本文專業(yè)介紹數(shù)顯儀表原理和組成，深入分析數(shù)顯儀表干擾源的產(chǎn)生，并從儀表內(nèi)部及外部解讀抑制電磁干擾所采取的各種措施，為儀表抗干擾設(shè)計(jì)及儀表工程的抗干擾應(yīng)用提供參考。

數(shù)顯儀表可與各種傳感器、變送器配套，它可用來顯示、控制各種不同的被測(cè)參數(shù)。但是，在各行業(yè)生產(chǎn)過程中得以廣泛使用的數(shù)顯儀表往往處在復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中，現(xiàn)場(chǎng)周圍存在著大量強(qiáng)交變電 磁場(chǎng)、強(qiáng)射頻輻射、動(dòng)力電源等，它都可能直接影響到檢測(cè)數(shù)據(jù)的正常采集和生產(chǎn)過程自動(dòng)控制而形成干擾源。這些與被測(cè)信號(hào)無關(guān)的電流、電壓、尖脈沖等 信號(hào)以各種不同方式耦合、傳導(dǎo)到數(shù)顯儀表上，使得數(shù)顯儀表設(shè)備出現(xiàn)數(shù)據(jù)采集失真、自動(dòng)控制無法及時(shí)操作，甚至控制失控而直接影響正常生產(chǎn)、產(chǎn)品質(zhì)量和企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的提高。由于現(xiàn)場(chǎng)使用環(huán)境的特定性，這些干擾源大多無法改變，設(shè)法加以有效抑制卻是非常必要的。本文將就數(shù)顯儀表在現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的幾種典型的干擾源以及所采取的抗干擾措施進(jìn)行探討。

1、數(shù)顯儀表原理及組成
目前大量使用的數(shù)顯儀表以智能型產(chǎn)品居多，一般以單片機(jī)為核心，配上測(cè)量信號(hào)轉(zhuǎn)換電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、通訊接口電路、控制電路這幾大部分組成。它主要是以接收電信號(hào)為輸入量，通過信號(hào)轉(zhuǎn)換和放大電路，將測(cè)量信號(hào)轉(zhuǎn)換成與A/D轉(zhuǎn)換器的輸入信號(hào)相匹配的信號(hào)，通過A/D轉(zhuǎn)換器將連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為斷續(xù)的數(shù)字量送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；通常A/D轉(zhuǎn)換器采用雙積分型、電壓/頻率轉(zhuǎn)換型、脈寬調(diào)制型、逐次比較電壓反饋編碼型等A/D轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)的。在A/D轉(zhuǎn)換過程中，A/D的分辨力越高，得到的數(shù)字量就越接近于連續(xù)模擬量，其轉(zhuǎn)換誤差就越小。

隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，單片機(jī)的功能得以較大提升，由于被測(cè)參數(shù)多為非線性函數(shù)關(guān)系(有些參數(shù)的函數(shù)關(guān)系是線性的)，標(biāo)度變換、非線性補(bǔ)償、自動(dòng)補(bǔ)償干擾信號(hào)等任務(wù)由儀表內(nèi)的單片機(jī)來負(fù)責(zé)完成，同時(shí)將相關(guān)調(diào)試參數(shù)、控制設(shè)定參數(shù)等相關(guān)參數(shù)儲(chǔ)存在e2prom存儲(chǔ)器內(nèi)。在完成非線性補(bǔ)償任務(wù)后將其測(cè)量數(shù)據(jù)通過LED數(shù)碼顯示窗進(jìn)行顯示，同時(shí)通過繼電器觸點(diǎn)輸出方式輸岀報(bào)警控制信號(hào)；通過D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)線性信號(hào)輸岀同時(shí)也可通過單片機(jī)內(nèi)的通訊接口電路將測(cè)量數(shù)據(jù)以數(shù)字信號(hào)方式送至上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行監(jiān)控。

2、干擾源的產(chǎn)生
在實(shí)際使用工況中，被測(cè)量參數(shù)往往是微弱的電信號(hào)，通過導(dǎo)線從測(cè)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)距離引至控制室的儀表盤上，由于各種不同場(chǎng)合存在著大量的干擾信號(hào)(像強(qiáng)交變電磁場(chǎng)、電場(chǎng)、強(qiáng)射頻輻射、動(dòng)力電源等)，使得電氣干擾信號(hào)從數(shù)顯儀表的信號(hào)輸入端、電源輸入端上，給儀表測(cè)量帶來影響。

