《自动检测与转换技术》第12章练习题分析

PAGE1PAGE1《自动检测与转换技术》（“十四五”职业教育国家规划教材）统一书号：ISBN978-7-111-62119-5第十二章检测系统的抗干扰技术思考题与习题分析说明：填空中的“红色文字”以及分析题中的“提示”并不等于就是答案，只是给出了怎样解题的思路和分析方法，给读者一点启发。作者还在有关题目中，增加了一些新的技术和应用型知识。限于篇幅的限制，有的传感器的内容无法在本教材正文中展开来讲的，现在有了这个“思考题与习题分析”，就可以在此展开介绍，希望对读者有一点帮助。展开的知识可能有一部分超过本教材的深度，读者可以上网对照有关资料来理解和提高。希望读者看完本分析之后，就其中的疑难、错误等问题，来信与作者进行探讨，邮箱为liangsen2@126.com，上海电机学院的梁森老师以及作者团队与大家交流。谢谢大家。1.单项选择题1）测得某检测仪表的输入信号中，有用信号为20mV，干扰电压亦为20mV，则此时的信噪比为______S/N=10lgPS/PN=20loUS/UN_______。A．20dBB．1dBC．0dBD．40dB2）附近建筑工地的打桩机一开动，数字仪表的显示值就乱跳，这种干扰属于______地板也会抖一抖_______，应采取____橡胶、海绵之类的……_____措施。一进入类似我国南方的黄梅天气，仪表的数值就明显偏大，这属于_______潮气大______，应采取_____不让潮气进入____措施。盛夏一到，某检测装置中的计算机就经常死机，这属于___CPU太烫了引起的_____，应采取_____散热____措施。车间里的一台电焊机一工作，计算机就可能死机，这属于____与电焊机的闪光、振动、高温等无关____，在不影响电焊机工作的条件下，应采取____在仪表电源进线端串接……___措施。A．电磁干扰B．固有噪声干扰C．热干扰D．湿度干扰E．机械振动干扰F．改用指针式仪表G．降温或移入空调房间H．重新启动计算机I．在仪表电源进线上串接电源滤波器J．立即切断仪器电源K．不让它在车间里电焊L．关上窗户M.将机箱密封或保持微热N．将机箱用橡胶-弹簧垫脚支撑3）调频（FM）收音机未收到电台时，喇叭发出烦人的“流水”噪声，这是_____由于放大器的放大倍数很大，前级晶体管自身的工作电流引起的“噪声”叠加在有用信号上，经过多级放大___造成的。A．附近存在电磁场干扰B．固有噪声干扰C．机械振动干扰D．空气中的水蒸气流动干扰提示：调频电台（FM）电路：当调频（FM）收音机收到电台后，调频信号被放大很多倍（上千倍），基本上变成了方波。调频信号的正、负顶部的电压（噪声信号处于幅值位置）被“限幅器”所“限幅”（俗称“切顶”）。噪声信号也就被“限幅器”所“限幅”，限幅器输出的信号就是很“干净”的方波。再经过“音频鉴频器”，将调频信号“解调”成与FM信号的频率变化成正比的低频信号（音频）。晶体管所引起的噪声就这样被“滤除”了，不会出现在音频放大器中。如果调频电台的信号较小，放大后，还达不到限幅器的“限幅阈值”，叠加在电台信号顶部的噪声电压就不会得到“切除”，使用者就会在喇叭中听到较大的噪声。电台的信号越小，噪声就越大。搜索FM电台的基本过程：单片机输出一个从90MHz逐渐升高到120MHz的方波信号。经过带通滤波器，变成接近于正弦波的100mV的信号，称为“本地振荡信号”（简称“本振”）。本振接到“混频器”的发射极；天线接收到的电台信号接到“混频电路”的基极。两者在非线性的混频器电路里面就会产生“混频”，混频的结果会产生“和频”和“差频”以及它们的高次谐波。如果本振与天线所接收到的电台信号之差恰好等于混频器集电极的负载（中频变压器）一次侧的谐振频率，就能够被中频变压器的二次侧耦合到“中频放大器”去加以放大；与中频变压器的谐振频率相差很大的“和频”信号以及其他高次谐波都被中频变压器的一次侧所短路，无法耦合到中频放大电路。我国的国家标准规定，FM收音机的中频频率是10.7MHz。