干扰与抗干扰
出处：按学科分类—工业技术 北京理工大学出版社《新编液压工程手册上册》第209页（7237字）
在液压数据采集系统、控制系统现场，计算机控制对象和测量信号分布在各处。信号线、控制线均可能是几十米的长线；其次，在现场强电设备的启动和工作将对计算机产生强烈的干扰。如，大功率电机、电气设备产生的磁场、高压电气设备的电场以及各种电磁波和其它辐射等。这些电磁场的存在和变化以不同途径和方式混入被测信号，使测试系统出现干扰。对计算机的干扰有传导和直接辐射两种途径。如通过输入、输出信号线、电源线和地线，把干扰传导进计算机系统。不采取抗干扰措施，计算机是无法应用于CAT系统现场的。
(1)产生干扰的机理
A．干扰的作用方式
按干扰作用方式不同，可分为串模干扰和共模干扰。串模干扰是指叠加在被测信号上的干扰噪声。被测信号是指有用的直流信号或变化缓慢的交流信号。干扰噪声是指无用的、变化很快的、杂乱的交变信号。串模干扰即是被测信号与干扰噪声之和作为计算机的输入信号，所以串模干扰和计算机系统的关系是在计算机的两个输入点之间串进一种电压干扰(图6．3－5)。
图6．3－5 串模干扰
(a)被测信号的理想波形；(b)串模干扰信号波形；(c)实际测得的信号波形
另一种干扰就是在计算机两个输入端上共有相同的干扰电压称其为共模干扰。如图6．3－6所示。
图6．3－6 共模干扰
在液压CAT系统中，传感器、被控制对象和计算机是分散的，通过长的电缆把计算机发出的控制信号传送到现场的控制对象，或把传感器的信号送到计算机，被测信号Us的参数接地点和计算机端输入信号的参数接地点之间存在一定的电位差Ucm，所以计算机两个输入端的电位分别是Us+Ucm和Ucm，显然Ucm是计算机上共有的干扰电压。这种干扰使直流或交流电压其幅值可达几伏或更高。所以共模干扰比串模干扰更严重。
B．两种信号输入方式与干扰产生的机理
在计算机数据采集系统中，被测信号如有图6．3－7所示的单端对地输入和双端不对地输入两种输入方式。
图6．3－7 被测信号的输入方式
(a)单端对地输入；(b)对端不对地输入
存在共模干扰的场合，采用单端对地输入方式将使共模干扰电压全部成为串模干扰电压叠加到被测信号上。而对于双端不对地输入方式存在共模干扰电压Ucm的情况，仅考虑直流共模干扰电压，其实际系统的等效电路如图6．3－8所示。图中：Us为被测信号源；Ucm为被测点与测量电路间的共模干扰电压。R1、R2为输入导线电阻；R4、R5为测量电路正、负输入端对机壳的泄漏电阻；R3为测量电路正负输入端的输入阻抗。
图6．3－8 双端不对地输入系统的等效电路
如果只考虑共模干扰电压Ucm的影响，可将实际电路改成图6．3－9所示，其中，Ue是共模干扰误差电压。
图6．3－9 仅考虑共模干扰双端不对地输入系统的等效电路
此图就是常见的惠斯登电桥，当R1R 5=R2R4时，则电桥平衡，Ue=0，即没有电流通过R3。共模干扰电压Ucm对测量电路没有影响。实际上，负端对机壳的泄漏电阻Rs较正端对机壳地的泄漏电阻R4要小，传感器本身有内阻，这样使R1、R2也不相等，存在着共模干扰误差电压Ue。
C．评价测量电路抗干扰能力的指标
测量电路抗共模干扰能力用共模干扰抑制比CMR(Commom Mode Rejection Ratio)来表示
一般CMR是在输入导线电阻不平衡情况下给出的，即假定R1=0，R2=1kΩ，这时的等效回路如图6．3－10所示。
图6．3－10 测量电路的等效回路
由于仪器的输入阻抗R3很高，约100MΩ～10000MΩ，远远大于输入导线的不平衡电阻R2，因此R2、R3并联之值约等于R2，又由于泄漏电阻R5》R2，所以
可见，测量仪器输入端对机壳的泄漏电阻越大，输入导线之间的不平衡电阻越小，抗共模干扰性能也就越好。
(2)抗干扰
A．干扰信号传播途径
抗干扰首先要了解干扰信号传播的途径。在现场，各种干扰可通过空间、地线、电源线和引线引入计算机系统。那么，究竟干扰信号的传播途径有哪些呢?
