《電氣與電子測量技術(shù)（第3版）》 課件 第7、8章 虛擬儀器與LABVIEW、抗干擾技術(shù)

虛擬儀器簡介Page

.虛擬儀器的基本概念儀器概念的轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)儀器廠商定義功能虛擬儀器用戶定義功能Page

.虛擬儀器（簡稱VI，Virtual

Instruments）是在以通用計算機為核心的硬件平臺上，由用戶設(shè)計定義，具有虛擬面板，測量功能由測量軟件實現(xiàn)的一種計算機儀器系統(tǒng)。計算機－心臟軟件－靈魂!虛擬儀器的基本概念Page

.VI平臺結(jié)構(gòu)計算機儀器硬件（I/O接口設(shè)備）應(yīng)用軟件系統(tǒng)軟件開發(fā)軟件VI的構(gòu)成方式傳感器、調(diào)理電路、PC-DAQ、GPIB儀器、串口儀器、VXI模塊……….基于文本的

語言：C、VC、Labwindows/CVI基于圖形的編程語言：Labview、HpVEE計算機操作系統(tǒng)Page

.VI的構(gòu)成方式GPIBSerialDAQVXIImageAcquisitionMotionProcess

Control

PXIorUnit

UnderTest應(yīng)用軟件硬件平臺計算機I/O接口設(shè)備CVILabVIEWPage

.VI與傳統(tǒng)儀器的比較VI是計算機技術(shù)與現(xiàn)代測量技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物！Page

.VI與傳統(tǒng)儀器的比較傳統(tǒng)儀器虛擬儀器功能由儀器廠商定義功能由用戶自己定義與其它儀器設(shè)備的連接十分有限可方便地與網(wǎng)絡(luò)外設(shè)及多種儀器連接圖形界面小，人工讀取數(shù)據(jù)，信息量小界面圖形化，計算機直接讀取數(shù)據(jù)分析處理數(shù)據(jù)無法編輯數(shù)據(jù)可編輯、存儲、打印硬件是關(guān)鍵部分軟件是關(guān)鍵部分價格昂貴測量功能軟件化、多樣化，性價比高系統(tǒng)封閉、功能固定、可擴展性差基于計算機技術(shù)開放的功能模塊可構(gòu)成多種儀器技術(shù)更新慢技術(shù)更新快開發(fā)和維護(hù)費用高基于軟件體系的結(jié)構(gòu)可大大節(jié)省開發(fā)費用Page

.LabVIEW是Laboratory

Virtual

Instrument

EngineeringWorkbench的首字母縮寫，是National

Instruments推

出的一個圖形化的軟件開發(fā)環(huán)境。由于虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展，使得LabVIEW的應(yīng)用變得越來越廣泛；反過來，也是因為

LabVIEW的成功，使得

虛擬儀器的概念在學(xué)術(shù)界和工程界被廣泛接受。VI軟件開發(fā)平臺——LabVIEW簡介Page

.從數(shù)據(jù)采集設(shè)備中采集數(shù)據(jù)：通過通信口連接計算機儀器通信和控制；VESA模塊支持多種通信口從傳感器中采集數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)采集卡直接連接計算機PCI總線處理和分析測量數(shù)據(jù)；設(shè)計圖形化用戶界面；將測量數(shù)據(jù)保存在文件中；將LabVIEW與其他軟件程序結(jié)合使用。VI軟件開發(fā)平臺——LabVIEW功能電氣測量中的抗干擾技術(shù)Page

.干擾三要素+干擾源耦和途徑受擾對象典型的電氣干擾1.電壓型干擾源空間電容附近的導(dǎo)體2.電流型干擾源空間互感附近的回路看不見的分布參數(shù)+干擾性質(zhì)？？重新認(rèn)識分布電容、空間電感Page

.分布電容——無處不在卻不可見分布電容耦合模型：干擾源導(dǎo)體極板——介質(zhì)——受擾導(dǎo)體舉例：√線對板：高壓導(dǎo)線對大地√線對線：電氣設(shè)備內(nèi)部不同帶電導(dǎo)線之間√線對點：帶電端子與周圍導(dǎo)線；集成電路管腳與周圍布線√點對點：不同電位的帶電端子之間；集成電路相鄰管腳之間量化估算（空氣介質(zhì)）：大多數(shù)情況下都在pFPage