例如，如果本振信号逐渐扫描到114.6MHz，而天线所接收到的几十个电台中（幅值必须达到几毫伏），刚好有一个电台的频率是103.9MHz（北京市的交通台频率），它们的频率之差就恰好为10.7MHz，混频器的集电极就会产生一个10.7MHz的中频电流，它能被传输到中频放大器中，被放大上千倍，再经过“音频鉴频器”，得到所调制的语音、音乐信号。在扫描电路中，还需要将一部分中频信号加以整流，得到一个幅值大于设定值（例如1V）的直流电压，“通知”单片机“已经接收到电台了”，单片机就停止提升本振频率，使用者就能够很稳定地收听这个电台。如果本振信号扫描到114.6MHz时，不存在预想的103.9MHz的电台（例如停止广播了），单片机就继续提高本振的频率，直到遇到一个比本振低10.7MHz的电台为止。如果本振达到120MHz（最高本振），还是没有遇到“如意郎君”，单片机就从最低频率（90MHz）开始新一轮的扫描。跳台功能：如果本振信号已经遇到一个较强的电台（可以产生正确的“差频”信号，使其能够通过中频滤波和放大电路，并听到电台的广博），但使用者不想收听这个电台，就可以按一下“UP键”，单片机就继续提高本振的频率，直到遇到下一个频率更高的电台，而不再提高本振的频率。记忆功能：使用者也可以按一下“DOWN键”，单片机就降低本振的频率，直到遇到下一个频率更低的电台，就不再降低本振的频率。此外，单片机还能记住所有搜索到的电台频率（实际上是记住对应于某些电台的本振频率），以后就可以“阶跃性”地快速跳跃到这些电台的位置，供使用者选择。电台的阈值：当电台信号小于某个设定的毫伏值时，单片机就认为这个电台“不存在”，扫频电路就自动提高本振频率（俗称为“跳过去”），继续搜索其他频率更高的电台。电台信号的阈值是可以预先设定的。如果阈值设定得很小，就可以搜索到很多调频电台。但是，由于限幅器未起作用，所以伴随在微弱电台信号上的晶体管噪声（固有噪声）也就很大。如果阈值设定得很大，就仅能搜索到几个信号很强的电台。静噪功能：在扫描过程中，FM收音机会产生比较大的噪声，这是晶体管的“固有噪声”引起的。有的FM收音机电路会设置一个“静噪电路”。当没有收到电台时，暂时切断音频放大电路，在耳机或者扬声器中就听不到噪声。大家注意观察一下保安所使用的“对讲机”。有的是设定了“静噪模式”，有的没有设定“静噪模式”。如果没有进入“静噪模式”，会感觉很吵；如果进入“静噪模式”，会感觉很安静，但有可能在信号比较微弱时，静噪自动切断音频放大器的输入，造成语音断续现象（俗称“结巴”）。AM电台的搜索过程：与上述FM的搜索过程类似，只是AM收音机的中频是465kHz（国外的是455kHz）。AM收音机的收听范围是530kHz~1650kHz。对应地，AM收音机的本振频率是995kHz~2115kHz。调幅电台（AM）的AGC电路：在调幅电台的接收电路中，由于音频信号是调制在基波的幅度上的（频率只有微小的变化），所以不能使用“限幅器”。由于没有限幅功能，所以伴随在微弱调幅电台信号上的噪声也会很大。收音机的设计者通常会在AM收音机中设计一个“自动增益控制电路”（缩写AGC）。AGC能够将调幅电台被放大后的交流信号整流成为一个负的直流电压（整流电路的输入电压必须大于二极管的死区电压，0.5V）。负的AGC电压通过“非线性电路”去控制“中频放大电路”的“增益”（也就是放大倍数）。通常是将负的AGC电压接到一个工作电流很小的晶体管的基极。负的AGC电压会使晶体管的工作电流进一步减小，进入严重的非线性区，晶体管的β值就会大幅度减小。由于收音机的中频放大电路后面还要再经过“中频变压器”（中频滤波器），中频滤波器会将中频放大器的非线性引起的高次谐波滤除掉，所以AGC不会带来所要收听音乐的“非线性失真”。读者可以自行上网阅读有关调幅收音机的原理。调幅电台的信号越大，负的AGC电压也就越大，中频放大器的增益就越小，从而使晶体管产生的噪声（固有噪声）也被“压缩”。在接收到较强的调幅电台的时候，喇叭里头听到的晶体管噪声就较小，音频的“饱和失真”及“截止失真”也会减小。