测控系统原理第7章习题解答

第7章 习题解答

1、电路输入阻抗高，是否容易接收高频噪声干扰?为什么?

答：电路输入阻抗高，是容易接收高频噪声干扰。因为电路所接收的高频噪声干扰的电压与噪声干扰的频率成正比，与电路的输入阻抗成正比。

2、接地方式有几种?各适用于什么情况?

答：接地方式有单点接地（串联单点接地和并联单点接地）和多点接地两种方式。 单点接地主要用于低频系统，不能用于高频信号系统。因为这种接地系统中地线一般都比较长，在高频情况下，地线的等效电感和各个地线之间杂散电容耦合的影响是不容忽视的。当地线的长度等于信号波长(光速与信号频率之比)的奇数倍时，地线呈现极高阻抗，变成一个发射天线，将对邻近电路产生严重的辐射干扰。

多点接地方式多用于高频系统。多点接地不能用在低频系统中，因为各个电路的地电流流过地线汇流排的电阻会产生公共阻抗耦合噪声。

3、信号传输线屏蔽层接地点应怎样选择?

答：当放大器接地而信号源浮地时，屏蔽层的接地点应选在放大器的低输入端，此时出现在放大器输入端之间的噪声电压几乎为零。当信号源接地而放大器浮地时，信号传输线的屏蔽应接到信号源的低端，此时出现在放大器输入端之间的噪声电压几乎为零。

4、何谓“接地环路”?它有什么危害?应怎样避免? 答：当信号源和系统地都接大地时，两者之间构成的环路称为接地环路，如下图所示, 通常信号源和系统之间的距离可达数米至数十米，由于大地电阻和地电流的影响，将

使这两个接地点之间存在电位差——地电压VG。由等效电路下图（b）可见，地电压VG在系统的两输入端将形成干扰电压VN，而且VN大小几乎接近VG，因此其影响不可忽略。

为了避免形成接地环路产生干扰，应改为一点接地，并保持信号源与地隔离，如上图（a）所示。图中Rsg为信号源对地的漏电阻，由等效电路上图（b）可见，由于Rsg非常大，地电压VG在系统的两输入端将形成干扰电压VN将远远小于VG，比信号源接地时的干扰电压大有改善。

此外，也可采用隔离变压器、纵向扼流圈、光电耦合器来切断接地环路。 5、屏蔽有哪几种类型?屏蔽结构有哪几种形式?

答：屏蔽有三种类型：静电屏蔽、电磁屏蔽、磁屏蔽。静电屏蔽是，用一个金属屏蔽盒罩住被干扰的电路（或干扰源），且将金属盒接地，以消除外部的静电干扰（或抑制干扰源对外部的干扰）。电磁屏蔽是，用低内阻的金属材料制成屏蔽罩罩住被干扰的电路，外部高频电磁场在导电性能良好的金属屏蔽罩内产生涡电流，该涡电流产生的反磁场可抵消高频干扰磁场，从而达到电磁屏蔽的目的。磁屏蔽是，用高导磁材料(例如玻莫合金)制成屏蔽罩，使低频磁场干扰的磁力线大部分在屏蔽罩内构成回路，泄漏到屏蔽罩外的干扰磁通就很少，从而达到抑制低频磁场干扰的目的。

屏蔽结构形式主要有屏蔽罩、屏蔽栅网、屏蔽铜箔、隔离仓和导电涂料等。

6、为什么长线传输大都采用双绞线传输?

答：在远距离信号传输的情况下，如果采取单线传输单端对地输入的方式，那么传输线上的感应干扰电压Un和地电压Um都会与被测信号Us相串联，形成差模干扰。为了避免这种后果，通常远距离信号传输采取双线传输双端差动输入的方式，而且为了实现双线平衡传输，通常采用双绞线。由于双线绞合较紧，各方面处于基本相同的条件，因此有很好的平衡特性。而且双绞线对电感耦合噪声有很好的抑制作用。

7、为什么光电耦合器具有很强的抗干扰能力?采用光电耦合器时，输入和输出部分能否共用电源?为什么?

