智能检测系统信号通道中共模干扰的抑制措施

摘 要：共模干扰是影响智能检测系统正常工作的主要因素之一。共模干扰信号通过检测系统的信号通道进入智能检测系统，对系统构成很大的危害。抑制共模干扰是微机测控系统中的重要环节。文章分析了共模干扰的产生原因，并介绍了几种抑制共模干扰的实用方法。

关键词：智能检测系统；共模干扰；信号通道；抗干扰

0 引言

智能检测包含测量、检验、故障诊断、信息处理和决策输出等多种内容，采用检测设备模仿人类专家信息综合处理能力。从广义上讲，智能检测系统包括以单片机为核心的智能仪器、以PC机为核心的自动测试系统和目前发展势头迅猛地专家系统。传感器采集到现场信号后，通过信号通道传送到信息处理机，在信息处理机上实现对数据的分析、存储、显示等操作。然而在实际应用中，在传输信号的信号通道上会产生许多环境干扰，而这些干扰仅靠软件滤波器处理，效果是是不理想的，如果不采取必要措施，就无法保证检测系统的测量精度及其它指标，并有可能导致检测系统失效，从而影响信号的正确传输，因此需要在信号通道上进行抗干扰措施。在信号通道上最主要的干扰是共模干扰，抑制共模干扰是智能检测系统中的重要环节之一。

1 共模干扰的产生

在工业检测系统中，被测参量可能很多，并分散在生产现场的各个地方，要用较长的传输线把传感器发出的被测信号传送到计算机的A/D转换器，因此被测信号U_s的参考接地点和计算机输入端信号的参考接地点之间往往存在着一定的电位差U_cm，如图1所示。由图可见，对于转换器的两个输入端来说，分别有U_s＋U_cm和U_cm两个输入信号。显然，U_cm是转换器输入端上共有的干扰电压，称为共模干扰，又称共态干扰。这种干扰可以是直流电压，也可以是交流电压，其幅值可达几伏甚至更高，取决于现场产生干扰的环境条件和计算机等设备的接地情况。

对于存在共模干扰的场合，必须采用双端不对地输入方式，如图2所示。

图中共模干扰电压Ucm对两个输入端形成两个电流回路（如虚线所示），每个输入端A、B的共模电压为

因此，在两个输入端之间呈现的共模电压为

如果此时 Z_s1＝Z_s2和Z_cm1 ＝Z_cm2 ，则 U_AB＝0，表示不会引入共模干扰，但上述条件实际上无法满足，只能做到Z_s1接近于Z_s2，Z_cm1 接近于Z_cm2 ，因此 U_AB＝0，也就是说实际上总存在一定的共模干扰电压。显然，当Z_s1，Z_s2越小，Z_cm1，Z_cm2越大，并且Z_cm1与Z_cm2越接近时，共模干扰的影响就越小。一般情况下，共模干扰电压U_cm总是转化成一定的常态干扰U_n出现在两个输入端之间。

2 共模干扰的抑制方法

我们在智能检测系统信号通道的共模干扰的抑制方面，采用下面几种方法，均取得了良好的抑制效果。

1) 利用变压器或光电耦合器把各种模拟负载与数字信息源隔离开来，也就是把“模拟地”与“数字地”断开。此被测信号通过变压器耦合或光电耦合获得通路，而共模干扰由于不成回路而得到有效的抑制。利用光电耦合器的开关特性组成的具有串行接口功能的共模抑制线路如图3所示。在这种线路中，被测信号U_s首先由电压——频率A/D转换器VFC变换成不同频率的脉冲信号，然后由光电耦合器和双绞线长线传送此脉冲信息。由于光电耦合器有很高的输入/输出绝缘电阻和较高的输出阻抗，因此能抑制较大的共模干扰电压U_cm。

光电耦合器能隔离干扰的原因是：输入阻抗小，其输入阻抗约1k以下，而干扰源内阻大，为100k以上，因此分压倒光耦输入端的噪声笑；干扰形式一般为大电压、小电流，而光耦输入发光管在电流状态下工作，故可被抑制；光耦在封闭状态下工作；输入回路与输出回路之间分布电容小，而绝缘电阻大。

2) 采用浮地输入双层屏蔽放大器来抑制共模干扰，如图4所示。

这是利用屏蔽方法使输入信号的“模拟地”浮空，从而达到抑制共模干扰的目的。图中Z₁和 Z₂分别为模拟地与内屏蔽盒之间和内屏蔽盒与外屏蔽层（机壳）之间的绝缘屏蔽线的阻抗，它们由漏电阻和分布电容组成，所以此阻抗值很大。图中，用于传送信号的屏蔽层Z₂为共模电压U_cm提供了共模电流I_cm1的通路。由于屏蔽线的屏蔽层存在电阻R_c，因此共模电压U_cm在R_c电阻上会产生较小的共模信号，它将在模拟量输入回路中产生共态电流I_cm2，此I_cm2在模拟量输入回路中产生常态干扰电压。显然，由于R_c≤Z₂ ，Z_s≤Z₁，故由U_cm引入的常态干扰电压是非常微弱的。所以这是一种十分有效的共模抑制措施。

抑制共模干扰的方法还有：利用双端输入的运算放大全球作为A/D转换器前面的前置放大器来抑制共模干扰；用仪表放大器提高共模在设计信号源（通常是各类传感器）时，尽可能做到平衡和对称，否则有可能产生附加的差模干扰。还应该选用高质量的差动放大器，由它构成的运算放大器将获得足够高的共模抑制比。

3 结束语

智能检测系统信号通道上，干扰进入系统的途径主要是通过数据采集通道，数据通道的抗干扰能力是系统稳定性的主要指标之一，共模干扰是影响检测的主要干扰之一。共模干扰的产生是由于市频电网的阻抗耦合及静电/电磁感应耦合造成的，而更主要的是现场设备安装、接地等造成信号源地与计算机地之间的电位差，从而引起大地电流，产生共模干扰。消除共模干扰的主要考虑是采取浮置、屏蔽、隔离、平衡及接地等抗干扰措施。