如果接收到的调幅电台信号较小，放大后还小于0.5V，小于二极管的死区电压，AGC电路就基本不起作用，中频放大器的增益越大，喇叭里头听到的晶体管噪声也就越大，收听效果就较差。模拟式（线性）传感器内部不应有AGC：某些模拟式（线性）传感器被设计为调幅式时（线性传感器多数是调幅式的，而不是调频式的），是不允许采用AGC电路（会自动改变传感器的放大倍数，类似于对数压缩），否则被测的非电量与传感器输出电压就不成线性关系了。4）减小放大器的输入电阻时，放大器受到的____各种干扰都会减小，但是，要求该放大器的前级电路必须是低输出阻抗型的。也就是说，需要考虑阻抗匹配。否则，当放大器的输入电阻较小时，例如75Ω时，可能会将前级电路的输出电压“拉低”，带来非线性等等的问题___。A．热干扰减小，电磁干扰也减小B．热干扰减小，电磁干扰增大C．热干扰增大，电磁干扰也增大D．热干扰增大，电磁干扰减小提示：阻抗：在具有电阻、电感和电容的电路里，对交流电所起的阻碍作用称为阻抗。电路两端的电压与流过电路的电流（必须考虑相位关系）的比值称为该电路的“复阻抗”。如果电阻与电感、电容串联，当流过各个元件中的电流为正弦量时，则串联后的复阻抗Z=R+j(XL-XC)=R+[jωL-1(/jωC)]上式中的实部为串联电路的电阻，虚部X为串联电路的“电抗”。阻抗匹配：阻抗匹配是高频和微波电子学中一个常用概念，主要用于高频传输，使高频信号能以纯电阻性负载的形式传输至“负载点”，而不会有信号反射回到“源点”，减小了干扰。阻抗匹配也指负载阻抗与激励源内部阻抗互相适配，从而得到最大功率输出的一种工作状态。在纯电阻电路中，当负载电阻等于激励源内阻时，负载得到的功率为最大，这种工作状态称为“匹配”，否则称为“失配”。在阻抗失配的情况下，传输线上将同时存在入射波和反射波。在输送功率较高、波长较短的情况下，电压或电流的“波腹”有可能损坏传输线的介质。阻抗匹配的程度常用“电压反射系数”来衡量。同轴电缆与有线电视信号分配器：有线电视信号的频率可达1GHz，必须使用阻抗为75Ω同轴电缆来传输电视信号。电视机的输入阻抗必须与同轴电缆的阻抗匹配（两者均为75Ω，在200m内基本与同轴电缆的线材长度无关），信号衰减才最小。若想让一根有线电视的同轴电缆接两台或更多台电视，就需要在同轴电缆末端安装“有线电视信号分配器”（“2分配器”的信号损耗大约为-4dB）。如果直接将两台或多台电视机的输入电缆并联到同轴电缆末端，则阻抗不匹配，将产生电视信号的反射和畸变，多台电视都会受到干扰（例如图像有不规则条纹、画面质量下降等）。低频电路的阻抗匹配：虽然阻抗匹配在高频电路中非常重要，但是在低频电路中，只有在信号源内阻较大时，才需要考虑负载阻抗与信号源阻抗的匹配。当功率放大器输出电路的内阻很低时，不必太在意阻抗匹配。例1：假如放大器的输出电压为10V，输出级的内阻是1Ω，则当负载为1Ω时，负载得到的输出功率为25W（P=I2R），但放大器内阻上的功耗与负载上获得的功率相等，亦为25W。阻抗是匹配了，但放大器可能会严重发热。例2：假如放大器的输出电压仍为10V，负载大于1Ω（例如3Ω），则放大器输出电流变小，导致负载得到的输出功率下降到阻抗匹配时的75%（18.75W）。放大器内阻上的功耗则下降到阻抗匹配时的25%（6.25W），功率放大器的发热降低很多。例3：假如放大器的输出电压仍为10V，负载小于1Ω（例如0.25Ω），则放大器的输出电流等于8A。但是，由于负载电阻较小，导致负载得到的输出功率下降到阻抗匹配时的64%（16W）。放大器内阻上的功耗则增大到阻抗匹配时的2.56倍（64W），发热非常严重。例4：现代集成功率放大器的内阻远小于1Ω（例如0.1Ω），若放大器的输出电压仍为10V，负载亦为1Ω，负载得到的输出功率可高达为82.6W，而放大器内阻上的功耗却很小（8.26W）。将例1、2、3、4比较，可见阻抗匹配并非理想的接法，应尽量使低频信号源的内阻降低。由于音频信号电流的波长的数值很大（例如，1kHz正弦信号电流的电磁波波长为3×105m），可以不考虑电磁波的反射和畸变。