传感器接口电路的抗干扰设计
陈海燕　陈　荡
蚌埠日月仪器研究所　安徽省蚌埠市　233010
陈　宏
蚌埠高等专科学校　安徽省蚌埠市　233000
【摘要】提出了传感器小信号处理时存在影响精度的来自三方面的干扰问题:局部产生;子系统内部的耦合;外部产生,并讨论了设计电路时相应的解决办法。

关键词:低电平测量　干扰　抑制
1　引言
凡是传感器接口电路都存在小信号处理问题。

因为传感器的输出一般都是小信号,将其精确地放大到所需要的信号(如0～5V),并能达到所需要的技术指标,就必须注意到电路图上未表示出来的某些问题,即抗干扰问题。

在进一步讨论电路元件的选择、电路和系统应用之前,有必要进行讨论。

干扰可粗略地分为3个方面:
(1)局部产生(即不需要的热电偶);
(2)子系统内部的耦合(即地线的路径问题);
(3)外部产生(即电源频率的干扰)。

2　局部产生误差的消除
在低电平测量中,对于在信号路径中所用的(或构成的)材料必须给予严格的注意,在简单的电路中遇到的焊锡、导线以及接线柱等都可能产生实际的热电势。

由于它们经常是成对出现,尽量使这些成对的热电偶保持在相同的温度下是很有效的措施,为此一般用热屏蔽、散热器、沿等温线排列或者将大功率电路和小功率电路分开等办法,其目的是使热梯度减到最小,两个不同厂家生产的标准导线(如镍铬一康铜线)的接点可能产生0.2 V/℃的温漂,这相当于高精度低漂移的运放管(OP-27CP)的温漂,而为斩波放大器(7650CPA)温漂的两倍。

虽然采用插座开关、接插件、继电器等形式能使更换电器元件或组件方便一些,但缺点是可能产生接触电阻、热电势或两者兼而有之,其代价是增加低电平分辨力的不稳定性,也就是说它比直接连接系统的分辨力要差,精度要低,噪声增加,可靠性降低,因此在低电平放大中尽可能地不使用开关、接插件是减少故障,提高精度的重要措施。

在微伏信号放大电路中焊锡也可能成为低电平的故障,因为在焊锡的焊点上也产生热电势,在微伏电平的输入电路中应采用特殊的低温焊锡,比如kester1544型焊锡,甚至还有这样的例子,必须在一条线路中仔细地切断一处,再用焊锡接起来用于补偿另一条线路中搭接处或焊锡点所产生的热电势。

3　接地问题及其处理办法
在低电平放大电路中合理“接地”是减少“地”噪声干扰的重要措施,必须予以特别注意。

当使用单电源供给多只传感器时,其连接方法应如图1所示那样连接,以尽量减少接地电阻引进的干扰,若供电电源的压降必须减到最小,则电源“高”端导线也可按相似的方法接线。

图1　
包括有多个电源和多个传感器的系统则需要考虑得更多一些,通常不管电源是谁供给,将地线汇集到公共点,然后和系统的公共端接在一起,如图2,所有电源1的负载都回到电源1公共端,所有的电源2负载都回到电源2的公共端,最后用一条粗导线将公共端连在一起。

在多电源系统中,可能需要进行判断性试验,确定地线接法,以达到最佳的解决方案。

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第4期 使用与维护
收稿日期:1999-01-10
图2　
数字地线通常有很大的噪声而且有大的电流尖峰,所有的模拟公共地线应该和数字公共地线分开走线,然后只在一点汇集在一处,如图3,这种接法使模拟和数字(包括转换器的数字电源)地线间的公共阻抗最小。

图3　
除了直流和低频地线问题外,还有快速变化的交流电压的耦合以及从高电平电路对低电频电路通过公共的电源和连线的阻抗产生的瞬态信号,这种信号另一个可能的耦合途径是由于许多内补偿的集成运算放大器没有公共接地点,如果积分器输出的参考点接到电源一端就会使得输出随电源而波动,这些都需要适当地接入电容器以便旁路掉调制在较慢的模拟电路上的高频信号,并要求此电容直接从放大器的电源端子接到低阻抗的公共点。

图4说明这样一种方法,它应用于模拟输出运算放大器对于数/模转换器数字驱动噪声的去耦。

如果旁路电容随意地直接接到电源的两根母线之间,旁路电容起不到应有的作用,甚至还可能有害,它从“不干净”的地到“清洁”的V s,为噪声提供低阻抗的交流通路。

图4　4　外部和本机干扰的消除
交流信号可以通过分布电容和电感耦合到低电平模拟电路上,直流高压经过漏电导可以耦合到高阻抗的输入端,这些都可能引入干扰,通过适当的布局元件,屏蔽和防护可以消除这些干扰。

元件的适当布局包括在高能量和低能量之间以及数字电路和模拟电路之间保持尽可能大的距离,而在地线之间的连线要求尽可能短。

屏蔽包括静电和电磁屏蔽。

电源变压器产生的干扰场是熟知的,而且是不好说明的干扰源,可以采用屏蔽式变压器或者将电源放到远离敏感电路的地方。

但同一个电路既需要靠近变压器中心抽头以达到高质量的接地,但它又可能受到强磁场的干扰,必要时要通过试验的方法来确定合理布局。

对于50Hz电源的静电和电磁干扰可以采取使环路面积减到最小,或者使用双绞线以及在低频电路中限制频带等方法控制。

通常必须用个小屏蔽盒包围着放大器或一个部件以防止系统本身的电磁场或能量辐射的干扰,另一种必须考虑的屏蔽形式是对发热点和热梯度进行热屏蔽,还应该考虑在一个系统中高功耗部分和低电平部件之间位置的关系,必须保证元器件不要暴露在通风和温度分布不均匀的地方。

防护是一种用以防止交流或者直流漏电而降低电路性能的技术,防护层是一个导电表面,通常放在靠近输入端或电路中易于接受杂散电流的其它部位,防护层由低阻抗的电路将它举到非常接近于被保护电压的电位。

如果防护层安放适当,则杂散的漏电流被防护层吸收,这种技术在直流放大中特别显得重要(如7650斩波自稳零放大器)。

5　结束语
总之,接口电路的防干扰问题是得到高质量信号的重要措施之一,传感器(以应变式为例)的输出信号越低,接口电路的放大元件的选择、以及防干扰措施要求越严格;但要求传感器的输出信号大,又会影响传感器输出的非线性等特性,这是矛盾的,在实际运用中应考虑在线性度允许的条件下,尽可能地提高传感器的输出灵敏度,包括增加电桥桥压等措施,一般情况下传感器的输出灵敏度可达到1～3mV/V,不希望以降低传感器的灵敏度来换取接口的其它技术指标的提高。

40 仪表技术与传感器1999年。