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绵阳维博电子有限责任公司

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维博电子:一种新型串模干扰抑制技术
发布时间:2019-08-22        浏览次数:995        返回列表

绵阳市维博电子有限责任公司 刘万山 绵阳,621000)

摘  要:为了更经济高效地抑制串模干扰在工程测量中的不良影响,改善多通道直流巡检装置的动态性能,论文基于现代AD与单片机技术发展,首先从耦合方式上分析了串模干扰的本质,基于合理裕量的采样前端电路设计与交流采样技术,借助模型仿真,采用加窗数字滤波技术,设计了一种新型的串扰抑制方案,后,通过理论分析与实际产品的测试,验证了该方案不仅显著提高了测量回路的串扰抑制比,而且具有良好的动态性能,可满足多通道、高精度的直流采样需求。

引 言:在工程系统中,模拟信号作为感知前端或者中间输出,其高精度测量与准确传输是极为重要的,通常决定着整个系统的有效性。然尔,由于工程布线以及各类电子设备存在复杂的电磁环境,会对很多常用的模拟小信号带来串模干扰,这是系统设计必须要解决的问题。比如,工业自动化仪表中的模拟直流信号,过程测量和控制系统用模拟输入信号等,都存在串扰的风险。随着国内EMC设计技术标准的提高,以及工程管控的力度加强,某些领域串扰问题有了一定程度改善,但对于一些尚未有明确国家或行业标准的产品领域,依然对串扰未认识不足,存在着管控盲区,还有某些领域由于对监测的实时性要求较高,常用的串扰抑制技术存在瓶颈,花费较多的成本,不符合低碳的设计思想。

本文以相关国家标为依据,从基本的串扰模型出发,讨论了其性质以及当前存在的技术矛盾,后结合数字化技术的发展,提出一种软硬件相结合的串扰抑制技术,目的在于低成本的解决如多路时实测量系统等较为复杂的串扰问题。

1 串模干扰基本模型

与一般EMC问题不同,串模干扰更多的表现为辐射类型,故存在感性与容性耦合路径,相应地表现为磁场耦合与电场耦合。

串扰的感性耦合源于交变的电流,属电流源激励,可用回路模型如图1所示。

图1  串扰的感性耦合模型

交流功率电路可以是与信号电路并行、长距离布线的工频大电流供电电路,也可能是PCB上产生高di/dt的开关电路。如果两电路足够靠近,功率电路产生的磁场必然穿过信号回路,它们之间将存在互感M,在信号电路中产生串模电压,大小如式(1)。

(1)串扰的容性耦合源于交变的电压,属电压源激励,可用支路模型如图2所示。

图2  串扰的容性耦合模型

高压电路可以是与信号电路并行、长距离布线的工频高电压供电电路,也可能是PCB上产生高du/dt的开关电路。如果两电路足够靠近,功率电路与回流地之间产生电场必然覆盖信号回路,它们之间将存在等效电容,在信号电路中产生串模电压,大小如式(2)。

(2)可见如果C1P与C2P、C1N与C2N相等到,则串模电压VSM为0,电路中仅存在共模电压,然而实际工程难以实现。

2 串模干扰主要性质

由上述分析可知,对于产品内部,串扰主要来源于开关电路,而对于产品外部而言,串扰主要来源于与信号线并行、长距离布线的交流功率线,通常为工频市电,均表现为在有效信号上叠加了一个不期望的交流干扰电压。根据信号源特性,被干扰系统可等效为电压和电流传输系统,如图3所示。

a) 电压传输系统

b) 电流传输系统


图3  串扰干扰传输系统

图中假设RW接线阻抗,上下支路近似相等。由图可知:

1)串模干扰电压的频率与功率电路主频率相同;

2)对于电压传输系统而言,负载端阻抗ZL远大于源端阻抗Z0,干扰电压主要影响负载端;

3)对于电流传输系统而言,负载端阻抗ZL远小于源端阻抗Z0,干扰电压主要影响源端;

4)单板级布线时,线路阻抗特性相对一致,感性串扰强于容性串扰。

5)若信号回路亦为交流供电,则可能与干扰源VAC有产生频谱混替。

基于上述特点,长距离传输的小信号一般都采用直流信号,且在未做任何防护时,电流传输系统比电压传输系统的抗干扰性能更好,对于交流信号通常调制后传输。

3 相关国家标准

国家标准多采用串模抑制比(SMRR)来表征系统对串模干扰电压的抑制能力,并按公式(3)计算。

(3)式中: USM-串模干扰交流峰值电压;

△U-施加串模干扰电压前后的示值变化所对应的电压值变化。

在过程显示仪表中,标准一般要求在一定干扰幅值下,对工频的SMRR应不小于50dB。

4 常用的串扰抑制方法

目前工程上常用的串扰抑制方法有如下几种。

1)增加功率线与信号线间的走线距离,减小线间互感及耦合电容;

2)信号传输采用双绞线,可以有效的减少通过信号回路的磁通,对感性耦合有较好的抑制作用;对信号线路加屏蔽并单点接线后,提供了干扰信号的低阻通路,对容性耦合有较好的抑制作用;

