表格模板-第六章智能仪表抗干扰技术智能仪表原理与设计 精品.ppt

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1、第六章第六章 智能仪表抗智能仪表抗 干扰技术干扰技术华东理工大学信息学院自动化系华东理工大学信息学院自动化系6.1 干扰与噪声源干扰与噪声源本章主要内容：本章主要内容：6.2 硬件抗干扰措施硬件抗干扰措施6.3 软件抗干扰技术软件抗干扰技术6.1 干扰与噪声源干扰与噪声源6.1.0 概述概述6.1.1 串模干扰串模干扰6.1.2 共模干扰共模干扰6.1.3 数字电路干扰数字电路干扰6.1.4 电源干扰电源干扰干扰来源干扰来源6.1.0 概述概述空间空间(电磁感应电磁感应)传输通道传输通道 配电系统配电系统 主 机 I / O 电 路 传 感 执 行 器 对 象 直 流 稳 压 电 源 直 流

2、稳 压 电 源 干 扰 市 电 智 能 仪 表 传 输 通 道 6.1.0 概述概述抗干扰措施主要是：抗干扰措施主要是： 尽力尽力切断来自传输通道和配电系统的切断来自传输通道和配电系统的干扰，干扰，并并抑制部分已进入仪表的干扰作用。抑制部分已进入仪表的干扰作用。干扰分类干扰分类按干扰进入仪表的渠道分为：按干扰进入仪表的渠道分为：串模干扰串模干扰共模干扰共模干扰数字电路干扰数字电路干扰电源和地线系统的干扰电源和地线系统的干扰6.1.1串模干扰串模干扰串模干扰：串模干扰：指干扰电压与有效信号串联叠加后作用指干扰电压与有效信号串联叠加后作用到仪表上的干扰，如下图所示：到仪表上的干扰，如下图所示：串模

3、干扰的主要来源：串模干扰的主要来源：高压输电线高压输电线与信号平行敷设的输电与信号平行敷设的输电线线大电流控制线大电流控制线所产生的空间电磁场所产生的空间电磁场串模干扰示意图串模干扰示意图 由于测量控制系统的信号线比较长，由于测量控制系统的信号线比较长，通过电磁通过电磁和静电耦合在信号线上的感应电压数值有可能大到和静电耦合在信号线上的感应电压数值有可能大到与被测有效信号相同的数量级，有时比后者还大与被测有效信号相同的数量级，有时比后者还大；同时，对测量系统来说，由于采样时间短，同时，对测量系统来说，由于采样时间短，工频的工频的感应电压也相当于缓慢变化的干扰电压感应电压也相当于缓慢变化的干扰电压

4、，这些干扰，这些干扰信号与有效直流信号一起被采样、放大，造成有效信号与有效直流信号一起被采样、放大，造成有效信号失真。信号失真。另外：另外：信号源本身固有的漂移、纹波和噪声，电源信号源本身固有的漂移、纹波和噪声，电源变压器不良屏蔽变压器不良屏蔽 等均可引入串模干扰等均可引入串模干扰6.1.2 共模干扰共模干扰共模干扰：指输入通道两个输入端上共有的干扰电共模干扰：指输入通道两个输入端上共有的干扰电压，压，可以是直流，也可以是交流，干扰幅值可达数可以是直流，也可以是交流，干扰幅值可达数伏甚至更高，取决于现场产生干扰的环境条件和仪伏甚至更高，取决于现场产生干扰的环境条件和仪表的接地情况。表的接地情况

5、。在测控系统中，检测元在测控系统中，检测元件和传感器分散在现场件和传感器分散在现场的各个地方，因此，被的各个地方，因此，被测信号的参考地和仪表测信号的参考地和仪表输入信号的参考地之间输入信号的参考地之间存在着电位差。如左图存在着电位差。如左图所示：所示：共模干扰示意图共模干扰示意图对于输入通道的两个对于输入通道的两个输入端来说，该电压输入端来说，该电压是两个输入端上共有是两个输入端上共有的干扰电压，因此称的干扰电压，因此称共模电压。共模电压。信号的两种输入方式：信号的两种输入方式：单端对地输入单端对地输入双端不对地输入双端不对地输入单端对地输入：单端对地输入： Vcm Vs ZS Zi 单端对

