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數(shù)字顯示儀的應(yīng)用

數(shù)字顯示儀表一般是由模數(shù)轉(zhuǎn)換、非線性補(bǔ)償及標(biāo)度變換三大部分組成。它是以電信號(hào)為輸入量，直接用數(shù)字顯示被測(cè)量。實(shí)現(xiàn)數(shù)字顯示的關(guān)鍵是通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換裝置把連續(xù)變化的模擬量變換成斷續(xù)的數(shù)字量。在生產(chǎn)中要求顯示儀表反映的顯示值是被測(cè)參數(shù)的函數(shù)，并且要求能自動(dòng)地補(bǔ)償其它干擾因素，這些函數(shù)關(guān)系有些是線性的，但多數(shù)是非線性的。為了將被測(cè)參數(shù)能以絕對(duì)值的形式顯示出來(lái)，對(duì)于顯示儀表，需要將被測(cè)參數(shù)進(jìn)行一些必要的運(yùn)算、處理及非線性補(bǔ)償，同時(shí)補(bǔ)償其它參數(shù)對(duì)被測(cè)參數(shù)的影響。中儀電子數(shù)字顯示儀在A/D轉(zhuǎn)換中，采用一定的計(jì)量單位使連續(xù)變化的模擬量整量化，得到近似的斷續(xù)的數(shù)字量。計(jì)量單位越小整量化的誤差也就越小，A/D轉(zhuǎn)換裝置的頻率響應(yīng)、前置放大的穩(wěn)定性等也越高，數(shù)字量就越接近于連續(xù)量本身的值。這一過(guò)程是通過(guò)雙積分型、電壓頻率轉(zhuǎn)換型、脈沖寬度調(diào)制型及逐次比較電壓反饋編碼型等A/D轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

非線性補(bǔ)償或標(biāo)度變換是對(duì)檢測(cè)來(lái)的信號(hào)進(jìn)行必要的運(yùn)算，使數(shù)字式顯示儀表能以被測(cè)參數(shù)的直接數(shù)字表達(dá)出來(lái)。模擬式非線性補(bǔ)償通過(guò)改變運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)來(lái)補(bǔ)償不同范圍的輸入電壓，而數(shù)字式非線性補(bǔ)償則是先把被測(cè)參數(shù)的模擬量經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后再進(jìn)入非線性補(bǔ)償環(huán)節(jié)，具有精度高、通用性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，隨著電子數(shù)字計(jì)算機(jī)的發(fā)展，標(biāo)度變換及非線性補(bǔ)償任務(wù)由計(jì)算機(jī)來(lái)完成。

數(shù)字顯示儀的干擾措施

一、干擾的產(chǎn)生

生產(chǎn)中，被測(cè)參數(shù)往往被轉(zhuǎn)換成微弱的低電平電壓信號(hào)，并通過(guò)長(zhǎng)距離（有時(shí)長(zhǎng)達(dá)數(shù)百米甚至更遠(yuǎn)）傳輸?shù)斤@示儀表，由于顯示儀表應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜性（周圍存在大量強(qiáng)交變磁場(chǎng)、電場(chǎng)、振動(dòng)、熱噪聲、強(qiáng)輻射、溫度效應(yīng)、動(dòng)力電源等），使得電氣干擾也加到顯示儀表的輸入端，加上儀表內(nèi)部的電源變壓器、繼電器、開關(guān)以及電源線等干擾源，給測(cè)量帶來(lái)影響。當(dāng)有較大擾動(dòng)出現(xiàn)時(shí)（檢測(cè)信號(hào)的干擾主要有強(qiáng)磁場(chǎng)和電場(chǎng)：當(dāng)干擾源為低電壓大電流時(shí)，則干擾源主要是磁場(chǎng)；當(dāng)干擾源為高電壓小電流時(shí)，則干擾源附近主要是電場(chǎng)），常通過(guò)下面一些方式（如串模干擾、共模干擾等）疊加到信號(hào)線上，進(jìn)入儀表。

