第10章抗干扰技术和微机接口技术

第10章抗干扰技术及微机接口技术知识目标通过本课题的学习，要求掌握干扰的概念，熟悉干扰的来源及干扰形式，了解传感器与微机的接口电路。技能目标通过本课题的学习，能够根据不同干扰源采用相应的干扰抑制措施，熟悉A/D转换器（ADC）的主要技术指标，能合理选择ADC并能与微机连接。10.1传感器抗干扰技术10.1.1干扰的来源及形式1.外部干扰⑴从外部侵入检测装置的干扰称为外部干扰。来源于自然界的干扰称为自然干扰。自然干扰主要来自天空，如雷电、宇宙辐射、太阳黑子活动等来源于其他电气设备或各种电操作的干扰，称为人为干扰（或工业干扰）。人为干扰来源于各类电气、电子设备所产生的电磁场和电火花，及其他机械干扰、热干扰、化学干扰等。⑵电气设备的干扰工频干扰：大功率输电线，甚至就是一般室内交流电源线对于输入阻抗高和灵敏度甚高的测量装置来说都是威胁很大的干扰源。在电子设备内部，由于工频感应而产生干扰，如果波形失真，则干扰更大。射频干扰：指高频感应加热、高频介质加热、高频焊接等工业电子设备通过辐射或通过电源线给附近测量装置带来的干扰。电子开关通断干扰：电子开关、电子管、晶闸管等大功率电子开关虽然不产生火花，但因通断速度极快，使电路电流和电压发生急剧的变化，形成冲击脉冲而成为干扰源。2.内部干扰热噪声：又称为电阻噪声。由电阻内部载流子的随机热运动产生几乎覆盖整个频谱的噪声电压。散粒噪声：它由电子器件内部载流子的随机热运动产生。低频噪声：又称为1/f噪声。它取决于元器件材料表面的特性。接触噪声：它也是一种低频噪声。⑵信噪比(S/N)在测量过程中，人们不希望有噪声，但是噪声不可能完全排除，也不能用一个确定的时间函数来描述。实践中只要噪声小到不影响检测结果,是允许存在的，通常用信噪比来表示其对有用信号的影响，而用噪声系数Nf表征器件或电路对噪声的品质因数。3.干扰的传输途径⑴通过“路”的干扰泄漏电阻：共阻抗耦合干扰：经电源线引入干扰：⑵通过“场”通过电场耦合的干扰：通过磁场耦合的干扰通过辐射电磁场耦合的干扰4.干扰的作用方式⑴串模干扰图10-1串模干扰等效电路⑵共模干扰图10-2共模干扰等效电路⑶共模抑制比（CMRR）共模噪声只有转换成差模噪声才能形成干扰，这种转换是由测量装置的特性决定的。因此，常用共模抑制比衡量测量装置抑制共模干扰的能力，dmcmlg20UUCMRRdmcmlg20AACMRR10.1.2抑制干扰的途径1.消除或抑制干扰源如使产生干扰的电气设备远离检测装置；对继电器、接触器、断路器等采取触点灭弧措施或改用无触点开关；消除电路中的虚焊、假接等。2.破坏干扰途径提高绝缘性能，采用变压器、光电耦合器隔离以切断“路”径；利用退耦、滤波、选频等电路手段引导干扰信号转移；改变接地形式消除共阻抗耦合干扰途径；对数字信号可采用甄别、限幅、整形等信号处理方法或选通控制方法切断干扰途径。3.削弱接收电路对干扰的敏感性例如电路中的选频措施可以削弱对全频带噪声的敏感性，负反馈可以有效削弱内部噪声源，其他如对信号采用绞线传输或差动输入电路等。10.1.3屏蔽技术1.众所周知，在静电场作用下，导体内部各点等电位，即导体内部无电力线。因此，若将金属屏蔽盒接地，则屏蔽盒内的电力线不会传到外部，外部的电力线也不会穿透屏蔽盒进入内部。前者可抑制干扰源，后者可阻截干扰的传输途径。所以静电屏蔽也叫电场屏蔽，可以抑制电场耦合的干扰。2.电磁屏蔽电磁屏蔽主要是抑制高频电磁场的干扰，屏蔽体采用良导体材料（铜、铝或镀银铜板），利用高频电磁场在屏蔽导体内产生涡流的效应，一方面消耗电磁场能量，另一方面涡电流产生反磁场抵消高频干扰磁场，从而达到磁屏蔽的效果。当屏蔽体上必须开孔或开槽时，应注意避免切断涡电流的流通途径。若把屏蔽体接地，则可兼顾静电屏蔽。若要对电磁线圈进行屏蔽，屏蔽罩直径必须大于线圈直径一倍以上，否则将使线圈电感量减小，Q值降低。