3)调制解调,将信号调制到串扰信号带宽之外再进行传输,接收端进行带通滤波,前提是要知道串扰源的带宽;

4)硬件滤波,前提是串模干扰信号与有用信号之间没有频谱混叠。由于绝大多数的串扰为工频干扰,一般为45Hz~65Hz之间,在变频工作环境下,干扰频率有可能更低,所以用于串扰抑制的通常是无源低通滤波器。

实际工程中,总存在无法从布线源头解决串扰的情况,滤波成为终的技术手段。

常用的串扰抑制方法为纯模拟的一阶或二阶滤波方案,满足SMRR要求时,系统响应时间均在500ms以上。

图4所示为传统XTM系列过程仪表模拟量输入的端口串扰抑制电路,响应时间约为1s。

图4  XTM系列过程仪表串扰抑制方案

(SMRR > 50dB @ 50Hz,响应时间t ≈ 1s)

图5所示为新型仪表有源二阶串扰抑制电路。响应时间有所改进,约为0.6s。

图5  常用二阶有源串扰抑制方案

(SMRR > 50dB @ 50Hz,响应时间t ≈ 0.6s)

数显仪表行业,也常采用简单的软件滤波算法,如基于工频的采样点平均等办法,计算较为简单,对于标准频率的工频干扰也比较有效,然而实际工程情况往往更为复杂。

4 主要技术矛盾

对于多路且实时性要求较高的系统而言,无论是串行切换采样还是并行采样,都无法解决时实性差与成本高的矛盾。比如多路电池管理系统等,常用为24通道,采用模拟滤波方案,串行采样巡检一周的时间将大于12s(24×600ms),更何况系统还有充放电电流、电池温度等监测需求,模拟滤波方案根本无法达到电池监测系统实时性的要求;而并行采样将增加24组滤波电路,增加PCB空间,也增加成本。

常规软件滤波技术也存在不足,一方面是工程现场干扰情况复杂,电路设计针对性不足,可承受串扰的幅值低,采样信号被削波,无法通过平均来达到抑制串扰的目的;二是串扰的抑制频率范围窄,多为特定工频,如50Hz抑制效果好,产品按标准测试能通过,但现场因频率波动或谐波干扰等影响很大。

5 基于加窗的交流采样抑制技术

国家标准对工频的测量范围一般规定到45Hz~65Hz,尤其是小型发电机供电的设备,频率极不稳定,所以要求串扰抑制下限要低于45Hz,才能保证适应于各种现场要求。本设计的目的就在于经济而高效地解决这种普遍存在且难以处理的工频串扰。

首先,为保证算法的实施,硬件方面有必要的要求,即要保证有用信号叠加上串扰电压后不会超过系统的采样范围,否则信号被削波。基于当前AD与单片机技术的发展,在保证准确度要求的前提下,硬件电路设计上通常可预留足够的裕量,这从源头上为算法的实施性提供的有利条件,为有效利用交流采样技术,AD采样前端设计了抗混叠滤波器。

其次,软件方面,首先假定串扰为特点频率,将被测直流信号按串扰信号周期进行多点采样,再对采样系列进行加窗,处理频度波动带来的影响量。本设计中假定串扰信号频率为50Hz,对信号按3.2kHz的采样率进行多周期采样,之后进行加窗滤波,经比较准同步窗、汉宁窗,本设计选用带宽及衰减更适宜串扰抑制的哈明窗。

对采样序列按串扰频率进行加4周期哈明窗滤波的Matlab仿真,输入的信号与干扰信号的合成见式(4):

(3)其中,k为信号的采样点数1到256;f为频率点,从1Hz递增,到286Hz为止。其中,信号幅值为2000 ,串扰峰值为1000 。

加窗滤波结果见式(5):

(5) 其中,W[k] 为窗函数。仿真结果如图8。

可见,串扰信号被衰减至50dB时,窗函数的截止频率已经小于40Hz。

6 测试验证

该算法成功应用于某多路直流信号巡检系统的研发,实际测试与仿真效果相当,实现了对40Hz以上的SMRR不小于50dB,响应时间优于100ms,完全满足相关产品标准的要求,有效提高了产品性价比。

7 结论

该串扰抑制方法从串扰的本质出法,充分结合了现代电子硬件与软件技术的发展。硬件上根据实际串扰测试情况进行裕量设计,软件上可预存窗函数,计算量并不很大,但相对于传统串扰抑制方法,在达到预期SMRR与频带的同时,响应时间大幅减小,大大优化了多通道直流信号的处理成本,工程上,考虑串扰信号的相位影响,应适当调整窗系数。根据实际要求,很多场合还可减少采样点数,这将获得更好的系统响应,同时也能节省硬件开销。

参 考 文 献

[1] GB/T 13639-2008,工业过程测量和控制系统用模拟输入数字式指示仪[S].

[2] GB/T 22264.1-2008,安装式数字显示电测量仪表 第1部分:定义和通用要求[S].

[3] 张建志,数字显示测量仪表[M].北京,中国计量出版社,2004.

[4] 曹颉,卢欣,孔昭兴,杨光. 数字式测量仪表的干扰及防护 [J].电测与仪表,2010,47(a07):5-8.

[5] 程佩青.数字信号处理教程.清华大学出版社.2011

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