智能仪器设计-12（抗干扰1）

测控技术与仪器专业必修课*智能仪器设计112内容回顾1、仪器自检方式、自检内容2、ROM、RAM、总线等自检方法3、量程自动转换技术的一般要求（测量速度、确定性、安全性）4、看懂量程自动转换电路举例（重点）（重点是：流程图）八、自检与量程自动转换技术※3作业？一台直流数字电压表的输入单元如下图所示，其对应的自动量程转换阈值如下表所示，请回答：（1）对应下表的每一量程，图中的各开关应处于何位置？（Vx标准输出1V）（2）画出自动量程转换的控制流程图，并简述自动量程转换的过程。（以任一量程为例）自动测量技术4自动测量技术量程自动转换程序流程逐档降量程升到最高量程维持现有量程-显示读数第9章抗干扰技术9.1干扰的来源及分类9.2干扰耦合途径9.3硬件抗干扰技术9.4软件抗干扰技术5抗干扰技术6主要知识点汇总1、串模干扰和共模干扰的概念、特点及抑制措施2、干扰的耦合途径3、硬件抗干扰技术（1）常用硬件抗干扰技术种类、特点、实现方法（2）“地”的种类、接地方法4、软件抗干扰技术（1）软件抗干扰都有那些实现方法（2）软件陷阱的定义、实现方法等抗干扰技术9.1干扰的来源及分类干扰的来源外部干扰——环境电磁场、振动、温度、湿度等内部干扰——电路元器件干扰信号回路干扰负载回路干扰电源干扰数字电路干扰干扰产生的影响数据采集误差过大控制状态失灵数据受干扰发生变化程序运行失常干扰的来源和分类78外部干扰与系统结构无关，由使用条件和外部环境因素决定主要有：天电干扰，如雷电或大气电离作用引起的干扰电波；天体干扰，如太阳辐射的电磁波；周围电气设备发出的电磁波的干扰；电源的工频干扰；气象条件引起的干扰；地磁场干扰；火花放电、弧光放电、辉光放电等产生的电磁波。1.外部干扰干扰的来源和分类9外部干扰干扰的来源和分类9102.内部干扰内部干扰由系统的结构布局、线路设计、元器件性质变化和漂移等原因造成主要有：分布电容、分布电感引起的耦合感应；电磁场辐射感应；长线传输的波反射；多点接地造成的电位差引入的干扰；寄生振荡引起的干扰热噪声、闪变噪声、尖峰噪声等。干扰的来源和分类11内部干扰干扰的来源和分类串模干扰是由外界条件引起的、串联叠加在被测信号上的干扰信号，并通过测量仪器的输入端，与被测信号一起进入测量仪器而引起测量误差。串模干扰信号有直流和交流两种。高压输电线与信号线平行敷设的输电线导线中大电流所产生的空间电磁场空间工频电磁场在输入回路中产生的工频感应电势分类来源3.串模干扰干扰的来源和分类12除了从信号线引入的串模干扰外，信号源本身固有的漂移、纹波和噪声，电源变压器不良屏蔽以及稳压滤波效果不良等也会引入串模干扰。串模干扰示意图干扰的来源和分类13串模抑制比用来衡量串模干扰的抑制能力串模抑制比高的系统抗干扰能力强。对于智能仪器，一般要求NMRR≥40～80dB。

式中串模干扰电压

系统输入端由串模干扰电压转化成的等效差模干扰电压*干扰的来源和分类14干扰的来源和分类15共模电压(commonmodevoltage):在每一导线和所规定的参照点之间（大地或机架）出现的相量电压的平均值，或者说同时加在电压表两测量端和规定公共端之间的那部分输入电压。差模电压(differentialmodevoltage)：一对导线上电压的差值。共模干扰是指输入通道两个输入端上（如信号线和信号地）共有的干扰电压。来源由于被测信号地和仪器地之间电位不等,两个地之间的电位差就成为共模干扰源。共模干扰示意图4.共模干扰干扰的来源和分类16用来衡量共模干扰的抑制能力共模抑制比

采用双端差分放大器作为智能仪器前置放大器，通过设计可使CMRR≥40～80dB。

干扰的来源和分类17其中，Ucm是共模干扰电压，Un是由Ucm转化成的等效差模干扰电压，Uo是输出电压，Aud是差模信号放大倍率，Auc是共模信号放大倍率如果此时ZS1=ZS2且Zc1=Zc2，则VAB=0，表示不会引入共模干扰；实际上无法满足上述条件，只能做到ZS1接近ZS2，Zc1接近Zc2。干扰的来源和分类18（a）直流信号；（b）串模干扰；（c）共模干扰；（d）串模干扰与共模干扰共同作用串模干扰与共模干扰干扰的来源和分类19209.2干扰的耦合途径电容耦合磁场耦合公共阻抗耦合传导耦合辐射耦合漏电耦合干扰的耦合途径平行导线分布电容分布电感地线公共阻抗

