工業(yè)測(cè)量中的噪聲干擾問(wèn)題

問(wèn)：當(dāng)我給一個(gè)工業(yè)系統(tǒng)裝備儀表時(shí)，最可能碰到那些問(wèn)題呢?

答：根據(jù)ADI公司I/O子系統(tǒng)部(IOS)的客戶反映，有以下五種問(wèn)題是最經(jīng)常遇到的：
1接地環(huán)路
接地環(huán)路對(duì)儀表工程師和技術(shù)員來(lái)說(shuō)是很棘手的測(cè)量問(wèn)題，由此造成的故障既浪費(fèi)時(shí)間又難
查找。你知道下面這些故障現(xiàn)象嗎?
·盡管傳感器沒(méi)有發(fā)生變化，但儀表的讀數(shù)卻在緩慢漂移。
·當(dāng)其他設(shè)備接通時(shí)，儀表的讀數(shù)漂移。
·把一個(gè)檢定裝置接在儀器電纜的末端和直接接在儀器的輸入端兩種測(cè)量結(jié)果不同。
·有60Hz的正弦波疊加在直流測(cè)量輸入信號(hào)上。
·有一些難于解釋的測(cè)量設(shè)備故障問(wèn)題。
上面這些問(wèn)題題都可能是接地環(huán)路造成的。表面上看來(lái)是等電位的一些“地”，“公共點(diǎn)”
和“參考點(diǎn)”，實(shí)際上有電位差。當(dāng)他們構(gòu)成通路時(shí)，由于有電位差就會(huì)有電流流過(guò)通路，
這就是接地環(huán)路。上述問(wèn)題都可以通過(guò)“隔離”來(lái)排除。“隔離”是ADI公司信號(hào)調(diào)理系列
產(chǎn)品中的一個(gè)很關(guān)鍵的信號(hào)調(diào)理方法。

有時(shí)兩臺(tái)設(shè)備各自單獨(dú)接地就會(huì)造成接地點(diǎn)的電位差，從而引起電流流過(guò)信號(hào)線路。為何兩
臺(tái)設(shè)備都接地了，還會(huì)造成這種問(wèn)題呢?因?yàn)榕c傳輸電能和信號(hào)的銅線相比，大地和金屬外
殼實(shí)際上都是電的不良導(dǎo)體。這種阻擋電流流動(dòng)的內(nèi)部阻抗特性隨著季節(jié)和天氣而變化，并
使電流通過(guò)連接這兩臺(tái)設(shè)備任何導(dǎo)線。許多工廠和車(chē)間廠房的電位高達(dá)幾十甚至幾百伏，采
用“電隔離”適當(dāng)?shù)男盘?hào)調(diào)理措施可以消除接地環(huán)路，這樣在接入靈敏的測(cè)試系統(tǒng)之前就防
止?jié)撛诘倪^(guò)壓損壞，從而保護(hù)了設(shè)備。隔離提供了一個(gè)完整的浮置輸入和輸出端口，從現(xiàn)場(chǎng)輸入到輸出以及從現(xiàn)場(chǎng)輸入到電源之間都沒(méi)有電通路，因此就不會(huì)有電流通路，從而不會(huì)存在接地環(huán)路。

問(wèn)：這是怎樣做到的?我們?cè)鯓硬拍芴峁┮粭l通路使信號(hào)從輸入流到輸出，卻不
構(gòu)成電流通路?

答：用磁隔離的方法。通過(guò)一個(gè)變壓器產(chǎn)生的信號(hào)，輸入與輸出信號(hào)之間不再是通過(guò)電路連
接而是通過(guò)磁路連接，因此可以消除電通路。我們用變壓器對(duì)低電平信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確、可靠的
隔離已經(jīng)做得很完美。這種方法使用調(diào)制器和解調(diào)器來(lái)傳輸變壓器隔離介質(zhì)兩端的信號(hào)，并
且隔離電壓有效值高達(dá)2500V RMS
經(jīng)常會(huì)遇到的一種應(yīng)用問(wèn)題是在高達(dá)幾百伏特的地電位情況下測(cè)量，例如熱電偶這種小信號(hào)
傳感器。這種地電位叫做“共模電壓”。一個(gè)高品質(zhì)的信號(hào)調(diào)理器能夠抑制由“共模電壓”
引起的誤差，同時(shí)仍準(zhǔn)確地放大信號(hào)的能力叫做“共模抑制(CMR)”。ADI公司的5B，6B和7B系列信號(hào)調(diào)理子系統(tǒng)具有足夠的共模抑制能力以減小共模電壓的影響，共模抑制比高達(dá)10
8∶1。

