工业测量中的噪声干扰问题

工业测量中的噪声干扰问题

Bill Englemann

问：当我给一个工业系统装备仪表时，最可能碰到那些问题呢?

答：根据ADI公司I/O子系统部(IOS)的客户反映，有以下五种问题是最经常遇到的：
1?接地环路
接地环路对仪表工程师和技术员来说是很棘手的测量问题，由此造成的故障既浪费时间又难
查找。你知道下面这些故障现象吗?
·尽管传感器没有发生变化，但仪表的读数却在缓慢漂移。
·当其他设备接通时，仪表的读数漂移。
·把一个检定装置接在仪器电缆的末端和直接接在仪器的输入端两种测量结果不同。
·有60Hz的正弦波叠加在直流测量输入信号上。
·有一些难于解释的测量设备故障问题。
上面这些问题题都可能是接地环路造成的。表面上看来是等电位的一些“地”，“公共点”
和“参考点”，实际上有电位差。当他们构成通路时，由于有电位差就会有电流流过通路，
这就是接地环路。上述问题都可以通过“隔离”来排除。“隔离”是ADI公司信号调理系列
产品中的一个很关键的信号调理方法。

有时两台设备各自单独接地就会造成接地点的电位差，从而引起电流流过信号线路。为何两
台设备都接地了，还会造成这种问题呢?因为与传输电能和信号的铜线相比，大地和金属外
壳实际上都是电的不良导体。这种阻挡电流流动的内部阻抗特性随着季节和天气而变化，并
使电流通过连接这两台设备任何导线。许多工厂和车间厂房的电位高达几十甚至几百伏，采
用“电隔离”适当的信号调理措施可以消除接地环路，这样在接入灵敏的测试系统之前就防
止潜在的过压损坏，从而保护了设备。隔离提供了一个完整的浮置输入和输出端口，从现场输入到输出以及从现场输入到电源之间都没有电通路，因此就不会有电流通路，从而不会存在接地环路。

问：这是怎样做到的?我们怎样才能提供一条通路使信号从输入流到输出，却不
构成电流通路?

答：用磁隔离的方法。通过一个变压器产生的信号，输入与输出信号之间不再是通过电路连
接而是通过磁路连接，因此可以消除电通路。我们用变压器对低电平信号进行准确、可靠的
隔离已经做得很完美。这种方法使用调制器和解调器来传输变压器隔离介质两端的信号，并
且隔离电压有效值高达2500V RMS
经常会遇到的一种应用问题是在高达几百伏特的地电位情况下测量，例如热电偶这种小信号
传感器。这种地电位叫做“共模电压”。一个高品质的信号调理器能够抑制由“共模电压”
引起的误差，同时仍准确地放大信号的能力叫做“共模抑制(CMR)”。ADI公司的5B，6B和7B系列信号调理子系统具有足够的共模抑制能力以减小共模电压的影响，共模抑制比高达10
8∶1。

2?错误接线和过压
想想看，当一条电缆从一块灵敏的数据采集板连到另一个机柜或厂房的其他地方时，是什么
情况?输入和输出接线端子混在几百个接线端子中，这些接线端子连接各种大小和性质不同
的信号：直流信号、交流信号、毫伏级信号、热电偶、直流电源、交流电源、接近开关、继
电器电路等。不难想象，即便一个训练有素的技术员或电工也有可能接错线。当系统需要修
改时，应及时用红笔修改接线图，同类设备之间才能更换。有时电源发生故障，把过高的电
压无意加在系统上。你怎样才能保护你的测量系统呢?
答案是在每个模拟信号的引脚上都使用加强的信号调整。这个并不昂贵的保险措施可以防止
每个输入和输出信号线的错接和过压引起的问题。例如，：当输入电路用来测量毫伏级的热
电偶信号时，使用5B系列的信号调理器可以提供240V的交流保护。也就是说，你可以在测量热电偶的输入线两端并联240V的交流电压，而不会对设备造成损害。在系统一侧，使用信号调理器和现场I/O连接可以保护系统所有的测量与数据采集设备。

