《传感器技术》课件第10章

第10章传感器电路的抗干扰技术10.1传感器接口电路常见的干扰10.2干扰信号的传播途径10.3硬件电路的抗干扰技术10.4软件干扰抑制技术 10.1传感器接口电路常见的干扰

10.1.1噪声与干扰

对于电子电路中所称的噪声，可以概括地认为它是对有用信号以外的所有电子信号的一个总称。当一个噪声电压大到足以使电路受到干扰时，该噪声电压就称为干扰电压。而一个电路或一个器件，当它还能保持正常工作时所加的最大噪声电压，称为该电路或器件的抗干扰容限或抗扰度。一般说来，噪声很难消除，但可以设法降低噪声的强度或提高电路的抗扰度，以使噪声不致于形成干扰。在电子学中常使用“干扰”这个术语，干扰被定义为：由外部噪声和无用电磁波在接收中所造成的骚扰。测量中来自测量系统内部和外部，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，称为干扰。而把消除或削弱各种干扰影响的全部技术措施，总称为抗干扰技术。10.1.2常见的干扰

形成干扰的三要素为干扰源、耦合通道和受感器，三要素之间的联系如图10.1.1所示。干扰源是客观存在的，要有效地抑制干扰，首先要找到干扰发源地，防患于源处，而传感器一般用于工业现场，干扰有时是不可避免的，不可能为了测量电路的可靠运行而去清除干扰源，这是不现实的，这时只能是适应环境，消弱通道对于干扰的敏感性和提高受感器的抗干扰能力，抗干扰技术主要是从干扰进入传感器接口电路的通道上采取抑制措施，根据干扰传播通道，干扰主要有：图10.1.1干扰三要素

1．来自电网的干扰

大多数电子电路的直流电源都是由电网交流电源经滤波、稳压后提供的，如果电源系统没有经过净化，会对测试系统产生干扰，同时，在传感器测试系统附近的大型交流电力设备的启停将产生频率很高的浪涌电压叠加在电网电压上。此外电感应也会在电网上产生幅值很高的高频浪涌电压，如果这些干扰信号沿着交流电源线进入传感器接口电路内部，将会干扰其正常工作，影响系统的测试精度。

2．来自地线的干扰

存在于传感器接口电路内，传感器接口各电路往往共用一个直流电源或者虽然不共用一个电源，但不同电源之间共一个地，因此，当各部分电路的电流均流过公共地电阻、地线导体电阻时便会产生电压降，此电压降便成为各部分之间相互影响的噪声干扰信号。同时，在远距离测量中，传感器和检测仪表在两处分别接地，于是在两地之间就存在较大的接地电位差，在仪表的输入端易形成共模干扰电压。

3．来自信号通道的干扰

通常传感器设在生产现场，而显示、记录等测量装置安装在离现场有一定距离的控制室内，这样需要很长的信号传输线，信号在传输的过程中很容易受到干扰，导致所传输的信号发生畸变或失真。

长线信号传输所遇到的干扰有：周围空间电磁场对长线的电磁感应干扰；信号线间的串扰，当强信号线或信号变化速度很快的线与弱信号线靠得很近时，通过线间分布电容和互感产生干扰；长线信号的地线干扰，信号线越长，则信号地线也越长，即地线电阻较大，形成较大的电位差；来自空间电磁辐射的干扰，这种干扰一般不太严重，只要与干扰源保持一定距离或采取适当的屏蔽措施(如加屏蔽罩、屏蔽线)基本上可以解决。10.1.3常模干扰和共模干扰

1.常模干扰

常模干扰是使信号接收器的一个输入端的电位相对另一个输入端电位发生变化。即干扰信号与有用信号是叠加在一起的。

常模干扰可用图10.1.2所示两种方式表示，图中es及Rs为有用信号源及内阻，Un表示等效干扰电压，In表示等效干扰电流，Zn为干扰源等效阻抗，Ri为接收器的输入电阻。图10.1.2常模干扰等效电路

(a)串联电压发生器形式；(b)并联电流发生器形式

2.共模干扰

共模干扰是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输入端同时出现的干扰。虽然它不直接影响结果，但是，当信号接收器的输入电路参数不对称时，它会转化为常模干扰，对测量结果产生影响。

