数据数据采集与处理技术ch11-抗干扰课件

1第14章数据采集系统的抗干扰技术

214.2供电系统的抗干扰

14.3模拟信号输入通道的抗干扰

14.4接地问题

14.5

数据采集软件的抗干扰

第14章数据采集系统的抗干扰技术

14.1数据采集系统中常见的干扰

3第14章数据采集系统的抗干扰技术

14.1数据采集系统中常见的干扰

414.1数据采集系统中常见的干扰内部干扰外部干扰—系统内电路的干扰，如信号间的串扰、长线传输阻抗失配时反射噪声、负载突变噪声及馈电系统的浪涌噪声—外界窜入系统的干扰，如闪电、雷击，电器设备发出的电磁干扰等）从干扰源分干扰指有用信号以外的噪声，在信号输入、传输和输出过程中出现的一些有害的电气变化现象。

514.1数据采集系统中常见的干扰固定干扰随机干扰

—固定电设备运行时产生的干扰，如电机启动半固定干扰

—

偶然使用的电气设备产生的干扰，如电钻—难以预测，闪电、继电保护动作产生的干扰从干扰规律分

614.1数据采集系统中常见的干扰静电干扰磁场干扰电磁干扰电导通路耦合干扰漏电耦合干扰—电场通过电容耦合的干扰—

交变电磁场感应干扰—大功率高中频电磁辐射干扰—

各回路之间的公共阻抗干扰

—

电路绝缘不良出现漏电流产生的干扰从传播方式分

7差模干扰共模干扰14.1数据采集系统中常见的干扰—干扰信号与被测信号串联产生的干扰—信号地与仪器地（大地）之间产生的干扰从干扰信号关系分USN=US+UN

814.1数据采集系统中常见的干扰串模干扰共模干扰干扰对数据采集系统的影响干扰入侵系统的途径微机数据采集系统

1014.2供电系统的抗干扰

11

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。背景情况

为了消除和抑制电网传递给数据采集系统的干扰，可以采取如下一些措施。14.2供电系统的抗干扰

12采用隔离变压器采用隔离变压器的原因:图14-7环路电流的干扰电网与数据采集系统分别有各自的地线。14.2供电系统的抗干扰

13消除共模干扰的方法：14.2供电系统的抗干扰

14采用电源低通滤波器电网的干扰大部分是高次谐波。背景情况：采用低通滤波器来滤除大于50Hz的高次谐波，以改善电源的波形。

解决方法：14.2供电系统的抗干扰

1514.2供电系统的抗干扰

电源低通滤波器L1=100HC1=0.1～0.5FC2=0.05～0.1F

由电容和电感组成的滤波网络，能滤除电网噪声。

当噪声电平较高时，由于电感发生磁饱合现象，使电感元件几乎完全失去作用，从而导致抗干扰失效。

1614.2供电系统的抗干扰

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。作用：注意：在具体使用时，应保证有一定的功率储备。

1714.2供电系统的抗干扰

系统分别供电目的：阻止从供电系统窜入的干扰。图14-10

数据采集系统的一般供电线路

1814.2供电系统的抗干扰

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向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。图14-11

系统分别供电的线路

1914.2供电系统的抗干扰

采用电源模块单独供电

在数据采集板卡上，采用DC－DC电源电路模块，或三端稳压集成块如7805，7905，7812，7912等组成的稳压电源单独供电，以确保系统可靠地工作。

2014.2供电系统的抗干扰

供电系统馈线要合理布线电源前面的一段布线尽量用粗导线从电源引入口，经开关器件至低通滤波器之间的馈线

2114.2供电系统的抗干扰

电源后面的一段布线采用扭绞线，扭绞的螺距要小。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。

2214.2供电系统的抗干扰

电路的公共线若公共线不能避免，则必须把公共线加粗，以降低阻抗。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，都会影响其它负载。

2314.3模拟信号输入通道的抗干扰

2414.3模拟信号输入通道的抗干扰

主要是因公共地线所引起。干扰来源：1.

