传感器接口电路的抗干扰技术及其应用

第3 期
张文娜等：传感器接口电路的抗干扰技术及其应用
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c . 长线信号的地线干扰。信号线越长，则信号地线也越 长，即地线电阻较大，形成较大的电位差。
在屏蔽层流通造成干扰，同时还可以避免屏蔽层与地形成环 路，防止磁场干扰。但应选择适当的接地点，当浮地信号源与
Key words ：i nterf ace circuit sensors ；anti -i nterf erence techni Cue ；groundi ng ；filteri ng ；testi ng syste m
1 引言
传感器技术与通讯技术、计算机技术并列为现代信息技术 的三大基础，分别构成信息技术系统的“感官”、“神经”和 “大脑”。传感器在测试或控制系统中处于首位，对传感器获取 的信号能否进行准确地提取、处理是衡量一个系统可靠性的关 键因素。
（4 ）来自空间电磁辐射的干扰：这种干扰一般不太严重， 接地放大器连接时，电缆屏蔽层接至放大器公共端；若放大器 只要与干扰源保持一定距离或采取适当的屏蔽措施（如加屏蔽 输入端浮地，信号源接地，电缆屏蔽层应接至信号源公共端。
罩、屏蔽线），基本上可以解决。
! 常见的抗干扰措施
3. 4 双绞线传输技术 对于传感器与测量装置距离较远的情况，通常使用双绞线
用到同一个电路上，在实际运用中，应根据具体情况而定。一 般说来，传感 器 的 输 出 信 号 越 小，对 抗 干 扰 措 施 的 要 求 越 严
仪表与传感器
计 算 机 自 动 测 量 与 控 制 . 2 0 0 1 . 9（3 ）
Computer automated measure ment & Control
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文章编号：1007 -0257（2001 ）03 -0060 -03
在系统设计初期，没有考虑抗干扰措施，发现存在两个较 大的问题：
（1 ）对某值 !1 进行测试时，发现电压传感器1 的输出值 为 3. 9 V，而 在 信 号 调理电路的输入端只 有3. 83 V，到了 A／D 转换电路输入端则只 有3. 81 V 了。测3 个 地之间的电势，发现 电压差值是由于3 个 图6 电力系统状态监测系统原理框图
关键词：传感器接口电路；抗干扰技术；接地；滤波；测试系统
St udy of anti -Interference i n Interf ace of Sensors
Z~ANG Wen- na ，YE xi ang- bi n
（I nstit ute of mechatronics Engi neeri ng and Automatizati on ，Nati onal Uni versit y of def ence Technology ，Changsha 410073 ，Chi na ）
（1 ）静电屏蔽：防止静电耦合干扰，常选用低电阻材料做 屏蔽盒。在实 际 布 线 时，如 果 在 两 导 线 之 间 敷 设 一 条 接 地 导 线，则它们之间的静电耦合将明显减弱；
（2 ）电磁屏蔽：利用涡电流产生的反磁场来抵消高频电磁 场的干扰，为兼顾静电屏蔽的作用，屏蔽罩应接地；
（3 ）磁屏蔽：利用高导磁材料制成屏蔽罩，防止低频磁通 干扰。具体实施时，要根据干扰频率的大小来选择屏蔽种类和 屏蔽罩的几何尺寸、壁厚。 3. 3 接地技术
对长线传输还应注意负载阻抗与双绞线特性阻抗之间的匹 配，以免产生传输反射，使信号失真。 3. 5 隔离技术
