但是，当信号接收器的输入电路不对称时，它会转为串模干扰，对测量结果产生影响。信号通道间可能存在共模干扰，此类干扰可以归纳为下面三类。(1) 由被测信号源的特点产生共模干扰如图所示，具有双端输出的差分放大器和不平衡电桥等不具有对地电位地的形式产生的共模干扰。差模电压=RU/(R+Rt)；共模电压=U/2

13、；1524.1 干扰的类型与产生24.1.3 干扰信号引入测量电路的方式2) 共模干扰(2) 电磁场干扰引起共模干扰 当高压设备产生的电场同时通过分布电容耦合到无屏蔽的双输入线，使之具有对地电位时，或者交流大电流设备的磁场通过双输入线的互感在双输入线中感应出相同大小的电势时，都有可能产生共模电压施加在两个输入端。 如图，若UH很高，通过局部电容CC1，CC2，CC3，CC4耦合到无屏蔽的双输入线上的对地电压是UH在相应电容上的分压值：U1=UHCC1/(CC1+CC3);U2=UHCC2/(CC2+CC4);1624.1 干扰的类型与产生24.1.3 干扰信号引入测量电路的方式2) 共模干扰(

14、2) 电磁场干扰引起共模干扰 当U1=U2时，它们即是共模干扰电压；当U1U2时，则既有共模干扰电压，又有差模干扰电压。下图表示大电流导体的电磁场在双输入线中感应产生的干扰电动势E1及E2也具有相似的性质。即当E1E2时，产生共模干扰；当E1E2时，既产生共模干扰又产生差模干扰电动势En=E1E2。1724.1 干扰的类型与产生24.1.3 干扰信号引入测量电路的方式2) 共模干扰(3) 由不同地电位引起的共模干扰 当被测信号源与检测装置相隔较远，不能实现共同的“大地点”上接地时，由于来自强电设备的大电流流经大地或接地系统导体，使得各点电位不同，并造成两个接地点的电位差Uce，即会产生共模干扰

15、电压，如图所示。图中Re为两个接地点间的等效电阻。1824.2 抑制干扰的常用措施 为保证检测系统正常工作，必须削弱和防止干扰影响，例如消除或抑制干扰源、破坏干扰途径以及削弱被扰对象(接收电路)对干扰的敏感性。通过采取各种抗干扰措施，使系统能稳定可靠工作，从而提高检测精度。目前主要从硬件和软件两方面考虑干扰抑制问题。其中，屏蔽、接地、滤波以及软件抗干扰等是主要方法。24.2.1 屏蔽技术 利用铜或铝等低电阻值材料制成容器，将需防护的部分包起来或利用导磁性良好的铁磁材料制成的容器将需要防护的部分包起来，这种防静电或电磁的相互感应所采用的技术措施称为屏蔽。 屏蔽的目的就是隔断电、磁场的耦合通道。

16、1924.2 抑制干扰的常用措施24.2.1 屏蔽技术(1) 静电屏蔽利用与大地相连接的导电性良好的金属容器，使其内部无电场线，即各点电位相等，同时外部的电场也不影响其内部。 (2) 电磁屏蔽采用良导体材料制成屏蔽层，利用高频干扰电磁场在屏蔽金属内产生涡流，再利用涡流磁场抵消高频干扰磁场的影响，从而达到抗高频电磁场干扰的效果。 (3) 低频磁屏蔽 采用高导磁材料作屏蔽层，将低频磁干扰限制在磁阻很小的磁屏蔽体内，起到抗干扰的作用。(4) 驱动屏蔽利用被屏蔽导体的电位，通过1:1电压跟随驱动屏蔽层导体的电位，实现等电位。2024.2 抑制干扰的常用措施24.2.2 接地技术 通过正确接地，可消除各

17、电路电流流经公共地线阻抗时所产生的噪声电压；避免磁场和地电位差的影响，不使其形成地环路，避免噪声耦合的影响。合理的接地是抑制电容性、电感性及电阻耦合，减小或削弱干扰的重要措施。1) 电测装置的地线类别保安接地：以安防为目的，将装置的机壳、底盘等接地。信号地线：指电测装置中的零电位(基准电位)接地线，但不一定真正接大地。信号地线分为模拟和数字信号地。前者指模拟信号的零电平公共线，后者指数字信号的零电平公共线，两种地线应分别设置。信号源地线：传感器本身的零电位电平基准公共线。 负载接地 2124.2 抑制干扰的常用措施24.2.2 接地技术2) 电路一点接地准则(1)单级电路的一点接地例如，单级选