接地系统 通常人们认为接地线不会产生干扰，实际上在大型电气设备中常有大的电流通入大地，还有电气设备漏电等都会造成地电流，而流动的地电流，使两处接地线的电位发生变形，形成地线间的电位差，而产生共模干扰电压。
测试电路(测量仪器)系统 测试电路的测量装置如电子开关、脉冲发生器等在工作中使电流发生剧变，形成具有高能量和高次谐波分量的陡峭的电压，直接通过测试系统电源或以感应耦合方式产生噪声。
电位计、开关及继电器触点，由于两种材料间不完全接触，造成导电率变化而产生噪声。
信号的传送线路 在CAT系统中，传感器、执行机构与计算机之间的传送线路很长，容易产生和接收共模干扰电压或电磁感应电压。通常导线传送信号产生的噪声是主要干扰来源。
电磁感应 电磁波存在的场合，通过感应形成干扰。
交流电源系统 交流电源受到负载变化的影响时，造成电源波形不稳定，如闪变、电压波形缺口、脉冲等。另外交流电源线本身就是干扰信号的途径。
抗干扰问题是一个比较复杂的，涉及面很广的问题，又是计算机应用中必须重视和解决的实际问题。抗干扰的措施将是不让干扰信号进入测试系统或注意抑制干扰发生源。
B．共模干扰的抗干扰措施
共模干扰是常见的干扰方式之一，抑制共模干扰是关系到微机系统能否真正用于实际的关键。下面介绍几种常用的共模干扰抑制方法。
采用差动式双端输入 采用图6．3－11所示的双端输入差动的运算放大器作为测量电路的前置放大器，共模干扰电压的特点是同时加在输入信号正、负两端。这种放大器具有很强的抗共模干扰能力，同时还起隔离作用。
图6．3－11 双端输入差动运算放大器
将“模拟地”和“数字地”隔离 采用磁耦合或电耦合技术，将被测信号的“模拟量地”和“计算机地”断开，被测信号通过磁耦合(如：变压器)或光电耦合(光电耦合器)获得通路。而共模干扰由于未构成回路而得到有效抑制。
采用线性耦合器、线性光电耦合器等器件构成回路时，以光电耦合器应用较多。
光电耦合器是把发光二极管和光敏三极管密封在一起，通过光为媒介传递电信号，具有工作频率高、可靠性好、耐振动、寿命长、无触点的优点。其工作原理图如图6．3－12所示。其输入端是电流驱动的发光二极管，输入阻抗仅为几百欧，而干扰源的内阻大于几百千欧，即使有电平高的干扰，输出电流也很小，不足以点燃发光二极管，抑制干扰。
图6．3－12 光电耦合器工作原理
光电耦合器输入、输出间的极间电容很小，绝缘电阻极大，输出电路中各种干扰噪声不易反馈到计算机系统中，故在计算机输入、输出接口处均应采用光电耦合器。
采用屏蔽技术 信号传输采用带屏蔽层的同轴电缆，其他易产生电磁干扰的组件、器件如交流电源线、直流电源放大器等都加屏蔽罩。采用屏蔽接地来抑制电场干扰、电磁干扰和静电干扰。
用固态继电器驱动阀用电磁铁 液压系统中存在一定数量电磁阀，直接用电磁铁驱动阀所需电流较大，这种感性负载反抗电动势的泄放干扰幅值和脉冲宽度均很大，是一种干扰源。用继电器或接触器接通电磁阀也属于感性负载，干扰强烈。驱动电磁阀要用大功率继电器，大电流会引起触点火花。所以计算机输出通过固态继电器GTJ再驱动阀用电磁铁DT(图6．3－13)的方法能成功地抑制输出噪声。
图6．3－13 用固态继电器驱动电磁阀
由于低压直流电磁铁比高压交流电磁铁产生的干扰脉冲幅值为低。从抗干扰出发，各种电磁阀建议采用低压(24V、36V)直流电磁阀。
采用接地技术 接地线会产生共模干扰电压，采用正确的接地方法可以抑制共模干扰电压。目前在计算机系统中常用的接地线有下述几种：
·信号源地线：包括传感器、信号、直流稳压电源等的地线；
·信号地线：测试系统零信号电位基准线。包括计算机TTL逻辑电路和直流稳压电源(+5V)的地线；
·交流供电电源地线；
·机架、机壳、屏蔽层、屏蔽线、计算机壳保护接地线。
使用时将四种地线各自分别引出，连接在一起形成一个系统接地点(SGP)再将系统接地点，通过单线接在埋在地下的铜板或接地棒上，形成单点接地(图6．3－14)。这种方法对消除共模干扰电压简便易行，效果良好，已成为广泛采用的方法之一。