①電磁感應(yīng)
在大容量變壓器、大容量交流電機(jī)、強(qiáng)電流電網(wǎng)、高頻感應(yīng)加熱設(shè)備、變頻器等周圍空間都存在強(qiáng)交變磁場(chǎng)，當(dāng)控制系統(tǒng)線路形成的閉環(huán)回路處在這種交變磁場(chǎng)中將被感應(yīng)出電勢(shì)，使被測(cè)信號(hào)與數(shù)顯儀表之間連接的導(dǎo)線、儀表內(nèi)部連接的配線通過磁耦合在回路中產(chǎn)生干擾。這種電磁感應(yīng)電勢(shì)(距離越近，干擾越嚴(yán)重)與被測(cè)參數(shù)信號(hào)相疊加后進(jìn)入數(shù)顯儀表，造成儀表顯示值無法真正反映被測(cè)參數(shù)值而影響產(chǎn)品的質(zhì)量。

②靜電感應(yīng)
靜電感應(yīng)是兩電場(chǎng)相互作用的結(jié)果，在相對(duì)兩根導(dǎo)線中，如其一的電位發(fā)生變化，則由于導(dǎo)線間的電容變化使得另一導(dǎo)線的電位發(fā)生變化，干擾源以電容性的耦合在回路中形成干擾。

③群脈沖傳導(dǎo)干擾
一些脈沖狀的干擾電壓除能作用于模擬電路外，有時(shí)也能直接進(jìn)入數(shù)字電路中給予干擾，這些干擾源來自開關(guān)、電機(jī)、繼電器那樣的感性負(fù)載和產(chǎn)生放電的設(shè)備等。

④不等地電位引入的干擾
在大功率的用電設(shè)備附近，當(dāng)設(shè)備的絕緣性能較差時(shí)，不同電位的電位差的引入而形成干擾，在數(shù)顯儀表的使用中往往會(huì)有意無意地使輸入端存在兩個(gè)以上的連接點(diǎn)，這樣就會(huì)把不同接地點(diǎn)的電位差以共模干擾形式引入數(shù)顯儀表內(nèi)。這種干擾是同時(shí)出現(xiàn)在兩信號(hào)線上。

3、數(shù)顯儀表干擾的抑制
干擾問題的形成主要是因?yàn)橛懈蓴_源的存在，并通過一定的耦合渠道對(duì)數(shù)顯儀表產(chǎn)生影響。為減少這些影響，在數(shù)顯儀表設(shè)計(jì)過程就應(yīng)考慮對(duì)干擾的抑制問題，盡量提高數(shù)顯儀表的抗干擾能力。在實(shí)際應(yīng)用中，要找出其干擾源并結(jié)合施工過程導(dǎo)線的絞扭、屏蔽、接地、平衡、濾波、隔離的方法。切斷耦合通道以抑制干擾，減少被測(cè)參數(shù)的測(cè)量誤差。

①數(shù)顯儀表的抗干擾措施
根據(jù)國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)顯儀表產(chǎn)品應(yīng)滿足下表1、表2中各項(xiàng)性能指標(biāo)。
表1  GB/T 13639-2008工業(yè)過程測(cè)量和控制系統(tǒng)用模擬輸入數(shù)字式指示儀

a、信號(hào)輸入端
在信號(hào)輸入方面，由于被測(cè)參數(shù)提供的電信號(hào)均為微弱信號(hào)，傳導(dǎo)、輻射等干擾信號(hào)常耦合在信號(hào)傳輸導(dǎo)線上，在輸入電路部分應(yīng)設(shè)有n型LC和雙T型RC濾波電路，各級(jí)采用不同時(shí)間常數(shù)的濾波電路，以得到寬頻濾波之效果。

b、電源輸入端
電源輸入：由于傳導(dǎo)、輻射等干擾信號(hào)常耦合在電源供電導(dǎo)線上，所以在電源電路部分設(shè)置壓敏電阻或快速鉗位二極管、低通LC濾波器和雜訊濾波器，以有效切斷干擾信號(hào)的進(jìn)入。
表2  電磁兼容試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù)

