數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參數。但是，在各行業生產過程中得以廣泛使用的數顯儀表往往處在復雜的現場環境中，現場周圍存在著大量強交變電 磁場、強射頻輻射、動力電源等，它都可能直接影響到檢測數據的正常采集和生產過程自動控制而形成干擾源。這些與被測信號無關的電流、電壓、尖脈沖等 信號以各種不同方式耦合、傳導到數顯儀表上，使得數顯儀表設備出現數據采集失真、自動控制無法及時操作，甚至控制失控而直接影響正常生產、產品質量和企業經濟效益的提高。由于現場使用環境的特定性，這些干擾源大多無法改變，設法加以有效抑制卻是非常必要的。本文將就數顯儀表在現場出現的幾種典型的干擾源以及所采取的抗干擾措施進行探討。
1、數顯儀表原理及組成
目前大量使用的數顯儀表以智能型產品居多，一般以單片機為核心，配上測量信號轉換電路、A/D轉換電路、D/A轉換電路、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為輸入量，通過信號轉換和放大電路，將測量信號轉換成與A/D轉換器的輸入信號相匹配的信號，通過A/D轉換器將連續變化的模擬量轉換為斷續的數字量送入單片機進行數據處理；通常A/D轉換器采用雙積分型、電壓/頻率轉換型、脈寬調制型、逐次比較電壓反饋編碼型等A/D轉換器來實現的。在A/D轉換過程中，A/D的分辨力越高，得到的數字量就越接近于連續模擬量，其轉換誤差就越小。
隨著微電子技術的飛速發展，單片機的功能得以較大提升，由于被測參數多為非線性函數關系(有些參數的函數關系是線性的)，標度變換、非線性補償、自動補償干擾信號等任務由儀表內的單片機來負責完成，同時將相關調試參數、控制設定參數等相關參數儲存在e2prom存儲器內。在完成非線性補償任務后將其測量數據通過LED數碼顯示窗進行顯示，同時通過繼電器觸點輸出方式輸岀報警控制信號；通過D/A轉換器轉換為標準線性信號輸岀同時也可通過單片機內的通訊接口電路將測量數據以數字信號方式送至上位計算機進行監控。
2、干擾源的產生
在實際使用工況中，被測量參數往往是微弱的電信號，通過導線從測點現場長距離引至控制室的儀表盤上，由于各種不同場合存在著大量的干擾信號(像強交變電磁場、電場、強射頻輻射、動力電源等)，使得電氣干擾信號從數顯儀表的信號輸入端、電源輸入端上，給儀表測量帶來影響。
①電磁感應
在大容量變壓器、大容量交流電機、強電流電網、高頻感應加熱設備、變頻器等周圍空間都存在強交變磁場，當控制系統線路形成的閉環回路處在這種交變磁場中將被感應出電勢，使被測信號與數顯儀表之間連接的導線、儀表內部連接的配線通過磁耦合在回路中產生干擾。這種電磁感應電勢(距離越近，干擾越嚴重)與被測參數信號相疊加后進入數顯儀表，造成儀表顯示值無法真正反映被測參數值而影響產品的質量。
②靜電感應
靜電感應是兩電場相互作用的結果，在相對兩根導線中，如其一的電位發生變化，則由于導線間的電容變化使得另一導線的電位發生變化，干擾源以電容性的耦合在回路中形成干擾。
③群脈沖傳導干擾
一些脈沖狀的干擾電壓除能作用于模擬電路外，有時也能直接進入數字電路中給予干擾，這些干擾源來自開關、電機、繼電器那樣的感性負載和產生放電的設備等。
④不等地電位引入的干擾
在大功率的用電設備附近，當設備的絕緣性能較差時，不同電位的電位差的引入而形成干擾，在數顯儀表的使用中往往會有意無意地使輸入端存在兩個以上的連接點，這樣就會把不同接地點的電位差以共模干擾形式引入數顯儀表內。這種干擾是同時出現在兩信號線上。