隔离干扰什么是〞隔离干扰〞

？隔离干扰--从电路上把干扰源与敏感电路部分隔离，使它们之间不存在电的联系，或者削弱它们之间电的联系。

25光电隔离电磁隔离—

用光电耦合器件隔离—

用电磁耦合技术隔离隔离技术从原理分14.3模拟信号输入通道的抗干扰

2614.3模拟信号输入通道的抗干扰

光电隔离光电耦合器能够隔离电路的原因如下：

光电耦合器的输入端与输出端之间是通过光传递信息的，而且又是在密封条件下进行，故不会受到外界光的影响。图14-12

二极管—三极管型的光电耦合器

2714.3模拟信号输入通道的抗干扰

光电耦合器的输入阻抗很低，一般在100Ω

～1000Ω之间，而干扰源的内阻一般很大，通常为105Ω～106Ω。

根据分压原理可知，能馈送到光电耦合器输入端的噪声自然很小。

2814.3模拟信号输入通道的抗干扰

由于干扰噪声源的内阻一般很大，尽管它能提供较大幅度的干扰电压，但能提供的能量很小。

不能使发光二极管发光，从而被抑制掉。

2914.3模拟信号输入通道的抗干扰

光电耦合器的输入端与输出端之间的寄生电容极小，一般仅为0.5pF～2pF，而绝缘电阻又非常大，通常为1011Ω～1013Ω。输出端的各种干扰噪声很难反馈到输入端去

。

3014.3模拟信号输入通道的抗干扰

系统电路与外界的隔离

系统电路之间的隔离应用

3114.3模拟信号输入通道的抗干扰

系统与信号的隔离系统电路光电耦合隔离

3214.3模拟信号输入通道的抗干扰

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。隔离方法：

3314.3模拟信号输入通道的抗干扰

数据采集系统的隔离

3414.3模拟信号输入通道的抗干扰

2.

采用滤波器滤除干扰什么是〞滤波〞

？

滤波--只允许某一频带信号通过。

3514.3模拟信号输入通道的抗干扰

注意：特别适用于抑制经导线传导耦合到电路中的噪声干扰。信号线间滤波在信号线间采用RC滤波，会对信号造成一定损失。

3614.3模拟信号输入通道的抗干扰

3.

采用浮置措施抑制干扰什么是〞浮置〞

？

浮置--数据采集电路的模拟信号地不接机壳或大地。

3714.3模拟信号输入通道的抗干扰

对于被浮置的数据采集系统，数据采集电路与机壳或大地之间无直流联系。

注意：浮置的目的是为了阻断干扰电流的通路。

3814.3模拟信号输入通道的抗干扰

4.

长线传输的抗干扰措施（略）

在数据采集系统中，经常要长距离传送信号。在长距离传送信号时，除了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线上反射的现象，形成非耦合性的干扰，使信号波形发生畸变。背景情况：

3914.3模拟信号输入通道的抗干扰

长线干扰的特点长线的定义长线Lmax

可以用下式判断

(

14-1)式中tτ—

逻辑电路器件或组件的上升时间；

V

—

速度

,

V=2.5×108m/sn

—

经验数据

,

n=4

4014.3模拟信号输入通道的抗干扰

例如，某高速组件的tτ=10ns，则

即在该系统中，超过0.62m的传输线就可算作长线。(m)

4114.3模拟信号输入通道的抗干扰

常用逻辑电路的上升时间

逻辑种类tτ(ns)

