1、第12章 信號(hào)處理(xn ho ch l)及抗干擾技術(shù) 一般測(cè)量系統(tǒng)通常由傳感器、測(cè)量電路（信號(hào)轉(zhuǎn)換與信號(hào)處理電路）以及顯示記錄部分組成。對(duì)于被測(cè)非電量變換為電路參數(shù)（R、L、C、M）的無(wú)源型傳感器（如電阻式、電感式、電容式、電渦流式等），因?yàn)閭鞲衅鞯妮敵鍪请娐穮?shù)的變化，因此，需要對(duì)他們先進(jìn)行激勵(lì)，通過(guò)不同的轉(zhuǎn)換電路把電路參數(shù)轉(zhuǎn)換成電流或電壓信號(hào)，然后再經(jīng)過(guò)放大輸出；而對(duì)于直接把非電量變換為電學(xué)量（電流或電動(dòng)(din dn)熱）的有源型傳感器（如電壓式、磁電式、熱電式等），雖然他們輸出的是電量，但仍然需要進(jìn)行放大或特殊處理。因此，一個(gè)非電量檢測(cè)裝置（或系統(tǒng)）中，必須具有對(duì)電信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和處理

2、的電路。轉(zhuǎn)換和處理電路的任務(wù)比較復(fù)雜。除了微弱信號(hào)放大、濾波外，還有諸如零點(diǎn)校正、線性化處理、溫度補(bǔ)償，誤差修正、量程切換等信號(hào)處理功能。信號(hào)處理電路的重點(diǎn)為微弱信號(hào)放大及線性化處理。 檢測(cè)裝置的抗干擾問(wèn)題，實(shí)際上也是電子測(cè)量裝置的抗于擾問(wèn)題。為了有效地防止干擾，必須首先要弄清干擾的類(lèi)型、來(lái)源及其傳送的方式，才能根據(jù)不同的情況，提出相應(yīng)的抗干擾措施，從而達(dá)到消除或減弱干擾的目的。 共十八頁(yè)12.1 信號(hào)處理技術(shù)12.1.1 微弱信號(hào)放大12.1.1.1 測(cè)量放大器 通常對(duì)一個(gè)單純的微弱信號(hào)，可以采用運(yùn)算放大器進(jìn)行放大，如圖10.1.1所示。其中U，為傳感器輸出的電壓，運(yùn)算放大器為反相輸入接法,

3、U。為放大后的輸出電壓，此時(shí) 運(yùn)算放大器也可以接成同相輸入形式，由于傳感器的工作環(huán)境往往比較惡劣，在傳感器的兩個(gè)輸出端上經(jīng)常產(chǎn)生干擾較大的信號(hào)，有時(shí)是完全相同的干擾信號(hào)稱(chēng)為共模干擾。雖然運(yùn)算放大器對(duì)直接輸入或同相輸入的共模信號(hào)有較強(qiáng)的抑制能力，但是對(duì)簡(jiǎn)單的反相輸入或同相輸入接法，由于電路(dinl)結(jié)構(gòu)不對(duì)稱(chēng)，抵御共模干擾的能力很差。我們可以采用運(yùn)算放大器的差動(dòng)接法，從比較大的共模信號(hào)中檢出差值信號(hào)并加以放大。共十八頁(yè) 對(duì)于傳感器輸出(shch)的微弱信號(hào)，通常是用一組運(yùn)算放大器構(gòu)成的測(cè)量放大器來(lái)進(jìn)行放大的，經(jīng)典的測(cè)量放大器由三個(gè)運(yùn)算放大器構(gòu)成，如圖10.1.2所示。 其中N1、N2構(gòu)成同相并

4、聯(lián)差動(dòng)放大器，差動(dòng)輸入信號(hào)和共模輸入信號(hào)從N1、N2的同相輸入，所以它的差動(dòng)輸入電阻和共模輸入電阻都很大 。對(duì)N1、N2來(lái)說(shuō)，電路的平衡對(duì)稱(chēng)機(jī)構(gòu)也有助于失調(diào)及其漂移影響的互相抵消。運(yùn)算放大器N3接成差動(dòng)式輸入，它不但能割斷共模信號(hào)的傳遞，還將N1、N2的雙端輸出變成單端輸出，以適應(yīng)接地負(fù)載的需要。不難證明這個(gè)電路的電壓放大倍數(shù)為 調(diào)整R1即可改變放大倍數(shù)。共十八頁(yè) 測(cè)量放大器所采用的上述電路形式，是它具有輸入阻抗高、增益調(diào)節(jié)方便、漂移相互補(bǔ)償以及輸出不包含共模信號(hào)等一系列優(yōu)點(diǎn)。這種放大器在許多高精度、低電平的放大方面是極其有用的，而且由于它的共模抑制能力強(qiáng)，所以能從高的共模信號(hào)背景(bijng