答：光耦合器由一只发光二极管和一只光电晶体管装在同一密封管壳内构成。发光二极管把电信号转换为光信号，光电晶体管把光信号再转换为电信号，这种“电—光—电”转换在完全密封条件下进行，不会受到外界光的影响。由于信号传递是靠光传递，切断了两个电路之间电的联系，因此两电路之间的地电位差就再不会形成干扰了。

光电耦合器的数字电路光耦合器的输入阻抗很低，一般在100Ω～1000Ω之间，而干扰源的内阻一般很大，通常为10~10Ω。根据分压原理可知，这时能馈送到光电耦合器输入端的噪声自然很小。即使有时干扰电压的幅度较大，但所能提供的能量很小，只能形成微弱的电流。而光耦合器的发光二极管只有通过一定强度的电流才能发光，光电晶体管也只在一定光强下才能工作，因此，即使电压幅值很高的干扰，由于没有足够的能量而不能使二极管发光，从而被抑制掉。

光耦合器的输入端与输出端的寄生电容极小，一般仅为0.5～2PF，而绝缘电阻又非常大，通常为10~10Ω，因此光耦合器一边的各种干扰噪声都很难通过光耦合器馈送到另一边去。

8、什么叫“共地”?什么叫“浮地”?各有何优缺点?

答：如果系统地与大地绝缘，则该系统称为浮地系统。浮地系统的系统地不一定是零电位。如果把系统地与大地相连，则该系统称为共地系统，共地系统的系统地与大地电位相同。

111356这里所说的“大地”就是指地球。

常用的工业电子控制装置宜采用共地系统，它有利于信号线的屏蔽处理，机壳接地可以免除操作人员的触电危险。浮地的优点是明显地加大系统的信号放大器公共线与地(或外壳)之间的阻抗，阻断干扰电流的通路，减少了共模干扰电流。缺点是设备不与大地连接，容易出现静电积累现象，增加操作人员的触电危险。

9、何谓“共模干扰”?何谓“差模干扰”?应如何克服? 答：“共模干扰”是相对于公共的电位基准点，在系统的接收电路的两个输入端上同时出现的干扰。“差模干扰”是指能够使接收电路的一个输入端相对于另一输入端产生电位差的干扰。由于这种干扰通常与输入信号串联，因此也称之为“串模干扰”。

在电路两个输入端对地之间出现的共模噪声电压Ucm，将在输出端形成与输出信号电压

Uos存在的形式相同的电压Uon，其值为

Uon?Ucm?Kc?Ucm?Kd

CMRR由上式可见，要抑制共模干扰，必须从两方面着手，一方面要设法减少共模电压Ucm，另一方面要设法减少共模增益Kc或提高共模抑制比CMRR。主要技术有：接地技术、屏蔽技术、隔离技术、浮置技术、浮动电容切换法等。

抑制差模干扰的主要技术有：频率滤波法、积分法、电平鉴别法、脉宽鉴别法等。

10、如何抑制来自电源与电网的干扰?

答：采用电源滤波和退耦技术、采用不间断电源和开关式直流稳压电源、系统分别供电和采用电源模块单独供电、供电系统馈线要合理布线。

11、在印制电路板上用地线隔开输入与输出线能抑制干扰吗?为什么?

答：能。由于输出线平行于输入线，存在寄生电容，将引起寄生耦合。输入线和输出线用地线隔开后，起到屏蔽作用，消除了寄生电容和寄生反馈，因此这种布线形式能抑制干扰。

12、何谓软件抗干扰技术?它包括哪些方法?

答：软件抗干扰技术是采样软件的方法消除信号受到的干扰或（和）在系统受干扰后使系统恢复正常运行。软件抗干扰技术包括两方面主要内容，其一是采取软件的方法抑制叠加在模拟输入信号上噪声对数据采集结果的影响，如数字滤波器技术；其二是由于干扰而使运行程序发生混乱，导致程序乱飞或陷入死循环时，采取使程序纳入正规的措施，如软件冗余、软件陷阱、“看门狗”技术。这些方法可以用软件实现，也可以采用软件硬件相结合的方法实现。

14、何谓“指令冗余”？何谓“软件陷阱”?

答：为了使“乱飞”程序在程序区迅速纳入正轨，应该多用单字节指令，并在关键地方人为地插入一些单字节指令NOP，或将有效单字节指令重写，称之为“指令冗余”。

“软件陷阱”就是用引导指令强行将捕获到的乱飞程序引向复位入口地址0000H，在此处将程序转向专门对程序出错进行处理的程序，使程序纳入正轨。

15、何谓“看门狗”技术?有哪些实现方法?

答：PC受到干扰而失控，引起程序乱飞，也可能使程序陷入“死循环”。为使失控的程序摆脱“死循环”的困境，通常采用“看门狗”技术(Watchdog)。“看门狗”技术(Watchdog)实质上是程序监视技术。测控系统的应用程序往往采用循环运行方式，每一次循环的时间基本固定。“看门狗”技术就是不断监视程序循环运行时间，若发现时间超过已知的循环设定时间，则认为系统陷入了“死循环”，然后强迫程序返回到0000H入口，在0000H处安排一段出错处理程序，使系统运行纳入正规。

“看门狗”技术既可由硬件实现，也可由软件实现，还可由两者结合来实现。

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