测控系统原理第7章习题解答

测控系统原理第7章习题解答
第7章习题解答
1、电路输⼊阻抗⾼，是否容易接收⾼频噪声⼲扰?为什么?
答：电路输⼊阻抗⾼，是容易接收⾼频噪声⼲扰。

因为电路所接收的⾼频噪声⼲扰的电压与噪声⼲扰的频率成正⽐，与电路的输⼊阻抗成正⽐。

2、接地⽅式有⼏种?各适⽤于什么情况?
答：接地⽅式有单点接地（串联单点接地和并联单点接地）和多点接地两种⽅式。

单点接地主要⽤于低频系统，不能⽤于⾼频信号系统。

因为这种接地系统中地线⼀般都⽐较长，在⾼频情况下，地线的等效电感和各个地线之间杂散电容耦合的影响是不容忽视的。

当地线的长度等于信号波长(光速与信号频率之⽐)的奇数倍时，地线呈现极⾼阻抗，变成⼀个发射天线，将对邻近电路产⽣严重的辐射⼲扰。

多点接地⽅式多⽤于⾼频系统。

多点接地不能⽤在低频系统中，因为各个电路的地电流流过地线汇流排的电阻会产⽣公共阻抗耦合噪声。

3、信号传输线屏蔽层接地点应怎样选择?
答：当放⼤器接地⽽信号源浮地时，屏蔽层的接地点应选在放⼤器的低输⼊端，此时出现在放⼤器输⼊端之间的噪声电压⼏乎为零。

当信号源接地⽽放⼤器浮地时，信号传输线的屏蔽应接到信号源的低端，此时出现在放⼤器输⼊端之间的噪声电压⼏乎为零。

4、何谓“接地环路”?它有什么危害?应怎样避免?
答：当信号源和系统地都接⼤地时，两者之间构成的环路称为接地环路，如下图所⽰, 通常信号源和系统之间的距离可达数⽶⾄数⼗⽶，由于⼤地电阻和地电流的影响，将
使这两个接地点之间存在电位差——地电压G V 。

由等效电路下图（b ）可见，地电压G V 在系统的两输⼊端将形成⼲扰电压N V ，⽽且N V ⼤⼩⼏乎接近G V ，因此其影响不可忽略。

为了避免形成接地环路产⽣⼲扰，应改为⼀点接地，并保持信号源与地隔离，如上图（a ）所⽰。

图中Rsg 为信号源对地的漏电阻，由等效电路上图（b ）可见，由于Rsg ⾮常⼤，地电压G V 在系统的两输⼊端将形成⼲扰电压N V 将远远⼩于G V ，⽐信号源接地时的⼲扰电压⼤有改善。

此外，也可采⽤隔离变压器、纵向扼流圈、光电耦合器来切断接地环路。

5、屏蔽有哪⼏种类型?屏蔽结构有哪⼏种形式?
答：屏蔽有三种类型：静电屏蔽、电磁屏蔽、磁屏蔽。

静电屏蔽是，⽤⼀个⾦属屏蔽盒罩住被⼲扰的电路（或⼲扰源），且将⾦属盒接地，以消除外部的静电⼲扰（或抑制⼲扰源对外部的⼲扰）。

电磁屏蔽是，⽤低内阻的⾦属材料制成屏蔽罩罩住被⼲扰的电路，外部⾼频电磁场在导电性能良好的⾦属屏蔽罩内产⽣涡电流，该涡电流产⽣的反磁场可抵消⾼频⼲扰磁场，从⽽达到电磁屏蔽的⽬的。

磁屏蔽是，⽤⾼导磁材料(例如玻莫合⾦)制成屏蔽罩，使低频磁场⼲扰的磁⼒线⼤部分在屏蔽罩内构成回路，泄漏到屏蔽罩外的⼲扰磁通就很少，从⽽达到抑制低频磁场⼲扰的⽬的。

屏蔽结构形式主要有屏蔽罩、屏蔽栅⽹、屏蔽铜箔、隔离仓和导电涂料等。

6、为什么长线传输⼤都采⽤双绞线传输?
答：在远距离信号传输的情况下，如果采取单线传输单端对地输⼊的⽅式，那么传输线上的感应⼲扰电压Un 和地电压Um 都会与被测信号Us 相串联，形成差模⼲扰。

为了避免这种后果，通常远距离信号传输采取双线传输双端差动输⼊的⽅式，⽽且为了实现双线平衡传输，通常采⽤双绞线。

由于双线绞合较紧，各⽅⾯处于基本相同的条件，因此有很好的平衡特性。

⽽且双绞线对电感耦合噪声有很好的抑制作⽤。

7、为什么光电耦合器具有很强的抗⼲扰能⼒?采⽤光电耦合器时，输⼊和输出部分能否共⽤电源?为什么?
答：光耦合器由⼀只发光⼆极管和⼀只光电晶体管装在同⼀密封管壳内构成。

发光⼆极管把电信号转换为光信号，光电晶体管把光信号再转换为电信号，这种“电—光—电”转换在完全密封条件下进⾏，不会受到外界光的影响。

由于信号传递是靠光传递，切断了两个电路之间电的联系，因此两电路之间的地电位差就再不会形成⼲扰了。

光电耦合器的数字电路光耦合器的输⼊阻抗很低，⼀般在100Ω～1000Ω之间，⽽⼲扰源的内阻⼀般很⼤，通常为6
510~10Ω。

根据分压原理可知，这时能馈送到光电耦合器输⼊端的噪声⾃然很⼩。

即使有时⼲扰电压的幅度较⼤，但所能提供的能量很⼩，只能形成微弱的电流。

⽽光耦合器的发光⼆极管只有通过⼀定强度的电流才能发光，光电晶体管也只在⼀定光强下才能⼯作，因此，即使电压幅值很⾼的⼲扰，由于没有⾜够的能量⽽不能使⼆极管发光，从⽽被抑制掉。