.自感和互感定義式物理意義自感系數(shù)L單位電流所產(chǎn)生的與電流回路自身鉸鏈的磁鏈大小對于干擾源，希望L1小，意味著回路所產(chǎn)生的磁場干擾小，例如：對折的電流回路基本不對附近的回路有磁干擾互感系數(shù)M單位電流所產(chǎn)生的能被其它閉合回路所交鏈的磁鏈大小低互感M

意味著受擾回路對電流I1產(chǎn)生的磁場不敏感Page

.對互感M的再認(rèn)識M=kS結(jié)

論減小感應(yīng)回路的面積S，是減小M

的最有效辦法。盡可能減小受擾電路的面積可以實現(xiàn)低互感回路。單匝測量回路的感應(yīng)電動勢空氣耦合的線性磁路B=ki互感系數(shù)MPage

.以直線電流產(chǎn)生的磁場為例空間互感M大小的估算直線電流I對測量回路S的互感目錄1電容耦合及其抗干擾對策2磁場耦合及其抗干擾對策3共阻抗耦合及抗干擾對策4共模干擾及其對策5測量系統(tǒng)輸入級的兩點接地目錄1電容耦合及其抗干擾對策2互感耦合及其抗干擾對策3共阻抗耦合及抗干擾對策4共模干擾及其對策5測量系統(tǒng)輸入級的兩點接地6濾波器Page

.電壓型干擾機理探秘浮地的參考端干擾源①脈沖功率電壓，俗稱“動點”②交流高電壓耦和途徑——分布電容受擾對象——附近的導(dǎo)體干擾性質(zhì)√穿透分布電容的共模電流ic（右圖紅虛線）常見“動點”舉例動點——電容耦合型干擾的主要干擾源之一電路中某個節(jié)點對周圍導(dǎo)體的電壓呈現(xiàn)為周期性功率脈沖電壓，其du/dt值很高，俗稱“動點”Boost電路逆變H橋反激式開關(guān)電源功率開關(guān)電路du/dt可達(dá)103/usPage

.估算穿透分布電容介質(zhì)的電流電路類型

特殊因素估算ic（分布電容為10pF）正弦穩(wěn)態(tài)電路

高電壓可達(dá)106V=106ic=U

C314

10

10-12=3.14mAic=C

du/dt=1010-12109=1mA*電子電路中的工作電流和信號電流都在mA級Page

.減小干擾源導(dǎo)體面積線-線型干擾避免平行布置有效面積更多可能？抗干擾對策之一優(yōu)化布局設(shè)計減小耦合電容減小受擾導(dǎo)體的PCB布局設(shè)計中濃

縮“動點”的面積，相當(dāng)于減小耦合電容的極板1面積相當(dāng)于減小耦合電容的極板2面積相當(dāng)于減小耦合電容的有效面積Page

.抗干擾對策之二——共模電流的濾波疏堵并舉，圍剿共模電流疏：兩個Y電容CY是共模電流的低阻泄洪通道堵：共模電感只對共模電流呈高阻抗共模電感的特點①對共模電流高阻抗②對差模電流（負(fù)載電流）無感抗知識擴展：單級EMC濾波器典型電路CX、CY為安規(guī)電容共模電感僅對共模電流呈現(xiàn)高電抗，對工作電流零電抗EMC濾波器常常用于交流電網(wǎng)與開關(guān)電源/變頻電源之間（開關(guān)電源/變頻電源常常會產(chǎn)生共模電流）單級EMC濾波器不能覆蓋150K-30MHz的標(biāo)準(zhǔn)頻率范圍Page

.采用導(dǎo)電性能好的導(dǎo)體作為信號電纜和儀器的外殼，并將它們接到一個固定電位上構(gòu)成法拉第籠抗干擾對策之三——用靜電屏蔽層切斷電容耦合信號電纜的屏蔽層只在測量儀器一端接地，而傳感器不接地，防止由于兩點接地引入額外的接地電位差耦合到測量儀器目錄1電容耦合及其抗干擾對策2互感耦合及其抗干擾對策3共阻抗耦合及抗干擾對策4共模干擾及其對策5測量系統(tǒng)輸入級的兩點接地6濾波器Page

