1尖峰干扰抑制技术
对仪器正常工作危害最严重的是电网尖峰脉冲干扰,产生尖峰干扰的用电设备有:电焊机、大电机、可控硅、继电接触器、带镇流器的充气照明灯,甚至电烙铁等,尖峰干扰常使智能仪器中的电脑“飞程序”或“死机”。可用硬件、软件或硬软件结合的办法来抑制。
1.1用硬件线路抑制尖峰干扰的影响
有如下三种常用办法:或在仪器交流电源输入端串入按频谱均衡的原理设计的干扰抑制器,将尖峰电压集中能量分配到不同的频段上,从而减弱其破坏性;或在仪器交流电源输入端加超级隔离变压器,利用铁磁共振原理抑制尖峰脉冲;或在仪器交流电源的输入端并联压敏电阻利用尖峰脉冲到来时电阻值减小,降低仪器从电源分得的电压,从而削弱干扰的影响。
1.2利用软件方法抑制尖峰干扰
笔者参与研制的我国第一台声发射仪在北京某研究院做实验时,旁边有一个可控硅设备在工作,每周期,当可控硅一导通我们的声发射仪上就出现一个尖峰脉冲干扰。对于这种周期性干扰。我们编程进行时间滤波,也就是用程序控制在可控硅导通瞬间不采样,从而有效地抑制了干扰。
1.3采用硬、软件结合的看门狗(watchdog)技术抑制尖脉冲的影响。硬件方面如图示。
将定时器与CPU形成闭合回路。定时器受CPU控制,CPU可重新设置定时器或重新启动。
软件方面这样安排:只要在定时器定时到之前,CPU访问一次定时器,让定时器重新开始计时,正常程序运行,该定时器永远不会产生溢出脉冲,WATCHDOG也就不会起作用。一旦尖峰干扰出现了“飞程序”,则CPU就不会在定时到之前访问定时器,因而定时到信号就会出现,引起系统复位或中断,保证智能仪器回到正常程序上来。
2噪声干扰抑制技术
广义讲,一切无用的信号都叫噪声。噪声客观存在,从某种意义说,开发仪器的过程自始至终就是和噪声作斗争的过程。
2.1屏蔽技术
根据导线间电耦合、磁耦合及电磁耦合产生相互干扰的机理,在仪器布线方面应做到:强电的馈线必须单独走,绝对不能和信号线混在一起;努力使强信号线与弱信号线正交;不能避开的平行走线,应保持强信号线与弱信号线的距离是干扰导线内径的40倍。在使用连接线方面应做到:针对电场耦合引起的干扰,采用无网孔的铝箔屏蔽电缆且使两端引线外露部分尽量短,同轴电缆单端接地;针对磁场耦合产生的干扰,采用双绞线,让法线相反的小回路面积相等,使磁场干扰的影响相互抵消;针对电磁耦合产生的干扰可采用结合双绞线和同轴电缆两者优点的双绞屏蔽线,此外在干扰源周围加上屏蔽体且将屏蔽体一点接地,可把电场形成的干扰源屏蔽掉,使之对邻近导线回路不产生干扰且可抑制磁场对弱信号回路可能造成的干扰。
2.2滤波技术
滤波的本质是挡住噪声,只让有效信号畅通,除了前面提到的时间滤波之外,还有波形滤波。频率滤波。幅度滤波和空间滤波,无论那种形式,其共同点都是抓住噪声和有效信号的差别去伪存真。现分述如下:
2.2.1波形滤波
该方式是根据真假信号波形前沿陡度不同设置的,例如声发射信号波形的前沿很陡,而噪声的前沿却不陡。我们可以利用两个门限电路和一个计时电路进行鉴别。外来的信号前沿超过下门限就启动计时,到达上门限就停止计时,再借助比较器和门电路,只有计时小于一定值的才是真信号,打开门让其进到仪器中,否则,便是噪声,控制将其拒之门外。
2.2.2频率滤波
该方式是根据真假信号的频率不同设置的,可分有源滤波器和无源滤波器两大类,每一类又包括低通、高通、带通、带阻四种,视有效信号和噪声的频率决定采用哪种滤波器。
2.2.3幅值滤波
