數(shù)顯儀表可與各種傳感器、變送器配套，它可用來顯示、控制各種不同的被測參數(shù)。但是，在各行業(yè)生產(chǎn)過程中得以廣泛使用的數(shù)顯儀表往往處在復(fù)雜的現(xiàn)場環(huán)境中，現(xiàn)場周圍存在著大量強(qiáng)交變電 磁場、強(qiáng)射頻輻射、動力電源等，它都可能直接影響到檢測數(shù)據(jù)的正常采集和生產(chǎn)過程自動控制而形成干擾源。這些與被測信號無關(guān)的電流、電壓、尖脈沖等 信號以各種不同方式耦合、傳導(dǎo)到數(shù)顯儀表上，使得數(shù)顯儀表設(shè)備出現(xiàn)數(shù)據(jù)采集失真、自動控制無法及時操作，甚至控制失控而直接影響正常生產(chǎn)、產(chǎn)品質(zhì)量和企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的提高。由于現(xiàn)場使用環(huán)境的特定性，這些干擾源大多無法改變，設(shè)法加以有效抑制卻是非常必要的。本文將就數(shù)顯儀表在現(xiàn)場出現(xiàn)的幾種典型的干擾源以及所采取的抗干擾措施進(jìn)行探討。
1、數(shù)顯儀表原理及組成
目前大量使用的數(shù)顯儀表以智能型產(chǎn)品居多，一般以單片機(jī)為核心，配上測量信號轉(zhuǎn)換電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、通訊接口電路、控制電路這幾大部分組成。它主要是以接收電信號為輸入量，通過信號轉(zhuǎn)換和放大電路，將測量信號轉(zhuǎn)換成與A/D轉(zhuǎn)換器的輸入信號相匹配的信號，通過A/D轉(zhuǎn)換器將連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為斷續(xù)的數(shù)字量送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；通常A/D轉(zhuǎn)換器采用雙積分型、電壓/頻率轉(zhuǎn)換型、脈寬調(diào)制型、逐次比較電壓反饋編碼型等A/D轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)的。在A/D轉(zhuǎn)換過程中，A/D的分辨力越高，得到的數(shù)字量就越接近于連續(xù)模擬量，其轉(zhuǎn)換誤差就越小。
隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，單片機(jī)的功能得以較大提升，由于被測參數(shù)多為非線性函數(shù)關(guān)系(有些參數(shù)的函數(shù)關(guān)系是線性的)，標(biāo)度變換、非線性補(bǔ)償、自動補(bǔ)償干擾信號等任務(wù)由儀表內(nèi)的單片機(jī)來負(fù)責(zé)完成，同時將相關(guān)調(diào)試參數(shù)、控制設(shè)定參數(shù)等相關(guān)參數(shù)儲存在e2prom存儲器內(nèi)。在完成非線性補(bǔ)償任務(wù)后將其測量數(shù)據(jù)通過LED數(shù)碼顯示窗進(jìn)行顯示，同時通過繼電器觸點輸出方式輸岀報警控制信號；通過D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)線性信號輸岀同時也可通過單片機(jī)內(nèi)的通訊接口電路將測量數(shù)據(jù)以數(shù)字信號方式送至上位計算機(jī)進(jìn)行監(jiān)控。
2、干擾源的產(chǎn)生