2錯(cuò)誤接線和過(guò)壓
想想看，當(dāng)一條電纜從一塊靈敏的數(shù)據(jù)采集板連到另一個(gè)機(jī)柜或廠房的其他地方時(shí)，是什么
情況?輸入和輸出接線端子混在幾百個(gè)接線端子中，這些接線端子連接各種大小和性質(zhì)不同
的信號(hào)：直流信號(hào)、交流信號(hào)、毫伏級(jí)信號(hào)、熱電偶、直流電源、交流電源、接近開(kāi)關(guān)、繼
電器電路等。不難想象，即便一個(gè)訓(xùn)練有素的技術(shù)員或電工也有可能接錯(cuò)線。當(dāng)系統(tǒng)需要修
改時(shí)，應(yīng)及時(shí)用紅筆修改接線圖，同類(lèi)設(shè)備之間才能更換。有時(shí)電源發(fā)生故障，把過(guò)高的電
壓無(wú)意加在系統(tǒng)上。你怎樣才能保護(hù)你的測(cè)量系統(tǒng)呢?
答案是在每個(gè)模擬信號(hào)的引腳上都使用加強(qiáng)的信號(hào)調(diào)整。這個(gè)并不昂貴的保險(xiǎn)措施可以防止
每個(gè)輸入和輸出信號(hào)線的錯(cuò)接和過(guò)壓引起的問(wèn)題。例如，：當(dāng)輸入電路用來(lái)測(cè)量毫伏級(jí)的熱
電偶信號(hào)時(shí)，使用5B系列的信號(hào)調(diào)理器可以提供240V的交流保護(hù)。也就是說(shuō)，你可以在測(cè)量熱電偶的輸入線兩端并聯(lián)240V的交流電壓，而不會(huì)對(duì)設(shè)備造成損害。在系統(tǒng)一側(cè)，使用信號(hào)調(diào)理器和現(xiàn)場(chǎng)I/O連接可以保護(hù)系統(tǒng)所有的測(cè)量與數(shù)據(jù)采集設(shè)備。

3分辨率降低
分辨率是指模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)系統(tǒng)可以檢測(cè)和響應(yīng)的最小變化。例如，當(dāng)實(shí)際溫度連續(xù)增加時(shí)
，溫度的讀數(shù)從100℃跳到10029℃，又跳到10058℃，則分辨率(對(duì)應(yīng)最低有效位數(shù)值)
是029℃。如果你用一個(gè)測(cè)量范圍為0～1200℃、帶12位ADC的信號(hào)調(diào)理器，就能達(dá)到這個(gè)
分辨率。有兩種方法可以提高分辨率(使分辨率的值更小)來(lái)測(cè)量更微小的變化，即采用更高
分辨率的ADC或測(cè)量較小的測(cè)量范圍。例如，使用6B系列帶符號(hào)位的15位ADC，可以提供0～1
200℃ 測(cè)量范圍內(nèi)的0037℃的分辨率，它是上述分辨率的1/8。另一方面，如果你知道多數(shù)時(shí)間溫度值是在100℃左右，那么你可以從ADI公司訂購(gòu)一個(gè)定制測(cè)量范圍的熱電偶信號(hào)調(diào)理器。比如，定制一個(gè)溫度測(cè)量范圍為50～150℃、帶12位ADC的信號(hào)調(diào)理器，其分辨率為0024，從而比測(cè)量范圍為 0～1200℃時(shí)的分辨率大大提高。

