《智能仪器设计 》课件-12抗干扰

测控技术与仪器专业必修课*智能仪器设计授课人：宋凯单位：电气学院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2级阻容低通滤波网络作为输人通道的滤波器。两级阻容低通滤波网络硬件抗干扰技术38

该滤波器的时间常数小于200ms，可使50Hz的串模干扰信号衰减至1/600左右。当被测信号变化较快时，应当相应改变网络参数，以适当减小时间常数。各式各样电容云母电容电解电容直流支撑电容穿心电容法拉电容聚苯电容薄膜电容三端可调电容器胆电容校正CBB电容独石电容高频谐振电容硬件抗干扰技术39测控技术与仪器专业必修课*智能仪器设计授课人：宋凯单位：电气学院401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41抗干扰技术42内容回顾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43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44459.2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46（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47（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48（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49502.滤波器技术模拟滤波器技术硬件抗干扰技术513.屏蔽技术静电屏蔽：在静电场作用下，导体内部各点等电位，利用铜、铝等低阻导电材料，做成接地金属容器，隔离内外部电力线，消除静电耦合。磁屏蔽：导体层以涡流方式消耗高频干扰磁场的能量，利用一定厚度铁磁材料（硅钢、坡莫合金、铁氧体、铝板）制成容器。电磁屏蔽：用导电良好的金属材料（铜箔,铝箔/板）做成的接地电磁屏蔽层，同时起到磁屏蔽和静电屏蔽两种作用：屏蔽导线、屏蔽电缆。+QAB硬件抗干扰技术5152（1）静电屏蔽静电屏蔽指的是对静电场的屏蔽静电屏蔽要求屏蔽体必须接地静电屏蔽的一般方法是在电容耦合通道上插入一个接地的金属屏蔽导体由于金属屏蔽导体接地，其中的干扰电压为零，从而隔断了电场干扰的原来耦合通道硬件抗干扰技术53（2）磁屏蔽低频磁屏蔽是用来隔离低频(主要指50Hz)磁场或固定磁场(也称静磁场，其幅度、方向不随时间变化，如永久磁铁产生的磁场)对于低频磁场的屏蔽，主要依赖高导磁率材料所具有的小磁阻起磁分路作用硬件抗干扰技术54磁屏蔽措施为了有效地进行低频磁屏蔽，屏蔽层材料要选用诸如坡莫合金之类对低磁通密度有高导磁率的铁磁材料，同时要有一定的厚度以减小磁饱和由铁氧体压制成的罐形磁芯可作为磁屏蔽使用，并可以把它和电磁屏蔽导体一同使用为提高屏蔽效果可采用多层屏蔽。第一层用高导磁率的铁磁材料，以充分发挥其屏蔽作用；第二层用低导磁率的铁磁材料，作用是使场强降低某些高导磁材料，如坡莫合金经机械加工后，其导磁性能会降低。因此用这类材料制成的屏蔽体在加工后应进行热处理硬件抗干扰技术磁性材料磁性元件吸收磁珠：用于抑制PCB板高频传导干扰夹式磁环：安装方便，用于设备EMI结构优化扁平吸收环：用于数据总线、数字信号线滤波非晶材料烧结铁氧体TVS管：作为尖峰抑制器使用粉芯材料Ni－Mn软磁材料硬件抗干扰技术55电感线圈的品质因数为

Q=ωL/R电感的离散参数：分布电容和直流电阻功率电感模压线圈空芯线圈磁环线圈棒状线圈变压器硬件抗干扰技术5657（3）电磁屏蔽电磁屏蔽指的是对电磁波的屏蔽电磁屏蔽的基本原理是采用导电良好的金属材料做成屏蔽罩、屏蔽盒等不同的外形，将被保护的电路包围在其中，利用高频电磁场对屏蔽金属的电磁感应作用，在屏蔽金属内产生涡流，用涡流产生的磁场抵消或减弱干扰磁场的影响，从而得到屏蔽的效果它主要用来防止高频电磁场的影响，对于低频磁场干扰的屏蔽效果很小硬件抗干扰技术58电磁屏蔽措施*图片影响屏蔽体电磁屏蔽效能的不是屏蔽体接地与否，而是屏蔽体导电连续性。破坏屏蔽体的导电连续性的因素有：屏蔽体上不同部分的接缝、开口等电磁屏蔽对屏蔽体的导电性要求要比静电屏蔽高得多硬件抗干扰技术59电磁屏蔽措施*无线电能传输硬件抗干扰技术无铝板有铝板60硬件抗干扰技术频率范围电场强度E(v/m)磁场强度H(A/m)B场B(uT)等效功率密度Seq(W/m2)<1Hz-70009000-1Hz-8Hz80007000/f29000/f2-8Hz-25Hz8000900/f1100/f-0.025kHz-0.8kHz200/f0.9/f1.1/f-0.8kHz-3kHz200/f1.131.4-3kHz-150kHz671.131.4-0.15MHz-1MHz670.17/f0.21/f-1MHz-23MHz67/f1/20.17/f1/20.21f1/2-23MHz-2500MHz140.0360.0440.52.5GHz-10GHz9.85f1/20.026f1/20.028f1/2f/5Europe-EN62233:2008国际标准InternationalCommissiononNon-IonizingRadiationProtection(ICNIRP)61硬件抗干扰技术三维电磁场强度测试装置*视频624.接地技术（1）地线的类型数字地：数字地也叫逻辑地。它是计算机系统中各种TTL、CMOS芯片及其它数字电路的零电位。模拟地：它是放大器，A/D，D/A转换器中的模拟电路零电位。信号地：它是传感器和变送器的地。功率地：它是指功率放大器和执行部件的地。屏蔽地：它是为了防止静电感应和磁场感应而设置的，同时也为了避免机壳带电而危及人身安全而设置的。交流地：交流地是交流50Hz电源的地线，也称为噪声地。直流地：直流地是直流电源的地线。硬件抗干扰技术63（2）单点接地与多点接地硬件抗干扰技术64单点接地硬件抗干扰技术65单点接地硬件抗干扰技术66多点接地硬件抗干扰技术67混合接地硬件抗干扰技术模拟地和数字地隔离方式？68（3）屏蔽接地

电缆屏蔽层接地技术单地原则屏蔽线的接地应与公共端连接Us放大器12UG正确连接Us放大器12C1C2C3正确连接UGRc1Rc2RiUG放大器ABRsUs硬件抗