图6．3－14 单点接地
C．串模干扰抗干扰措施——滤波技术
串模干扰的频率一般比被测信号频率高，所以抑制串模干扰可采用滤波技术。
(A)把低通阻容滤波器作为计算机A／D转换器的输入滤波器(图6．3－15)。
图6．3－15 低通阻容滤波器
这个方法简便易行，抗干扰效果较好，缺点是响应速度慢。因为阻容滤波器的时间常数T=RC。电容器充电至稳态值的99%的时间需要5倍时间常数，通过调整RC来改变T以便减少稳态时间值。
(B)在计算机A／D转换的输入电路中用积分器来抑制交流串模干扰。当积分时间是干扰信号周期的整数倍时，就可全部抑制干扰电压。实际上只能有部分抑制效果，但其到达输入信号稳态值的时间比低通阻容滤波器快。
(C)采用数字滤波技术。当串模干扰频率与被测信号频率相近时，很难用硬件电路抑制干扰。可用软件对带串模干扰的数据进行处理，即用数字滤波方法来削弱串模干扰。
数字滤波是一种程序滤波，与硬件模拟滤波相比，具有不增加硬设备、可靠性高、稳定性好、改变滤波参数灵活等优点。数字滤波有下列几种方法。
算术平均法
式中 Xk——第k次采样值；
Y——数字滤波器的输出；
N——采样次数。
这个方法适用于对流量、压力、温度等信号的平滑，因为此类信号的特点是在某一个数值范围附近作上下波动，有一个平均值。
中值滤波法 在三个采样周期内，连续采样读入三个检测信号X1，X2，X3，从中选择一个居中的数据作为有效信号。其算式表示为
当X1＜X2＜X3或X3＜X2＜X1时，则X2为有效信号。
它能滤去偶然因素的波动或采样器不稳定引起的脉冲干扰，本法不宜用于过程参数快速变化场合。
防脉冲干扰平均值法 这个方法的算式为
若X1≤X2≤…≤XN (3≤N≤14)，则
Y=(X2+X3+…+XN－1)／(N－2)
(6．3－4)
这个方法具有上述两个算法的优点，而且在快、慢速系统中均能削弱干扰，提高控制质量。
D．其他抗干扰措施
(A)抑制电源系统干扰
在计算机系统中有许多干扰来自电源或由电源回路产生的，因此向计算机系统提供优质电源是抑制电源系统干扰的关键。
·在交流进线侧加一台电子交流稳压器，用来稳定单相交流进线电压，或采用直流稳压电源供电。
·采用低通滤波器(图6．3－16)的办法，滤去电源进线中的高频分量和脉冲分量。其中低通滤波器抑制高频干扰，变阻二极管抑制尖脉冲干扰，隔离变压器原、副方可作为隔离静电屏蔽层。
图6．3－16 低通滤波器去干扰
·选用供电比较稳定的进线电源。严禁将计算机系统的进线电源搭接到负载变化大(如大功率电气设备、可控硅整流设备)的电源线上。
·自己安装设备，如果是由多块逻辑电路板组成。在每块板上的电源和地线之间接一个10～100μF的大电容和0．01～0．1μF的无感瓷片电容，以防止板与板之间的相互干扰。
(B)抑制信号传送线路的干扰
信号采用电流传递 采用电流传送信号，传感器输出是电流信号，负载串联在传感器内部的电路中，在传送线路上正好形成一个来回，电磁场相互抵消，干扰电压很难产生，大大提高了信息在传送信号中的信噪比。
采用电缆或专用同轴电缆传送信号 信号线不要和动力线靠近或平行布设，并应远离大功率变压器和大电感线圈，以防止电磁感应产生的干扰。
(C)屏蔽措施
电场屏蔽，利用与大地相连接的导电性良好的屏蔽障(如导电板、箔、网)隔离两根电力线，达到防干扰的目的；电磁屏蔽，利用高频干扰电磁场在屏蔽金属内产生的涡流磁场来抵消高频干扰磁场的影响；磁屏蔽，用高导磁材料作为屏蔽层，将干扰磁力线限制在很小的屏蔽体内部，避免它对其它部分的影响。
(D)抗静电干扰
消除静电危害最简单和最基本的方法是接地。接地线不能太细。接地电阻越小越好，一般应小于2Ω。
设计不易产生静电的机房，面积过小的机房易产生静电积累。沙灰水泥材料对防静电干扰较好。房内还应保持一定的湿度，以减小静电积累。
(E)抑制热噪声干扰
计算机房使用空调或风冷设备，保持房内温度20℃，以减小计算机系统内部电子元件热噪声的干扰。