数据数据采集与处理技术ch11抗干扰.ppt

1,第14章 数据采集系统的 抗干扰技术,2,14.2 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,4,14.1 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）,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。,5,14.1 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,6,14.1 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,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,USN=US+UN,8,14.1 数据采集系统中常见的干扰,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,10,14.2 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:,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,15,14.2 供电系统的抗干扰,电源低通滤波器L1=100 H C1=0.10.5F C2=0.050.1F,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。,16,14.2 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。,17,14.2 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。,18,14.2 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。,19,14.2 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DCDC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。,20,14.2 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,21,14.2 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。,22,14.2 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。,23,14.3 模拟信号输入通道 的抗干扰,24,14.3 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,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,14.3 模拟信号输入通道的抗干扰,26,14.3 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。,27,14.3 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100 1000之间，而干扰源的内阻一般很大，通常为105106。,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。,28,14.3 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。,29,14.3 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0.5 pF2 pF，而绝缘电阻又非常大，通常为1011 1013。,输出端的各种干扰噪声很难反馈到输入端去。,30,14.3 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,31,14.3 模拟信号输入通道的抗干扰,32,14.3 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：,33,14.3 模拟信号输入通道的抗干扰,34,14.3 模拟信号输入通道的抗干扰,2.采用滤波器滤除干扰,滤波-只允许某一频带信号通过。,35,14.3 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。,在信号线间采用RC滤波，会对信号造成一定损失。,36,14.3 模拟信号输入通道的抗干扰,3.采用浮置措施抑制干扰,浮置-数据采集电路的模拟信号地不 接机壳或大地。,37,14.3 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。,38,14.3 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：,39,14.3 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,t 逻辑电路器件或组件的上升时间；,V 速度,V=2.5108 m/s,n 经验数据,n=4,40,14.3 模拟信号输入通道的抗干扰,例如，某高速组件的t=10ns，则,即在该系统中，超过0.62m的传输线就可算作长线。,(m),41,14.3 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,t(ns),产生噪声,ECL,TTL,RTL,DTL,CMOS,HTL,3,10,25,30,35,85,低中,高,中,中,中高,低,42,14.3 模拟信号输入通道的抗干扰,长线传输信号遇到的问题,对信号传输速度有延迟,使信号产生畸变,易受外界干扰,43,14.3 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,44,14.3 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,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,45,14.3 模拟信号输入通道的抗干扰,式中,1 始端发射系数，1=-(Z0-Rs)/(Z0+Rs),2 终端发射系数，2=-(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。,46,14.3 模拟信号输入通道的抗干扰,这就发生了信号在传输线上多次反射的情况。,实际情况,当传输线终端不匹配时，信号 便被反射。,反射波到达始端时，若始端也 不匹配，同样又产生反射。,47,14.3 模拟信号输入通道的抗干扰,始端、终端不匹配，终端R L Z 0，R S、R L Z 0,48,14.3 模拟信号输入通道的抗干扰,当信号源单独和波阻抗Z0=90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KU0,49,14.3 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,50,14.3 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,51,14.3 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。,52,14.3 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(R L Z0)的波形,53,14.3 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。,54,14.3 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。,55,14.3 模拟信号输入通道的抗干扰,结论,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。,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。,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。,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。,56,14.3 模拟信号输入通道的抗干扰,57,14.3 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,阻抗匹配。,长线匹配。,58,14.3 模拟信号输入通道的抗干扰,阻抗匹配,始端匹配,始端串联电阻匹配,始端上拉电阻或阻容匹配,59,14.3 模拟信号输入通道的抗干扰,终端匹配,并联阻抗,阻容匹配,接钳位二极管,60,14.3 模拟信号输入通道的抗干扰,61,14.3 模拟信号输入通道的抗干扰,结果,将门B输入端电平钳至0.3V，减少 反冲,吸收反射波,减少线间串扰，提高动态抗干扰 能力,62,14.3 模拟信号输入通道的抗干扰,长线驱动,驱动电路：将TTL信号变为差分信 号再经长线传至接收端,接收电路：具有差分输入端，将接 收的信号换成TTL信号 输出,63,14.3 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,浮置-去掉传输线两端之间的公共地线。,64,14.3 模拟信号输入通道的抗干扰,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。,65,14.3 模拟信号输入通道的抗干扰,传输线的使用,屏蔽线的使用,屏蔽线 信号线外包裹了一层铜质屏蔽层。,66,14.3 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,67,14.3 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。