注1：對(duì)接地端口的試驗(yàn)沒有單獨(dú)規(guī)定，因?yàn)樗鼈儼谙鄳?yīng)的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)中：專用的保護(hù)接地端口作為交流電源端口進(jìn)行試驗(yàn)；功能性接地作為I/O端口進(jìn)行試驗(yàn)。
注2：在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，設(shè)備不應(yīng)該出現(xiàn)危險(xiǎn)和不安全保密性的后果。按上表要求，儀表生產(chǎn)廠家在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)分5個(gè)方面來加以考慮。

c、信號(hào)輸出端
信號(hào)輸出：為防止繼電器動(dòng)作而產(chǎn)生的反電勢(shì)，在繼電器線圈兩端并接一二極管和RC吸收電路，同時(shí)設(shè)置光電隔離電路；模擬變送信號(hào)輸出和通訊接口電路均采用光電隔離電路以防止干擾信號(hào)的串入。

d、儀表內(nèi)部電路以及PCB板設(shè)計(jì)
在設(shè)計(jì)數(shù)顯儀表電路時(shí)，除設(shè)置上述措施外，在元器件選擇方面應(yīng)選擇抗干擾性能優(yōu)的元器件(特別是單片機(jī)芯片)，在E2PROM的電源端增設(shè)一穩(wěn)壓管、RC電路，以確保調(diào)校參數(shù)、控制參數(shù)不受干擾；在PCB板設(shè)計(jì)方面，應(yīng)盡量減少過孔、電源、信號(hào)線分區(qū)分布、數(shù)字地和模擬地分開獨(dú)立分布后在輸入端點(diǎn)匯合；避免走直拐角，應(yīng)走45°角或弧線；在PCB板四周設(shè)置網(wǎng)狀屏蔽并直接接地；在信號(hào)線間增加飛線并獨(dú)立接地以消除線間的耦合等措施，以確保輻射、傳導(dǎo)干擾不經(jīng)PCB板耦合而影響儀表的正常工作。

e、儀表軟件設(shè)計(jì)
在軟件設(shè)計(jì)方面，在對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集過程中，對(duì)其進(jìn)行數(shù)字濾波、中值濾波、加權(quán)濾波、工頻整形采樣等措施，以消除干擾信號(hào)帶來的測(cè)量數(shù)值誤差；使用定時(shí)中斷來監(jiān)視程序運(yùn)行；在非程序區(qū)設(shè)置攔截措施；調(diào)校參數(shù)、控制參數(shù)等重要參數(shù)采用雙備份、定時(shí)查詢措施；對(duì)未用的接口應(yīng)予以設(shè)置并定時(shí)刷新等抗干擾措施。

②現(xiàn)場(chǎng)安裝、施工的抗干擾措施
a、串模干擾的抑制措施
根據(jù)串模干擾是在數(shù)顯儀表的輸入端疊加到被測(cè)信號(hào)上的干擾信號(hào)之特點(diǎn)，串模干擾的產(chǎn)生可能在信號(hào)源上，也有可能是從引線上感應(yīng)或吸收而來的，所以一旦產(chǎn)生了串模干擾之后，它的有害作用往往不大容易消除，因此應(yīng)該首先防止它的產(chǎn)生。

◆信號(hào)線的絞扭
對(duì)于電磁感應(yīng)來說，盡量將導(dǎo)線遠(yuǎn)離強(qiáng)電設(shè)備及動(dòng)力網(wǎng)，調(diào)整走線方向及減小導(dǎo)線回路面積都是必要的，僅調(diào)整走線方向及兩信號(hào)線以短的節(jié)距絞合，干擾電壓就能降低為原來的1/10~1/100；對(duì)于靜電感應(yīng)來說，當(dāng)把兩信號(hào)線采用雙絞合的形式絞扭且使兩根信號(hào)線到干擾源的距離大 致相等時(shí)(常把導(dǎo)向絞成為直徑20倍的節(jié)距)，就能使信號(hào)回路所包圍的面積大為減小，使電場(chǎng)通過在兩信號(hào)線上的感應(yīng)耦合進(jìn)入回路的串模干擾電位差大為減少。

◆屏蔽
為了進(jìn)一步防止電場(chǎng)的干擾，信號(hào)線應(yīng)直接采用屏蔽電纜，當(dāng)數(shù)顯儀表內(nèi)部模擬放大器接地時(shí)，應(yīng)讓靠近檢測(cè)儀表的屏蔽線一端接地；當(dāng)儀表內(nèi)部模擬放大器不接地時(shí)，屏蔽層應(yīng)在靠近顯示儀表一側(cè)接地(該接地裝置應(yīng)有良好的接地效果，且接地電阻應(yīng)小于1Ω)，因非磁性屏蔽層對(duì)50Hz的磁場(chǎng)無效果，必要時(shí)可把信號(hào)線穿入鐵管中(鐵管應(yīng)有接地處理)，使信號(hào)得以磁屏蔽，而在靜電屏蔽后，能使感應(yīng)電勢(shì)減小到原來(未采取措施前)的1/100~1/1000。

