干扰则可以很好地通过使用硬件抗干扰措施解决

控制仪表主要用于工业生产过程中，而工业现场的环境往往比较恶劣，存在着严重的干扰。这些干扰混杂在信号里，会降低仪器的有效分辨能力和灵敏度，影响测量结果，可能导致系统工作紊乱，有的甚至会严重损坏仪表的器件或程序。但是干扰是不可避免的。为了保证仪表能在实际应用中可靠地工作，必须提高智能仪表的抗干扰能力，这是智能仪表设计中必须考虑的问题。

干扰信号的来源很多，性质也不一样。干扰窜入仪表内部的途径主要有三个，即电磁感应、传输通道、电源线。干扰存在的三个要素是存在干扰源、耦合通道、有对干扰敏感的接收电路。要有效抑制干扰，必须分析干扰的来源、性质、传播途径、耦合方式、进入电路的形式以及接收干扰的电路等。归纳起来，形成干扰的原因，主要有干扰源、干扰途径和干扰对象三方面的因素。抑制干扰的方法必须从形成干扰的三要素出发，在干扰源、耦合通道和干扰接收电路方面采取有效措施，即消除或抑制干扰源；破坏干扰引进的途径；削弱干扰接收对象对干扰的敏感性。对于不同的干扰，采用的抑制方法也不同。对于电磁感应干扰可以采用良好的屏蔽和正确的接地来解决。在仪器仪表系统中，抑制干扰的基本措施有屏蔽、接地、浮空、隔离、滤波等。下面将介绍在传输通道存在的串模干扰、共模干扰和电磁干扰的抑制方法。

1.隔离

在现场环境中，弱电或低电平的测量信号电路常常会串入或感应产生较强电压。如用热电偶测量温度，信号是“毫伏”级，而周围环境存在的380V、440V甚至6000V交流电压，它们可能感应或直接串入测量电路，产生数十伏甚至数百伏的感应电压，如不隔离，这些强电进入测量电路势必会损（烧）坏仪表芯片。目前常用的隔离方法是变压器隔离和光电隔离。在DCS中大多采用光电隔离，光电隔离的能力可达1500V交流峰峰值或DC1500V。

（1）变压器隔离

变压器的特点是一次侧和二次侧之间有较好的绝缘性能，一、二次侧的两个绕组在电路上互相隔离，使交流信号可以经过磁的交连进行传递。利用这一特点变压器能够使有用的交流信号在一、二次侧间通过，而把有害的共模干扰信号所形成的地环电流隔断。

变压器只能传送交流信号，如果有用信号是直流形态，就必须先把它转换成交流，经过变压器后再把它恢复成直流，如图2-3-5所示。变压器隔离办法在数字控制仪表中也有较多应用，它对于重复接地引起的共模干扰和信号混乱，有明显的抑制作用。如果在变压器的一次侧和二次侧之间，增添接地的金属屏蔽层，效果将更好。

（2）光电隔离

对数字信号、频率调制或脉宽调制信号，可以用比较简单的隔离办法，即采用光电器件隔离。图2-3-6所示光电隔离为光敏晶体管型光偶合器。

图2-3-5 变压器隔离示意图

光偶合器是由发光二极管和光敏晶体管封装在一起构成的。由于发光二极管的亮度和所通过的电流并不是直线关系，光敏晶体管的输出电流和被照射的光强也不是正比关系，所以一般不宜用来传递模拟信号。虽然专门用于直接传递模拟信号的光偶合器也已研制成功，但价格要贵得多。通常把光偶合器用在脉冲信号传递上，或者按图2-3-6所示，把直流信号经过电压/频率（U/f）变换，控制发光二极管的亮灭频率，通过偶合器传递到数字电路中去。