3、數顯儀表干擾的抑制
干擾問題的形成主要是因為有干擾源的存在，并通過一定的耦合渠道對數顯儀表產生影響。為減少這些影響，在數顯儀表設計過程就應考慮對干擾的抑制問題，盡量提高數顯儀表的抗干擾能力。在實際應用中，要找出其干擾源并結合施工過程導線的絞扭、屏蔽、接地、平衡、濾波、隔離的方法。切斷耦合通道以抑制干擾，減少被測參數的測量誤差。
①數顯儀表的抗干擾措施
根據國家相關標準，數顯儀表產品應滿足下表1、表2中各項性能指標。
表1 GB/T 13639-2008工業過程測量和控制系統用模擬輸入數字式指示儀
a、信號輸入端
在信號輸入方面，由于被測參數提供的電信號均為微弱信號，傳導、輻射等干擾信號常耦合在信號傳輸導線上，在輸入電路部分應設有n型LC和雙T型RC濾波電路，各級采用不同時間常數的濾波電路，以得到寬頻濾波之效果。
b、電源輸入端
電源輸入：由于傳導、輻射等干擾信號常耦合在電源供電導線上，所以在電源電路部分設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的進入。
表2 電磁兼容試驗和測量技術
注1：對接地端口的試驗沒有單獨規定，因為它們包含在相應的基礎標準中：專用的保護接地端口作為交流電源端口進行試驗；功能性接地作為I/O端口進行試驗。
注2：在進行試驗時，設備不應該出現危險和不安全保密性的后果。按上表要求，儀表生產廠家在進行產品設計時應分5個方面來加以考慮。
c、信號輸出端
信號輸出：為防止繼電器動作而產生的反電勢，在繼電器線圈兩端并接一二極管和RC吸收電路，同時設置光電隔離電路；模擬變送信號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的串入。
d、儀表內部電路以及PCB板設計
在設計數顯儀表電路時，除設置上述措施外，在元器件選擇方面應選擇抗干擾性能優的元器件(特別是單片機芯片)，在E2PROM的電源端增設一穩壓管、RC電路，以確保調校參數、控制參數不受干擾；在PCB板設計方面，應盡量減少過孔、電源、信號線分區分布、數字地和模擬地分開獨立分布后在輸入端點匯合；避免走直拐角，應走45°角或弧線；在PCB板四周設置網狀屏蔽并直接接地；在信號線間增加飛線并獨立接地以消除線間的耦合等措施，以確保輻射、傳導干擾不經PCB板耦合而影響儀表的正常工作。
e、儀表軟件設計
在軟件設計方面，在對輸入信號進行數據采集過程中，對其進行數字濾波、中值濾波、加權濾波、工頻整形采樣等措施，以消除干擾信號帶來的測量數值誤差；使用定時中斷來監視程序運行；在非程序區設置攔截措施；調校參數、控制參數等重要參數采用雙備份、定時查詢措施；對未用的接口應予以設置并定時刷新等抗干擾措施。
②現場安裝、施工的抗干擾措施
a、串模干擾的抑制措施
根據串模干擾是在數顯儀表的輸入端疊加到被測信號上的干擾信號之特點，串模干擾的產生可能在信號源上，也有可能是從引線上感應或吸收而來的，所以一旦產生了串模干擾之后，它的有害作用往往不大容易消除，因此應該首先防止它的產生。
◆信號線的絞扭
對于電磁感應來說，盡量將導線遠離強電設備及動力網，調整走線方向及減小導線回路面積都是必要的，僅調整走線方向及兩信號線以短的節距絞合，干擾電壓就能降低為原來的1/10~1/100；對于靜電感應來說，當把兩信號線采用雙絞合的形式絞扭且使兩根信號線到干擾源的距離大 致相等時(常把導向絞成為直徑20倍的節距)，就能使信號回路所包圍的面積大為減小，使電場通過在兩信號線上的感應耦合進入回路的串模干擾電位差大為減少。