在上个世纪70年代之前（例如玻璃管制作的“电子管”时代），放大器的内阻很大，可能高达千欧数量级，负载（例如喇叭）只有几个欧姆，所以必须利用“输出变压器”进行“交流阻抗变换”。5）考核计算机的电磁兼容是否达标是指____既不干扰别人，也不受别人干扰____。A．计算机能在规定的电磁干扰环境中正常工作的能力B．该计算机不产生超出规定数值的电磁干扰C．两者必须同时具备D．两者只要具备一种即可6）发现某检测仪表机箱有麻电感，必须采取____将“绝缘漏电”引起的“漏电流"引导到earth__措施。A．接到“工作接地”或“配电系统接地”B．将机箱接大地（earth）C．抗电磁干扰D．将机箱接220V的零线（Neutral）7）发现某检测缓变信号的仪表输入端存在50Hz差模干扰，应采取____与电源无关___措施。A．提高前置级的共模抑制比B．在输入端串接高通滤波器C．在输入端串接低通滤波器D．在电源进线侧串接电源滤波器提示：对于检测缓变信号的仪表的输入端而言，50Hz干扰信号属于“高频干扰”。8）检测仪表附近存在一个漏感很大的50Hz电源变压器（例如电焊机变压器）时，该仪表的机箱和信号线必须采用___导磁的外壳，例如“铁壳”___。A．静电屏蔽B．低频磁屏蔽C．电磁屏蔽D．机箱接大地提示：有的变压器设计不合理，或者铁心安装不够紧密，会有磁力线从铁心的气隙和一次侧的没有铁心的侧面泄漏出来，通过空气形成闭合磁路。产生漏磁的电感称为漏感。漏感会使得变压器一次侧的感抗减小，交流激磁电流增大，铜耗（也称铜损）增大，变压器发热，而且交变磁场还会干扰其他带有线圈的电路，包括印制电路板的半圆弧形走线，使之产生与漏感同频率的感应电动势干扰。考虑到磁场的干扰，印制电路板不应该有半圆弧形甚至环状的走线。但是，在交通卡等非接触卡中，需要设计出多圈印制电路，以便接收主机的问答信号能量，整流之后，作为非接触卡内部芯片的电源。9）飞机上的仪表接地端必须___不可能接大地____。A．接大地B．接飞机的金属构架及蒙皮C．接飞机的天线D．接到计算机的外壳10）经常看到数字集成电路的VDD端（或VCC端）与地线之间并联一个0.01F的独石电容器，这是为了___与IC电源有关的___A．滤除50Hz锯齿波B．滤除模拟电路对数字电路的干扰信号C．滤除印制板数字IC电源走线上的的脉冲尖峰电流D．滤除50Hz交流电压提示：数字电路的输出电压幅值较大，通常可达3~5V，而且电压的上升沿和下降沿很陡。上升和下降时间可小于1μs，可能形成很大的高频干扰。上升沿和下降沿越陡，由傅立叶转换可知，所包含的高次谐波就越多。高频干扰会产生辐射电磁波，从而干扰距离较远的模拟电路。图12-01多个奇次波与基波合成方波的示意图（在偶次谐波的位置的直线代表零电压）多个正弦波合成的动态图形链接：/wiki/File:Fourier_series_square_wave_circles_animation.gifCMOS数字集成电路的脉冲电流：CMOS数字集成电路在静态时的电源电流是很微小的（微安数量级）。但是，在CMOS数字集成电路的输出从低电平翻转到高电平，或者从高电平翻转到低电平的瞬间，CMOS数字集成电路末级的“推挽”N型和P型场效应管可能在短暂时间（大约是纳秒级）里同时导通，需要电源电路提供很大、持续时间很短的脉冲电流。该电流会在电源的内阻上会产生电压降，从而干扰其他电路。退耦：在数字集成电路（以下简称数字IC）的输出翻转的瞬间，需要有很低内阻的电源来提供瞬间大电流。最简单的方法是在电源两端并联电容器，利用电容器的放电特性来减小电源的内阻，称为“退耦”。电解电容：电解电容是由较长的铝箔绕制而成，所以有较大的电感量。在高频段，电解电容呈现出较大的感抗，不能为集成电路提供瞬间大电流。电解电容还依靠电解液来减小正负极的极距（正负极板的绝缘厚度仅相当于阳极的氧化铝膜），交流损耗较大，只适宜于工频电路的锯齿波退耦和滤波。在高频电路（或者中频逆变电路）中，多数情况下，在电解电容两端并联若干个高频特性较好的“磁介电容器”（又称独石电容）来达到退耦的目的。