18、频放大器的原理电路有7条线需接地，若只按原理图要求接线，这7个线端可任意接在接地母线的不同位置。若是这样，不同点之间存在的电位差就可能成为这级电路的干扰信号。所以这7个线端应接在接地母线的同一点。(2)多级电路的一点接地图 多级电路的一点接地a)多级电路的串联接地 b)多级电路的并联接地2224.2 抑制干扰的常用措施24.2.2 接地技术2) 电路一点接地准则(3) 系统内印制电路板的接地基本原则：高频(10MHz)电路就近多点接地；低频(1MHz以下)电路一点接地；在110MHz之间时，如果采用一点接地的方式，其地线长度不应超过波长的1/20。否则，应采用多点接地的方式。原因：低频电路中主

19、要是公共阻抗耦合干扰的影响较大，因此常以一点接地。高频电路中各地线电路形成的环路会产生电感耦合，增加地线阻抗，同时各地线之间会产生电感耦合。在高频、甚高频时，尤其是线长等于1/4波长的奇数倍时，地线阻抗会变得很高，这时的地线就成了天线。所以这时地线长度应小于信号波长的1/2，才能防止辐射干扰，并降低地线阻抗。2324.2 抑制干扰的常用措施24.2.2 接地技术2) 电路一点接地准则(4)测量装置的两点接地一个系统若在两点接地，如传感器现场接地、放大器在主控室接地，因大地各处电位不同，对两点接地电路造成干扰。此时地电位差是共模干扰源。 下例说明两点接地对测量的影响。图中VS、RS为信号电压及内

20、阻，R1、R2为传输线等效电阻，Ri为放大器输入电阻，VG、RG为两接地点的地电位差和电阻。设VG=100mV, RG=0.01, RS=1k, Rl=R2=1，Ri=10k，由R2Rs+Ri+R1可得干扰电压VN=90mV，即地电压大部分都加到放大器输入端，可能使系统无法正常工作。若只在一点如放大器输入端接地，保持信号源与地隔离，上述干扰将下降到uV级。 一点接地可使干扰得到显著抑制。2424.2 抑制干扰的常用措施24.2.2 接地技术5) 检测系统的接地 通常检测系统至少有三个分开的地线，即信号地线、保护地线和电源地线。这三种地线应分开设置，并通过一点接地。如右图所示，这三种地线最后要汇

21、集在一点，再通过专用地线与大地相连，构成系统地线。这是消除共阻抗耦合干扰的重要方法。 系统地线含地线带、接地干线和接地极板。 6）浮置 浮置又称浮空、浮接，是指测量仪表的输入信号放大器公共线不接机壳，也不接大地的一种抑制干扰的措施。 图 各种地线的分开设置2524.2 抑制干扰的常用措施24.2.2 接地技术5）其他接地功率地：这种地线的电流较大，接地线的线径应较粗，且与小信号地线分开，连直流地。 小信号前置放大电路与内存放大电路的地。这种放大电路输入信号微弱，一般以微伏、毫伏计。因此地线更要小心。放大电路本身采用一点接地，不能一个电路多点接地，否则地线中的电位差将对放大电路产生干扰。A/D前

22、置放大电路一般浮空。内存放大电路的印刷电路板上一点入地。这类放大器的地线一定要远离功率地和噪声地(即继电器、电动机等的地)。2624.2 抑制干扰的常用措施24.2.3 其他抑制干扰的措施 抑制干扰除常用的屏蔽、接地、浮置等技术外，还有隔离、滤波、平衡电路等方法。1）隔离 隔离是破坏干扰途径、切断噪声耦合通道，从而达到抑制干扰目的。常用电路方法有变压器隔离和光电隔离。(1)变压器隔离 如图所示，在信号传输通道中接入一个变压器，使信号源和放大器在电气上相互绝缘，断开地环回路，从而切断噪声传输通道，有效地抑制干扰。变压器隔离法适用于一定频率范围内的传输交变信号的电路噪声抑制，但不能传输直流信号或接