◆屏蔽
為了進一步防止電場的干擾，信號線應直接采用屏蔽電纜，當數顯儀表內部模擬放大器接地時，應讓靠近檢測儀表的屏蔽線一端接地；當儀表內部模擬放大器不接地時，屏蔽層應在靠近顯示儀表一側接地(該接地裝置應有良好的接地效果，且接地電阻應小于1Ω)，因非磁性屏蔽層對50Hz的磁場無效果，必要時可把信號線穿入鐵管中(鐵管應有接地處理)，使信號得以磁屏蔽，而在靜電屏蔽后，能使感應電勢減小到原來(未采取措施前)的1/100~1/1000。
◆信號線與電源線在沿電纜橋架敷設過程中，應盡量使信號線與電源線分開敷設，在條件不許可情況下，應采用隔板將電源線與信號線分隔開敷設，同時應整齊梳理敷設，切忌絞合敷設布線；在條件允許情況下將導線的電流流向做反方向處理，以減弱相互產生的磁場干擾。不允許把信號線與動力線平行敷設在一起。
◆儀表供電電源的取出應避免與大容量用電設備、變頻器同用一配電柜，選擇設備負荷變化小、啟停次數不頻繁的供電電網上。
b、共模干擾的抑制措施
根據共模干擾是在儀器儀表端子與大地之間產生之特點，共模干擾的產生是指信號線上公有的干擾信號，一般是由于被測信號的接地端與控制系統的接地端存在一定的電位差所制，這種干擾在兩條信號線上的周期、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等電位的點或面，它是電路或系統的一個基準電位點或面，但不一定是大地的電位。但當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引入儀器儀表。
為了提高數顯儀表抗干擾能力，通常數顯儀表中的數字地和模擬地與儀表外殼(大地)絕緣(即把儀表內部的地做"浮地”處理)，以切斷共模干擾電壓的漏電途徑，使干擾無法進入，在低電平測試中，信號線只應有一點接地且信號線的屏蔽層也只須有一點接地，且接地端在靠近儀表一側效果較好，無論信號線和電源線等均需加以屏蔽，把接地和屏蔽正確地結合起來使用，往往能解決大部分的干擾問題。當有一個接地電位，可有效切斷電位的泄漏電流，提高測量信號的抗干擾能力，這是測量系統常用的方法。
◆應用平衡電路
一個系統的穩定程度取決于信號源、信號引線、負載的平衡以及其它雜散分布參數的平衡，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換的電壓相等，以此來降低耦合到負載上的該部分共模電壓。
◆電源引入干擾的抑制
在儀器儀表內部主要的干擾來自小功率變壓器產生的漏電流。為防止泄漏電流干擾，可將變壓器的初級繞組放在屏蔽層之內，并將屏蔽層接地，此時變壓器初級繞組上的相電壓通過對屏蔽層分布電容，使漏電電流直接流入地，而不再流入放大器、測量電路和信號源中產生干擾，為防止電源變壓器引入干擾，采用3層屏蔽結構即電源變壓器初級屏蔽層直接與儀表外殼接地，供電裝置的次級繞組與所有的屏蔽層相接，放大器電源的次級繞組屏蔽層與放大器地處于等電位狀態，由電源引起的脈沖狀干擾，對數字電路有較大影響，應在電源電路上加裝高頻濾波器，濾波器應裝在輸入和輸出引線都經過穿心電容進行濾波的鐵制屏蔽盒內。
無論是為了抑制串模干擾還是抑制共模干擾，均應注意做到：輸入線路應盡量短；在配線方面應盡量避免和強動力線接近；注意信號間的阻抗匹配。總之干擾的分布參數是很復雜的，因此在抗干擾時，應當采用適當的措施，既要考慮效果，又要考慮價格因素，還要因現場情況而定。采用的措施只要能解決問題就可以。
作者：陳耀