3.磁屏蔽图10-3磁屏蔽的原理图4.驱动屏蔽的概念图10-4驱动屏蔽原理图10.1.4接地技术1.接地起源于强电技术。为保障安全，将电网零线和设备外壳接大地，称为保安地线。对于以电能作为信号的通信、测量、计算控制等电子技术来说，把电信号的基准电位点称为“地”，它可能与大地是隔绝的，称为信号地线。信号地线分为模拟信号地线和数字信号地线两种。另外从信号特点来看，还有信号源地线和负载地线。2.一点接地原则⑴机内一点接地图10-5⑵系统一点接地图10-63.电缆屏蔽层的一点接地图10-7缆屏蔽层的一点接地示意图10.1.5浮置技术如果测量装置电路的公共线不接机壳也不接大地，即与大地之间没有任何导电性的直接联系(仅有寄生电容存在)，就称为浮置。图10-8被屏蔽浮置的前置放大器。图10-8浮置屏蔽”的检测系统10.1.6其他抑制干扰的措施在仪表中还经常采用调制、解调技术，滤波和隔离（一般用变压器作前隔离，光电耦合器作后隔离）技术。通过调制、选频放大、解调、滤波，只放大输出有用信号，抑制无用的干扰信号。滤波的类型有低通滤波、高通滤波、带通滤波、带阻滤波等，起选频作用。隔离主要防止后级对前级的干扰。10.2传感器与微机接口技术图10-9传感器与微机的接口框图10.2.1.信号预处理1.开关式输出信号的预处理图10-10开关量传感器特性示意图2.模拟连续式输出信号的预处理⑴电流/电压变换电路（I/V变换）I/V变换器的作用是将电流信号变换为标准的电压信号，它不仅要求具有恒压性能，而且要求输出电压随负载电阻变化所引起的变化量不能超过允许值。I/V转换电路可由运算放大器组成，如图10-10所示。⑵电压/电流变换（V/I变换）V/I变换器的作用是将电压信号变换为标准电流信号，它不仅要求具有恒流性能，而且要求输出电流随负载电阻变化所引起的变化量不能超过允许值。图10-104～20mA的V/I变换电路⑶模拟频率式输出信号的预处理图10-13频率/电压变换器原理框图⑷数字式输出信号分为数字脉冲式信号和数字编码式信号。数字脉冲式输出信号可直接将输出脉冲经整形电路后接至数字计数器，得到数字信号。10.2.2数据采集1.数据采集系统图10-13数据采集系统的配置2.采样周期的选择3量化噪声(量化误差)模拟信号是连续的，而数字信号是离散的，每个数又是用有限个数码来表示，二者之间不可避免地存在误差，称为量化噪声。一般A/D转换的量化噪声有1LSB和LSB/2两种。10.2.3ADC接口技术1.A/D转换器（ADC）的主要技术指标⑴分辨力⑵精度精度分为绝对精度和相对精度。⑶量程(满刻度范围)量程是指输入模拟电压的变化范围。例如，某转换器具有10V的单极性范围,或-5～5V的双极性范围，则它们的量程都为10V。理想转换器特性应该是线性的，即模拟量输入与数字量输出成线性关系。线性度误差是转换器实际的模拟数字转换关系与理想直线不同而出现的误差，通常也用LSB的倍数来表示。⑸转换时间转换时间指从发出启动转换脉冲开始到输出稳定的二进制代码，即完成一次转换所需要的最长时间。2.ADC的选择与使用在实际使用中，应根据具体情况选用合适的ADC芯片。例如某测温系统的输入范围为0~500℃，要求测温的分辨率为2.5℃，转换时间在1ms之内，可选用分辨率为8位的逐次比较式ADC0809芯片，如果要求测温的分辨率为0.5℃（即满量程的1/1000），转换时间为0.5s，则可选用双积分型ADC芯片14433。3.单片机的采集接口电路及A/D转换器图10-15传感器采集接口框图单片机常用的A/D转换器及接口电路有：ADC0808、ADC0809。4.ADC0809/0808与单片机的连接图10-17ADC0808/0809与8031的接口10.3自动检测技术综合应用实例—数字电子称10.3.1电子秤的基本组成和原理1.电子秤的基本结构电子秤是利用物体的重力作用来确定物体质量（重量）的测量仪器，也可用来确定与质量相关的其它量大小、参数或特性。