23、近直流的低频信号。 2724.2 抑制干扰的常用措施24.2.3 其他抑制干扰的措施1）隔离(2) 光电耦合器隔离方法如图所示。它在电路上接入一个光耦合器，即用一个光耦合器代替上图中的变压器，用光作为信号传输的媒介，则两个电路之间既无电耦合，也无磁耦合，切断了电和磁的干扰耦合通道，从而抑制了干扰。 光电耦合传输信号的精度较差，非线性强，在模拟系统中很少采用。对于数字信号，只需考虑逻辑电平，其电平精度无关紧要，因此在数字系统中普遍采用。图 光电耦合隔离器 2824.2 抑制干扰的常用措施24.2.3 其他抑制干扰的措施1）隔离(2)隔离放大器隔离放大器使输入电路、输出电路、电源电路三者无公共地线

24、，原理如下图所示。这里，输入电路、输出电路、供电电路之间无共地连接，既传输了信号，又避免了接地干扰。 2924.2 抑制干扰的常用措施24.2.3 其他抑制干扰的措施2）滤波 采用滤波器抑制干扰是最有效手段之一，特别是对抑制经导线耦合到电路中的干扰。它是根据信号及噪声频率分布范围，将相应频带的滤波器接入信号传输通道中，滤去或尽可能衰减噪声，达到提高信噪比、抑制干扰的目的。以下为电源净化的滤波技术。(1)交流电源进线的对称滤波器图 高频干扰电压对称滤波电路 图 低频干扰电压滤波电路 3024.2 抑制干扰的常用措施24.2.3 其他抑制干扰的措施2）滤波(2) 直流电源输出的滤波器(3) 去耦滤

25、波器 当一个直流电源同时为几个电路供电时，为避免由电源内阻造成几个电路之间互相干扰，可在每个电路的直流电源进线与地之间加型RC或LC滤波器。 对于一台多级放大器，各放大器之间会通过电源的内阻产生耦合干扰，故多级放大器各级供电必须加RC滤波器。图 高、低频干扰电压滤波器 3124.2 抑制干扰的常用措施24.2.3 其他抑制干扰的措施3）脉冲电路的噪声抑制技术(1) 整形削波器整形: 当噪声电压小于脉冲波峰值，且二者时间上又不重合时，可使混有这种噪声的脉冲波通过削波器。如图所示，使只有高于电压V1(稍高于干扰电压的最大值)的电压信号通过，结果削波器的输出仅保留了脉冲波的峰值部分，滤除了干扰信号。

26、 (a)混有噪声的脉冲波 (b)输入信号经削波器整形 (c)整形后的脉冲波 图 削波器整形3224.2 抑制干扰的常用措施24.2.3 其他抑制干扰的措施3）脉冲电路的噪声抑制技术(1) 整形平滑器整形: 当幅值比脉冲波小的噪声与脉冲波在时间上发生一定的重合，即噪声在脉冲的波谷、波峰都出现时，如图 所示，可使混有这种噪声的脉冲通过平滑器，截出了不受噪声影响的脉冲部分，结果平滑器输出一个与脉冲波完全相似而不含有噪声的波。 (a)输入信号 (b)输入信号经平滑器整形 (c)输出信号图 平滑器整形 3324.2 抑制干扰的常用措施24.2.3 其他抑制干扰的措施3）脉冲电路的噪声抑制技术(2) 积分

27、电路 基于积分电路输出值大小与输入脉冲宽度成比例的理论，使混有噪声的脉冲信号通过一个积分电路，如图所示。由于脉冲的宽度比噪声的宽度大，所以在积分电路输出中其幅值也大，而噪声输出的幅值相对变小，此波形再经整形，即消除噪声的影响。图 积分电路消除干扰脉冲3424.2 抑制干扰的常用措施24.2.3 其他抑制干扰的措施3）脉冲电路的噪声抑制技术(3) 脉冲干扰隔离 利用稳压二极管可组成干扰隔离门，阻挡幅值较小的干扰脉冲通过，允许幅值较大的脉冲信号通过。 下图是利用硅二极管组成的脉冲隔离门，它是利用硅二极管正向压降比较高的特征，使幅值小于脉冲信号、时间上又不重叠的噪声干扰得到限制。 图 脉冲隔离门 3