平行导线的电容耦合及其等效电路当R很大时，设法降低CAB，就能减小VB值。因此，在布线时应增大两导线间的距离，并尽量避免两导线平行。当R很小时，VB正比于CAB、R和信号幅值VS，而且与信号电压频率有关。降低R值就能减小耦合受感回路的噪声电压。1.电容耦合（图中C是导线分布电容，R是对地电阻，Vs是信号电压，VB是感应电压）干扰的耦合途径21(a)门1的输出(b)门4的输入(c)门4的输出干扰脉冲数字电路中布线产生的干扰干扰的耦合途径22干扰的耦合途径23

在印刷电路板上，两条平行导线间的分布电容为0.1～0.5pF/cm，与靠在一起的绝缘导线间的分布电容有相同数量级。

除以上所介绍之外，还有其他一些干扰和噪声。例如：

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。2.磁场耦合两导线间的磁场耦合空间的磁场耦合通过导体间的互感耦合进行，又称电磁感应耦合。在任何载流导体周围空间中都会产生磁场，而交变磁场则对其周围闭合电路产生感应电势。干扰的耦合途径24253.公共阻抗耦合共源阻抗耦合公共阻抗耦合发生在两个电路的电流流经一个公共阻抗时，一个电路在该阻抗上的电压降会影响到另一个电路，从而产生干扰噪声。共地阻抗耦合干扰的耦合途径264.传导耦合*-穿心电容通过导体（导线）将噪声耦合进电路中，最典型的例子是噪声通过电源线传入电路。对这种耦合方式，可采用滤波去耦的方法有效地抑制电磁干扰信号的传入。5.辐射耦合*-无线电能传输发射/接收线圈电磁场的辐射也会造成干扰耦合，是一种无规则的干扰。这种干扰很容易通过电源线传到系统中去。另当信号传输线较长时，它们能辐射干扰波和接收干扰波，称为大线效应。6.漏电耦合*-利兹线电火花所谓漏电耦合就是电阻性耦合，这种干扰常在绝缘降低时发生。干扰的耦合途径9.3硬件抗干扰技术

EMC电磁兼容EMI(电磁干扰)：机器本身在执行应有功能的过程中所产生不利于其它系统的电磁噪声。

EMS(电磁耐受性)：机器在执行应有功能的过程中不受周围电磁环境影响的能力。消除或抑制干扰源破坏干扰的耦合通道消除接收设备对干扰的敏感性采用软件抑制干扰抑制干扰和噪声的基本措施硬件抗干扰技术27可以作为隔离开关量/数字信号或模拟信号使用输入部分和输出部分必须分别采用独立的电源1.隔离技术（1）光耦隔离硬件抗干扰技术28（2）继电器隔离继电器的线圈和触点之间没有电气上的联系，可利用继电器的线圈接收电气信号，从而避免强电和弱电信号之间的直接接触，实现了抗干扰隔离，常用于开关量输出，以驱动执行机构。继电器隔离技术硬件抗干扰技术29（3）变压器隔离对于一般的交流信号，可以用普通变压器实现隔离，如交流电压/电流互感器。下图表明了一个由CMOS集成电路完成的交流电流检测电路。变压器隔离技术硬件抗干扰技术30（4）隔离放大器隔离放大器是一种特殊的测量放大电路，其输入、输出和电源电路之间没有直接电路耦合，即信号在传输过程中没有公共的接地端。⑴按隔离模式分类：①两口隔离：指信号输入部分和信号输出部分欧姆隔离，采取其它措施进行电源隔离。②三口隔离：指输入、输出和供电三部分彼此欧姆隔离。⑵按隔离方法分类：①变压器隔离（电磁隔离）②光电隔离③电容隔离硬件抗干扰技术3132集成光耦（速度/转换时间）BBISO100、ISO130、3650、3652HPHCPL7800/7800A/7800B、HCNR201*ToshibaTLP521-1、TLP521-2、TLP521-4FairchildHCPL-2530,HCPL-2531变压器耦合（内置DC/DC变换器）BBIS0212、ISO213ADAD202，AD204、AD210、AD215、ADUM1200常用集成光耦/变压器耦合隔离放大器*数据采集技术33隔离放大器变压器隔离放大器：AD202硬件抗干扰技术34抗干扰工控机测量系统信号隔离电路原理图隔离放大器实例数据采集技术模拟信号隔离如何实现？35硬件抗干扰技术①线性光耦隔离36②在A/D转换信号后加光耦隔离硬件抗干扰技术372.滤波器技术模拟滤波器技术硬件抗干扰技术

在选择电阻和电容参数时除了要满足串模抑制比指标外，还要考虑信号源的内部阻抗，兼顾共模抑制比和放大器动态特性的要求，因此常用