产生噪声ECL

TTL

RTLDTLCMOSHTL31025303585低中高中中中高低

4214.3模拟信号输入通道的抗干扰

长线传输信号遇到的问题①对信号传输速度有延迟②使信号产生畸变③易受外界干扰

4314.3模拟信号输入通道的抗干扰

长线的波阻抗Z0

式中L—单位长度上的电感

C—单位长度上的电容

4414.3模拟信号输入通道的抗干扰

脉冲信号波在长线上引起的反射地面上的单线传输

传输线长度为L，电源Us的内阻为Rs，负载电阻为RL，则有反射系数ε

4514.3模拟信号输入通道的抗干扰

式中ε1—

始端发射系数，ε1

=

-(Z0-Rs)/(Z0+Rs)ε2—

终端发射系数，ε2

=

-(Z0-RL)/(Z0+RL)

传输线终端在不同负载电阻下的反射系数，如表14.2所示。

4614.3模拟信号输入通道的抗干扰

不同负载电阻下的反射系数

负载电阻RL

0(短路)0<RL<Z0Z0Z0<RL<∞∞(开路)

电压反射系数KU-1(全反射)-1<KU<000<KU<+1+1(全反射)

电流反射系数KI+1(全反射)+1>KI>000>KI>-1-1(全反射)这就发生了信号在传输线上多次反射的情况。实际情况①当传输线终端不匹配时，信号便被反射。②反射波到达始端时，若始端也不匹配，同样又产生反射。

4714.3模拟信号输入通道的抗干扰

始端、终端不匹配，终端R

L>Z0，R

S

、

RL≠Z0

图14-19

传输线原理及电压反射(a)传输线原理图；(b)传输线电压反射示意图

4814.3模拟信号输入通道的抗干扰

当信号源单独和波阻抗Z0=90Ω的传输线串联时，电压值必定是

当这个电压向终端传输时，将要发生反射，下面求终端反射系数KU0

4914.3模拟信号输入通道的抗干扰

始端反射系数KUI为因此终端第一次反射电压为

5014.3模拟信号输入通道的抗干扰

当它传到始端时，又被反射向终端，第二次反射电压为

当它传到终端时，又被反射向始端，第三次反射电压为

5114.3模拟信号输入通道的抗干扰

当它传到始端时，又被反射向终端，第四次反射电压为

如此继续，最后达到稳定值，其反射情况可用图14.19(b)表示。

5214.3模拟信号输入通道的抗干扰

始端和终端的电压波形，如图14.20所示。图14-20

始端和终端阻抗都不匹配

(RL>Z0)的波形

5314.3模拟信号输入通道的抗干扰

终端电阻小于波阻抗的情况，始端和终端电压波形如图14.21所示。图14-21始端和终端阻抗都不 匹配(R

L<Z0)的波形

5414.3模拟信号输入通道的抗干扰

始端匹配的电压波形如图14.22所示。信号只经过一个来回，电压便达到稳定值。图14-22始端匹配时的电压波形

5514.3模拟信号输入通道的抗干扰

结论①当传输线终端匹配时（即RL=Z0），传输的信号电压波没有反射，电流波平稳地进入负载。②当传输线始端匹配时（即RS=Z0），反射波到达始端时，则被匹配的阻抗所吸收，不再有反射。③当终端电阻小于波阻抗时，传输线上的电压不再有过冲，逐渐地恢复到稳定值。④当终端电阻大于波阻抗时，传输线上的电压将产生过冲，并在稳定值的附近产生振荡，最后趋向于稳定值。

5614.3模拟信号输入通道的抗干扰

几种常用传输线的波阻抗

种类

波阻抗Z0(Ω)