光耦合器的输⼊端与输出端的寄⽣电容极⼩，⼀般仅为0.5～2PF ，⽽绝缘电阻⼜⾮常⼤，通常为131110~10Ω，因此光耦合器⼀边的各种⼲扰噪声都很难通过光耦合器馈送到另⼀边去。

8、什么叫“共地”?什么叫“浮地”?各有何优缺点?
答：如果系统地与⼤地绝缘，则该系统称为浮地系统。

浮地系统的系统地不⼀定是零电位。

如果把系统地与⼤地相连，则该系统称为共地系统，共地系统的系统地与⼤地电位相同。

这⾥所说的“⼤地”就是指地球。

常⽤的⼯业电⼦控制装置宜采⽤共地系统，它有利于信号线的屏蔽处理，机壳接地可以免除操作⼈员的触电危险。

浮地的优点是明显地加⼤系统的信号放⼤器公共线与地(或外壳)之间的阻抗，阻断⼲扰电流的通路，减少了共模⼲扰电流。

缺点是设备不与⼤地连接，容易出现静电积累现象，增加操作⼈员的触电危险。

9、何谓“共模⼲扰”?何谓“差模⼲扰”?应如何克服?
答：“共模⼲扰”是相对于公共的电位基准点，在系统的接收电路的两个输⼊端上同时出现的⼲扰。

“差模⼲扰”是指能够使接收电路的⼀个输⼊端相对于另⼀输⼊端产⽣电位差的⼲扰。

由于这种⼲扰通常与输⼊信号串联，因此也称之为“串模⼲扰”。

在电路两个输⼊端对地之间出现的共模噪声电压cm U ，将在输出端形成与输出信号电压os U 存在的形式相同的电压on U ，其值为 CMRR
K U K U U d cm c cm on ?=?= 由上式可见，要抑制共模⼲扰，必须从两⽅⾯着⼿，⼀⽅⾯要设法减少共模电压cm U ，另⼀⽅⾯要设法减少共模增益Kc 或提⾼共模抑制⽐CMRR 。

主要技术有：接地技术、屏蔽技术、隔离技术、浮置技术、浮动电容切换法等。

抑制差模⼲扰的主要技术有：频率滤波法、积分法、电平鉴别法、脉宽鉴别法等。

10、如何抑制来⾃电源与电⽹的⼲扰?
答：采⽤电源滤波和退耦技术、采⽤不间断电源和开关式直流稳压电源、系统分别供电和采⽤电源模块单独供电、供电系统馈线要合理布线。

11、在印制电路板上⽤地线隔开输⼊与输出线能抑制⼲扰吗?为什么?
答：能。

由于输出线平⾏于输⼊线，存在寄⽣电容，将引起寄⽣耦合。

输⼊线和输出线⽤地线隔开后，起到屏蔽作⽤，消除了寄⽣电容和寄⽣反馈，因此这种布线形式能抑制⼲扰。

12、何谓软件抗⼲扰技术?它包括哪些⽅法?
答：软件抗⼲扰技术是采样软件的⽅法消除信号受到的⼲扰或（和）在系统受⼲扰后使系统恢复正常运⾏。

软件抗⼲扰技术包括两⽅⾯主要内容，其⼀是采取软件的⽅法抑制叠加在模拟输⼊信号上噪声对数据采集结果的影响，如数字滤波器技术；其⼆是由于⼲扰⽽使运⾏程序发⽣混乱，导致程序乱飞或陷⼊死循环时，采取使程序纳⼊正规的措施，如软件冗余、软件陷阱、“看门狗”技术。

这些⽅法可以⽤软件实现，也可以采⽤软件硬件相结合的⽅法实现。

14、何谓“指令冗余”？何谓“软件陷阱”?
答：为了使“乱飞”程序在程序区迅速纳⼊正轨，应该多⽤单字节指令，并在关键地⽅⼈为地插⼊⼀些单字节指令NOP ，或将有效单字节指令重写，称之为“指令冗余”。

“软件陷阱”就是⽤引导指令强⾏将捕获到的乱飞程序引向复位⼊⼝地址0000H ，在此处将程序转向专门对程序出错进⾏处理的程序，使程序纳⼊正轨。

15、何谓“看门狗”技术?有哪些实现⽅法?
答：PC受到⼲扰⽽失控，引起程序乱飞，也可能使程序陷⼊“死循环”。

为使失控的程序摆脱“死循环”的困境，通常采⽤“看门狗”技术(Watchdog)。

“看门狗”技术(Watchdog)实质上是程序监视技术。

测控系统的应⽤程序往往采⽤循环运⾏⽅式，每⼀次循环的时间基本固定。

“看门狗”技术就是不断监视程序循环运⾏时间，若发现时间超过已知的循环设定时间，则认为系统陷⼊了“死循环”，然后强迫程序返回到0000H⼊⼝，在0000H处安排⼀段出错处理程序，使系统运⾏纳⼊正规。

“看门狗”技术既可由硬件实现，也可由软件实现，还可由两者结合来实现。