28、524.2 抑制干扰的常用措施24.2.3 其他抑制干扰的措施3）脉冲电路的噪声抑制技术(4) 与门 由同一脉冲源来的信号Vi及与它同步的参考信号Vx分别作为与门的两个输入。设Vi中混有噪声。因Vx与Vi中的脉冲在时间上完全同步、同频率、同相位，当这两个信号同时作用于与门时，门被打开，脉冲信号通过。 噪声干扰与参考信号不完全同步，存在相位差，不会同时作用于与门，噪声不能通过与门，使与门只输出所需脉冲，滤去了噪声。图 用与门抑制脉冲信号中的噪声干扰3624.2 抑制干扰的常用措施24.2.3 其他抑制干扰的措施4）布线抗干扰措施 在检测系统中，印制板上电力线、信号线等线路的布局、板上器件空余管脚

29、安排、测试设备与仪器仪表的信号传输线的连接等，都是实际应用中要考虑的问题。（1）走线原则 在长线传输中，为了防止窜扰，行之有效的办法是采用交叉走线法。长线传送时，应遵循功率线、载流线和信号线要分开，电位线和脉冲线分开的原则。在传送050mv的小信号时，更应该如此。 电力电缆最好用屏蔽电缆，并且单独走线，与信号线不能平行，更不能将电力线与信号线装在同一电缆中。3724.2 抑制干扰的常用措施24.2.3 其他抑制干扰的措施4）布线抗干扰措施（2）元器件空余输入端的处理 电路设计中常常会出现器件管脚空余的现象，一般不能将这些管脚随意处置，特别是元器件空余输入端，处理不好往往可能造成较大的干扰输入，

30、所以应采取一定的处理方法，以降低干扰。实践中常采取如下方法： 把空余的输入端与使用输入端并联。这种方法简单易行，但增加了前级电路的输出负担； 把空余的输入端通过一个电阻接高电平。这种方法适用于慢速、多干扰的场合； 把空余的输入端悬空，用一反相器接地。这种方法适用于要求严格的场合，但多用了一个组件。3824.2 抑制干扰的常用措施24.2.3 其他抑制干扰的措施4）布线抗干扰措施（3）数字电路的抗干扰措施 每个数字电路组件上都有高频去耦电容，一般为0.010.02F。这些电容的放置应充分靠近集成块，且不应集中在印刷板上每一端。每块印刷板上的电源输入端也应加10100F的去耦电容。直流配电线的引出

31、端也应尽可能地做成低阻抗传输线的形式。 快速逻辑电路会产生高频干扰，这些电路应按高频电路处理。所有装有大量逻辑电路的印制板，都必须有良好的接地。实际设计中，这个地可以是低阻泄流排，或者是印制板上大面积的铜箔作接地，其接地面积应占印制板面积的60以上。这个接地面可对供电回路提供一个低感回路。并可为信号交连电路提供一个阻抗固定的线路。此外，应检查印制板的接地是否接触良好、可靠。3924.2 抑制干扰的常用措施24.2.3 其他抑制干扰的措施4）布线抗干扰措施（3）数字电路的抗干扰措施 各种逻辑电路产生噪声的程度不同，其中TTL(晶体管-晶体管逻辑电路)产生的噪声最大，而HTL(高阈值逻辑电路)产生

32、的噪声最小。一般，开关速度越快，噪声越大(ECL除外，其电路的供电电流，在导通和截止时都一样，在门的开关中，电流变化率为0，因此产生的噪声低)。另外，门电路的速度与传播延时成比例，ECL(发射极耦合逻辑电路)的速度最高，HTL最慢。通常TTL的速度较ECL略低，但噪声却大10倍。 数字电路对噪声敏感。RTL(电阻晶体管逻辑电路)对噪声极为敏感，而HTL和CMOS最不敏感。40检测系统设计（选讲）24.3 检测系统设计的一般步骤24.4 检测系统的组建原则与性能评价24.5 传感器的选用原则4124.3 检测系统设计的一般步骤（选讲）1）确定被测量 设计检测系统，先要确定被测量，包括被测量的状态