6、地输入示意图单端对地输入示意图存在公模干扰时如存在公模干扰时如果采用单端对地输果采用单端对地输入，则共模电压全入，则共模电压全部转化为串模干扰部转化为串模干扰电压进入仪表。电压进入仪表。双端不对地输入示意图双端不对地输入示意图 Vcm VS ZS1 Zcm1 Zcm2 ZS2 A B 双端不对地输入：双端不对地输入：共模干扰电压共模干扰电压Vcm在仪表在仪表的输入端的输入端A、B端形成的端形成的共模电压计算如下：共模电压计算如下：111()cmAcmscmVVZZZ222()cmBcmscmVVZZZ因为：因为：所以可得所以可得VAB121122121122()()cmcmABABcmcmsc

7、mscmcmcmcmscmscmVVVVVZZZZZZZZVZZZZ其中：其中：Zs1、Zs2为信号源内阻，为信号源内阻，Zcm1、Zcm2为输入通为输入通道的输入阻抗。道的输入阻抗。 Vcm VS ZS1 Zcm1 Zcm2 ZS2 A B 如果如果Zs1=Zs2 且且Zcm1=Zcm2，则，则VAB=0，不会引入共模，不会引入共模干扰。但该条件很难满足，一般地，干扰。但该条件很难满足，一般地， VAB不等于不等于0，也就是说总存在共模干扰电压。也就是说总存在共模干扰电压。一般地，共模干扰电压总是转化成一定的串模干扰一般地，共模干扰电压总是转化成一定的串模干扰出现在两个输入端之间。出现在两个

8、输入端之间。121122cmcmABABcmscmscmZZVVVVZZZZ6.1.3 数字电路干扰数字电路干扰数字电路的数字电路的元件和元件之间、导线和导线之间、元件和元件之间、导线和导线之间、导线和元件之间、导线与结构件之间存在着分导线和元件之间、导线与结构件之间存在着分布电容。布电容。如果某一导体上的信号电压（噪声、如果某一导体上的信号电压（噪声、干扰电压）通过分布电容使其它导体上的电压干扰电压）通过分布电容使其它导体上的电压受到影响，这种现象称为电容性耦合。受到影响，这种现象称为电容性耦合。6.1.3 数字电路干扰数字电路干扰例如布线干扰：例如布线干扰：假设假设A A、B B两导线的两

9、端均接有门电路，两导线的两端均接有门电路，如下图。当门如下图。当门1 1输出一个方波脉冲，而受感线输出一个方波脉冲，而受感线(B(B线线) )正处于正处于低电平时，则会对门低电平时，则会对门4 4的输出产生影响。的输出产生影响。AB门1门3门2门4CADCABCBDR6.1.3 数字电路干扰数字电路干扰可以从示波器上观察到如下图所示的波形（干扰脉冲）。可以从示波器上观察到如下图所示的波形（干扰脉冲）。AB门1门3门2门4CADCABCBDRVAVOHVOLt(a) 门1输出VBVTVOLt(b) 门4输入t1VOHVOLt(c) 门4输出6.1.3 数字电路干扰数字电路干扰另外还有：另外还有：

10、电容耦合干扰电容耦合干扰由印刷电路板电源线与地线之间的开关电流和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阻抗引起的干扰元器件的热噪声元器件的热噪声静电感应噪声静电感应噪声等等等等6.1.4 电源干扰电源干扰电源干扰主要有以下几种：电源干扰主要有以下几种：同一电源系统中的可控硅器件通断时产生的尖峰，同一电源系统中的可控硅器件通断时产生的尖峰，通过变压器的初级与次级间的电容耦合，在直流通过变压器的初级与次级间的电容耦合，在直流电源中产生干扰。电源中产生干扰。附近的断电器动作时产生的浪涌电压，由电源线附近的断电器动作时产生的浪涌电压，由电源线通过变压器的初级与次级间的电容耦合产生的干通

11、过变压器的初级与次级间的电容耦合产生的干扰。扰。共用同一电源的附近设备接通或断开时产生的干共用同一电源的附近设备接通或断开时产生的干扰。扰。6.2 硬件抗干扰措施硬件抗干扰措施6.2.1 串模干扰的抑制串模干扰的抑制6.2.2 共模干扰的抑制共模干扰的抑制6.2.3 过程通道的抗干扰过程通道的抗干扰6.2.4 电源与电网干扰的抑制电源与电网干扰的抑制6.2.5 地线系统干扰的抑制地线系统干扰的抑制串模抑制比串模抑制比NMR衡量串模干扰的抑制能力。衡量串模干扰的抑制能力。120lg()nmnmVNMRdBV其中：其中：Vnm串模干扰电压。串模干扰电压。 Vnm1仪表输入端由串模干扰引起的等效差仪