在實際使用工況中，被測量參數(shù)往往是微弱的電信號，通過導(dǎo)線從測點現(xiàn)場長距離引至控制室的儀表盤上，由于各種不同場合存在著大量的干擾信號(像強(qiáng)交變電磁場、電場、強(qiáng)射頻輻射、動力電源等)，使得電氣干擾信號從數(shù)顯儀表的信號輸入端、電源輸入端上，給儀表測量帶來影響。
①電磁感應(yīng)
在大容量變壓器、大容量交流電機(jī)、強(qiáng)電流電網(wǎng)、高頻感應(yīng)加熱設(shè)備、變頻器等周圍空間都存在強(qiáng)交變磁場，當(dāng)控制系統(tǒng)線路形成的閉環(huán)回路處在這種交變磁場中將被感應(yīng)出電勢，使被測信號與數(shù)顯儀表之間連接的導(dǎo)線、儀表內(nèi)部連接的配線通過磁耦合在回路中產(chǎn)生干擾。這種電磁感應(yīng)電勢(距離越近，干擾越嚴(yán)重)與被測參數(shù)信號相疊加后進(jìn)入數(shù)顯儀表，造成儀表顯示值無法真正反映被測參數(shù)值而影響產(chǎn)品的質(zhì)量。
②靜電感應(yīng)
靜電感應(yīng)是兩電場相互作用的結(jié)果，在相對兩根導(dǎo)線中，如其一的電位發(fā)生變化，則由于導(dǎo)線間的電容變化使得另一導(dǎo)線的電位發(fā)生變化，干擾源以電容性的耦合在回路中形成干擾。
③群脈沖傳導(dǎo)干擾
一些脈沖狀的干擾電壓除能作用于模擬電路外，有時也能直接進(jìn)入數(shù)字電路中給予干擾，這些干擾源來自開關(guān)、電機(jī)、繼電器那樣的感性負(fù)載和產(chǎn)生放電的設(shè)備等。
④不等地電位引入的干擾
在大功率的用電設(shè)備附近，當(dāng)設(shè)備的絕緣性能較差時，不同電位的電位差的引入而形成干擾，在數(shù)顯儀表的使用中往往會有意無意地使輸入端存在兩個以上的連接點，這樣就會把不同接地點的電位差以共模干擾形式引入數(shù)顯儀表內(nèi)。這種干擾是同時出現(xiàn)在兩信號線上。
3、數(shù)顯儀表干擾的抑制
干擾問題的形成主要是因為有干擾源的存在，并通過一定的耦合渠道對數(shù)顯儀表產(chǎn)生影響。為減少這些影響，在數(shù)顯儀表設(shè)計過程就應(yīng)考慮對干擾的抑制問題，盡量提高數(shù)顯儀表的抗干擾能力。在實際應(yīng)用中，要找出其干擾源并結(jié)合施工過程導(dǎo)線的絞扭、屏蔽、接地、平衡、濾波、隔離的方法。切斷耦合通道以抑制干擾，減少被測參數(shù)的測量誤差。
①數(shù)顯儀表的抗干擾措施
根據(jù)國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)顯儀表產(chǎn)品應(yīng)滿足下表1、表2中各項性能指標(biāo)。
表1 GB/T 13639-2008工業(yè)過程測量和控制系統(tǒng)用模擬輸入數(shù)字式指示儀
a、信號輸入端
在信號輸入方面，由于被測參數(shù)提供的電信號均為微弱信號，傳導(dǎo)、輻射等干擾信號常耦合在信號傳輸導(dǎo)線上，在輸入電路部分應(yīng)設(shè)有n型LC和雙T型RC濾波電路，各級采用不同時間常數(shù)的濾波電路，以得到寬頻濾波之效果。
b、電源輸入端
電源輸入：由于傳導(dǎo)、輻射等干擾信號常耦合在電源供電導(dǎo)線上，所以在電源電路部分設(shè)置壓敏電阻或快速鉗位二極管、低通LC濾波器和雜訊濾波器，以有效切斷干擾信號的進(jìn)入。
表2 電磁兼容試驗和測量技術(shù)
注1：對接地端口的試驗沒有單獨規(guī)定，因為它們包含在相應(yīng)的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)中：專用的保護(hù)接地端口作為交流電源端口進(jìn)行試驗；功能性接地作為I/O端口進(jìn)行試驗。