1．電磁感應(yīng)（指磁的耦合）。在大功率變壓器、交流電機(jī)、強(qiáng)電流電網(wǎng)等的周圍空間都存在很強(qiáng)的交變磁場(chǎng)，而控制系統(tǒng)（檢測(cè)、變送、轉(zhuǎn)換、調(diào)節(jié)、計(jì)算、執(zhí)行、輔助、顯示等單元）線路形成的閉合回路處在這種變化的磁場(chǎng)中將被感應(yīng)出電勢(shì)，使信號(hào)源與儀器儀表之間的連接導(dǎo)線、儀表內(nèi)部的配線通過(guò)磁耦合在電路中形成干擾。這種電磁感應(yīng)電勢(shì)與有用信號(hào)相串聯(lián)，當(dāng)信號(hào)源與顯示儀表相距較遠(yuǎn)時(shí)，干擾較為突出。此外，高頻率發(fā)生器、帶整流子的電機(jī)等設(shè)備，也會(huì)產(chǎn)生高頻率的干擾。

2．靜電感應(yīng)（指電的耦合）。靜電感應(yīng)是兩電場(chǎng)相互作用的結(jié)果。在相對(duì)的兩根導(dǎo)線中，如其一的電位發(fā)生變化，則由于導(dǎo)線間的電容變化使得另一導(dǎo)線的電位也發(fā)生變化，干擾源以電容性的耦合在回路中形成干擾。

3．附加熱電勢(shì)和化學(xué)電勢(shì)。由于不同金屬產(chǎn)生的熱電勢(shì)以及金屬腐蝕等產(chǎn)生的化學(xué)電勢(shì)，在電路回路中形成直流電氣干擾。

4．振動(dòng)。在強(qiáng)振動(dòng)的環(huán)境中，導(dǎo)線由于在磁場(chǎng)中處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)而產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，此干擾與信號(hào)相串聯(lián)，以串模干擾形式進(jìn)入儀器儀表。

5．不同地電位引入的干擾。在大功率的用電設(shè)備附近，當(dāng)設(shè)備的絕緣性能較差時(shí)，不同地電位的電位差的引入形成干擾，而在儀表的使用中往往會(huì)有意無(wú)意地使輸入端存在兩個(gè)以上的連接點(diǎn)，這樣就會(huì)把不同接地點(diǎn)的電位差以共模干擾形式引入到儀器儀表，這種干擾是同時(shí)出現(xiàn)在兩信號(hào)線上的。

6．信號(hào)源是不平衡電橋。當(dāng)橋路電源接地時(shí)，除橋路對(duì)角線的不平衡電壓（即信號(hào)電壓）外，兩信號(hào)線對(duì)地都有一個(gè)公共的共模干擾電壓。雖然共模干擾不和信號(hào)疊加，不直接對(duì)儀表產(chǎn)生影響，但它能通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)形成到地的漏電電流，通過(guò)電阻的耦合就能直接作用于儀表（或放大器），產(chǎn)生干擾。

7．一些脈沖狀的干擾電壓除能作用于模擬電路外，有時(shí)也能直接進(jìn)入數(shù)字電路中給予干擾，這些干擾電壓的發(fā)生源是開關(guān)、電機(jī)、繼電器那樣的感性負(fù)載和產(chǎn)生放電的機(jī)器等。

二、干擾問(wèn)題的抑制

干擾問(wèn)題的形成是因?yàn)橛懈蓴_源的存在，并通過(guò)一定的耦合渠道對(duì)儀器儀表產(chǎn)生影響。為減少這些影響，在設(shè)計(jì)儀表時(shí)就應(yīng)考慮對(duì)干擾的抑制問(wèn)題，盡量提高其抗干擾的能力。在實(shí)際應(yīng)用中，要找出并結(jié)合絞扭、屏蔽、接地、平衡、濾波、隔離等方法，切斷耦合通道以抑制干擾。同時(shí)，要求顯示儀表具有耐高溫、低溫、高壓、腐蝕、高粘度等性能和較好的動(dòng)態(tài)特性，以減少被測(cè)參數(shù)的測(cè)量誤差。