5、)中檢測(cè)出微弱的有用信號(hào)。 傳感器輸出的微弱信號(hào)經(jīng)放大后，通常面臨長(zhǎng)距離的問(wèn)題，為了避免電壓信號(hào)在傳輸過(guò)程中的損失和抗干擾方面的需要，可將直流電壓信號(hào)變換為直流電流信號(hào)進(jìn)行傳輸。過(guò)程控制系列儀表之間信號(hào)的傳輸就是采用直流電流。另外在對(duì)測(cè)量(cling)值進(jìn)行顯示時(shí)，常采用動(dòng)圈表頭，這也需要將直流電壓變換為直流電流來(lái)驅(qū)動(dòng)線圈。為了不受傳輸線路電阻變化和負(fù)載電阻大小的影響，輸出電流應(yīng)具有良好的恒流特性。因此使用電壓電流變換器實(shí)現(xiàn)信號(hào)的的電流傳送時(shí)，應(yīng)使變換器輸出電阻盡量大，這可以減小對(duì)信號(hào)的影響，同時(shí)輸出電阻也應(yīng)盡量大，以保持輸出電流的恒流特性。電壓電流變換器是很不容易實(shí)現(xiàn)的。具體電路讀者可查閱有

6、關(guān)書(shū)籍。共十八頁(yè)12.1.2 線性化處理(chl)技術(shù) 在自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中，利用多種傳感器把各種被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)時(shí)，大多數(shù)傳感器的輸出信號(hào)和被測(cè)量之間的關(guān)系并非是線性關(guān)系。這是由于不少傳感的轉(zhuǎn)換原理并非線性，其次是由于采用的電路（如電橋電路）的非線性。要解決這個(gè)問(wèn)題(wnt)，在模擬量自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中可采用三種方法：縮小測(cè)量范圍，取近似值。采用非均勻的指示刻度。增加非線性校正環(huán)節(jié)。顯然，前兩種方法的局限性和缺點(diǎn)比較明顯。下面我們著重介紹增加非線性校正環(huán)節(jié)的方法。 通常我們?cè)谠O(shè)計(jì)測(cè)量?jī)x表時(shí)總希望得到均勻的指示刻度，這樣儀表讀數(shù)看起來(lái)清楚、方便。此外，如果儀表的刻度特性為線性，就能保證儀表在整個(gè)量程

7、內(nèi)靈敏度是相同的，從而有利于分析和處理測(cè)量結(jié)果。為了保證測(cè)量?jī)x表的輸出與輸入之間具有線性關(guān)系，就需要在儀表中引入一種特殊環(huán)節(jié)，用它來(lái)補(bǔ)償其他環(huán)節(jié)的非線性，這就是非線性校正環(huán)節(jié)或稱(chēng)為“線性化器”。 共十八頁(yè)12.2 噪聲源 在檢測(cè)裝置中，測(cè)量的信息往往是以電壓或電流形式傳送的，由于檢測(cè)裝置內(nèi)部和外部因素的影響，使信號(hào)在傳輸過(guò)程的各個(gè)環(huán)節(jié)中，否可避免地要受到各種，噪聲的干擾，而使信號(hào)產(chǎn)生不同程度的畸變，即為失真?？梢哉f(shuō)噪聲是限制檢測(cè)系統(tǒng)性能的決定因素。 噪聲一般可分為外部噪聲和內(nèi)部噪聲兩大類(lèi)。外部噪聲有自然界噪聲源(如電離層的電磁現(xiàn)象產(chǎn)生的噪聲)和人為噪聲源(如電氣設(shè)備、電臺(tái)干擾等)；內(nèi)部噪聲又名