在接口电路中，如出现两点以上接地时，可能引入共阻耦 合干扰和地环路电流干扰。抑制这类干扰的方法是采用隔离技 术。通常有电磁隔离和光电隔离两种。
（1 ）电磁隔离：利用隔离变压器来切断环流，如图4 所 示。电路1 输出信号经过变压器耦合到电路2 ，从而地环路则 被切断，两电路各自有各自的地电位基准，它们互相独立而不 会造成干 扰。采 用 隔 离 变 压 器 后，两 电 路 间 电 的 联 系 被 隔 断 了，信号是通过耦合形式进行传递的。
地环路。
" 应用举例
图6 是某电力系统电压状态监测系统电路原理框图。该系 统硬件包含若干磁补偿式电压、电流传感器，它们可以在被测 电路与测试系统之间实现物理上的隔离，用于拾取强电压、强 电流信号，并将其转换为标准电压信号输出。经过信号调理， A／D 转换，送至计算机处理。其中 GND1 、GND2 、GND3 分 别是电压传感器输出、信号调理电路和 A／D 转换电路的地。
中图分类号：TN973. 3
文献标识码：B
传感器接口电路的抗干扰技术及其应用
张文娜，叶湘滨
（国防科技大学机电工程与自动化学院，湖南 长沙 410073 ）
摘要：分析了传感器接口电路常见的干扰及其影响，并讨论了滤波、屏蔽、接地、双绞线传输、隔离等抗干扰技术。最后以一个强
电测试系统为实例，具体阐述了传感器接口电路抗干扰技术在测试系统中的重要作用。
2 传感器接口电路常见的干扰
形成干扰的三要素，即干扰源、耦合通道、受感器。三要 素之间的联系如图1 所示。
干扰源 " 耦合通道 " 受感器
图1 干扰三要素
干扰源是客观存在的，要有效地抑制干扰，首先要找到干
收稿日期：2000- 12- 06 。 作者简介：张文娜（1976 - ），女，河南省信阳市人，硕士，主要从事自 动控制、电子测试、现代传感器领域等方向的研究。
所谓接地就是将某点与一个等电位点或等电位面之间用低
中一条是信号线，另一条是地线，如图3 所示。双绞线能有效 地抑制空间电磁干扰、线间串扰和信号地线干扰。因为空间电 磁场在每个绞环内产生的感应电动势是相同的，但对每一条线 来说，感应电动势可相互抵消，因此，不会对传输的信号产生 影响。其次，信号电流在两条线上大小相等、方向相反，所以 双绞线对其他信号线的互感为零，抑制了串扰。
电阻导体连接起来，构成一共基准电位。正确接地的目的在于
消除公共地线阻抗所产生的共阻抗耦合干扰，并避免受磁场和
电位差的影响，即不使其形成地电流环路。
接地的一般原则是：
（1 ）一点接地与多点接地：频率低于1 MHZ 时采用一点接 地方式，如 图 2 （a ）所 示（A1 、A2 和 A3 为 需 要 接 地 的 电 路）；高于1U MHZ 时应采用多点接地，如图2 （b ）所示。在1 !1U MHZ 之间，如采用一点接地，其地线长度不得超过波长 的1／2U 。
abstract ：This paper anal yses usual i nterf erence and its eff ects ，and discusses anti -i nterf erence techni Cues such as filteri ng ， shiel di ng ，groundi ng ，trans mitti ng i n t wisted -pair and isolati ng . At last ，an act ual testi ng syste mis ill ustrated ，i n which some anti -i nterf erence techni Cues are applied to i mprove t he testi ng accuracy .