1.串模干擾的抑制方法（串模干擾是在儀器儀表的輸入端疊加到被檢測(cè)信號(hào)上的干擾電壓）串模干擾可能產(chǎn)生在信號(hào)源，也很可能是從引線上感應(yīng)或接收而來(lái)。由于串模干擾與被測(cè)信號(hào)所處地位相同，所以一旦產(chǎn)生了串模干擾之后，它的有害作用往往不大容易消除，所以應(yīng)該首先防止它的產(chǎn)生。

1）信號(hào)線的絞扭：對(duì)于電磁感應(yīng)來(lái)說(shuō)，盡量將導(dǎo)線遠(yuǎn)離強(qiáng)電設(shè)備及動(dòng)力網(wǎng)，調(diào)整走線方向及減小導(dǎo)線回路面積都是必要的，僅調(diào)整走線方向及兩信號(hào)線以短的節(jié)距絞合，干擾電壓就能降為原有的1/10~1/100；對(duì)于靜電感應(yīng)來(lái)說(shuō)，當(dāng)把兩信號(hào)線采用雙絞合的形式絞扭且使兩根信號(hào)線到干擾源的距離大致相等時(shí)（常把導(dǎo)線絞成為直徑20倍的節(jié)距），就能使信號(hào)回路所包圍的面積大為減小，使電場(chǎng)通過(guò)在兩信號(hào)線上的感應(yīng)耦合進(jìn)入回路的串模干擾電位差大為減少。

2）屏蔽：為了進(jìn)一步防止電場(chǎng)的干擾，可把信號(hào)線用金屬網(wǎng)（或金屬皮）包起來(lái)，再在外面包上一層絕緣物或信號(hào)線直接采用屏蔽電纜，屏蔽層接地。因非磁性屏蔽層對(duì)50赫茲的磁場(chǎng)無(wú)效果，必要時(shí)可把信號(hào)線穿入鐵管中，使信號(hào)導(dǎo)線得到磁屏蔽。而在靜電屏蔽后，能使感應(yīng)電勢(shì)減小到原有的1/100~1/1000。

3）濾波：對(duì)變化速度很慢的直流信號(hào)，在儀器儀表輸入端加入濾波電路，以使混雜于有效信號(hào)的干擾衰減到最小。常在輸入級(jí)前加二至三級(jí)R-C濾波電路，而以采用內(nèi)阻較低的雙T型濾波器效果更好。

4）對(duì)消：雙積分型和脈沖調(diào)寬型等數(shù)字儀表，對(duì)輸入信號(hào)的平均值而不是瞬時(shí)值進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，能把一些串模干擾平均掉。

5）盡量使信號(hào)線與電源線分開敷設(shè)。合理布線，在允許的條件下將導(dǎo)線的電流流向作反方向處理，以減弱相互產(chǎn)生的磁場(chǎng)的干擾；不允許把信號(hào)線與動(dòng)力線平行敷設(shè)在一起，亦不應(yīng)由同一穿線孔洞進(jìn)入儀器儀表內(nèi)。低電平信號(hào)線應(yīng)以盡量短的不絞扭線接至信號(hào)端子的相鄰位置上，以減少感應(yīng)干擾的面積，絕對(duì)禁止電源線、信號(hào)線用同一根電纜。高電平和低電平線也不要用同一接線插件。在不得已時(shí)，把高電平和低電平線分開放在接插件旁邊，中間隔以地線端子和備用端子。