磁介电容器不是绕制而成，而是采用平板多层烧结工艺，只有容抗，所包含的高频感抗很小，可以为数字IC提供瞬间大电流。又由于数字IC的瞬间大电流持续的时间很短（小于10ns），只需要1000pF（0.001μF）的磁介电容就能满足“退耦”的要求。由于脉冲电流是从数字IC的电源端流入，从数字IC的地线端流出，为了减小数字IC脉冲电流对外电路的影响，应该在数字IC的电源端与地线端就近并联磁介电容器，而不应该将磁介电容器焊接在远离数字IC电源端的位置。如果数字IC的印刷电路板是“多层板”，需要将磁介电容器就近焊接在距离数字IC附近，尽量降低“电源层”和“接地层”的高频阻抗。模拟电路对数字电路的干扰：除非是功率放大器，模拟电路的输出电压和电流均较小，不容易干扰输入阈值大于1V的数字式集成电路。还因模拟电路的输出多数是低频信号，甚至是直流电，不太会产生高频的高次谐波，因而不会产生辐射和干扰。11）光耦合器（也称光电耦合器）是将__*__信号转换为__*__信号再转换为__*___信号的耦合器件。A．光→电压→光B．电流→光→电流C．电压→光→电压提示：“光耦合器”也称“光电耦合器”，简称“光耦”。其本质不是光学器件（光耦合的含义是：实现对同一波长的光功率进行“分路”或“合路”），也不是“光导纤维耦合器”，是一种依靠红外LED将电流信号变成红外线光信号，再由光敏晶体管变为与红外LED“隔离”的电流信号电器元件（电→光→电转换器件）。在工程中，常将这类电子器件称为“光电耦合器”，而不称其正规名称——“光耦合器”（有可能与光导纤维的器件相混淆）。图12-24光耦示意图a）管形轴向封装剖面图b）贴片封装剖面图c）图形符号d）双列直插封装外形1－发光二极管2－输入引脚3－输出引脚4－金属外壳5－光敏元件6－不透明玻璃绝缘材料7－气隙8－黑色不透光塑料外壳9－透明树脂10－红外线12）在图12-25a中，流过R1、R2的电流较小，R1、R2的功耗小于1/4W。若将接在380V上的R1、R2换成1/4W，会出现______击穿____问题；若VD1开路，将使光耦中的VL1在电源的负半周_____击穿______；图12-25b中，若IC1的1、2脚与3、4脚走线靠得太近，会出现_______A．烧毁B．信号减小C．击穿D．开路图12-25光耦用于强电信号的检测、隔离

a）电路b）对应的印制电路板13）在图13-9中（是第13章的图），当现场开关S（例如行程开关）闭合时，___VL1、VL3有电流，V1导通，Ui为高电平，经IC2翻转为低电平，+5V电压经R4，流经VL4，……_______。A．VL1亮，Ui为高电平，VL4亮B．VL1暗，Ui为高电平，VL4暗C．VL1亮，Ui为低电平，VL4亮D．VL1暗，Ui为低电平，VL4暗图13-9开关量光耦输入电路1－现场开关盒2－传输线3－电源4－光耦提示：如果忽略5.1kΩ的旁路作用，流入光耦的红外发光二极管的电流：ID=(Ui-UVL1-UVL2)÷(R1+R2)=(24V-1.7V-1.2V)÷(3kΩ+3kΩ)=3.5mA。如果光耦的光敏晶体管饱和，流过光敏晶体管V1的电流：IV1=(VCC-UV1CES)÷RE=(5V-0.3V)÷5.1kΩ≈0.9mA。2．在一个热电动势放大器的输入端，测得热电势为10mV，差模交流（50Hz）干扰信号电压有效值为1mV。1）求施加在该输入端信号的信噪比。2）要采取什么措施才能提高放大器输入端的信噪比？提示：1）求施加在该输入端信号的信噪比：S/N=10lgPS/PN=20loUS/UN，绝对不是等于“1:1”。2）要采取什么措施才能提高放大器输入端的信噪比：由于该干扰属于差模交流（50Hz）干扰（也称“串模干扰”），所以无法利用“高抗共模抑制比放大器”来减小干扰，而应该在放大器的输入端串联一个“低通滤波器”，其转折截止频率可以为50Hz的1/5（10Hz），甚至更低。如果被测热电动势的变化非常缓慢，可以采用低于1Hz的低通滤波器。3．