传感器是把规定的被测量转换成可用输出信号的器件，一 般由敏感元件、传感元件和其它辅助件组成，后续接口电路主 要指信号调节和转换电路，即能把传感元件输出的电信号转换 为便于显示、记录、处理和控制的有用电信号的电路。因为传 感器的输出一般都是小信号，所以凡是传感器接口电路都存在 小信号处理问题。而干扰是普遍存在的，它常出现在传感器接 口及信号传输线上，与这些有用的小信号混叠在一起，从而使 信号产生失真，影响测量结果的准确性。因此，研究传感器接 口电路中常见的干扰，并采取适当的抑制干扰措施，是设计、 生产和使用测试系统的重要课题之一。
进行信号的传输。即每个信号都采用两条互绞线进行传输，其
3. 1 电源滤波技术 抑制电网干扰的主要措施是进行电源滤波。可以对电源变
压器采用双层屏蔽措施：在初、次级线圈之间加一个金属屏蔽 层，并将屏蔽层接机壳地，可减小分布电容值，从而有效抑制 高频干扰信号通过电源变压器进入次级。 3. 2 屏蔽技术
利用导电体或导磁体做成外壳，对易受干扰的部分进行屏 蔽，以达到阻断或抑制各种场干扰的目的。主要有三类屏蔽：
流通过，这些 强 地 线 与 信 号 地 应 分 开 设 置，同 时 强 地 线 应 粗
些。在传感器接口电路中，通常有三种性质的地线，即信号地
线、金属件地线和驱动电路地线，这三种地线应分开布线，并
通过一点接地。
（3 ）电缆屏蔽层的接地：当放大器与传感器距离较远时， 信号传输线都要采用屏蔽线，并
且屏 蔽 层 应 接 地，以 防 止 外 界
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计算机自动测量与控制
第9 卷
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地之间存在电势差；
试系统可靠地工作是十分必要的，但并非每种抗干扰措施都要
（2 ）被测信号中谐波成分较大，无输入 ! 时也有较大的 干扰成分。
扰发源地，防患于源处。而传感器一般用于工业现场，干扰有 时是不可避免的，不可能为了测量电路的可靠运行而去清除干 扰源，这是不现实的。这时只能是适应环境，削弱通道对干扰 的敏感性和提高受感器的抗干扰能力。抗干扰技术主要是从干 扰进入传感器接口电路的通道上采取抑制措施。根据干扰传播 通道，干扰主要有：
（1 ）来自电网的干扰：大多数电子电路的直流电源都是由 电网交流电源经滤波、稳压后提供的。如果电源系统没有经过 净化，会对测试系统产生干扰。同时，在传感器测试系统附近 的大型交流电力设备的启停将产生频率很高的浪涌电压叠加在 50 ~z 的电网电压上。此外，雷电感应亦在电网上产生幅值很 高的高频浪涌电压。如果这些干扰信号沿着交流电源线进入传 感器接口电路内部，将会干扰其正常工作，影响系统的测试精 度。
（2 ）各种地线连 接原 则：数 字 信 号 比
较强，而 且 都 是 一 些
高低 电 平 的 跳 变，所
以数 字 地 上 有 很 大 的
a . 一点接地
b . 多点接地 噪声 和 电 流 尖 峰。模
图2 接地方式
拟信 号 较 弱，为 避 免
两者 之 间 的 共 阻 抗 耦
合干扰，两者应分别设置。负载地线和交流地线上都有很大电
（2 ）来自地线的干扰：存在于传感器接口电路内。传感器 接口各电路往往共用一个直流电源或者虽然不共用一个电源， 但不同电源之间往往共一个地，因此，当各部分电路的电流均 流过公共地电阻（地线导体电阻）时便会产生电压降，此电压 降便成为各部分之间相互影响的噪声干扰信号。同时，在远距 离测 量 中，传 感 器 和 检 测 仪 表 在 两 处 分 别 接 地，于 是 在 两 “地”之间就存在较大的接地电位差，在仪表的输入端易形成 共模干扰电压。
图3 双绞线传输信号
干 扰，频 率 低 于 1 MHZ 时，屏 蔽层 应 一 端 接 地，以 防 止 电 流
图4 变压器隔离
图5 光电隔离
（2 ）光电隔离：通过光电耦合器切断两个电路间的联系， 信号是通过光路进行传递的，如图5 所示。发光二极管的发光 强度随电路1 的输出电流大小而变化，光强的变化使光电晶体 管电流变化，从而将电路信号传到电路2 。但是光地点器件的 发光管和晶体管之间无导线连接，因此它既传输信号又截断了
（3 ）来自信号通道的干扰：通常传感器设在生产现场，而 显示、记录等测量装置安装在离现场有一定距离的控制室内， 这样需要很长的信号传输线，信号在传输的过程中很容易受到 干扰，导致所传输的信号发生畸变或失真。
长线信号传输所遇到的干扰有： a . 周围空间电磁场对长线的电磁感应干扰； b . 信号线间的串扰。当强信号线（或信号变化速度很快 的线）与弱信号线靠得很近时，通过线间分布电容和互感产生 线间干扰；