4多路信號(hào)不全具備相同的特性
這是對(duì)傳統(tǒng)測(cè)量方法的挑戰(zhàn)。在傳統(tǒng)測(cè)量方法中，把4路、8路或16路輸入通道都用到相同類(lèi)
型的信號(hào)接口。比如，你需要測(cè)量2路J型熱電偶、1路0～10V的信號(hào)、4路4～20mA的信號(hào)和
2路鉑熱電阻(RTD)，你可以為每個(gè)通道買(mǎi)一個(gè)變送器，再把它們接到4～20mA的公共輸入板
上，也可以使用ADI公司的信號(hào)調(diào)理方案，即對(duì)各通道逐個(gè)配置信號(hào)調(diào)理模塊，但最后也集
中到一塊底板子系統(tǒng)上。這些底板子系統(tǒng)提供與輸入、輸出和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的所有接線端子，以及與一個(gè)直流電源的簡(jiǎn)單接線端子。這些子系統(tǒng)可提供以下輸出：0～5V，0～10V，4～20mA，RS232/485等。各通道的輸入和輸出模塊對(duì)每個(gè)通道的偏置都是混合搭配兼容，并且為使用方便，可以熱插換(hotswappable)。

5電磁干擾
現(xiàn)代工廠和車(chē)間包含各種各樣的干擾源：發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)、熒光燈、收發(fā)兩用無(wú)線電設(shè)備
和發(fā)電
機(jī)等。每種干擾源都輻射出能被線路、電路板和測(cè)量模塊接受的電磁噪聲。即使采取最好的
屏蔽和接地措施，這些干擾也會(huì)在信號(hào)測(cè)量中以噪聲的形式表現(xiàn)出來(lái)。怎樣消除這些干擾呢
?只要在信號(hào)調(diào)理子系統(tǒng)中采用有效的噪聲抑制措施就能消除這些干擾。

選用共模和常模抑制能力強(qiáng)的信號(hào)調(diào)理子系統(tǒng)可以去除低頻噪聲。當(dāng)相對(duì)類(lèi)似地的公共端測(cè)
量正輸入或負(fù)輸入信號(hào)時(shí)，在正輸入端和負(fù)輸入端都有共模噪聲。正輸入和負(fù)輸入共模噪聲之差為常模噪聲。在ADI公司的信號(hào)調(diào)理子系統(tǒng)中，典型的共模抑制指標(biāo)是160dB。這個(gè)對(duì)數(shù)比例關(guān)系測(cè)量結(jié)果意味著相對(duì)于信號(hào)來(lái)說(shuō)共模電壓噪聲的影響以108∶1衰減。

在射頻段中的甚高頻噪聲由于整流的緣故會(huì)引起直流偏移。這就要求用其他的方式來(lái)消除噪
聲，包括注意線路排布和使用RFI濾波器(如鐵氧體)。我們要根據(jù)歐共體CE標(biāo)志要求公布的
關(guān)于電磁敏感性EN認(rèn)證要求進(jìn)行性能測(cè)試。很重要的典型應(yīng)用是在輸入線路和信號(hào)調(diào)理子系
統(tǒng)幾英尺之內(nèi)使用收發(fā)兩用無(wú)線電設(shè)備的情況。必須要具備無(wú)線信號(hào)發(fā)射時(shí)抑制測(cè)量誤差的
能力。合理的線路板布線和采用信號(hào)調(diào)理措施將確保在噪聲環(huán)境中達(dá)到最高精度。

結(jié)論
問(wèn)：什么是合理的安裝和布線?

答：這里有幾點(diǎn)建議 。你也可以查閱“Design Tools”

和ADI公司出版的書(shū)——“Practica
l Analog Design Techniques”，可從ADI公司購(gòu)買(mǎi)此書(shū)或在網(wǎng)上免費(fèi)查閱。
·應(yīng)避免在電磁噪聲源(如斷路器、變壓器、電動(dòng)機(jī)、可控硅整流器驅(qū)動(dòng)器、
焊接機(jī)、熒光燈控制器或繼電器)附近安裝敏感測(cè)量?jī)x器或布置傳送低電平信號(hào)的線路。
·使用10～12絞/英尺的雙絞線來(lái)減少磁噪聲干擾。
·使用屏蔽電纜并將其屏蔽層只接到輸入端入端的電路公共端。
·不能將攜帶信號(hào)的線路與輸電線、繼電器引線及其它高壓或大電流電纜穿在同一根護(hù)套導(dǎo)
管中。
·在干擾很勵(lì)害的環(huán)境中，要將信號(hào)調(diào)理電路和測(cè)量設(shè)備放在接地并且封閉的屏蔽室中。