注2：在進(jìn)行試驗時，設(shè)備不應(yīng)該出現(xiàn)危險和不安全保密性的后果。按上表要求，儀表生產(chǎn)廠家在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計時應(yīng)分5個方面來加以考慮。
c、信號輸出端
信號輸出：為防止繼電器動作而產(chǎn)生的反電勢，在繼電器線圈兩端并接一二極管和RC吸收電路，同時設(shè)置光電隔離電路；模擬變送信號輸出和通訊接口電路均采用光電隔離電路以防止干擾信號的串入。
d、儀表內(nèi)部電路以及PCB板設(shè)計
在設(shè)計數(shù)顯儀表電路時，除設(shè)置上述措施外，在元器件選擇方面應(yīng)選擇抗干擾性能優(yōu)的元器件(特別是單片機(jī)芯片)，在E2PROM的電源端增設(shè)一穩(wěn)壓管、RC電路，以確保調(diào)校參數(shù)、控制參數(shù)不受干擾；在PCB板設(shè)計方面，應(yīng)盡量減少過孔、電源、信號線分區(qū)分布、數(shù)字地和模擬地分開獨立分布后在輸入端點匯合；避免走直拐角，應(yīng)走45°角或弧線；在PCB板四周設(shè)置網(wǎng)狀屏蔽并直接接地；在信號線間增加飛線并獨立接地以消除線間的耦合等措施，以確保輻射、傳導(dǎo)干擾不經(jīng)PCB板耦合而影響儀表的正常工作。
e、儀表軟件設(shè)計
在軟件設(shè)計方面，在對輸入信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集過程中，對其進(jìn)行數(shù)字濾波、中值濾波、加權(quán)濾波、工頻整形采樣等措施，以消除干擾信號帶來的測量數(shù)值誤差；使用定時中斷來監(jiān)視程序運行；在非程序區(qū)設(shè)置攔截措施；調(diào)校參數(shù)、控制參數(shù)等重要參數(shù)采用雙備份、定時查詢措施；對未用的接口應(yīng)予以設(shè)置并定時刷新等抗干擾措施。
②現(xiàn)場安裝、施工的抗干擾措施
a、串模干擾的抑制措施
根據(jù)串模干擾是在數(shù)顯儀表的輸入端疊加到被測信號上的干擾信號之特點，串模干擾的產(chǎn)生可能在信號源上，也有可能是從引線上感應(yīng)或吸收而來的，所以一旦產(chǎn)生了串模干擾之后，它的有害作用往往不大容易消除，因此應(yīng)該首先防止它的產(chǎn)生。
◆信號線的絞扭
對于電磁感應(yīng)來說，盡量將導(dǎo)線遠(yuǎn)離強(qiáng)電設(shè)備及動力網(wǎng)，調(diào)整走線方向及減小導(dǎo)線回路面積都是必要的，僅調(diào)整走線方向及兩信號線以短的節(jié)距絞合，干擾電壓就能降低為原來的1/10~1/100；對于靜電感應(yīng)來說，當(dāng)把兩信號線采用雙絞合的形式絞扭且使兩根信號線到干擾源的距離大 致相等時(常把導(dǎo)向絞成為直徑20倍的節(jié)距)，就能使信號回路所包圍的面積大為減小，使電場通過在兩信號線上的感應(yīng)耦合進(jìn)入回路的串模干擾電位差大為減少。
◆屏蔽
為了進(jìn)一步防止電場的干擾，信號線應(yīng)直接采用屏蔽電纜，當(dāng)數(shù)顯儀表內(nèi)部模擬放大器接地時，應(yīng)讓靠近檢測儀表的屏蔽線一端接地；當(dāng)儀表內(nèi)部模擬放大器不接地時，屏蔽層應(yīng)在靠近顯示儀表一側(cè)接地(該接地裝置應(yīng)有良好的接地效果，且接地電阻應(yīng)小于1Ω)，因非磁性屏蔽層對50Hz的磁場無效果，必要時可把信號線穿入鐵管中(鐵管應(yīng)有接地處理)，使信號得以磁屏蔽，而在靜電屏蔽后，能使感應(yīng)電勢減小到原來(未采取措施前)的1/100~1/1000。