图2-3-6 光电隔离作用

光偶合器的两侧完全没有电的联系，是靠光传递信息的，所以共模干扰将被阻挡在一侧，无法通过。这一性质和变压器耦合相似，但是光偶合器更小巧紧凑，而且适用于很宽的频率范围，它也不受磁场影响。变压器的信息传递方向可以对换，因此可以任意设计。必须指出，无论是变压器隔离或光电隔离，被隔开的两电路不允许有任何电的联系，不然就前功尽弃了。但通常两电路总是需要电源的，电源又往往由同一个变压器供给，这时就必须分别使用两个独立的二次绕组和两套整流稳压系统分别向被隔离的两个电路供电。

图2-3-7 隔离放大器示意图

（3）隔离放大器

隔离放大器是带隔离的放大器，其输入电路、输出电路和电源之间没有直接的电路耦合，信号的传递和电源的传递均通过变压器或光偶合器（多用变压器耦合，因光偶合器线性度较差）实现。隔离放大器不仅具有通用运算放大器的性能，而且输入公共地与输出公共地之间具有良好的绝缘性能。隔离放大器示意图如图2-3-7所示。

普通的差动放大器和测量放大器，虽然也能抑制共模干扰，但却不允许共模电压高于放大器的电源电压。而隔离放大器不仅有很强的共模抑制能力，而且能承受上千伏的高共模电压。因此，隔离放大器一般用于信号电路具有很高（数百伏甚至数千伏）的共模电压的情况下，且要求仍然正常工作、安全使用的场合。

2.中和变压器

中和变压器是在同一铁心或磁心上绕两个匝数相等、尺寸相同的线圈构成的，其功用不是变压而是感抗，其构成如图2-3-8所示。

图2-3-8 中和变压器示意图

由于中和变压器对低频信号电流阻抗很小，对纵向的噪声电流却呈现很高的阻抗。因此，这种做法特别适应于超低频。在两根导线上流过的信号电流（实线）方向相反、大小相等。而流经两根导线的噪声电流（虚线）则方向相同、大小相等。这种噪声电流叫纵向电流，也叫交流共模电流。

在图2-3-8中，电路1和电路2之间如因多点接地而出现共模干扰电压U，它将沿图中虚线方向形成环流，这个环流在中和变压器的两个绕组里都是按相同的方向流过，即都从有黑点的一端流入，从另一端流出，相当于流过一个大感抗元件，所以电流很小。但是，有用信号是沿图中实线箭头方向流动，在其中一个绕组里从有点（同名端）的一端流入，在另一个绕组里却从无点的一端流入，方向相反，而变压器的匝数相等，所以对有用的直流信号而言，这里不存在感抗，相当于纯电阻作用，而且其电阻也很小，因此压降就很小，这样就起了抑制共模交流干扰的作用，但中和变压器对直流共模干扰无抑制作用。

3.浮空

浮空也是抑制共模干扰的有效方法。把信号导线和仪表电路完全用绝缘材料架空起来，不使它们和接地的金属外壳相碰，这就叫做浮空，如图2-3-9所示。图中，U_r为有用信号源；R为有用信号源内阻；U_n为干扰源（共模电压）。

一个完全浮空的电路，即使存在共模电压，也无法形成电流。无论两根输入导线对地阻抗是否对称，都不会把共模干扰转化为串模干扰，而纯共模信号是不会妨碍仪表正常工作的（在一定限度内），这是从防止转化方面采取的抗干扰措施。

图2-3-9 浮空电路示意图

有时传感器或敏感元件无法对地绝缘，例如图2-3-4a的情况。但只要电路的其他地方没有第二个接地点，而且对地绝缘良好，这个电路就是浮空的，对共模电压来说，它就是死胡同。但是它不妨碍有用信号的传递，因为有用信号是在两个输入端子之间，是横向的。

从本质上看，浮空和变压器隔离、光电隔离的出发点是一样的，都是设法切断共模信号的通路。对于无源电路（如与热电偶配合的动圈仪表），只要把测量电路架空起来，不和接地导体接触，就实现了浮空。但是像放大器这样的有源电路就比较麻烦，它必须有电源，电源往往来自电网，电网又是接地的。解决的办法是用变压器隔离，使为放大器供电的二次绕组浮空。当仪表用直流供电时，如果直流电源的一端（通常是负极）接地，也不能直接使用，直流电压必须经过调制，经变压器隔离之后再解调，然后供给浮空的电路。