33、、性质、动态范围和变化频率等因素。所确定的被测量必须是:最能反映问题本质规律性的量, 具有可测性和易测性。2）拟定检测方案 拟定检测方案是设计工作的重要内容。对一个物理量，可采用多种检测方案，应将能考虑到的所有方案都列出，画成方案框图，通过比对和方案论证，选出最优方案。拟订方案涉及四个步骤： 确定系统的工作带宽；根据被测量特征或外部效应，选择相应的物理规律；推导出计算公式、关系式；设计有关机构和装置。4224.3 检测系统设计的一般步骤3）构造检测系统在构造检测系统中主要有以下四个步骤：选择合适的传感器；设计或选用检测电路(放大、滤波、整形、隔离等)；选择记录、显示及存储设备；选择主控器(单片

34、机及工控机等)进行数据处理与分析，编制相应软件。4）考虑环境，采取抗干扰措施 分析检测系统工作环境的具体情况并确定存在的干扰源，采取一定的抗干扰措施使其在工作环境中准确并可靠工作。4324.3 检测系统设计的一般步骤5）进行实验以改进检测系统的性能 对检测系统进行实验，包括对检测系统的动态特性验证。分析检测系统的动态特性，判断其频率响应是否满足检测误差要求。要求系统的工作带宽应覆盖被测信号的有效带宽，以保证测得信号的动态响应误差在允许范围内。利用测试结果和系统的传输特性，分析被测信号精度。若实验后不能满足要求，应从第二步起进行检查修改，直到结果满足要求。4424.4 检测系统的组建原则与性能评

35、价（选件） 自动检测系统由传感器、检测电路、计算机数据采集与处理等多环节组成。设计时，应考虑系统性能设计指标与各组成环节性能指标的关系，合理分配误差，以最低成本、最简实施方案获得最佳系统静态和动态性能指标目标。24.4.1 检测系统的组建原则 将传感器、检测电路和数据采集系统组建为检测系统的基本原则: 使检测系统的基本参数、静态和动态性能均达到预定要求。 组建过程中预估工作非常重要，预估工作是根据对检测系统规定的参数指标要求，选择和确定系统各环节。正确的预估表现在：根据预估确定的环节组成检测系统后，经过标定实验，评定性能能达到规定要求，同时测算系统的总成本最低。预估过程是一个反复设定、权衡调整

36、直至最后确定的过程，属于误差分配问题。 4524.4 检测系统的组建原则与性能评价24.4.1 检测系统的组建原则 以下图所示基本检测系统为例，讨论组建检测系统的基本方法。 图中的环节P1代表传感器；P2代表检测电路；P3代表数据采集系统的核心即具有采样/保持器的A/D转换器。这里, 检测电路为最简单的信号调理放大器。图中传感器和放大器的频率特性分别为H1(j)和H2(j)。图11-1 基本检测系统 4624.4 检测系统的组建原则与性能评价24.4.1 检测系统的组建原则1）基本参数的预估 包括分辨力和量程的预估。 设检测系统总灵敏度为S，可用下式表示。预估：按系统的精度与量程及工作环境等要

37、求，先确定传感器类型及其灵敏度；再按系统要求(由量程及精度指标得到)确定ADC的分辨力；最后，根据ADC的量程与传感器的输出范围确定放大器的增益。式中，传感器的灵敏度；，放大器的增益； ，A/D转换器的分度值。4724.4 检测系统的组建原则与性能评价24.4.1 检测系统的组建原则 2）动态性能的预估(1) 模拟部分 传感器与放大器各自的频率特性分别为因此，模拟部分总的频率特性为故动态幅值误差为式中，| H(jw) | = | H1(jw) | | H2(jw) |； | HN(jw) | = | H(0) |，为执行信号传递功能的理想频率特性。4824.4 检测系统的组建原则与性能评价24

38、.4.1 检测系统的组建原则 2）动态性能的预估(1) 模拟部分 一般传感器为一阶或二阶系统，放大器为一阶系统。当传感器与放大器均为一阶系统时，动态幅值误差为: 式中，1传感器的时间常数；2放大器的时间常数，放大器的带宽为fb， ,则2=1/(2fb).将所选1和2代入式(11-6)，应使= 2fmax时满足允许值，例如: |5%.4924.4 检测系统的组建原则与性能评价24.4.1 检测系统的组建原则 2）动态性能的预估(2) 数字部分 数字部分与动态误差有关的器件指标是ADC的转换时间Tc、采样/保持器的孔径时间TAP与孔径抖动时间TAJ。 若不用采样/保持器，在保证ADC的转换误差不大