8、固有噪聲，它是由檢測(cè)裝置的各種元件內(nèi)部產(chǎn)生的，如熱噪聲、散粒噪聲等。噪聲與一般的電信號(hào)不同，一般的電信號(hào)可以用千個(gè)確定的時(shí)間函數(shù)來(lái)描述(如正弦信號(hào)、脈沖信號(hào))，而噪聲是不能用+個(gè)預(yù)先確定的時(shí)間函數(shù)來(lái)描述的。 表征一個(gè)系統(tǒng)干擾的主要指標(biāo)是“信噪比”。信噪比SN指的是在信號(hào)通道中，有用信號(hào)成分與噪聲信號(hào)成分之比。設(shè)有用信號(hào)功率為Ps，有用信號(hào)電壓Us，噪聲功率為PN，噪聲電壓為UN，則用分貝(dB)單位表示的信噪比為 由上式可知，信噪比越大，表示噪聲的影咽越小。共十八頁(yè)12.2.1 噪聲源10.2.1.1 放電噪聲 各種電子設(shè)備的噪聲干擾(gnro)，其產(chǎn)生原因多數(shù)屑于放電現(xiàn)象。在放電過(guò)程中會(huì)向周

9、圍空間輻射出從低頻到高頻的電磁波，而且會(huì)傳播得很遠(yuǎn)。例如在一個(gè)大氣壓的空氣中，對(duì)曲率半徑較小的兩電極間施加電壓，電壓慢慢升高時(shí)，最初幾乎無(wú)電流流過(guò)，當(dāng)電壓升高到一定數(shù)值時(shí)，如果電極中介質(zhì)完全被電離時(shí)(稱(chēng)為電暈)，電極尖端引起局部破壞，電流急劇增加，形成電暈放電；如果繼續(xù)升高電壓，將會(huì)經(jīng)過(guò)火花放電過(guò)渡到弧光放電，此時(shí)空氣擊穿，同時(shí)向周?chē)椛涑龈鞣N頻率的電磁波。這種干擾(gnro)電磁波幾乎對(duì)各種電子設(shè)備都有影響。 (1)電暈放電噪聲主要來(lái)源于高壓輸電線，它具有間隙性，并產(chǎn)生脈沖電流，從而成為一種干擾噪聲。伴隨電暈放電過(guò)程產(chǎn)生的高頻振蕩也是一種干擾。這種噪聲主要對(duì)電力線載波電話、低頻航空無(wú)線電臺(tái)及

10、調(diào)幅廣播等產(chǎn)生影響，對(duì)電視和調(diào)頻廣播則影響不大。 共十八頁(yè)(2)放電管(如日光燈、霓虹燈)放電噪聲屬于輝光放電和弧光放電。通常放電管具有負(fù)阻抗特性，所以(suy)與外屯路連接時(shí)容易引起高頻振蕩，有時(shí)可達(dá)很高的頻段，對(duì)電視也有影響。 (3)火花放電噪聲。例如雷電、電氣設(shè)備中電刷和整流子間周期性放電、火花式高頻焊機(jī)、繼電器觸點(diǎn)的通斷(電，流很大時(shí)則會(huì)產(chǎn)生弧光放電)、汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火裝置等。只要在哪里電流是斷續(xù)的，則此時(shí)在觸點(diǎn)間引起的火花放電都將成為噪聲源。 10.2.1.2 電氣干擾源 電氣噪聲干擾包括工頻、電子開(kāi)關(guān)和脈沖發(fā)生器的感應(yīng)于擾等。10.2.1.3 固有噪聲源 由于檢測(cè)裝置內(nèi)部元件的物理

11、性的無(wú)規(guī)則波動(dòng)所形成的固有噪聲源有三種：熱噪聲、散粒噪聲和接觸噪聲。共十八頁(yè)12.3 共模(n m)與差模干擾 各種噪聲源產(chǎn)生的噪聲，必然要通過(guò)各種耦合方式進(jìn)入檢測(cè)(jin c)裝置，對(duì)其產(chǎn)生干擾。根據(jù)噪聲進(jìn)入信號(hào)測(cè)量電路的方式以及與有用信號(hào)的關(guān)系，可將噪聲干擾分為差模干擾與共模干擾。 12.3.1 差模干擾 差模干擾又稱(chēng)串模干擾、正態(tài)干擾、常態(tài)干擾、橫向干擾等，它使檢測(cè)儀器的一個(gè)信號(hào)輸入端子相對(duì)另一個(gè)信號(hào)輸入端子的電位差發(fā)生變化，即干擾信號(hào)與有用信號(hào)按電壓源形式串聯(lián)起來(lái)作用于輸入端。因?yàn)樗陀杏眯盘?hào)疊加起來(lái)直接作用于輸入端，所以它直接影響測(cè)量結(jié)果。差模干擾可用圖10.3.1所示兩種方式表示，