共模干扰一般用等效电压源表示，图10.1.3给出了一般情况下的等效电路。图中Un表示干扰电压源，Zcm1、Zcm2

表示干扰源阻抗，Z1、Z2表示信号传输线阻抗，Zs1、Zs2

表示信号传输线对地漏阻抗。图10.1.3共模干扰等效电路从图中可以看出，当电路对称时，干扰电压源不会对接收器产生干扰。只有当电路不对称时，共模干扰才能转化为常模干扰，对信号接收起干扰作用。通常Zcm1、Zcm2比Z1、Z2大得多，因此，共模干扰转化为常模干扰的电压比率很小。但是共模干扰源的干扰电压值比信号源电压值高得多(信号源电压常为毫伏级，而共模干扰源电压为数十伏)，一旦共模干扰转化为常模干扰，这时的共模干扰对测量结果的影响就更严重，排除它比较困难。造成共模干扰的原因很多，图10.1.4给出了几个具体的例子。图10.1.4(a)表示热电偶测温系统，热电偶的金属保护套管通过炉体外壳与生产管路接地，而热电偶的两条补偿导线与显示仪表外壳没有短接，但仪表外壳接大地，地电位造成的共模干扰。图10.1.4(b)表示动力电源通过漏电阻对热电偶测温系统形成的共模干扰。图10.1.4(c)表示通过电源变压器的初级、次级间的分布电容耦合形成的共模干扰。图10.1.4产生共模干扰的典型例子 10.2干扰信号的传播途径

10.2.1直接耦合

电导性耦合最普遍的方式是干扰信号经过导线直接传导到被干扰电路中而造成对电路的干扰。在传感器电路中，干扰噪声经过电源线耦合进入传感器电路是最常见的直接耦合现象。对这种耦合方式，可采用滤波去耦的方法有效地抑制或防止电磁干扰信号的传入。10.2.2公共阻抗耦合

公共阻抗耦合是噪声源和信号源具有公共阻抗时的传导耦合。公共阻抗随元件配置和实际器件的具体情况而定。例如，电源线和接地线的电阻、电感在一定的条件下会形成公共阻抗；一个电源电路对几个电路供电时，如果电源不是内阻抗为零的理想电压源，则其内阻抗就成为接受供电的几个电路的公共阻抗。只要其中某一电路的电流发生变化，就会使其他电路的供电电压发生变化，形成公共阻抗耦合。

公共阻抗耦合一般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，如图10.2.1所示。常见的公共阻抗耦合有公共地和电源阻抗两种。图10.2.1是经公共电源或控制设备工作线路的内阻和连线而产生的耦合。这里干扰源的电流流过供电电源电路，这些电流便在电源电路所有阻抗上产生电压降。这些阻抗的一部分Zc接在接收器电路中，在Zc上的压降将由接收器接收。阻抗Zc的值与感应电压频率有关，低频时它基本上等于连接线的电阻和电源滤波器的输出电容的容抗；在高频时，它基本上等于连接导线的感抗和电源滤波器输出电容的容抗。图10.2.1经供电电源或控制电路的耦合10.2.3电容耦合

电容耦合是由于两个电路之间存在寄生电容，产生静电效应，使得一个电路的电荷变化影响到另一个电路。图10.2.2是两个平行导线之间存在静电耦合的例子。导线1是干扰源，导线2是检测系统的传输线，C1、C2分别为导线1、2的对地寄生电容，C12是导线1和2之间的寄生电容，R为导线2的对地电阻，根据电路理论，此时导线2所产生的对地干扰电压即R的电压为(10.2.1)

一般情况下，有R<<1/ω(C12+C2)，故上式可进一步简化为UN≈jRC12U1..(10.2.2)从上式可以看出，干扰电压UN与干扰源的电压U1及角频率成正比，这表明，高电压小电流的高频干扰源主要是通过静电耦合形成干扰的；干扰电压UN与C12成正比，同时也与R成正比，所以，应通过合理布线和适当防护措施减小电路间的寄生电容。降低接收电路的输入阻抗，也可以减小静电耦合干扰。图10.2.2静电电容耦合10.2.4辐射耦合

电磁场辐射也会造成干扰。当高频电流流过导体时，在该导体周围便产生电力线和磁力线，并发生高频变化，从而形成一种在空间传播的电磁波，处于电磁波中的导体便会感应出相应频率的电动势。10.2.5电磁感应耦合