39、于量化误差的条件下，被测信号的频率最大值式中，nADC的位数。 若上述条件不能满足，则需在ADC前加采样/保持器。一般，TAP的延时影响可通过软件提前下达指令的措施消除，故被测试信号的频率最大值5024.4 检测系统的组建原则与性能评价24.4.1 检测系统的组建原则 3）静态性能的预估 预估静态性能是按总误差的限定值，对组成系统的各环节进行误差分配。这是一个从误差预分配、综合调整、再分配、再综合调整直至选定环节的静态性能满足系统性能要求的过程。以一个压力检测系统为例，确定其传感器、放大器及数据采集系统的静态性能，精度指标要求在2015环境温度内达到1.0级。 根据系统的灵敏度可得系统输出：y

40、=S1S2S3x 可得：dy/y=dS1/S1+dS2/S2+dS3/S3+dx/x 由于x是被测量，其误差不属于检测系统本身的误差，所以不予考虑。5124.4 检测系统的组建原则与性能评价24.4.1 检测系统的组建原则 3）静态性能的预估 由上式得：y=1+2+3式中r1, r2, r3分别是三个环节的相对误差, i=dSi/Si； y=dSy/Sy 上式用于已知各环节误差的大小和方向时的误差综合，适用于系统误差。 对于以计算机为核心的自动检测系统，由各环节的系统误差产生的整机系统误差可通过标定实验数据进行修正。 因此，在对静态性能进行预估时可只关心变化的系统误差(系统不确定度)和随机误差

41、(随机不确定度)。5224.4 检测系统的组建原则与性能评价24.4.1 检测系统的组建原则(1)传感器的预选设传感器参数如下: 量程Lx=2.5x105Pa; 灵敏度Sl=1.x10-6V/Pa; 迟滞误差H=.2%; 重复性误差R=.2%; 电源波动系数E=.1%; 零位温漂0=4.9x10-6V/; 灵敏度温漂S=5.1x10-10V/Pa；工作温度范围为2015。 迟滞引起的随机不确定度为：式中，Lu1传感器输出电压u1的范围。 重复性引起的不确定度为:电源波动引起的随机不确定度为5324.4 检测系统的组建原则与性能评价24.4.1 检测系统的组建原则(1)传感器的预选 零位温漂引起

42、的系统不确定度为: eT0= aoT= (4.910-6V/) 15=0.074mV 满量程下灵敏度温漂引起的系统不确定度为: eTS=aS TLx=(5.110-10V/Pa)152.5105Pa=1.9mV 最后，采用方和根法求出传感器输出电压u1的随机不确定度和系统不确定度的叠加，即综合不确定度为 上式也可表示成引用误差的形式，即:5424.4 检测系统的组建原则与性能评价24.4.1 检测系统的组建原则 (2)A/D 转换器的预选 由于系统精度的要求为1.0级，据此可初选8位A/D转换器。8位A/D转换器的分辨率约0.4，能分辨小于系统要求的引用误差(1.0)对应的量值，可认为满足要求

43、。另外，A/D转换器的误差主要来自量化误差。对于8位A/D转换器，量化误差为:式中， y(S3)A/D转换器环节所造成的输出y的误差； LyA/D转换器的输出范围。 5524.4检测系统的组建原则与性能评价24.4.1 检测系统的组建原则 (3) 放大器的预选 根据系统的灵敏度，可得y=S2S3u1，因此传感器误差对输出y的影响为：式中，gy(S1)S1传感器环节造成输出y的综合不确定度。 根据前面确定的传感器与系统的综合不确定度相对值，并注意到Ly=S2S3Lu1可得到： gy(S1)=S2S3x0.82%xLu1=0.82%Ly另外，根据串联系统的灵敏度，可得y=S3u2，放大器误差u2对输出y的影响y(S2)为：5624.4 检测系统的组建原则与性能评价24.4.1 检测系统的组建原则 (3) 放大器的预选 设放大器的引用误差为qu2 =u2/ Lu2，代入上式得： y(S2)=S3qu2Lu2=qu2Ly 由于检测系统要求输出y的引用误差qy 1，即输出y的综合不确定度为： 将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为0.5级。 综合以上分析，采用所选传感器 (引用误差0.82) 、所选放大器 (引用误差小于0.5)和所选A/D转换器(引用误差为0.2)可实现整机精度为1.0级