12、表输入端由串模干扰引起的等效差模电压。模电压。(1)串模干扰抑制的基本概念串模干扰抑制的基本概念6.2.1 串模干扰的抑制串模干扰的抑制例如：例如：假设有效信号的动态范围为假设有效信号的动态范围为30mV30mV，要求测量准确，要求测量准确度为度为0.1%0.1%，则串模干扰必须被抑制到，则串模干扰必须被抑制到0.03mV0.03mV以下，即以下，即V Vnm1nm10.03mV0.03mV。则应做到则应做到一般要求一般要求NMR大于等于大于等于4080dB。(1)串模干扰抑制的基本概念串模干扰抑制的基本概念)(6003. 030lg20dBNMR(2) 串模干扰的抑制方法串模干扰的抑制方法采

13、用滤波器，采用滤波器，要求：串模干扰频率与被测信号频率要求：串模干扰频率与被测信号频率不同。不同。主要采用的滤波器有：主要采用的滤波器有： 高通滤波器：串模干扰频率高通滤波器：串模干扰频率被测信号频率被测信号频率 带通滤波器：串模干扰频率落在被测信号频率两侧带通滤波器：串模干扰频率落在被测信号频率两侧 带阻滤波器：串模干扰频率落在被测信号频率中间带阻滤波器：串模干扰频率落在被测信号频率中间智能仪表中，主要的抗串模干扰措施是利用低通滤波智能仪表中，主要的抗串模干扰措施是利用低通滤波器器常用的低通滤波器有常用的低通滤波器有RC滤波器、滤波器、LC滤波器、双滤波器、双T滤滤波器、有源滤波器，见下图。

14、波器、有源滤波器，见下图。(a)(b)RCC1LC2RRC2CR/2CR1R2C1C2(c)(d)滤波器原理图滤波器原理图RC滤波器滤波器优点：结构简单，成本低，不需调整优点：结构简单，成本低，不需调整缺点：缺点：NMR不高，需要不高，需要23级才能达到需要的级才能达到需要的NMR指标。时间常数较大，影响放大器的动态特性。指标。时间常数较大，影响放大器的动态特性。LC滤波器滤波器优点：优点：NMR比较高比较高缺点：需要绕制电感，体积大、成本高缺点：需要绕制电感，体积大、成本高双双T滤波器滤波器特点：特点：对固定频率的干扰具有很高的对固定频率的干扰具有很高的NMR，但偏离该，但偏离该频率后抑制比

15、迅速减小。频率后抑制比迅速减小。 主要滤除工频干扰，对高频干扰无能为力，调整主要滤除工频干扰，对高频干扰无能为力，调整麻烦麻烦有源滤波器有源滤波器特点：特点：可获得较理想的频率特性，但对仪表输入级来可获得较理想的频率特性，但对仪表输入级来说，有源器件的共模抑制比不能满足要求，其本身还说，有源器件的共模抑制比不能满足要求，其本身还可能带来较大噪声。可能带来较大噪声。仪表的输入滤波器一般采用仪表的输入滤波器一般采用2级级RC低通滤波器低通滤波器输入信号输入通道75757575500500屏蔽层两级两级RC滤波电路滤波电路对于主要来自电磁感应的串模干扰，对于主要来自电磁感应的串模干扰，尽可能早的尽可

16、能早的对被测信号进行前置放大，提高回路中的信噪比；对被测信号进行前置放大，提高回路中的信噪比；或者或者尽可能早地完成模尽可能早地完成模/数转换，数转换，或或采取隔离和屏采取隔离和屏蔽措施。蔽措施。从选择器件（双积分形从选择器件（双积分形A/D）入手，可以采用高）入手，可以采用高抗扰度逻辑器件，通过提高阈值电平抑制低噪声抗扰度逻辑器件，通过提高阈值电平抑制低噪声的干扰；采用低速逻辑器件来抑制高频干扰；人的干扰；采用低速逻辑器件来抑制高频干扰；人为地通过附加电容器，降低某个逻辑电路的工作为地通过附加电容器，降低某个逻辑电路的工作速度来抑制高频干扰。速度来抑制高频干扰。6.2.2 共模干扰的抑制共模干扰的抑制(1)共模干扰抑制的基本概念共模干扰抑制的基本概念共模抑制比共模抑制比CMR衡量共模干扰的抑制能力。衡量共模干扰的抑制能力。120lg()cmcmVCMRdBV其中：其中：Vcm共模干扰电压。共模干扰电压。 Vcm1仪表输入端由共模干扰引起的等效仪表输入端由共模干扰引起的等效电压。电压。(2) 共模干扰的抑制方法共模干扰的抑制方法共模干扰是智能仪表常见的干扰源，常见的抑制共共模干扰是智能