工業(yè)測量中的噪聲干擾問題

Bill Englemann

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

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)員來說是很棘手的測量問題，由此造成的故障既浪費時間又難
查找。你知道下面這些故障現(xiàn)象嗎?
·盡管傳感器沒有發(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，儀表的讀數(shù)漂移。
·把一個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(jié)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(shè)備故障問題。
上面這些問題題都可能是接地環(huán)路造成的。表面上看來是等電位的一些“地”，“公共點”
和“參考點”，實際上有電位差。當(dāng)他們構(gòu)成通路時，由于有電位差就會有電流流過通路，
這就是接地環(huán)路。上述問題都可以通過“隔離”來排除。“隔離”是ADI公司信號調(diào)理系列
產(chǎn)品中的一個很關(guān)鍵的信號調(diào)理方法。

有時兩臺設(shè)備各自單獨接地就會造成接地點的電位差，從而引起電流流過信號線路。為何兩
臺設(shè)備都接地了，還會造成這種問題呢?因為與傳輸電能和信號的銅線相比，大地和金屬外
殼實際上都是電的不良導(dǎo)體。這種阻擋電流流動的內(nèi)部阻抗特性隨著季節(jié)和天氣而變化，并
使電流通過連接這兩臺設(shè)備任何導(dǎo)線。許多工廠和車間廠房的電位高達幾十甚至幾百伏，采
用“電隔離”適當(dāng)?shù)男盘栒{(diào)理措施可以消除接地環(huán)路，這樣在接入靈敏的測試系統(tǒng)之前就防
止?jié)撛诘倪^壓損壞，從而保護了設(shè)備。隔離提供了一個完整的浮置輸入和輸出端口，從現(xiàn)場輸入到輸出以及從現(xiàn)場輸入到電源之間都沒有電通路，因此就不會有電流通路，從而不會存在接地環(huán)路。

問：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(gòu)成電流通路?

答：用磁隔離的方法。通過一個變壓器產(chǎn)生的信號，輸入與輸出信號之間不再是通過電路連
接而是通過磁路連接，因此可以消除電通路。我們用變壓器對低電平信號進行準確、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)常會遇到的一種應(yīng)用問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”。一個高品質(zhì)的信號調(diào)理器能夠抑制由“共模電壓”
引起的誤差，同時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(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10
8∶1。

2?錯誤接線和過壓
想想看，當(dāng)一條電纜從一塊靈敏的數(shù)據(jù)采集板連到另一個機柜或廠房的其他地方時，是什么
情況?輸入和輸出接線端子混在幾百個接線端子中，這些接線端子連接各種大小和性質(zhì)不同
的信號：直流信號、交流信號、毫伏級信號、熱電偶、直流電源、交流電源、接近開關(guān)、繼
電器電路等。不難想象，即便一個訓(xùn)練有素的技術(shù)員或電工也有可能接錯線。當(dāng)系統(tǒng)需要修
改時，應(yīng)及時用紅筆修改接線圖，同類設(shè)備之間才能更換。有時電源發(fā)生故障，把過高的電
壓無意加在系統(tǒng)上。你怎樣才能保護你的測量系統(tǒng)呢?
答案是在每個模擬信號的引腳上都使用加強的信號調(diào)整。這個并不昂貴的保險措施可以防止
每個輸入和輸出信號線的錯接和過壓引起的問題。例如，：當(dāng)輸入電路用來測量毫伏級的熱
電偶信號時，使用5B系列的信號調(diào)理器可以提供240V的交流保護。也就是說，你可以在測量熱電偶的輸入線兩端并聯(lián)240V的交流電壓，而不會對設(shè)備造成損害。在系統(tǒng)一側(cè)，使用信號調(diào)理器和現(xiàn)場I/O連接可以保護系統(tǒng)所有的測量與數(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)可以檢測和響應(yīng)的最小變化。例如，當(dāng)實際溫度連續(xù)增加時
，溫度的讀數(shù)從100℃跳到100?29℃，又跳到100?58℃，則分辨率(對應(yīng)最低有效位數(shù)值)
是0?29℃。如果你用一個測量范圍為0～1200℃、帶12位ADC的信號調(diào)理器，就能達到這個
分辨率。有兩種方法可以提高分辨率(使分辨率的值更小)來測量更微小的變化，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(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)時間溫度值是在100℃左右，那么你可以從ADI公司訂購一個定制測量范圍的熱電偶信號調(diào)理器。比如，定制一個溫度測量范圍為50～150℃、帶12位ADC的信號調(diào)理器，其分辨率為0?024，從而比測量范圍為0～1200℃時的分辨率大大提高。

4?多路信號不全具備相同的特性
這是對傳統(tǒng)測量方法的挑戰(zhàn)。在傳統(tǒng)測量方法中，把4路、8路或16路輸入通道都用到相同類
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)，你可以為每個通道買一個變送器，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(diào)理方案，即對各通道逐個配置信號調(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)場設(shè)備的所有接線端子，以及與一個直流電源的簡單接線端子。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每個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)代工廠和車間包含各種各樣的干擾源：發(fā)動機和電動機、熒光燈、收發(fā)兩用無線電設(shè)備
和發(fā)電
機等。每種干擾源都輻射出能被線路、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，這些干擾也會在信號測量中以噪聲的形式表現(xiàn)出來。怎樣消除這些干擾呢
?只要在信號調(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的信號調(diào)理子系統(tǒng)可以去除低頻噪聲。當(dāng)相對類似地的公共端測
量正輸入或負輸入信號時，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ADI公司的信號調(diào)理子系統(tǒng)中，典型的共模抑制指標是160dB。這個對數(shù)比例關(guān)系測量結(jié)果意味著相對于信號來說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引起直流偏移。這就要求用其他的方式來消除噪
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標志要求公布的
關(guān)于電磁敏感性EN認證要求進行性能測試。很重要的典型應(yīng)用是在輸入線路和信號調(diào)理子系
統(tǒng)幾英尺之內(nèi)使用收發(fā)兩用無線電設(shè)備的情況。必須要具備無線信號發(fā)射時抑制測量誤差的
能力。合理的線路板布線和采用信號調(diào)理措施將確保在噪聲環(huán)境中達到最高精度。

結(jié)論
問：什么是合理的安裝和布線?

答：這里有幾點建議 。你也可以查閱“Design Tools”

和ADI公司出版的書——“Practica
l Analog Design Techniques”，可從ADI公司購買此書或在網(wǎng)上免費查閱。
·應(yīng)避免在電磁噪聲源(如斷路器、變壓器、電動機、可控硅整流器驅(qū)動器、
焊接機、熒光燈控制器或繼電器)附近安裝敏感測量儀器或布置傳送低電平信號的線路。
·使用10～12絞/英尺的雙絞線來減少磁噪聲干擾。
·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套導(dǎo)
管中。
·在干擾很勵害的環(huán)境中，要將信號調(diào)理電路和測量設(shè)備放在接地并且封閉的屏蔽室中。