说明

贴地单线50～80

离散性较大

远离地单线200～250

离散性较大

双绞线100～200

绞合愈密，波阻抗愈低SWY同轴电缆50～100波阻抗较精确，由规格决定

5714.3模拟信号输入通道的抗干扰

长线传输信号的抗干扰措施长线传输中抗干扰措施

①阻抗匹配。②长线匹配。

5814.3模拟信号输入通道的抗干扰

阻抗匹配始端匹配①始端串联电阻匹配②始端上拉电阻或阻容匹配

5914.3模拟信号输入通道的抗干扰

终端匹配①并联阻抗②阻容匹配③

接钳位二极管图14-25

终端并联阻抗匹配

6014.3模拟信号输入通道的抗干扰

图14-26

终端阻容匹配图14-27

终端接钳位二极管匹配

6114.3模拟信号输入通道的抗干扰

结果

①

将门B输入端电平钳至0.3V，减少

反冲②吸收反射波③减少线间串扰，提高动态抗干扰能力

6214.3模拟信号输入通道的抗干扰

图14-28

长线驱动示意图长线驱动①驱动电路：将TTL信号变为差分信号再经长线传至接收端②接收电路：具有差分输入端，将接收的信号换成TTL信号输出

6314.3模拟信号输入通道的抗干扰

用光电耦合器隔离、浮置传输线什么是〞浮置〞

？

浮置--去掉传输线两端之间的公共地线。

6414.3模拟信号输入通道的抗干扰

传输长线完全隔离和浮置处理结果：

传输线两端不共地，阻断了地环路，消除了地电位差带来的共模干扰。

6514.3模拟信号输入通道的抗干扰

传输线的使用屏蔽线的使用什么是〞屏蔽线〞

？

屏蔽线—

信号线外包裹了一层铜质屏蔽层。

6614.3模拟信号输入通道的抗干扰

屏蔽线的作用：可以有效地克服静电感应的干扰。使用方法：在数据采集设备处，屏蔽层要一端接地，另一端悬空。图14-30

屏蔽线接地方法

6714.3模拟信号输入通道的抗干扰

同轴电缆的使用同轴电缆的作用：可以降低外界磁场对传输信号的干扰。使用方法：将屏蔽层两端接地。

6814.3模拟信号输入通道的抗干扰

图14-31

同轴电缆外部磁通为零

电流I由信号源通过电缆中心导体流入接收负载，再沿屏蔽层流回信号源。电缆中心导体内的电流＋I和屏蔽层内的电流－I产生的磁场相互抵消，因此，它在电缆屏蔽层的外部产生的磁场为零。同样，外界磁场对同轴电缆内部的影响也为零。

6914.3模拟信号输入通道的抗干扰

双绞线的使用什么是〞双绞线〞

？

双绞线—

两根塑料护套线扭绞在一起

。

7014.3模拟信号输入通道的抗干扰

双绞线的作用：可以消除电磁场的干扰。外界磁场干扰引起的感应电流在相邻绞线回路的同一根导线上方向相反，相互抵消，使干扰受到抑制。原因：图14-33双绞线中的电磁感应

7114.3模拟信号输入通道的抗干扰

结论：抑制静电干扰应该用屏蔽线；抑制电磁感应干扰应该用双绞线。扁平带状电缆的使用扁平带状电缆的作用：传输并行信号

7214.3模拟信号输入通道的抗干扰

当单端传送信号时，用信号线边上的另一根导线作为接地线，以减少两条信号线之间的电容和电感耦合。使用方法：图14-35

扁平电缆接地法

7314.3模拟信号输入通道的抗干扰

这种方法只适合于信号在10～20m以内的传输，再长就不适用了，原因是地电位明显地出现电位差而产生共模干扰。注意：

7414.3模拟信号输入通道的抗干扰

5.