3?分辨率降低
分辨率是指模数转换(ADC)系统可以检测和响应的最小变化。例如，当实际温度连续增加时
，温度的读数从100℃跳到100?29℃，又跳到100?58℃，则分辨率(对应最低有效位数值)
是0?29℃。如果你用一个测量范围为0～1200℃、带12位ADC的信号调理器，就能达到这个
分辨率。有两种方法可以提高分辨率(使分辨率的值更小)来测量更微小的变化，即采用更高
分辨率的ADC或测量较小的测量范围。例如，使用6B系列带符号位的15位ADC，可以提供0～1
200℃测量范围内的0?037℃的分辨率，它是上述分辨率的1/8。另一方面，如果你知道多数时间温度值是在100℃左右，那么你可以从ADI公司订购一个定制测量范围的热电偶信号调理器。比如，定制一个温度测量范围为50～150℃、带12位ADC的信号调理器，其分辨率为0?024，从而比测量范围为0～1200℃时的分辨率大大提高。

4?多路信号不全具备相同的特性
这是对传统测量方法的挑战。在传统测量方法中，把4路、8路或16路输入通道都用到相同类
型的信号接口。比如，你需要测量2路J型热电偶、1路0～10V的信号、4路4～20mA的信号和
2路铂热电阻(RTD)，你可以为每个通道买一个变送器，再把它们接到4～20mA的公共输入板
上，也可以使用ADI公司的信号调理方案，即对各通道逐个配置信号调理模块，但最后也集
中到一块底板子系统上。这些底板子系统提供与输入、输出和现场设备的所有接线端子，以及与一个直流电源的简单接线端子。这些子系统可提供以下输出：0～5V，0～10V，4～20mA，RS?232/485等。各通道的输入和输出模块对每个通道的偏置都是混合搭配兼容，并且为使用方便，可以热插换(hot?swappable)。

5?电磁干扰
现代工厂和车间包含各种各样的干扰源：发动机和电动机、荧光灯、收发两用无线电设备
和发电
机等。每种干扰源都辐射出能被线路、电路板和测量模块接受的电磁噪声。即使采取最好的
屏蔽和接地措施，这些干扰也会在信号测量中以噪声的形式表现出来。怎样消除这些干扰呢
?只要在信号调理子系统中采用有效的噪声抑制措施就能消除这些干扰。

选用共模和常模抑制能力强的信号调理子系统可以去除低频噪声。当相对类似地的公共端测
量正输入或负输入信号时，在正输入端和负输入端都有共模噪声。正输入和负输入共模噪声之差为常模噪声。在ADI公司的信号调理子系统中，典型的共模抑制指标是160dB。这个对数比例关系测量结果意味着相对于信号来说共模电压噪声的影响以108∶1衰减。

在射频段中的甚高频噪声由于整流的缘故会引起直流偏移。这就要求用其他的方式来消除噪
声，包括注意线路排布和使用RFI滤波器(如铁氧体)。我们要根据欧共体CE标志要求公布的
关于电磁敏感性EN认证要求进行性能测试。很重要的典型应用是在输入线路和信号调理子系
统几英尺之内使用收发两用无线电设备的情况。必须要具备无线信号发射时抑制测量误差的
能力。合理的线路板布线和采用信号调理措施将确保在噪声环境中达到最高精度。

结论
问：什么是合理的安装和布线?

答：这里有几点建议 。你也可以查阅“Design Tools”

和ADI公司出版的书——“Practica
l Analog Design Techniques”，可从ADI公司购买此书或在网上免费查阅。
·应避免在电磁噪声源(如断路器、变压器、电动机、可控硅整流器驱动器、
焊接机、荧光灯控制器或继电器)附近安装敏感测量仪器或布置传送低电平信号的线路。
·使用10～12绞/英尺的双绞线来减少磁噪声干扰。
·使用屏蔽电缆并将其屏蔽层只接到输入端入端的电路公共端。
·不能将携带信号的线路与输电线、继电器引线及其它高压或大电流电缆穿在同一根护套导
管中。
·在干扰很励害的环境中，要将信号调理电路和测量设备放在接地并且封闭的屏蔽室中。