12、圖a為串聯(lián)電壓源形式；圖b為并聯(lián)電流源形式。圖中es及Rs為有用信號(hào)源及內(nèi)阻：Un表示等效干擾電壓In表示等效干擾電流，Zn為干擾源等效阻抗Ri為接收器的輸入電阻。 共十八頁(yè)12.3.2 共模(n m)干擾 共模干擾又稱(chēng)縱向干擾、對(duì)地干擾、同相干擾、共態(tài)干擾等，它是相對(duì)于公共的電位基準(zhǔn)點(diǎn)(通常為接地點(diǎn))，在檢測(cè)儀器的兩個(gè)輸入端子上同時(shí)出現(xiàn)的干擾。雖然它不直接影響測(cè)量結(jié)果，但是當(dāng)信號(hào)輸入電路參數(shù)不對(duì)稱(chēng)時(shí)，它會(huì)轉(zhuǎn)化為差模干擾，對(duì)測(cè)量產(chǎn)生影響。在實(shí)際(shj)測(cè)量過(guò)程中，由于共模干擾的電壓一般都比較大，而且它的耦合機(jī)理和耦合電路不易搞清楚，排除也比較困難，所以共模干擾對(duì)測(cè)量的影響更為嚴(yán)重。 共模干擾

13、一般用等效電壓源表示，如圖10.3.3表示共模干擾電壓源的等效電路。圖中ei，表示干擾電壓源，Zcm1、Zcm2表示干擾源阻抗，Z1、Z2表示信號(hào)傳輸線阻抗，Zs1、Zs2表示信號(hào)傳輸線對(duì)地漏阻抗，Ri表示儀器輸入電阻，Rs為信號(hào)源內(nèi)阻。從圖中可以看出，共模干擾電流的通路只是部分地與信號(hào)電路所共有；共模干擾會(huì)通過(guò)干擾電流通路和信號(hào)電流通路的不對(duì)稱(chēng)性轉(zhuǎn)化為差模干擾，從而影響測(cè)量結(jié)果。共十八頁(yè)12.4 常用的干擾抑制(yzh)技術(shù) 在檢測(cè)裝置中常用的干擾抑制技術(shù)，是根據(jù)具體情況，對(duì)干擾加以認(rèn)真分析后，有針對(duì)性地正確地使用，往往可以得到滿意的效果。在對(duì)具體問(wèn)題進(jìn)行分析時(shí)，一定要注意到信號(hào)與干擾之間的

14、辯證關(guān)系。也就是說(shuō)，干擾對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響程度，是相對(duì)信號(hào)而言的。如高電平信號(hào)允許有較大的干擾；而信號(hào)電子越低，對(duì)干擾的限制也越嚴(yán)。通常，干擾的頻率范圍也是很寬的，但是，對(duì)于一臺(tái)具體的測(cè)量?jī)x器，并非一切頻率的干擾所造成的效果都相同。例如對(duì)直流測(cè)量?jī)x表，一般都具有較大的慣性，即儀表本身具有低通濾波特性，因此它對(duì)頻率較高的交流干擾不敏感；對(duì)于低頻測(cè)量?jī)x表，若輸入端裝有濾波器，則可將通帶頻率以外的干擾大大衰減。但是，若對(duì)工頻干擾采用濾波器，會(huì)將50Hz的有用信號(hào)濾掉。因此，工頻干擾是低頻檢測(cè)裝置最嚴(yán)重的問(wèn)題，是不易除去的干擾，對(duì)于寬頻帶的檢測(cè)裝置，在工作頻帶內(nèi)的各種干擾都將起作用。在非電量的檢測(cè)技術(shù)中

15、，動(dòng)態(tài)摜f量應(yīng)用日趨廣泛，所用(su yn)的放大器、顯示器、記錄儀等的頻帶越來(lái)越寬，因此，這些裝置的抗干擾問(wèn)題也日趨重要。目前常用的抗干擾措施有如下幾種。 共十八頁(yè)12.4.1 屏蔽(pngb)技術(shù) 利用銅或鋁等低阻材料制成的容器(rngq)，將需要防護(hù)的部分包起來(lái)或者是用導(dǎo)磁性良好的鐵磁性材料制成的容器(rngq)將要防護(hù)的部分包起來(lái)，此種方法主要是防止靜電或電磁干擾，稱(chēng)之為屏蔽。 10.4.1.1 靜電屏蔽 在靜電場(chǎng)作用下，導(dǎo)體內(nèi)部無(wú)電力線，即各點(diǎn)等電位。靜電屏蔽就是利用了與大地相連接的導(dǎo)電性良好的金屬容器，使其內(nèi)部的電力線不外傳，同時(shí)也不使外部的電力線影響其內(nèi)部。10.4.1.2 電磁