在图12-27中，设光耦中的红外发光二极管的管压降为1.2V，即UVL1=1.2V，NPN晶体管输出传感器的饱和压降UOUT=0.3V，光敏晶体管的饱和压降UV1=0.3V，光敏晶体管的集电极电阻RC=1.2k，光耦的限流电阻R1=3k，求：在有金属物体靠近接近开关时的IVL1、UC及IV1。图12-27接近开关与光耦的连接电路提示：在有金属物体靠近接近开关时，流过光耦中的红外发光二极管的电流：IVL1=(VCC1-UVL1-UOUT)/R1=(24V-1.3V-0.3V)/3kΩ=……mA光耦中的光敏晶体管的集电极对地饱和压降：UC=0.3V光耦中的光敏晶体管的集电极（或发射极）对地饱和电流：IV1=(VCC1-UC)/RC=(5V-0.3V)/1.2kΩ=3.9mA4．某检测系统由热电偶和放大器A/D转换器、数显表等组成，如图12-28所示。请指出与接地有关的错误之处并画出正确的接线图。图12-28热电偶测温电路接线图改错提示：图12-28存在两大错误：1）共阻抗耦合干扰：图12-28中，数码显示器的模拟量输入Ui的负极属于“模拟地线”（简称模拟地），而电源5V的负极属于“数字地线”（简称数字地）。数字地有较大的电流“流出”，可能会在一小段“共用地线”的内阻上产生微小的压降，这个压降“叠加”在数码显示器的模拟输入Ui上，会造成所显示的数字的“跳变”，称为“共阻抗耦合干扰”。干扰的过程分析如下：由于数字地的电流与所显示的“段”有较大的关系，而“段”是随着所显示的数字而变化的，所以“段电流”也是会随机跳变的，“共用地线”的内阻上产生的微小压降也随之跳变。图12-28所示的数字显示器的分辨率为1/999≈0.1%，只要“共用地线”内阻上的压降有千分之一的变化，数字显示器所显示的最后一位数字就会跳动。而且段电流与Ui相互影响，会使显示值跳动不止。当数码管是LED时，“段电流”约有几毫安以上，共阻抗耦合干扰会涉及数码显示器倒数第二位的示值，使数字显示器失去实用价值。2）大地电位差干扰：大地电位：工业中，通常将大地的电位当作零电位。这是因为导电的地球质量很大，相当于一个很大的电容，即使外界（例如闪电）往地球加进去很多电荷，也不会使大地的电位发生显著的变化。虽然地球与月球或其他天体有不同的电位，但由于我们生活在地球上，我们可以将地球当作参考物，视其为零电位。地壳表层（离地表几百米以内）有大量水的存在，很多可溶性盐溶解在水里，就形成导体。从广义看，地球的表层是一个等电位的导体。但是大地的导电性并不好。干燥的土壤、岩石都不是导体。从发电厂的地线和你家的地线之间不是以大地为导体连接的。接地电阻：工业中，要求设备的“接地电阻”等于零是不可能的。根据国家有关电气规范，要求“交流工作地”、“安全保护地”、“逻辑工作地”、“电源避雷器接地”、“信号避雷器接地”、“静电接地”、“屏蔽接地”、“天线基座接地”、“金属屏蔽层接地”等的电阻小于4Ω，重要场合要求接地电阻小于1Ω。如果一个变电站的地基是一大块花岗岩，就必须打井一百多米，到达地下水层，才能符合接地的电气规范要求。大地电位差：如果某一电器设备对地有较大的漏电流，则以漏电点为圆心，在很大的一个范围内，电位沿半径方向向外逐渐降低。图12-17给出了漏电设备产生“跨步电压”的示意图。接地电阻越小，跨步电压就越小。假设电气设备A的“U相”对地漏电，而电气设备B的“V相”对地漏电，则在它们附近的其他设备的接地棒之间就存在较大的电位差，我们将它称为“大地电位差”。有的地方大地电位差只有几十毫伏；而在工业现场，由于电气设备很多，大地电流十分复杂，所以大地电位差有时可能高达几百毫伏，甚至几伏。图12-17跨步电压及大地电位差若将传感器及二次仪表的零电位参考点的安装地点分别接各自的大地，则可能在二次仪表的输入端测得较为可观的50Hz干扰电压。大地环流：在图12-28中，热电偶的接地点为G1，热电动势放大器的接地点为G2，两点之间就存在不稳定的50Hz大地电位差。如果将G1接到屏蔽层（屏蔽线外层）的左端，将G2接到屏蔽层的右端，由于屏蔽层的电阻值很小，就会在屏蔽层上产生较大数值的“大地环流”，并在屏蔽层上产生降压。