电磁感应耦合是由于电路之间存在互感，使一个电路的电流变化，通过磁交变影响到另一个电路。图10.2.3是两个电路电磁耦合的示意图和等效电路，图中导线1为干扰源，导线2为检测系统的一段电路，两个导线之间的互感系数为M。当导线1中有电流I1变化时，根据电路理论，通过电磁耦合，在导线2产生的干扰电压Un为..(10.2.3)图10.2.3电磁耦合

(a)电磁耦合示意图;(b)电磁耦合等效电路 10.3硬件电路的抗干扰技术

10.3.1接地技术

正确接地是检测系统抑制干扰所必须注意的问题。在设计中若能把接地和屏蔽正确地结合，就能很好地消除外界干扰的影响。接地技术的基本目的是消除各电路电流流经公共地线时所产生的噪声电压，以及免受电磁场和地电位差的影响，即不使其形成地环路。

1．接地种类

所谓接地，就是将某点与一个等电位点或等电位面用低电阻导体连接起来，构成一个基准电位。大地是一个很好的电位基准，图10.3.1是电气设备接大地的示意图。但这里讨论的地不一定是大地。电子电器系统中“地”的准确含义应该是指信号的基准电位。检测或控制系统中，通过电线连接实现信号传输的各部分之间必须有一个公共的基准电位或者说信号参考点，这一参考点即所谓“地”。信号地线又可分为以下几种：图10.3.1单相三线交流配电原理图

1)模拟信号地线

模拟信号地线是模拟信号的零电位公共线，因为模拟信号有时较弱，易受干扰，所以对模拟信号地线的面积、走向、连接有较高的要求。

2)数字信号地线

它是数字信号的零电平公共线。由于数字信号处于脉冲工作状态，动态脉冲电流在接地阻抗上产生的压降往往成为微弱模拟信号的干扰源，为了避免数字信号对模拟信号的干扰，两者的地线应分别设置为宜。

3)信号源地线

传感器可看做是测量装置的信号源，通常传感器设在生产设备现场，而测量装置设在离现场一定距离的控制室内，从测量装置的角度看，可以认为传感器的地线就是信号源地线，它必须与测量装置进行适当的连接才能提高整个检测系统的抗干扰能力。

4)负载地线

负载的电流一般都较前级信号电流大得多，负载地线上的电流有可能干扰前级微弱的信号，因此负载地线必须与其他地线分开，有时两者在电气上甚至是绝缘的，信号通过磁耦合或光耦合来传输。

2．一点接地原则

对于上述四种地线一般应分别设置，在电位需要连通时，也必须仔细选择合适的点，在一个地方相连，这样才能消除各地线之间的干扰。

传感元件与测量装置构成了一个完整的传感器系统，两者之间可能相距甚远，所以这两个部分的接大地点之间的电位一般是不相等的，有时电位差可能高达几伏甚至几十伏，这个电压称为大地电位差。若将传感元件、测量装置的零电位在两处分别接大地，会有很大的电流流过信号传输线，在Zi2上产生电压降，造成干扰，如图10.3.2(a)所示。为避免这种现象，应采取图10.3.2(b)所示的系统一点接地的方法。大地电位差只能通过分布电容Ci1、Ci2构成回路，干扰电流大为减小。若进一步采用屏蔽浮置的办法就能更好地克服大地电位差引起的干扰。图10.3.2传感器系统的接地

(a)系统两点接地；(b)系统一点接地10.3.2屏蔽技术

1.静电屏蔽

在静电场的作用下，导体内部无电力线，即各点电位相等。静电屏蔽就是利用了与大地相连接的导电性良好的金属容器，使其内部的电力线不外传，同时外部电场也不影响其内部。

使用静电屏蔽技术时，应注意屏蔽体必须接地，否则虽然导体内无电力线，但导体外仍有电力线，导体仍受到影响，起不到静电屏蔽的作用。

2.电磁屏蔽

电磁屏蔽是采用导电良好的金属材料做成屏蔽层，利用高频干扰电磁场在屏蔽金属内产生的涡流，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。

电磁屏蔽依靠涡流产生作用，因此必须用良导体如铜、铝等做屏蔽层。考虑到高频趋肤效应，高频涡流仅在屏蔽层表面一层，因此屏蔽层的厚度只需考虑机械强度。

将电磁屏蔽妥善接地后，其具有电场屏蔽和磁场屏蔽两种功能。

3.低频磁屏蔽

在低频磁场中，电涡流作用不太明显，因此必须采用高导磁材料作屏蔽层，以便将低频干扰磁力线限制在磁阻很小的磁屏蔽层内部，使低频磁屏蔽层内部的电路免受低频磁场耦合干扰的影响。在干扰严重的地方常使用复合屏蔽电缆，其最外层是低磁导率、高饱和的铁磁材料，最里层是铜质电磁屏蔽层，以便一步步地消耗掉干扰磁场的能量。在工业中常用的办法是将屏蔽线穿在铁质蛇皮管或普通铁管内，以达到双重屏蔽的目的。10.3.3光电耦合器隔离技术