◆信號(hào)線與電源線在沿電纜橋架敷設(shè)過程中，應(yīng)盡量使信號(hào)線與電源線分開敷設(shè)，在條件不許可情況下，應(yīng)采用隔板將電源線與信號(hào)線分隔開敷設(shè)，同時(shí)應(yīng)整齊梳理敷設(shè)，切忌絞合敷設(shè)布線；在條件允許情況下將導(dǎo)線的電流流向做反方向處理，以減弱相互產(chǎn)生的磁場(chǎng)干擾。不允許把信號(hào)線與動(dòng)力線平行敷設(shè)在一起。

◆儀表供電電源的取出應(yīng)避免與大容量用電設(shè)備、變頻器同用一配電柜，選擇設(shè)備負(fù)荷變化小、啟停次數(shù)不頻繁的供電電網(wǎng)上。

b、共模干擾的抑制措施
根據(jù)共模干擾是在儀器儀表端子與大地之間產(chǎn)生之特點(diǎn)，共模干擾的產(chǎn)生是指信號(hào)線上公有的干擾信號(hào)，一般是由于被測(cè)信號(hào)的接地端與控制系統(tǒng)的接地端存在一定的電位差所制，這種干擾在兩條信號(hào)線上的周期、幅值基本相等，采用上面的方法無法消除或抑制。

數(shù)顯儀表共模干擾的抑制方法
◆正確的接地方式
接地的意義就是為了得到一個(gè)等電位的點(diǎn)或面，它是電路或系統(tǒng)的一個(gè)基準(zhǔn)電位點(diǎn)或面，但不一定是大地的電位。但當(dāng)接地的方式處理不好或此地不干凈的情況下，將形成地回路把干擾信號(hào)引入儀器儀表。

為了提高數(shù)顯儀表抗干擾能力，通常數(shù)顯儀表中的數(shù)字地和模擬地與儀表外殼(大地)絕緣(即把儀表內(nèi)部的地做"浮地”處理)，以切斷共模干擾電壓的漏電途徑，使干擾無法進(jìn)入，在低電平測(cè)試中，信號(hào)線只應(yīng)有一點(diǎn)接地且信號(hào)線的屏蔽層也只須有一點(diǎn)接地，且接地端在靠近儀表一側(cè)效果較好，無論信號(hào)線和電源線等均需加以屏蔽，把接地和屏蔽正確地結(jié)合起來使用，往往能解決大部分的干擾問題。當(dāng)有一個(gè)接地電位，可有效切斷電位的泄漏電流，提高測(cè)量信號(hào)的抗干擾能力，這是測(cè)量系統(tǒng)常用的方法。

◆應(yīng)用平衡電路
一個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定程度取決于信號(hào)源、信號(hào)引線、負(fù)載的平衡以及其它雜散分布參數(shù)的平衡，為提高儀器儀表抗共模干擾能力，采用平衡措施可使兩線路上所轉(zhuǎn)換的電壓相等，以此來降低耦合到負(fù)載上的該部分共模電壓。

◆電源引入干擾的抑制
在儀器儀表內(nèi)部主要的干擾來自小功率變壓器產(chǎn)生的漏電流。為防止泄漏電流干擾，可將變壓器的初級(jí)繞組放在屏蔽層之內(nèi)，并將屏蔽層接地，此時(shí)變壓器初級(jí)繞組上的相電壓通過對(duì)屏蔽層分布電容，使漏電電流直接流入地，而不再流入放大器、測(cè)量電路和信號(hào)源中產(chǎn)生干擾，為防止電源變壓器引入干擾，采用3層屏蔽結(jié)構(gòu)即電源變壓器初級(jí)屏蔽層直接與儀表外殼接地，供電裝置的次級(jí)繞組與所有的屏蔽層相接，放大器電源的次級(jí)繞組屏蔽層與放大器地處于等電位狀態(tài)，由電源引起的脈沖狀干擾，對(duì)數(shù)字電路有較大影響，應(yīng)在電源電路上加裝高頻濾波器，濾波器應(yīng)裝在輸入和輸出引線都經(jīng)過穿心電容進(jìn)行濾波的鐵制屏蔽盒內(nèi)。

無論是為了抑制串模干擾還是抑制共模干擾，均應(yīng)注意做到：輸入線路應(yīng)盡量短；在配線方面應(yīng)盡量避免和強(qiáng)動(dòng)力線接近；注意信號(hào)間的阻抗匹配。總之干擾的分布參數(shù)是很復(fù)雜的，因此在抗干擾時(shí)，應(yīng)當(dāng)采用適當(dāng)?shù)拇胧?，既要考慮效果，又要考慮價(jià)格因素，還要因現(xiàn)場(chǎng)情況而定。采用的措施只要能解決問題就可以。