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智能仪器开发中的干扰抑制技术

2/14/2005来源:测试仪表人气:11660

智能仪器开发中的干扰抑制技术 1 前言   仪器开发必须考虑普适性,作为一个产品应能应用于各种各样场合,也就是说它不仅仅 用在实验室和办公室,也可能被用在野外,矿山,或工业监测控制现场,可能周围条件优越, 也可能环境恶劣干扰频繁,质量就是生命,如何保证所开发的仪器具有极高的抗干扰能力和 可靠性及是研制者魂牵梦绕的问题。   随着超大规模集成电路的发展和单片机的出现,命名得融入电脑,开发智能仪器成为可 能,计算机的加盟令局面一新 ,我们不仅可以从硬件方面采取措施,还可以从软件方面采 取措施进一步增强自己所开发仪器的抗干扰能力。   工故使用仪器的苛刻运行环境主要表现在:工矿现场大耗能设备多,大功率特别是大感 生负载的启停往往会使电网产生几百伏甚至几千伏的尖脉冲干扰。工业电网欠压或过压,常 常达到额定电压的15%,这种恶劣的供电善有时长达几分钟、几小时,甚至几天。在工矿 现场,各种信号线如绑扎在一起或走同一根多芯电缆,由于导线间存在电容性耦合、电感性 耦合世电场磁场组合耦合,也是仪器通道出现干扰的主要原因之一,特别是信号线与交流动 力线同走一个长的管道中、干扰尤甚,多路开关或保持器性能不好,也会引起仪器临近通道 信号的窜扰。空间各种电磁、气象条件、雷电甚至地磁场的变化也会干扰得使仪器不能正常 工作。此外现场温度、湿度的变化可能引起电路参数的发迹腐蚀性气体、酸碱盐的作用,野 外的风沙、雨淋、甚至鼠咬虫蛀等都会影响仪器的可靠性。   仪器在现场运行所受到的干扰各种各样,具体情况具体分析,对不同的干扰采取不同的 措施,此乃抗干扰的决的原则。这种灵活机动的策略与普适性无疑是矛盾的。解决的办法应 当采用模块化的方法。除了基本构件外,针对不同的运行场合,仪器可装配不同的选 件, 以有效地抗干扰,提高可靠性。 2 尖峰干扰抑制技术   对仪器正常工作危害最严重的是电网尖峰脉冲干扰,产生尖峰干扰的用电设备有:电焊 机、大电机、可控机、继电接触器、带镇流器的充气照明灯,甚至电烙铁等。尖峰干扰常使 智能仪器中的电脑“习程序”或“死机”可用硬件、软件结合的办法来抑制。 2.1 用硬件线路掏尖峰干扰的影响   有如下三种常用办法:或在仪器交流电源输入端串入按频谱均均衡的原理设计的干扰掏 器,将尖峰电压集中能量分配到不同的频段上,从而减弱其破坏性,或在仪器交流电源输入 端加超级隔离变压器,利用铁磁共振原理抑制尖峰脉冲;或在仪器交流电源的输入端并联压 敏电阻利用尖峰脉冲到来时电阻值减小,隆低仪器从电源分得的电压,从而削弱干扰的影响。 2.2 利用软件方法抑制尖峰干扰   管者参与研制的我国第一台声发射售在北京某研究院做实验时,旁边有一个可控硅设备 基工作。每周期,当可控硅一导通我们的声发射信上就出现一个尖峰脉冲干扰。对于这种周 期性干扰,我们编程进行的时间滤波,也就是用程序控制在可控硅导通瞬间不采样,从而有 效地掏了干扰。 2.3 采用硬、软件结合的看门狗(watchdog)技术抑制尖脉冲的影响   如衅1,将定时器与CPU形成闭合回路。定时器受CPU控制,CPU可重新设置定时器或重 新启动。 图1   软件方面这样安排:只要在定时器定时到之前,CPU访问一次定时器,让定时器重新开 始计时,正常程序运行,该定时器望远不会产生溢出脉冲,watchdog也就不会起作用。一旦 尖峰干扰出现了“飞程序”则CPU就不会在定时到之前访问定时器。、,因而定时到信号就 会出现,引起系统复位中中断,保证智能仪器回到正学程序上来。 3 噪声干扰抑制技术   广义上讲,一切无用的信号都叫噪声。噪声客观存在,从某种意义上说,开发仪器的过 程自始至终就是和噪声作斗争的过程。 3.1 屏蔽技术   根据导线间电耦合、磁耦合及电磁耦合产生相互干扰的机现,在仪器布线方面应做到: 强电的馈线必须单独走,绝对不能和信号线混在一起;努力使强信号线与弱信号线正交;不 能避开的平称走线,应保持强信号线与弱信号线的距离是士气地线内径的40使用连接线方面 应做到:针对电场耦合引起的干扰,采用无网孔的铝箔屏蔽电缆且使两端引线外露部分量短, 同轴电缆单端接地;针对磁场耦合产生的干扰,采用双绞线,让法线相反的小回路面积相等, 使磁场干扰的影响相互抵消;针对电磁耦合产生的干扰可采用结合双绞线和同轴电缆两者优 点的双绞屏蔽对,此外在干扰源周围加上屏蔽体且将屏蔽体一点接地,可把电场开成的干扰 湖屏蔽掉,使之对邻近导线或回路不产生干扰且可抑制磁场对弱信号回路可能造成的干扰。 3.2 滤波技术   滤波的本质是挡住噪声,只让有效信号畅通,除了前面提到的时间滤波之外,还有波滤 波、频率滤波、幅度波波和空间滤波,无论哪种形式,其同点都是抓住噪声和有效信号的差 别去伪存真,现分述如下:   (1)波形滤波   这种方式是根据真假信号波形前沿陡度不同设置的,例如声发射信号波形的前沿很耳, 而噪声的前沿却不韦,我们可以利用两上间限电路和一个计时电路进行鉴别。