不管根据什么原理制成的电子秤均由以下三部分组成：⑴承重、传力复位系统⑵称重传感器⑶数据处理电路和测量显示装置2.电子秤的工作原理当被称物体放置在秤体的秤台上时，其重量便通过秤体传递到称重传感器，传感器随之产生力－电效应，将物体的重量转换成与被称物体重量成一定函数关系(一般成正比关系)的电信号(电压或电流等)。此信号由放大电路进行放大、经滤波后再由模/数（A/D）器进行转换，数字信号再送到微处器的CPU处理，CPU不断扫描键盘和各种功能开关，根据键盘输入内容和各种功能开关的状态进行必要的判断、分析、由仪表的软件来控制各种运算。运算结果送到内存贮器，需要显示时，CPU发出指令，从内存贮器中读出送到显示器显示，或送打印机打印。一般信号的放大、滤波、A/D转换以及信号各种运算处理都在仪表中完成。3.电子秤的计量性能电子秤的计量性能涉及的主要技术指标有：量程、分度值、分度数、准确度等级等。⑴量程：电子衡器的最大称量Max，即电子秤在正常工作情况下，所能称量的最大值。⑵分度值：电子秤的测量范围被分成若干等份，每份值即为分度值。用e或d来表示。⑶分度数：衡器的测量范围被分成若干等份，总份数即为分度数用n表示。电子衡器的最大称量Max可以用总分度数n与分度值d的乘积来表示，即Max=n•d。⑷准确度等级10.3.2电子称称重传感器1.常用各种称重传感器⑴电阻应变式称重传感器电阻应变式称重传感器是把电阻应变计粘贴在弹性敏感元件上，然后以适当方式组成电桥的一种将力（重量）转换成电信号的传感器。⑵电容式称重传感器电容式称重传感器是把被称物体重量转换为电容器容量变化的一种传感器，它是以各种不同类型的电容量作为转换元件，实际是一个具有可变参数的电容器。电容式传感器由于存在输出特性的非线性、寄生电容和分布电容对灵敏度和称重精度的影响、传感器联接电路比较复杂等原因，直接影响到它的可靠性，所以限制了它的应用。⑶压磁式称重传感器压磁式称重传感器也称磁弹性传感器，它是一种力—电转换的无源传感器。它的工作原理是利用压磁效应，将被称重量的变化变换成传感器导磁体的导磁率变化并输出电信号。压磁传感器具有输出信号大、抗干扰性能好、过载能力强、不均匀载荷对测量准确度的影响小、能在恶劣的环境中工作、结构简单便于加工等优点。缺点是准确度低、反应速度慢。它常用于冶金、矿山、运输等工业部门的承受大吨位，并要求牢固可靠、安全报警等测力或称重场合。⑷谐振式称重传感器谐振式称重传感器也称频率式传感器，它是利用机械振子的固有频率或石英晶体的谐振特性，随着被称物体重量的变化而产生频率变化现象而形成的一种传感器。谐振式传感器可分为振弦式、振梁式、振膜式、振筒式、振管式和晶体谐振式等多种类型。在称重技术中主要采用的是振弦式和振梁式的复合音叉振子称重传感器。2.称重传感器的主要性能指标⑴传感器的输出灵敏度⑵非线性⑶不重复性⑷零点不平衡输出3.称重传感器的组合方式⑴串联工作方式⑵全并联式工作方式⑶串并联混合工作方式4.称重传感器的选择⑴要考虑传感器所处的实际工作环境情况⑵对传感器数量和量程的选择⑶传感器准确度等级的选择10.3.3.数字式称重传感器1.工作原理数字式传感器将传感器电桥电路输出的模拟电压信号放大、滤波、经A/D转换后送入微处理芯片，利用芯片中存入的软件对传感器进行常规的补偿和调整，同时还进行一些非线性、滞后和蠕变等补偿，最后，通过RS-485通讯方式传送给仪表或计算机。2.数字式传感器A/D转换器A/D转换器是一种能把输入模拟电压或电流变成与它成正比的数字量，也就是说能把被控对象的各种模拟信息变成计算机可以识别的数字信息。3.电子秤A/D转换器的选用⑴CS1180简介⑵CS1180特点CS1180是24位高精度、低功耗Sigma-Delta模数转换芯片，有效分辨率可达20（PGA=1）位。可以在2.7V~5.5V电