这个降压对放大器而言，相当于在输入端串联了一个50Hz的差模干扰电压，经放大后得到一个相当可观的干扰，会导致测量数据跳动不止。屏蔽层正确的接地方法：屏蔽层可以接传感器端的大地，也可以接仪表端的大地，但左右两侧不能够同时接不同的大地（称为“一点接地”）。在图12-28中，由于“传感器侧”的屏蔽层已经被传感器生产商接到传感器的外壳了，又由于多数传感器的外壳是必须接大地的，为了防止屏蔽层“两端接地”，“仪表侧”的屏蔽层最好是什么也不接（俗称“荡空”）。5．图12-30为电力助动车充电电压检测电路，电路中的线性光耦既可以传输充电电压信号，又能将220V有危险性的强电回路与计算机回路隔离开来。请指出与接地有关的错误，并画出正确的接线图。图12-29电力助动车充电电压检测电路改错提示：图12-29存在两大错误：1）光耦的接地错误：该电路的光耦输入侧（红外发光二极管侧）是与220V充电器连接的，有带电的可能。利用光耦，既能够将正在充电的蓄电池端电压按设定的比例传送到测量回路的单片机里，又能够将220V强电回路与单片机弱电回路隔离开来，提高了测量的安全性。在图12-29中，错误地将弱电的地线GND3与强电的地线GND2连接在一起，就可能将强电引入到弱电回路，引起触电事故。2）光耦的电源错误：在图12-29中，错误地将弱电的电源VCC2与强电的电源VCC1连接在一起，就可能将强电引入到弱电回路，引起触电事故。3）强电回路的外壳不能与零线短路：需要注意的还有，千万不能给将220V充电器的外壳（GND1）接到220V的零线，而需要真正地接大地，才能保证安全。如果存在外壳与零线短路，可能会造成“漏电保护器”跳闸。6．图12-30a、b分别为三菱和西门子PLC的输入接口电路示意图，请回答以下问题：1）无源输入电路和有源输入电路有何区别？2）请参考图4-16、图4-17，说明什么是NPN常开、PNP常开和PNP常闭传感器？3）分析开关S0闭合后，两类PLC的电流途径，以及X0或I0.0信号灯与输入信号之间的关系。4）说明光耦在PLC的输入接口电路中使用的意义。图12-30两种PLC的传感器输入接口电路示意图a）低电平有效无源输入电路b）高电平有效有源输入电路1）无源输入电路和有源输入电路的区别：电子学中的“有源元件”与“无源元件”：在电子学中，不需要外加电源就能正常工作的电子元件属于无源元件，例如电阻、电容、电感、触点开关等；需要外加电源才能正常工作的电子元件属于有源元件，例如二极管、晶体管、场效应管以及由上述元件组成的集成电路等。电气领域的“有源”与“无源”的含义：在电气领域，“有源”与“无源”的含义与电子学不太一致。例如，具有“内置放大器”，需要接220V电源（或12V蓄电池）才能工作的音箱称为“有源音箱”；内部有晶体管放大器的蜂鸣器称为“有源蜂鸣器”；用集成电路与RC（或LC）元件组成的电子滤波器称为“有源滤波器”；需要提供电源才能工作的隔离电路称为“有源隔离电路”……综上所述，有源的含义大都与“需要外界提供电源”有关。PLC简介：PLC（ProgrammableLogicController）是一种可编程逻辑控制器，专为在工业环境中应用而设计。其内部存储有程序，能够执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出，控制各类机械或生产过程。PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间可达数万小时，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，PLC已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。PLC的输入/输出接口：PLC的输入接口电路把外部设备（如开关、按钮、传感器）的状态或信息读入CPU，通过用户程序的运算与操作，把结果通过输出接口，传递给执行机构（如电磁阀、继电器、接触器等）。在输入接口电路中，一般均配有光耦和阻容滤波等电路，以实现外部现场的各种信号与系统内部统一信号的匹配和电平转换。