仪表或放大电路除了就地显示之外，如果还要把信号传到远方的其他仪表或计算机里去，也必须采用变压器或光电隔离器件，信号不能直接由导线引出，以免破坏浮空。

由此可见，浮空的电路除了接有用信号源的一端允许接地之外（见图2-3-4a），别处绝不可再有接地点。虽然电子电路中常有被称为“地线”的公共点，但它绝不能和外壳相连，必要时只能引到信号源一端的接地点上去，而不能就近设置另外的接地点，不然就失去了浮空的意义。(www.xing528.com)

当然，严格地说即使做到上述要求，电路与外壳之间仍然存在着漏电阻和分布电容，对地阻抗也不可能是无穷大的。但浮空后电路的对地阻抗肯定比有地线时大得多，一定能显著削弱共模电流，对抑制共模干扰向串模干扰的转化会起极大的积极作用。

4.屏蔽

屏蔽分为磁场屏蔽和电场屏蔽两种措施。磁场屏蔽用高磁导率的材料制造，它能使干扰磁通旁路，从而避免干扰与被保护的电路交连。而且交变的干扰磁通会在导电屏蔽层内形成涡流，涡流效应又会削弱外界磁场的强度。铁和铍莫合金之类材料制成的屏蔽层，两种作用都有，可使干扰磁场对电路失去影响。在电源变压器附近的弱电信号电路应避免磁场干扰，可用铁和铍莫合金板遮挡起来。仪表的外壳虽然是铁板制成的，但为了防止外界磁场的影响，常在表内附加一层磁屏蔽。

5.信号导线的抗干扰

控制装置与仪表的电信号都是低电压小电流，从导线电负荷上考虑，并不需要很大的截面积。但因工业控制信号线传送的距离较远、环境恶劣，为使信号线电阻较小，并有足够机械强度，通常都选用截面积不小于1mm²的多股导线。多股导线的好处是柔软易弯曲。根据抗干扰的要求，可以用双绞线、平行线、屏蔽线或同轴电缆。

双绞线与不绞合的平行线相比，在同样条件下前者的磁场干扰信号只是后者的1/10。但有屏蔽层的导线对于磁场干扰来说并无减弱作用，这是因为一般屏蔽层为铜丝编织而成，对磁场干扰的防止全然无效，它是专为预防电场干扰制造的，对于磁场干扰必须用铁管屏蔽。穿在铁管中的导线，由于铁管的接地已兼有电场屏蔽的作用，故管内无须再用屏蔽导线。

从减小干扰的角度考虑，最根本的措施是信号线远离动力线。万一它们不可避免地在同一条电缆沟内敷设，要分别沿沟的两侧走线，或分上下两层布置，并在两者之间加接地金属板，以资屏蔽。无屏蔽时，两类导线之间的距离不可小于15cm，最好相距60cm以上。如导线在管中穿过，绝对不允许将信号线和动力线穿在同一管里。

6.滤波

滤波是抑制串模干扰或抑制由共模干扰转化成的串模交流信号的有效手段。在前述各种抗干扰措施之下，如果仍有残余交流干扰信号，则可依靠滤波的办法予以消除。

滤波电路有两类，即单纯用RC电路构成的无源滤波器和采用运算放大器的有源滤波器，按频率特性又可分为低通、高通、带通及带阻滤波器。在带有微处理机的控制仪表中，一般利用软件编程实现滤波。

图2-3-10 无源滤波示意图

下面以一个简单的RC电路阐述滤波原理，用RC电路构成的“L”形无源滤波器如图2-3-10所示。在仪表输入端加入滤波器，主要考虑对常见的50Hz工频干扰的抑制。根据电路的分压公式：