,68,14.3 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。,69,14.3 模拟信号输入通道的抗干扰,双绞线的使用,双绞线 两根塑料护套线扭绞在一起。,70,14.3 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：,71,14.3 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,72,14.3 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：,73,14.3 模拟信号输入通道的抗干扰,这种方法只适合于信号在1020m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：,74,14.3 模拟信号输入通道的抗干扰,5.AD转换器的抗干扰,AD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AD 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。,75,14.3 模拟信号输入通道的抗干扰,尽量把AD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。,76,14.3 模拟信号输入通道的抗干扰,当传感器和AD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。,77,14.3 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,三线采样 将信号线和地线一起采样。,78,14.3 模拟信号输入通道的抗干扰,原理图,79,14.3 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。,80,14.3 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AD连接中，均采用光电或电磁隔离技术。,81,14.3 模拟信号输入通道的抗干扰,AD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,82,14.3 模拟信号输入通道的抗干扰,83,14.4 接地问题,84,14.4 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。,85,14.4 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,86,14.4 接地问题,2.接地问题的处理,一点接地原则,串联一点接地,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：,87,14.4 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。,88,14.4 接地问题,条件,各子系统的对地电位相差不大,把低电位的子系统放在离接地点 最近的地方,89,14.4 接地问题,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,90,14.4 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。,91,14.4 接地问题,原因,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。,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。,92,14.4 接地问题,多点接地原则,每个电路的接地线要尽可能越短越好，应就近接地。,93,14.4 接地问题,好处,地线阻抗低，可防止信号高频时地 线向外辐射噪声。,地线阻抗低且相互远离，能减小噪 声的磁场和电场耦合。,94,14.4 接地问题,不同性质接地线的连接原则,原则,强信号地与弱信号地要分开。,模拟地与数字地要分开。,高电平数字地与低电平信号地要分 开。,各子系统的地只在电源处一点接地。,95,14.4 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。,96,14.5 数据采集软件的抗干扰,97,14.6 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,10IF 33=27 THEN PRINT“YES”:END PRINT“NO”:END,运行程序却显示出“NO”。,98,14.6 数据采集软件的抗干扰,改写程序为,10 IF 3*3*3=27 THEN PRINT“YES”:END20 PRINT“NO”:END,再次运行程序，将能正确地显示出“YES”。,产生错误 的原因：,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。,99,14.6 数据采集软件的抗干扰,改正方法,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（33-27）0.0001 THEN PRINT“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。,100,14.6 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+(+)X+109=0的根。其中=109，=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,101,14.6 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。,102,14.6 数据采集软件的抗干扰,103,14.6 数据采集软件的抗干扰,即B=109，,又进而使得,求得,X1109，X20,B=（+）=109+1=1109+0.000000001109=（1+0.000000001)109,104,14.6 数据采集软件的抗干扰,105,14.6 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，“吃掉”了，使=0。误差积累，最后导致计算X2时出现错误。,106,14.6 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。,107,14.6 数据采集软件的抗干扰,消除开关抖 动的方法,用硬件电路,用软件延时,【例14.2】用AD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AD板。,确定AD接口卡的基地址为0100H。,108,14.6 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，Quick BASIC程序如下：,1CLS2N=103DIM U1(N),U2(N),U3(N),109,14.6 数据采集软件的抗干扰,4FOR I=1 TO N5CH%=06CALL CAIJI(CH%,U)7U1(I)=U8CH%=19CALL CAIJI(CH%,U)10U2(I)=U11CH%=212CALL CAIJI(CH%,U)13U3(I)=U14 NEXT I,110,14.6 数据采集软件的抗干扰,15 PRINT U1,U2,U3 16 FOR I=1 TO N17 PRINT U1(I),U2(I),U3(I)18 NEXT I19 END20 SUB CAIJI(CH%,U)25 ADDER%=&H10030 A=INP(ADDER%+3)35 OUT ADDER%,CH%40 OUT ADDER%+1,045 IF INP(ADDER%+2)128 THEN 45,111,14.6 数据采集软件的抗干扰,50 H=INP(ADDER%+2)55 L=INP(ADDER%+3)U=(H*256+L)*10/40965 END SUB,按ShiftF5键运行以上程序，可得如下运行结果：,112,14.6 数据采集软件的抗干扰,U1 U2 U3 1.8603 1.5649 2.622171.8554 1.5625 2.624511.8554 1.5649 2.622071.8579 1.5625 2.624511.8554 1.5649 2.624511.8579 1.5625 2.624511.8554 1.5649 2.622071.8579 1.5649 2.626951.8554 1.5625 2.622071.8579 1.5673 2.62207,113,14.6 数据采集软件的抗干扰,在3545行之间加入2行（36、42行）延时语句，改动后的CAIJI过程模块如下：,20 SUB CAIJI(CH%,U)25 ADDER%=&H10030 A=INP(ADDER%+3)OUT ADDER%,CH%36 FOR I=1 TO 500：NEXT I OUT ADDER%+1,0 FOR I=1 TO 500：NEXT I 45 IF INP(ADDER%+2)128 THEN 45,114,14.6 数据采集软件的抗干扰,50 H=INP(ADDER%+2)55 L=INP(ADDER%+3)60 U=(H*256+L)*10/40965 END SUB,运行修改后的程序可得出以下结果：,115,14.6 数据采集软件的抗干扰,U1 U2 U31.5454 1.5698 2.93941.5454 1.5698 2.93941.5454 1.5698 2.93941.5454 1.5698 2.93941.5454 1.5698 2.94181.5454 1.5698 2.93941.5454 1.5722 2.93941.5454 1.5698 2.93941.5478 1.5698 2.93941.5454 1.5698 2.9394,116,14.6 数据采集软件的抗干扰,由此可见，软件延时的方法是简便有效的。,用软件消除采样数据中的零电平漂移,消除零电平漂移的方法,对未加载的传感器进行检测，将零电平信号读入计算机。,采样时，将采集数据与零电平 相减，消除零电平的漂移。,