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的一种技术措施。常用的电路隔离方法有光电耦合隔离、变压器隔离等方法。使用光耦合器切断环路电流干扰十分有效，其原理如图10.3.3所示。由于两个电路之间采用光束耦合，能把两个电路的地电位隔离开，因此两电路地电位即使不同也不会造成干扰。光耦合对数字电路很适用，但在模拟电路中需应用光反馈技术，以解决光耦合器特性的线性度较差的问题。由于二极管—三极管型耦合器的频率响应范围不够宽，因此传输频率较高的脉冲信号往往选用传输频率响应范围很宽的二极管—二极管型光耦合器。图10.3.3光电耦合隔离器

10.3.4滤波技术

1.交流电源进线的对称滤波

为防止交流电源的噪声通过电源线进入电测仪器内，在交流电源进线间接入一个防干扰滤波器，如图10.3.4和图10.3.5所示，使交流电先通过滤波器，滤去电源中的噪声后再输入仪器中。图10.3.4所示的高频干扰电压滤波器用于抑制中频带的噪声干扰，而图10.3.5所示的滤波电路用于抑制电源波形失真而含有较多高次谐波的干扰。图10.3.4高频干扰电压滤波电路图图10.3.5低频干扰电压滤波电路

2.直流电源输出的滤波器

直流电源往往是几个电路公用的。为削弱公共电源在电路间形成的噪声耦合，对直流电源还需加装滤波器。图10.3.6是滤除电源高、低频成分的滤波器。图10.3.6高、低频干扰电压滤波器

3.去耦滤波器

当一个直流电源同时为几个电路供电时，为了避免通过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π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去耦滤波器。10.3.5印刷电路板的抗干扰设计

电路板是检测系统中器件、信号线、电源线高密度集合体，对抗干扰性能影响很大，如果电路板设计、布线及接地不妥，可能使整个系统无法正常运行，主要应从以下几方面加以考虑：

1．印制电路板

大小要适中。过大时，印刷线条长，阻抗增加，抗噪声能力下降，成本也高；过小，散热不好，且易受干扰。尽量使用多层印制板，保证良好的接地网，减少地电位差。

2．器件布置

干扰源和易受干扰的元件应尽量分开；非辐射元件或单级元件应该尽量靠近，以减小公共地阻抗；低频模拟电路和数字逻辑电路应尽可能分开；发热量大的器件应考虑散热问题；I/O驱动器件尽量靠近印制板边上放置；闲置的IC管脚不要悬空，元器件管脚避免相互平行，以减少寄生耦合。如有可能，尽量使用贴片元件。

3．布线

布线时，高速电路应占据最小回路面积和最短的引线，电路之间的连接应尽量短，容易受干扰的信号线要重点保护，不能与能够产生干扰或传递干扰的线路长距离平行，交流和直流电路要分开，对双面布线的印制电路板，应使两面线条垂直交叉，以减少磁场耦合效应。

4．接地

交流地与信号地不能共用，以减少电源对信号的干扰；数字地与模拟地分开设计，在电源端两种地线相连；对于多级电路，设计时要考虑各级动态电流，注意接地阻抗相互耦合的影响，地线和电源线的距离应大于1mm，地线尽量粗些，但是不能太粗，否则寄生电容太大；如果频率小于1MHz，可采用单点接地；当频率在1～10MHz时，如果地线长度小于λ/20，则可采用单点接地，否则应采用多点接地；当频率高于10MHz时，应采用多点接地；当电路板上需要转弯时，或者向两个方向各转45°，或者以圆弧连接；如果是多层板，所有元件与连接器都应安装在接地平面内，即接地平面应环绕每一个焊点和过孔的周长。电源和地的布局，应减小耦合回路以及电源和地间的分布阻抗。对于多个集成电路芯片的电路，通常采用如图10.3.7所示的供电方式，而应避免如图10.3.8的供电方式。图10.3.7正确的布线方式图10.3.8不正确的布线方式