2.共模干擾的抑制（共模干擾是加在儀器儀表任一輸入端與大地之間的干擾）

1）正確接地。接地的意義可以理解為得到一個(gè)等電位點(diǎn)或面，它是電路或系統(tǒng)的基準(zhǔn)電位，但不一定為大地電位。為了安全起見，儀器儀表和信號(hào)源外殼都接大地，保持零電位。但當(dāng)接地的方式處理不好，將形成地回路把干擾引入儀器儀表。為提高儀器儀表抗干擾能力，通常在低電平測(cè)量?jī)x表中都把放大器與儀器儀表外殼（大地）絕緣（即把放大器“浮地”），以切斷共模干擾電壓的泄漏途徑，使干擾無(wú)法進(jìn)入。在低電平測(cè)試中，信號(hào)線只應(yīng)有一點(diǎn)接地且信號(hào)線的屏蔽層也須有一點(diǎn)接地，無(wú)論信號(hào)線和儀器儀表等均需加以屏蔽，把接地和屏蔽正確地結(jié)合起來(lái)使用，往往能解決大部分的干擾問(wèn)題。當(dāng)有一個(gè)不接地信號(hào)源與一個(gè)接地放大器相連時(shí)，信號(hào)線屏蔽層應(yīng)接至放大器的公共端。當(dāng)有一個(gè)接地信號(hào)源與一個(gè)不接地放大器相連時(shí)，即使信號(hào)源端接的不是大地，信號(hào)線屏蔽層也應(yīng)接至信號(hào)源的公共端，使之保持零電位，可有效切斷電位的泄漏電流，提高測(cè)量信號(hào)的抗干擾能力，這是測(cè)量系統(tǒng)中常用的方法。

2）儀表采用雙層屏蔽浮地保護(hù)技術(shù)：為提高儀器儀表抗共模干擾能力，在放大器輸入部分浮地的同時(shí)，儀器儀表采用雙層屏蔽浮地保護(hù)。除利用表殼作一層屏蔽外，在儀器儀表內(nèi)再用一個(gè)內(nèi)屏蔽罩將放大器輸入部分屏蔽起來(lái)。在兩屏蔽層之間、在放大器輸入部分和內(nèi)屏蔽層之間都不作電氣上的連接。內(nèi)屏蔽層不要與儀器儀表外殼相接，而應(yīng)單獨(dú)引出一根線作為保護(hù)屏蔽端與信號(hào)線的屏蔽層相連接，從而使保護(hù)屏蔽延伸到信號(hào)線全長(zhǎng)，而信號(hào)線的屏蔽在信號(hào)源處一點(diǎn)接地，這樣使儀器儀表的輸入保護(hù)屏蔽及信號(hào)屏蔽對(duì)信號(hào)源穩(wěn)定起來(lái)，處于等電位狀態(tài)。所以，屏蔽能用來(lái)降低耦合到導(dǎo)線上的共模電壓。

3）應(yīng)用平衡電路：一個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定程度取決于信號(hào)源、信號(hào)引線、負(fù)載的平衡以及其它雜散分布參數(shù)的平衡。為提高儀器儀表抗共模干擾能力，采用平衡措施使兩線路上所轉(zhuǎn)換的電壓相等，以此來(lái)降低耦合到負(fù)載上的該部分共模電壓。

4）電源引入干擾的抑制：在儀器儀表內(nèi)部主要的干擾來(lái)自小功率變壓器產(chǎn)生的漏電流。為防止泄漏電流干擾，可將變壓器初級(jí)繞組放在屏蔽層之內(nèi)，并將屏蔽層接地，此時(shí)變壓器初級(jí)繞組上的相電壓通過(guò)對(duì)屏蔽層的分布電容，使漏電電流直接流入地，而不再流入放大器、測(cè)量電路和信號(hào)源中產(chǎn)生干擾。為防止電源變壓器引入干擾，采用三層屏蔽結(jié)構(gòu)即電源變壓器初級(jí)屏蔽層直接與表殼接地，供電裝置的次級(jí)繞組與所有屏蔽層相接，放大器電源的次級(jí)繞組屏蔽層與放大器地處于等電位狀態(tài)。由電源引起的脈沖狀干擾，對(duì)數(shù)字電路有較大影響，應(yīng)在電源線路上加裝高頻濾波器，濾波器應(yīng)裝在輸入和輸出引線都經(jīng)過(guò)穿心電容進(jìn)行濾波的鐵制屏蔽盒內(nèi)。