A／D转换器的抗干扰A／D转换器的抗干扰措施

抗串模干扰的措施在串模干扰严重的场合，可以用积分式或双斜积分式A／D

转换器。对于高频干扰，可以采用低通滤波器加以滤除。对于低频干扰，可采用同步采样的方法加以消除。

7514.3模拟信号输入通道的抗干扰

图14-36同步采样滤除干扰尽量把A／D转换器直接附在传感器上，这样可以减小传输线引进的干扰。

7614.3模拟信号输入通道的抗干扰

当传感器和A／D转换器相距较远时，用电流传输代替电压传输。在接收端并接电阻，将电流信号转换成电压信号。图14-37

电流传输代替电压传输

7714.3模拟信号输入通道的抗干扰

抗共模干扰的措施采用三线采样双层屏蔽浮置技术

什么是〞三线采样〞

？

三线采样—

将信号线和地线一起采样。

7814.3模拟信号输入通道的抗干扰

三线采样双层屏蔽原理图原理图

7914.3模拟信号输入通道的抗干扰

等效电路由共模电压引起的共模电流有

Icm1、Icm2、Icm3

Icm1通过R5、C5入地，不引起串模干扰；

Icm2流经的阻抗比Icm1大1倍，

Icm2在R2上的压降导致串模干扰，但其数值很小；Icm3在R2上所产生的压降可以忽略不计。

8014.3模拟信号输入通道的抗干扰

实际应用表明：抑制干扰效果是明显的。使用时要注意：屏蔽层的接法。否则会引起干扰。采用隔离技术

一般传感器与A／D连接中，均采用光电或电磁隔离技术。

8114.3模拟信号输入通道的抗干扰

A／D转换器位置的确定

方案

靠近计算机

优点：

便于并行传送数据

缺点：靠近传感器

优点：

数字信号传送，抗干扰能力强

缺点：模拟信号传送距离长，易受干扰串行传送，速度慢

8214.3模拟信号输入通道的抗干扰

图14-41A／D靠近微型计算机放置图14-42A／D靠近采集现场放置

8314.4接地问题

8414.4接地问题

接地问题的重要性：

数据采集系统中的大部分干扰与接地有关。

如果把接地问题处理好，就解决了数据采集系统中的大部分干扰问题。

8514.4接地问题

1.

数据采集系统中地线的类型类型信号地模拟信号地—模拟电路的零电位基准数字信号地—数字电路的零电位基准信号源地—传感器的零电位基准功率地屏蔽地交流地直流地—大电流部件的零电位基准—机壳地—交流电源的地—直流电源的地

8614.4接地问题

2.

接地问题的处理

一点接地原则串联一点接地图14-52串联一点接地

其中R1、R2、R3为各地线段的等效电阻。显然A、B、C的电位不为零，即：

8714.4接地问题

UA=（I1+I2+I3）R1

UB=（I2+I3）R2+UA

UC=UA+UB+I3R3

存在问题：各接地点电位不同，将造成子系统之间的相互干扰。

由于这种接地方式布线比较简单，现在仍然使用，不过应满足下述条件。

8814.4接地问题

条件①

各子系统的对地电位相差不大②

把低电位的子系统放在离接地点最近的地方

8914.4接地问题

并联一点接地图14-53并联一点接地各子系统的地电位仅与本子系统的地电流和地电阻有关

9014.4接地问题

优点：各子系统的地电流之间不会形成耦合，因此，没有共接地线阻抗噪声的影响。

注意：并联一点接地仅适用于低频电路，不能用于高频电路。

9114.4接地问题

原因①

许多长又相互靠近的地线，对高频信号呈现电感，使地线阻抗增加。②

造成各地线之间的磁场耦合，寄生电容造成地线之间电场耦合。结论：在高频电路中，不能采用一点接地，应该采用多点接地。

9214.4接地问题

多点接地原则图14-55多点接地

每个电路的接地线要尽可能越短越好，应就近接地。

9314.4接地问题

好处①

地线阻抗低，可防止信号高频时地线向外辐射噪声。②

地线阻抗低且相互远离，能减小噪声的磁场和电场耦合。

9414.4接地问题

不同性质接地线的连接原则原则①

强信号地与弱信号地要分开。②模拟地与数字地要分开。③

高电平数字地与低电平信号地要分

开。④各子系统的地只在电源处一点接地。

9514.4接地问题

接地线尽量加粗的原则原因：地线越细，其阻抗越高，接地电位随电流的变化就越大，致使系统的基准电平信号不稳定，导致抗干扰能力下降。结论：接地线应尽量加粗，使它能通过三倍于印刷电路板上的允许电流。

9614.5数据采集软件的抗干扰

9714.6数据采集软件的抗干扰

1.