◆信號線與電源線在沿電纜橋架敷設(shè)過程中，應(yīng)盡量使信號線與電源線分開敷設(shè)，在條件不許可情況下，應(yīng)采用隔板將電源線與信號線分隔開敷設(shè)，同時應(yīng)整齊梳理敷設(shè)，切忌絞合敷設(shè)布線；在條件允許情況下將導(dǎo)線的電流流向做反方向處理，以減弱相互產(chǎn)生的磁場干擾。不允許把信號線與動力線平行敷設(shè)在一起。
◆儀表供電電源的取出應(yīng)避免與大容量用電設(shè)備、變頻器同用一配電柜，選擇設(shè)備負(fù)荷變化小、啟停次數(shù)不頻繁的供電電網(wǎng)上。
b、共模干擾的抑制措施
根據(jù)共模干擾是在儀器儀表端子與大地之間產(chǎn)生之特點，共模干擾的產(chǎn)生是指信號線上公有的干擾信號，一般是由于被測信號的接地端與控制系統(tǒng)的接地端存在一定的電位差所制，這種干擾在兩條信號線上的周期、幅值基本相等，采用上面的方法無法消除或抑制。
數(shù)顯儀表共模干擾的抑制方法
◆正確的接地方式
接地的意義就是為了得到一個等電位的點或面，它是電路或系統(tǒng)的一個基準(zhǔn)電位點或面，但不一定是大地的電位。但當(dāng)接地的方式處理不好或此地不干凈的情況下，將形成地回路把干擾信號引入儀器儀表。
為了提高數(shù)顯儀表抗干擾能力，通常數(shù)顯儀表中的數(shù)字地和模擬地與儀表外殼(大地)絕緣(即把儀表內(nèi)部的地做"浮地”處理)，以切斷共模干擾電壓的漏電途徑，使干擾無法進(jìn)入，在低電平測試中，信號線只應(yīng)有一點接地且信號線的屏蔽層也只須有一點接地，且接地端在靠近儀表一側(cè)效果較好，無論信號線和電源線等均需加以屏蔽，把接地和屏蔽正確地結(jié)合起來使用，往往能解決大部分的干擾問題。當(dāng)有一個接地電位，可有效切斷電位的泄漏電流，提高測量信號的抗干擾能力，這是測量系統(tǒng)常用的方法。
◆應(yīng)用平衡電路
一個系統(tǒng)的穩(wěn)定程度取決于信號源、信號引線、負(fù)載的平衡以及其它雜散分布參數(shù)的平衡，為提高儀器儀表抗共模干擾能力，采用平衡措施可使兩線路上所轉(zhuǎn)換的電壓相等，以此來降低耦合到負(fù)載上的該部分共模電壓。
◆電源引入干擾的抑制
在儀器儀表內(nèi)部主要的干擾來自小功率變壓器產(chǎn)生的漏電流。為防止泄漏電流干擾，可將變壓器的初級繞組放在屏蔽層之內(nèi)，并將屏蔽層接地，此時變壓器初級繞組上的相電壓通過對屏蔽層分布電容，使漏電電流直接流入地，而不再流入放大器、測量電路和信號源中產(chǎn)生干擾，為防止電源變壓器引入干擾，采用3層屏蔽結(jié)構(gòu)即電源變壓器初級屏蔽層直接與儀表外殼接地，供電裝置的次級繞組與所有的屏蔽層相接，放大器電源的次級繞組屏蔽層與放大器地處于等電位狀態(tài)，由電源引起的脈沖狀干擾，對數(shù)字電路有較大影響，應(yīng)在電源電路上加裝高頻濾波器，濾波器應(yīng)裝在輸入和輸出引線都經(jīng)過穿心電容進(jìn)行濾波的鐵制屏蔽盒內(nèi)。
無論是為了抑制串模干擾還是抑制共模干擾，均應(yīng)注意做到：輸入線路應(yīng)盡量短；在配線方面應(yīng)盡量避免和強(qiáng)動力線接近；注意信號間的阻抗匹配。總之干擾的分布參數(shù)是很復(fù)雜的，因此在抗干擾時，應(yīng)當(dāng)采用適當(dāng)?shù)拇胧?，既要考慮效果，又要考慮價格因素，還要因現(xiàn)場情況而定。采用的措施只要能解決問題就可以。
作者：陳耀