5．去耦电容

加去耦电容是印制电路板设计的一项常规做法。在电源输入端跨接10～100μF的电解电容或钽电容，在每个集成电路芯片上安装一个0.01μF的陶瓷电容器。 10.4软件干扰抑制技术

10.4.1数字滤波

数字滤波具有很多硬件滤波器没有的优点。它是由软件算法实现的，不需要增加硬件设备，只要在程序进入控制算法之前，附加一段数字滤波的程序。各个通道可以共用一个数字滤波器，而不像硬件滤波器那样存在阻抗匹配问题。它使用灵活，只要改变滤波程序或运算参数，就可实现不同的滤波效果，很容易解决较低频信号的滤波问题。常用的数字滤波方法有算术平均值法、中位值法和抑制脉冲算术平均法(复合滤波法)。

1. 算术平均值法

算术平均值法是对同一采样点连续采样N次，然后取其平均值，其算术表达式为(10.4.1)式中，y为N次测量的平均值；xk为第k次测量值；N为测量次数。算术平均值法是用的最多和最简单的方法，对周期性波动的信号有良好的平滑作用，其平滑滤波程度完全取决于N。当N较大时，平滑度高，但灵敏度低，即外界信号的变化对测量计算结果y的影响小；当N较小时，平滑度低，但灵敏度高。因此，应根据具体情况选取N，如对一般流量测量，可取N＝8~16；对压力测量可取N＝4。

2. 中位值法

中位值滤波法是对某一被测参数连续采样n次(一般取n为奇数)，然后把n次采样值按大小排列，取中间值为本次采样值。中位值滤波能有效地克服偶然因素引起的波动和脉冲干扰。对温度、液位等缓慢变化的被测参数采用此法，能收到良好的滤波效果；但对于流量、压力等快速变化的参数一般不宜采用中位值滤波。图10.4.1是对某点连续采样三次中位值法的程序流程图。图10.4.1中位值法程序流程图

3. 抑制脉冲算术平均法

由以上的讨论分析可知，算术平均值对周期性波动信号有良好的平滑作用，但对脉冲干扰的抑制能力较差；而中位值法有良好的去脉冲干扰能力，然而，由于它又受各采样点连续采样次数的限制，阻碍了其性能的提高，因此，在实际应用中往往把前面介绍的两种方法结合起来使用，形成复合滤波算法，其特点是先用中位值法滤掉采样值中的脉冲干扰，然后把剩下的各采样值进行平滑滤波。

由于这种滤波方法兼容了算术平均值法和中位值法的优点，因此无论是对缓慢变化的过程信号还是对快速变化的过程信号，都能起到很好的滤波效果。10.4.2冗余技术

当干扰信号通过某种途径作用到CPU上时，使CPU不能按正常状态执行程序，从而引起混乱，这就是所说的程序“跑飞”。程序“跑飞”后，使其恢复正常的一个最简单的方法是通过人工复位，使CPU重新执行程序。采用这种方法虽然简单，但需要人的参与，而且复位不及时。人工复位一般是在整个系统已经瘫痪，无计可施的情况下才不得已而为之的，因此，在进行软件设计时，就要考虑到万一程序“跑飞”，应让其能够自动恢复到正常状态下运行，冗余技术就是经常用到的方法，它包括指令的冗余设计和数据程序的冗余设计。所谓“指令冗余”，就是在一些关键的地方人为地插入一些单字节的空操作指令NOP，当程序“跑飞”到某条单字节指令上时，就不会发生将操作数当成指令来执行的错误。例如，MCS－51系列单片机所有的指令都不会超过3个字节。因此，在某条指令前面插入两条NOP指令，则该条指令就不会被前面冲下来的失控程序拆散，而会得到完整的执行，从而使程序重新纳入正常轨道。应该注意的是：在一个程序中，“指令冗余”不能使用过多，否则会降低程序的执行效率。数据和程序的冗余设计的基本方法是在EPROM的空白区域，再写入一些重要的数据表和程序作为备份，以便系统程序被破坏时，仍有备份参数和程序维持系统的正常工作。10.4.3拦截技术

1.软件陷阱的设计

当“跑飞”程序进入非程序区，冗余指令便无法起作用。通过软件陷阱，拦截“跑飞”程序，将其引向指定位置，再进行出错处理。

软件陷阱是指用来将捕获的“跑飞”程序引向复位入口地址0000H的指令，通常在EPROM中的非程序区填入以下指令作为