.揭秘電流型干擾源之干擾機理干擾源——電流①脈沖功率電流②大交流電流耦和途徑——空間互感受擾對象——附近的回路干擾性質(zhì)——差模電動勢e假設(shè)干擾源為直線電流結(jié)論：減小互感耦合M

的辦法①減小受擾回路面積S②增加距離d③

減小

——磁屏蔽干擾源Page

.抗干擾對策1：從干擾源入手采用對折的電流回路，可大幅度減小回路電流產(chǎn)生的磁輻射敏感的測量儀器/電路應(yīng)置于磁場較弱的區(qū)域電流回路不合理測量電路位置不合理測量回路面積太大Page

.抗干擾對策2：從耦合途徑入手采用磁屏蔽，切斷耦合途徑①用導(dǎo)磁材料（鋼材、鑄鐵、軟磁粉材制成的隔磁片等）保護(hù)敏感的測量儀表/電路②良導(dǎo)體的渦流效應(yīng)也可以屏蔽高頻磁場套磁性外殼前后的電感Page

.抗干擾對策3：從受擾對象入手增強受擾對象的抗干擾能力①盡可能減小敏感回路的感應(yīng)面積②信號線采用屏蔽雙絞線Page

.抗干擾設(shè)計實例-反激開關(guān)電源動點主電流回路與敏感的PWM控制

和反饋回路隔開高du/dt節(jié)點俗稱

“動點”，作為分布電容的干擾極板，盡

可能減小其等效面積，也就減小分布電容PWM控制和反饋回路開關(guān)電流主回路盡可能平行并走，控制合理間隔目錄1電容耦合及其抗干擾對策2磁場耦合及其抗干擾對策3共阻抗耦合及抗干擾對策4共模干擾及其對策5測量系統(tǒng)輸入級的兩點接地6濾波器Page

.共模信號共模電壓：電壓信號中共有的對地電壓分量共模電流：大小、方向相同的電流，與回路工作電流相反CM共模電壓V與差模電壓VDIFF共模電電流ICM與負(fù)載電流ILPage

.常見的共模電壓電橋電路的輸出采樣電流的電阻位于高端(high

side)三相電氣設(shè)備(如電機)的供電回路中逆變電路H橋高端多點接地時出現(xiàn)不同地電位共模電壓Page

.輸入級的兩點接地可能引入額外的共模輸入傳感器和前置放大電路都分別接地，不同接地點之間存在電位差Ug。當(dāng)這個電位差與被測量的信號相比，在幅度上不能忽略時，它就會以共模信號的形式表現(xiàn)出來，并耦合到前置放大電路的輸入端。解決措施：為了避免因兩點接地而造成不必要的共模輸入，一般只在前置放大電路處一點接地，信號源采用差分輸入Page

.共模電壓信號如何轉(zhuǎn)變成差模干擾？總結(jié)：電橋平衡時，當(dāng)放大電路存在輸入失調(diào)時，輸出非零輸出與共模分量大小和輸入阻抗不平衡度成正比假設(shè)電橋平衡，則VC

=VD

=U/2，得下圖：當(dāng)外部阻抗不平衡，即出現(xiàn)：則有：Page

.高共模的另一個危害—阻塞輸入信號“共模六邊形”上點F和C點就是所對應(yīng)的橫坐標(biāo)就是共模阻塞電壓。此時，差模輸入無論多大，都不會在輸出中得到反映。因為此時輸入級晶體管已經(jīng)處于飽和導(dǎo)通或截止?fàn)顟B(tài)。顯然，使用集成儀表放大器時，應(yīng)當(dāng)將共模輸入分量限制在圖中的AB或ED邊線所對應(yīng)當(dāng)?shù)姆秶詢?nèi)。共模輸入對AD623可能的最大輸出電壓的影響Page

.共模電壓的抑制避免不必要的共模的產(chǎn)生，如前置放大電路避免多點接地選用低失調(diào)運放，對稱的電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)如外部阻抗無法保證對稱，可用共模分量去驅(qū)動輸入信號屏蔽層減輕共模的影響Page

.用DataGuard（共模分量）驅(qū)動輸入電纜屏蔽層AD522的