该方式是建立在噪声的幅度较小而有效信号幅度较大的基础之上的。利用比较器设置门槛电路,再加上门电路,实现对幅值超过门槛的信号,开门放行;将幅值低于门槛的信号作为噪声挡住。
2.2.4空间滤波
这种方式是建立在已知有效信号源空间位置基础之上的,来自这里的信号是有效信号,把其他空间发出的信号都当作噪声。可用符合和主从两种方式鉴别,例如我们要用声发射仪监视一条焊缝,就把传感器对称放置在焊缝的两边,于是两个传感器同时收到的便是来自焊缝的信号,认为是真的,让其进到仪器中处理;而两个传感器不是同时收到的信号就是假的,不予处理。
2.2.5软件滤波
程序实现滤波是智能仪器所独有的,可对包括频率很低(如0.01Hz)的干扰信号在内的各种干扰信号进行滤波,一个数字滤波程序能为仪器多个输入通道共用。常用的软件滤波方法有:①平均值滤波,即把M次采样的算术平均值作为滤波器的输出,也可以根据需要增加新采样值的比重,形成加权平均值滤波。②中值滤波,即把M次连续采样值进行排序,取其中位值作为滤波器的输出,这种方法对缓变过程的脉冲干扰滤波效果良好。③限幅滤波,这种方法是根据采样周期和真实信号的正常变化率确定相邻两次采样的最大可能差值△,将本次采样和上次采样的差值小于等于△的信号认为是有效信号,大于△的信号作为噪声处理。④惯性滤波,此乃模拟RC滤波器的数字实现,适用于波动频繁的有效信号。
2.3接地技术
为避免噪声耦合,通常在仪器中应有3条分开的地线:一条是低电平地线,一条是强电的地线(又称噪声地线),一条是仪器机壳地线(又称“金属件”地线).这三条地线应在一点连接接地。
仪器的高电平线和低电平线不要接同一接插件,不得已用同一接插件时,应把地线和备用端子放在高低电平端子的中间;低电平电缆的屏蔽层要一端接地,屏蔽层外面要有绝缘层,以防与其它地线碰触,两条以上的屏蔽电缆共用一个接插件时,每条电缆的屏蔽层最好单独用一个端子。
以上措施,笔者在开发智能供水装置中均有采用,效果良好。
2.4电气隔离技术
为防止高电压、大电流、大功率等强电或长输送线上产生的各种干扰信号进入智能仪器内部,妨碍正常工作,可使信息传输的路径在电气上隔离,各自独立电源和参考电位,互相间毫不相关,靠非电方式(如磁,光等)来传送信息。
2.4.1磁隔离的方法
常见磁隔离种类有:隔离变压器,电源变压器,各种电压、电流互感器,调制解调式隔离放大器,可用来传送开关信号,也可用来传递交变、缓变甚至是直流的模拟信号,在低频范围内实现理想传输,但也有速度慢功耗大,会造成较高的频率的信号的损失及开关信号前沿陡度下降等缺点。
2.4.2光隔离的方法
采用光传递信息不易受外界如雷电、强磁场等的影响,所以是一种较理想的隔离方法,常见的光隔离器件有:光电开关、光电隔离装置等,因为其功耗小,结构简单,工作可靠,故开发智能仪器首选这种方法。
2.5其他抗干扰技术
2.5.1稳压技术
目前智能仪器开发中常用的稳压电源有两种:一种是由集成稳压芯片提供的串联调整电源,另一种是DC2DC稳压电源。这对防止电网电压波动干扰仪器正常工作有效。
2.5.2抑制共模干扰技术
采用差分放大器,提高差分放大器的输入阻抗或降低信号源内阻可大大降低共模干扰的影响。
2.5.3软件补偿技术
外界因素,如环境温湿度变化等也会引起某些参数的变化,造成偏差,我们可以利用软件根据测好的外界因素的变化和误差曲线进行修正,去掉干扰,笔者在飞机燃油量的计算机测量系统中有成功的应用。
3结语
不断提高仪器的抗干扰能力是开发者追求的目标。根据笔者多年实践的体验,觉得本文所述的各种干扰抑制技术有效,实用。重要的是针对具体情况灵活运用。