PLC的输出接口分为“交流输出接口”（晶闸管型MT，1ms）、“直流输出接口”（晶体管型MS，0.1ms）、“交直流输出接口”（继电器型MR，10ms）。PLC的“有源”、“无源”输入：PLC的输入电路有多种，例如“交流输入电路”、“低电平有效无源输入电路”、“低电平有效有源输入电路”、“高电平有效无源输入电路”、“高电平有效有源输入电路”等。PLC输入端的所谓“有源”和“无源”，是按照输入元件是否需要接到外接电源来划分的。“有源电路”的输入元件需要外接24V电源，对于高电平有效的传感器而言，+24V电源（M端）是输入元件的公共端。“无源电路”不需要外接24V电源。对于低电平有效的传感器而言，PLC的地线（COM端）是公共端。以上论述，这与电子学里面的“有源”、“无源”的概念有较大的不同。图12-30a的输入端电流流向分析：在图12-30a中，NPN常开型传感器（低电平有效）相当于一个接地的“按键开关”。PLC内部的24V电源经过续流电阻以及PLC内部的输入光耦，再经过PLC的输入端子（接口），流到PLC外部的NPN常开型传感器集电极，再到发射极，最终流入到PLC的公共地线COM端。如果该NPN常开型传感器处于“有效状态”，该传感器的集电极对地导通，PLC输入端子内部的光耦就可以得到较大的电流（例如5mA以上），PLC就认为这个接线端子处于“有效状态”，PLC就按照程序设定的任务，完成设定的操作。在图12-30a中，如果NPN常开型传感器的集电极与发射极之间为高阻态，PLC内部对应的光耦就得不到驱动电流，PLC就认为该输入端子处于“无效状态”。图12-30b的输入端电流流向分析：在图12-30b中，PNP常开型传感器（高电平有效）相当于一个接到外部+24V的“按键开关”。外部+24V电源经过PNP常开型传感器的集电极，再到发射极，流入到PLC接线端子，经PLC内部的限流电阻，再到PLC内部的输入光耦（如果是“双向光耦”，就可以响应“交流电流输入”），流入PLC的COM端。如果该PNP常开型传感器处于“有效状态”，该传感器的集电极对发射极是导通的，PLC输入端子内部的光耦就可以得到较大的电流（例如5mA以上），PLC认为这个接线端子处于“有效状态”，PLC就按照程序设定的任务，完成设定的操作。如果PNP常开型传感器的集电极与发射极之间为高阻态，PLC内部对应的光耦得不到驱动电流，PLC就认为该输入端子处于“无效”状态。总结：对于PLC的输入端子，判断PLC的输入是“有源”、“无源”的最基本区别是：需要或不需要给传感器提供额外的24V电源（不是指传感器自己配套的工作电源），可以完全不理睬电子学中的有源、无源元件的定义。2）请参考图4-16、图4-17，说明什么是NPN常开、PNP常开和PNP常闭传感器：图4-16典型三线制接近开关的原理、接线及特性a）三线制接近开关原理框图b）NPN、OC门常开型继电器输出电路c）NPN型接近开关的迟滞特性图4-17工件的定位与计数a）接近开关的安装位置b）感辨头及调幅式转换电路c）PNP型接近开关的动作滞差特性1－加工机床2－刀具3－导电工件4-加工位置5－减速接近开关6－定位接近开关7－传送机构8－计数器-位置控制器开关型传感器按输出方式的分类：开关型传感器常见的输出型式有4种：NPN常开型、NPN常闭型、PNP常开型、PNP常闭型。常开型传感器：“常开”是指在“平常状态”下，OUT端（信号的输出端）为“断开”；在“动作状态”下，信号的OUT端为“闭合”。NPN开关型传感器：NPN开关型传感器采用NPN晶体管作为传感器的输出级。其特征是：集电极相对于发射极为正电压。多数NPN型晶体管是接成“共发射极”电路，也就是发射极接地，集电极通过负载电阻或继电器接到正电源，所以NPN型晶体管组成的“共发射极”电路在“饱和状态”时的输出是低电平（相当于对地短接），可以驱动继电器等负载。NPN开关型传感器的优点是：即使将OUT端对地短路，也不会烧毁输出级的晶体管。NPN常开型传感器：NPN常开型传感器也称为“N