工業(yè)測量中的噪聲干擾問(wèn)題

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

答：根據ADI公司I/O子系統部(IOS)的客戶(hù)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)路對儀表工程師和技術(shù)員來(lái)說(shuō)是很棘手的測量問(wèn)題，由此造成的故障既浪費時(shí)間又難
查找。你知道下面這些故障現象嗎?
·盡管傳感器沒(méi)有發(fā)生變化，但儀表的讀數卻在緩慢漂移。
·當其他設備接通時(shí)，儀表的讀數漂移。
·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量結果不同。
·有60Hz的正弦波疊加在直流測量輸入信號上。
·有一些難于解釋的測量設備故障問(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。當他們構成通路時(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公司信號調理系列
產(chǎn)品中的一個(gè)很關(guān)鍵的信號調理方法。

有時(shí)兩臺設備各自單獨接地就會(huì )造成接地點(diǎn)的電位差，從而引起電流流過(guò)信號線(xiàn)路。為何兩
臺設備都接地了，還會(huì )造成這種問(wèn)題呢?因為與傳輸電能和信號的銅線(xiàn)相比，大地和金屬外
殼實(shí)際上都是電的不良導體。這種阻擋電流流動(dòng)的內部阻抗特性隨著(zhù)季節和天氣而變化，并
使電流通過(guò)連接這兩臺設備任何導線(xiàn)。許多工廠(chǎng)和車(chē)間廠(chǎng)房的電位高達幾十甚至幾百伏，采
用“電隔離”適當的信號調理措施可以消除接地環(huán)路，這樣在接入靈敏的測試系統之前就防
止潛在的過(guò)壓損壞，從而保護了設備。隔離提供了一個(gè)完整的浮置輸入和輸出端口，從現場(chǎng)輸入到輸出以及從現場(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?我們怎樣才能提供一條通路使信號從輸入流到輸出，卻不
構成電流通路?

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

2錯誤接線(xiàn)和過(guò)壓
想想看，當一條電纜從一塊靈敏的數據采集板連到另一個(gè)機柜或廠(chǎng)房的其他地方時(shí)，是什么
情況?輸入和輸出接線(xiàn)端子混在幾百個(gè)接線(xiàn)端子中，這些接線(xiàn)端子連接各種大小和性質(zhì)不同
的信號：直流信號、交流信號、毫伏級信號、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)訓練有素的技術(shù)員或電工也有可能接錯線(xiàn)。當系統需要修
改時(shí)，應及時(shí)用紅筆修改接線(xiàn)圖，同類(lèi)設備之間才能更換。有時(shí)電源發(fā)生故障，把過(guò)高的電
壓無(wú)意加在系統上。你怎樣才能保護你的測量系統呢?
答案是在每個(gè)模擬信號的引腳上都使用加強的信號調整。這個(gè)并不昂貴的保險措施可以防止
每個(gè)輸入和輸出信號線(xiàn)的錯接和過(guò)壓引起的問(wèn)題。例如，：當輸入電路用來(lái)測量毫伏級的熱
電偶信號時(shí)，使用5B系列的信號調理器可以提供240V的交流保護。也就是說(shuō)，你可以在測量熱電偶的輸入線(xiàn)兩端并聯(lián)240V的交流電壓，而不會(huì )對設備造成損害。在系統一側，使用信號調理器和現場(chǎng)I/O連接可以保護系統所有的測量與數據采集設備。

3分辨率降低
分辨率是指模數轉換(ADC)系統可以檢測和響應的最小變化。例如，當實(shí)際溫度連續增加時(shí)
，溫度的讀數從100℃跳到10029℃，又跳到10058℃，則分辨率(對應最低有效位數值)
是029℃。如果你用一個(gè)測量范圍為0～1200℃、帶12位ADC的信號調理器，就能達到這個(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)測量更微小的變化，即采用更高
分辨率的ADC或測量較小的測量范圍。例如，使用6B系列帶符號位的15位ADC，可以提供0～1
200℃ 測量范圍內的0037℃的分辨率，它是上述分辨率的1/8。另一方面，如果你知道多數時(shí)間溫度值是在100℃左右，那么你可以從ADI公司訂購一個(gè)定制測量范圍的熱電偶信號調理器。比如，定制一個(gè)溫度測量范圍為50～150℃、帶12位ADC的信號調理器，其分辨率為0024，從而比測量范圍為 0～1200℃時(shí)的分辨率大大提高。

4多路信號不全具備相同的特性
這是對傳統測量方法的挑戰。在傳統測量方法中，把4路、8路或16路輸入通道都用到相同類(lèi)
型的信號接口。比如，你需要測量2路J型熱電偶、1路0～10V的信號、4路4～20mA的信號和
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公司的信號調理方案，即對各通道逐個(gè)配置信號調理模塊，但最后也集
中到一塊底板子系統上。這些底板子系統提供與輸入、輸出和現場(chǎng)設備的所有接線(xiàn)端子，以及與一個(gè)直流電源的簡(jiǎn)單接線(xiàn)端子。這些子系統可提供以下輸出：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
現代工廠(chǎng)和車(chē)間包含各種各樣的干擾源：發(fā)動(dòng)機和電動(dòng)機、熒光燈、收發(fā)兩用無(wú)線(xiàn)電設備
和發(fā)電
機等。每種干擾源都輻射出能被線(xiàn)路、電路板和測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 )在信號測量中以噪聲的形式表現出來(lái)。怎樣消除這些干擾呢
?只要在信號調理子系統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的信號調理子系統可以去除低頻噪聲。當相對類(lèi)似地的公共端測
量正輸入或負輸入信號時(shí)，在正輸入端和負輸入端都有共模噪聲。正輸入和負輸入共模噪聲之差為常模噪聲。在A(yíng)DI公司的信號調理子系統中，典型的共模抑制指標是160dB。這個(gè)對數比例關(guān)系測量結果意味著(zhù)相對于信號來(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(xiàn)路排布和使用RFI濾波器(如鐵氧體)。我們要根據歐共體CE標志要求公布的
關(guān)于電磁敏感性EN認證要求進(jìn)行性能測試。很重要的典型應用是在輸入線(xiàn)路和信號調理子系
統幾英尺之內使用收發(fā)兩用無(wú)線(xiàn)電設備的情況。必須要具備無(wú)線(xiàn)信號發(fā)射時(shí)抑制測量誤差的
能力。合理的線(xiàn)路板布線(xiàn)和采用信號調理措施將確保在噪聲環(huán)境中達到最高精度。

結論
問(wèn)：什么是合理的安裝和布線(xiàn)?

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公司購買(mǎi)此書(shū)或在網(wǎng)上免費查閱。
·應避免在電磁噪聲源(如斷路器、變壓器、電動(dòng)機、可控硅整流器驅動(dòng)器、
焊接機、熒光燈控制器或繼電器)附近安裝敏感測量?jì)x器或布置傳送低電平信號的線(xiàn)路。
·使用10～12絞/英尺的雙絞線(xiàn)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。
·不能將攜帶信號的線(xiàn)路與輸電線(xiàn)、繼電器引線(xiàn)及其它高壓或大電流電纜穿在同一根護套導
管中。
·在干擾很勵害的環(huán)境中，要將信號調理電路和測量設備放在接地并且封閉的屏蔽室中。