外来的信号前 沿超过下门限就妄动计时,到达上门限就停止计时,再借助比较器和门电路,只有计时小于 一定值的才是真信号,打开门让其进到仪器中,否则便是噪声,控制将其拒之门外。   (2)频率滤波   这种谋划 根据真假信号的频率不同设置的,可分有滤源波器和无源滤波器两大类,每 一类又包括低通、高通、带通、带阻四种,视有效信号的噪声和频率决定采用哪种滤波器。   (3)幅值滤波   这种方式是建立在噪声的幅度较小而有效信号幅度较大的基础上的,利用比较器设置门 槛电路,实现对幅值超过门槛的信号,开门放行,将幅值低于门槛的信号作为噪声挡住。   (4)空间滤波   这种方式是建立在已知有效信号源空间位置基础之上的,来自 里的信号是有效信号,把 其空间发出的信号都当作噪声,可用符合和主从两种方式鉴别。例如我们要用发射仪监视一 条焊颖,就把传感器对称放置在焊颖的两边,于是两上传感器同时收到的便 是来自焊颖的信 号,认为是真的,让其进到仪器中处理;而两上传感器不是同时收到的信号就是假的,不予 处理。再例如我们要用声发射仪监视一个区域,可以把传感器分为主从两类,多个传感器这 样设置,使来自监视区的信号让从传感器先收到,主传感器后收到,相应设计线路保证主传 感器先收到的信号以真的对待,而从传感器先收到的信号以假的论处。   (5)软件滤波   程序实现滤波是智能仪器所独有的,可对包括频率很低(如0.01Hz)的干扰信号在内的各 种干扰信号进行滤波,一个数字滤波程序能为仪器多个输入通道共用。常用的软件滤波方法:   a:平均值滤波,即把M次采样的自述平均值作为滤波器的输出,也可以根据需要增加新鲜 采样的值的比重,形成加权平均值滤波。   b:中值滤波,即把M次连续采样值进行排序,取其中位值作为滤波器的输出,这种方法对 缓变过程的脉冲干扰滤波效果良好。   c:限幅滤波,这种方法是根据采样周期和真实信号的正常变化率确定相邻两次采样的最 大可能差值Δ,将本次采样和上次采样的差值小于等于Δ的信号认为是有效信号,大于Δ的 信号作为噪声处理。   d:惯性滤波,此乃模拟PC滤波器的数字实现,适用于波罢频繁的有效信号。 3.3 接地技术   为避免噪声耦合,通常在仪器中应有3条分开的地线:一条是低电平地线,一条是强电 的地线(又称噪声地线),一条是仪器机壳地线(又称“金属件”地线)视而不见条地线应 在一点连接接地。   仪器的高电平线和低电平线不要接同一接插件,不得已用同一接插件时,应把地线和备 用端子放在高低电平端子的中间。低电平电缆的屏蔽层要一端接地,屏蔽层外面要有绝缘层, 以防与其它地线磁触。两条以上的屏蔽电缆共用一个接插件时,每条电缆的屏蔽层最好单独 用一个端子。   以上措施笔者在开发智能供水装置中均采用,效果良好。 3.4 电气隔离技术   为防止高电压、大电流、大功率等强电或长输线上产生的各种干扰信号进入智能仪器内 部,防碍正常工作,可使信息传输的路径在电气上隔离,亦即隔离前后两部分线路之间无电 气上的连接,在电气上是互相独立的两上系统,各自独立的电源和参考电位,互相间毫不相 关,靠非电方式(如磁、光等)来传送信息。   (1)磁隔离的方法   常见磁隔离种类有:隔离变压器、电流为压器、各种电压电流互感器,调制触调式隔离 放大器。可用来传判定工关信号,也可用来传递交、缓变甚至是直流的模拟信号,在低频范 围内实现理想传输,但也有速度慢,功耗大,会造成较高的频率信号的损失及开关信号的前 沿耳度下降等缺点。   (2)光隔离的方法   光隔离的方法是采用肖传递信息进行电气隔离。由于光隔离的电气绝缘性能极佳,光缆 传递信号不易受处蜀如雷电、强磁场等的影响,所以是一种较理想的隔离方法。常见的光隔 离器件有:光电开关、光电隔离器、光缆、光触发可控硅及模拟信号光电隔离装置等。因为 其功耗小、结构简单、工作可靠,故开发智能仪器首选 这种方法。 3.5 其他抗干扰技术   (1)稳压技术   目前智能仪器开发中常用的稳 压电源有两种:一种是由集成稳压芯片提供的串联调整 电源,另一种是DC-DC稳 压电源,这对防止电网电压波动干扰仪器正常工作有效。   (2)抑制共模干扰技术   采用差分放大器,提高差分放大器的输入阻抗 或降低信号源内阻可大大降低共模干扰 的影响。   (3)软件补偿技术   外界因素如姿态温湿度变化等也会引起某些参数的变化,造成偏差。我们可以利用软根 据好的外界因素的变化和误差由线进行修正,去掉干扰,笔者在飞机燃油油量的计算机测量 系统中有成功的应用。 参考文献 [1]杨天怡、共勤,微型计算机控制技术,重庆大学出版社,1996年6月 [2]富钢,飞机燃油测量 量的计算机测量系统,微处理机。1998年4月 [3]富钢,材料的声发射技术和多通道声发射笼,沈阳航空工业学院学术报告论文集,1983年。 [4]何立民,MCS-51单片机应用系统设计,北京航空航天大学出版社,1990年3月 ——富钢 丁一军 孙小平 沈阳航空工业学 摘自《电源世界》