软件干扰的产生与抑制

软件对系统的干扰主要表现在以下方面：不正确的算法产生错误的结果这表现在逻辑判断中10 IF3^3=27THENPRINT“YES”:ENDPRINT“NO”:END运行程序却显示出“NO”。

9814.6数据采集软件的抗干扰

改写程序为10IF3*3*3=27THENPRINT“YES”:END20PRINT“NO”:END再次运行程序，将能正确地显示出“YES”。产生错误的原因：①

计算机在计算指数时，计算结果常是近似实数值。

条件语句不能转移到预定的分支，从而得到错误的结果。

9914.6数据采集软件的抗干扰

改正方法①

用连乘

把指数和待比较数之差的绝对值与某个极小数比较。上面程序可以改写成IF（3^3-27）

0.0001THENPRINT“YES”:END类似的问题还有连乘除问题。

注意：在连乘除中，不要把乘法集中运算，极易出错，应该把乘法相间进行。

10014.6数据采集软件的抗干扰

由于精度不高而引起的噪声【例14.1】求方程X2

+(α+β)X

+109

=0的根。其中α=109，β=1解：根据AX2+BX+C=0的求根公式有

编写程序并上机计算，求得两根分别为

10114.6数据采集软件的抗干扰

但由因式分解可知应该X1=109、X2=1。

产生错误结果的原因：PC机只能将数字表示到小数后第八位，

在计算时不起作用。

10214.6数据采集软件的抗干扰

为什么在计算时不起作用？

10314.6数据采集软件的抗干扰

∵∴即B=α=109

，又进而使得求得X1≈109，X2≈0

B=（α+β）=109+1

=1×109+0.000000001×109

=（1+0.000000001)×109

10414.6数据采集软件的抗干扰

为什么会出现这种情况？

10514.6数据采集软件的抗干扰

分析原因：这是由于加减法运算时要对阶，大数“吃掉”了小数，α“吃掉”了

β，使β

=0。误差积累，最后导致计算X2时出现错误。

10614.6数据采集软件的抗干扰

2.

软件抗干扰措施

用软件消除多路开关的抖动任何一种开关（机械或电子），在切换初始，由于机械性能或电气性能的限制，都会出现抖动现象，经过一段时间后才能稳定下来。背景情况：

多路开关在切换模拟信号通道时，同样存在这样的问题。

10714.6数据采集软件的抗干扰

消除开关抖动的方法①用硬件电路

②用软件延时

【例14.2】用A／D板采集3个模拟量：水泵转速、流量、压力。解：从系统抗干扰方面考虑，模拟信号采用双端方式输入A／D板。确定A／D接口卡的基地址为0100H。

10814.6数据采集软件的抗干扰

水泵转速、流量和压力三个模拟量对应的TTL电平分别为：1.5454V、1.5698V、2.9394V。

采集系统从通道1、2、3分别对这三个模拟量连续采集10次，QuickBASIC程序如下：1 CLS2 N=103 DIM U1(N),U2(N),U3(N)

10914.6数据采集软件的抗干扰

4 FORI=1TON5 CH%=06 CALLCAIJI(CH%,U)7 U1(I)=U8 CH%=19 CALLCAIJI(CH%,U)10 U2(I)=U11 CH%=212 CALLCAIJI(CH%,U)13 U3(I)=U14 NEXTI

11014.6数据采集软件的抗干扰

15 PRINT"U1","U2","U3"16 FORI=1TON17 PRINTU1(I),U2(I),U3(I)18 NEXTI19 END20 SUBCAIJI(CH%,U)25 ADDER%=&H100 30 A=INP(ADDER%+3) 35 OUTADDER%,CH% 40 OUTADDER%+1,0 45 IFINP(ADDER%+2)>128THEN45

11114.6数据采集软件的抗干扰

50 H