其中φ=tg^-1ω/ω₀

ω₀=1/RC

当ω/ω₀=10时，输出为输入的1/10，为了提高滤波效果，不外乎增大RC的乘积，但C增大，会使电容器的体积增大，如果增大R值，对有效信号的衰减也增大了，降低了仪表的灵敏度。为了使仪表的灵敏度不致因采用RC滤波器而下降太多，就要求放大器具有较高的输入阻抗和放大倍数。同时，随着时间常数RC的增加，对仪表的快速性带来了不利影响，但却增加了仪表的稳定性。

7.隔离器件

要使信号完整传送，理想化的情况是所有设备、仪表中的信号有一个共同的参考点，也即共有一个“地”。所有设备、仪表的信号的参考点之间电位为“零”。但是在实际环境中，做到这一点几乎是不可能的。因为这里面除了各个设备、仪表“地”之间连线电阻产生的电压降之外，尚有各种设备、仪表在不同环境受到干扰不同等诸多因素，致使各个“地”之间有差别，如图2-3-11所示。

图2-3-11中标明有两个现场设备仪表向PLC传送信号以及PLC向两台现场设备仪表发出信号。假定传送的均为DC 0～10V信号。理想情况，PLC及两个现场设备“地”电位完全相等。传送过程中又没有干扰，这样从PLC输入来看，接收正确。但正如前所述，两个现场设备通常有“地”电位差，举例来讲，1#设备“地”与PLC“地”同电位，2#设备比它们的“地”电位高0.1V，这样1#设备给PLC的信号为0～10V，而2#设备给PLC的为0.1～10.1V，误差就产生了，同时1#、2#设备的“地”线在PLC汇合连接。将0.1V电压施加在PLC地线上，有可能损坏PLC局部“地”线，同时可显示错误数据，由此引起的问题在现场调试中屡有出现。

图2-3-11 PLC外接仪表示意图

隔离器具有使输入/输出在电气上完全隔离的特点。即输入/输出之间没有共同“地”，外来信号不管是0～10V，或带着+10V干扰的10～20V，经隔离后均为0～10V，也即隔离后新建立的PLC“地”与外部设备、仪表“地”没关系。正是由于这个原因，也实现输入到PLC主机的多个外接设备仪表信号之间隔离，也即它们之间没有“地”的关系。

有时现场仪表在配套时，可能产生如下情况，接收信号设备（例如接收4～20mA）接口连接为两线制方式，也即接收口为一个24V电源与一个250Ω相串联。接口两根线：一个为24V正极，一个为250Ω一端，适于连接现场两线制变送器。假如现场设备为四线制变送器，输出4～20mA电流信号。这样进行直接连接将造成电源冲突。解决方法是采用隔离器将现场来的4～20mA电流信号接收并隔离，在隔离器的输出部分接入一个标准的两线制变送器，以应对接收设备的接口，如图2-3-12所示。

隔离器要保证输入/输出两个部分隔离，外加工作电源24V在为输入、输出部分供电同时，必须确保在电气上与两个部分隔离。这种输入/输出/外加工作电源之间全部相互隔离的器件常称为三隔离或全隔离器件。从理论上讲这种供电方式，不管隔离器数量多少，均可用一台24V电源供电，不会产生干扰。

图2-3-12 解决电源冲突的方案

如果处理4～20mA到4～20mA电流信号的隔离，可以使用一种不用另外再加电源的隔离器，如图2-3-13所示。电流隔离器的最大特点在于不需要外接电源，它带来了简捷可靠的优点。

8.飞渡电容技术

在多点巡回检测微机系统中若被测信号变化较慢，在多路模拟开关设计中，可以使用由干簧继电器或湿簧继电器做成的飞渡电容式多路模拟开关来切断被测信号与信号通道的连线，从而起到抗干扰作用。图2-3-14为飞渡电容工作原理。

图2-3-13 省去外接电源的电流隔离器

图2-3-14 飞渡电容工作原理