16、屏蔽 電磁屏蔽是采用導(dǎo)電良好的金屬材料做成屏蔽層，利用高頻干擾電磁場(chǎng)在屏蔽體，內(nèi)產(chǎn)生渦流，再利用渦流消耗高頻干擾磁場(chǎng)的能量，從而削弱高頻電磁場(chǎng)的影響。 若將電磁屏蔽層接地，則同時(shí)兼有靜電屏蔽的作用。共十八頁(yè)10.4.2 接地(jid)技術(shù) 一般來(lái)講檢測(cè)裝置電路接地是為了如下目的：安全；對(duì)信號(hào)電壓有一個(gè)基準(zhǔn)電位；靜電屏蔽的需要。在這里主要(zhyo)研究用接地技術(shù)來(lái)抑制噪聲干擾。 10.4.2.1 接地線的種類(lèi) 1)保護(hù)接地線，出于安全防護(hù)的目的將檢測(cè)裝置的外殼屏蔽層接地用的地線。 2)信號(hào)地線，它只是檢測(cè)裝置的輸入與輸出的零信號(hào)電位公共線，除特別情況之外，一般與真正大地是隔絕的。信號(hào)地線分為兩

17、種：模擬信號(hào)地線及數(shù)字信號(hào)地線 3)信號(hào)源地線，它是傳感器本身的信號(hào)電位基準(zhǔn)公共線。 4)交流電源地線。 在檢測(cè)裝置中，上列四種地線一般應(yīng)分別設(shè)置，以消除各地線之間的相互干擾。 10.4.1.3 低頻磁屏蔽 在低頻磁場(chǎng)干擾下，采用高導(dǎo)磁材料作屏蔽層以便將干擾磁力線限制在磁阻很小的磁屏蔽體內(nèi)部，防止其干擾作用。共十八頁(yè)12.4.2.2 檢測(cè)(jin c)裝置的接地線系統(tǒng) 通常在檢測(cè)裝置中至少要有三種分開(kāi)的地線，如圖10.4.2所示。若設(shè)備使用交流電源時(shí)，則交流電源地線應(yīng)和保護(hù)地線相連。圖中三條地線應(yīng)連在一起并通過(guò)一點(diǎn)接地。使用這種接地方式可以避免公共地線各點(diǎn)電位不均勻所產(chǎn)生的干擾。 為了使屏蔽在

18、防護(hù)檢測(cè)(jin c)裝置不受外界電場(chǎng)的電容性或電阻性漏電影響時(shí)充分發(fā)揮作用，應(yīng)將屏蔽線接到大地上。但是大地各處電位很不一致，如果一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)在兩點(diǎn)接地，因兩接地點(diǎn)不易獲得同一電位，從而對(duì)兩點(diǎn)(多點(diǎn))接地電路造成干擾。這時(shí)地電位是裝置輸入端共模干擾電壓的主要來(lái)源。因此，對(duì)一個(gè)測(cè)量電路只能一點(diǎn)接地。 共十八頁(yè)12.4.4 平衡電路 平衡電路又稱(chēng)對(duì)稱(chēng)電路。它是指雙線電路中的兩根導(dǎo)線與連接到這兩根導(dǎo)線的所有電路，對(duì)地或?qū)ζ渌麑?dǎo)線電路結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)，對(duì)應(yīng)阻抗相等。例如，電橋電路和差分放大器等電路就屬于平衡電路。采用平衡電路可以使對(duì)稱(chēng)電路結(jié)構(gòu)所檢拾的噪聲相等，并可以在負(fù)載上自行抵消。12.4.3 浮置 浮置又稱(chēng)浮空、浮接，它指的檢測(cè)裝置的輸入信號(hào)放大器公共線陰p模擬信號(hào)地)不接機(jī)殼或大地。這種被浮置的檢測(cè)裝置的測(cè)量電路與機(jī)殼或大地之間無(wú)直流聯(lián)系，阻斷了干擾電路的通路，明顯地加大寧測(cè)量電路放大器公共線與地(或機(jī)殼)之間的阻抗，因此浮置與接地相比能大大減小共模干擾電流。 共十八頁(yè)10.4.5 濾波(l