CC BY
398
Волков С.В., Чапаев В.С. ПОВЫШЕНИЕ ПОМЕХОЗАЩИЩЕННОСТИ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ
В статье приведена обобщенная классификация существующих методов повышения помехозащищенности средств измерений (СИ) и применяемых для этой цели фильтров. Рассмотрены пути повышения помехозащищенности СИ и методы защиты СИ от помех.
Повышение помехозащищенности средств измерений (СИ) можно осуществить тремя основными путями
[1]. Первый из них объединяет методы воздействия на источники помех, т.е. предусматривает подавление помех в самом источнике их возникновения. Второй путь объединяет методы, направленные на уменьшение возможности проникновения помех в измерительные цепи СИ путем устранения паразитных связей СИ с источниками помех. В обоих случаях эффективность методов защиты СИ от помех зависит от конкретных условий и тщательности их реализации. Однако, полностью устранить проникновение помех в измерительную цепь не удается. Поэтому на практике широко используется (в комплексе с двумя упомянутыми) и третий путь повышения помехозащищенности СИ, объединяющий методы, уменьшающие воздействие помехи на результат измерения. Эти методы базируются на использовании тех или иных различий (спектральных, временных, фазовых и т.п.) полезного сигнала и помехи. В отличие от методов защиты они названы методами повышения помехоустойчивости СИ [1].
Таким образом, помехозащищенность СИ обуславливается двумя аспектами: методами защиты от помех и методами повышения помехоустойчивости СИ.
Основные принципы реализации методов защиты СИ от помех включают:
ослабление паразитных гальванических, емкостных, индуктивных и электромагнитных связей между элементами схемы СИ, между схемой и окружающими предметами или землей;
уменьшение разности потенциалов между защищаемой измерительной схемой или ее частью и окружающими предметами;
создание токам утечки таких путей, при которых они не проходили бы через части схемы, наиболее чувствительные к влиянию утечек (компараторы, большие сопротивления), и перенесение емкостных связей к таким точкам схемы, где влияние этих связей минимально.
Для реализации указанных принципов применяются следующие основные меры: скрутка проводов со-
единительных линий; заземление схемы в специально выбранной точке; экранирование; симметрирование; гальваническое разделение (изоляция) элементов схемы между собой и влияющими цепями; компенсация помех.
Основными методами повышения помехоустойчивости СИ являются фильтрация измерительных сигналов, статистическая обработка результатов измерений, компенсация и усреднение помех за конечный интервал времени. Обобщенная структурная схема классификации методов повышения помехозащищенности СИ приведена на рис.1.
Рис. 1
Наиболее эффективным из методов повышения помехоустойчивости СИ является метод фильтрации, основанный на различии спектров полезного сигнала и помехи.
Согласно схеме рис.1 методы защиты СИ от помех включают в себя устранение паразитных связей с источниками помех и подавление помех в источнике их возникновения. Наиболее подвержены воздействию помех линии связи «датчик - измерительный преобразователь». С ростом расстояния, на которое передается сигнал, неизбежно падает отношение «сигнал-шум». Поэтому непосредственная передача сигналов по проводам и кабелям ограничена сравнительно малыми дистанциями.
На расстояния более 500м информация должна передаваться с использованием специального кодирования, частотной модуляции и других специальных мер защиты. В пределах объекта (цеха, участка, установки) лучше всего использовать связи с дифференциальными двухпроводными линиями и передачу токовыми сигналами. При этом надо учесть уровни ослабления помех для нижних частот при различных способах экранирования, ориентировочные относительные значения которых даны на рис.2 [2]. На рис.
3 представлены варианты схем помехоустойчивой связи.
Рис.3
При прокладке линий связи следует учесть, что существуют три основных типа наводимых помех
[2]:
а) помехи от сети и силового оборудования. Это типичные индуктивные помехи ближнего электромагнитного поля. Их интенсивность зависит от порождающего поле тока и от площади контура, образуемого проводниками, пересекаемыми полем. Поэтому основной метод борьбы с сетевыми помехами — уменьшение числа замкнутых контуров с малыми полными сопротивлениями (особенно опасны контуры в шине земли). При скрутке проводов дифференциальной пары (или сигнального провода с земляным) не только минимизируется площадь контура, но и провода на каждом участке скрутки оказываются ориентированными в разные стороны по отношению к помехе;
б) электрические или емкостные помехи. Эти помехи часто вызываются емкостными связями между проводниками самой системы. Плоскостное расположение элементов, плоские многожильные жгуты (выпускаемые в готовом виде) и простейшее экранирование заземленными металлическими экранами обычно достаточно эффективны.
При малых расстояниях между параллельно установленными печатными платами с быстродействующими цифровыми элементами фронты переключений этих элементов «пролезают» с платы на плату в виде ко-
ротких импульсов — «иголок». Лучший способ борьбы с этим явлением — установка между монтажными платами экранирующих плат из фольгированного текстолита с заземленным слоем фольги. Если линия служит для управления мощными импульсными устройствами, например шаговыми двигателями, силовыми реле и т. п., то помимо помех, попадающих с линии, много проблем возникает с помехами от самих этих устройств. В этих условиях следует использовать оптронную гальваническую развязку на соответствующих логических выходах. Имеются серийные логические элементы с оптронными парами на входе (например, К2 62). Пример использования такой схемы дан на рис. 3,а. [2]. В этой схеме гарантиру-
ется замыкание любых токов нагрузки в контуре ее источника питания Ен. На рис.3.,б дан пример использования оптронной пары для связи локального измерительного устройства с центральным процессором. Так же как и в схеме рис.3.,а, здесь передача логических уровней ведется фактически током, и контуры токов источника сигнала и приемного устройства замыкаются независимо. При организации связей надо предельно внимательно относиться к разъемам. У лучших типов сигнальных разъемов пружинные контакты розеток выполняются в виде не одной пластины, а ряда параллельных тонких пружинок, поэтому обеспечивается множество контактных точек в каждом соединении. Тем не менее окисная пленка может все равно препятствовать прохождению сигналов низкого уровня и вносить в цепь термо-ЭДС. Поэтому желательно использовать для сигналов низкого уровня разъемы с золочеными контактами.
Прохождение высокочастотных сигналов низкого уровня через разъемы можно облегчить, пропуская через тот же контакт в одном направлении постоянный ток силой 0,5-1 мА.
в) Высокочастотные радиопомехи от ближних телевизионных станций, радиоаппаратуры, рентгеновских установок и т. п. Их уровень зависит от длины проводов-антенн. Экранирование здесь обычно малоэффективно, и лучший способ борьбы с ними - установка на длинные провода ферритовых колец с высокой магнитной проницаемостью. Заметим, что на частотах до сотен килогерц такие ферритовые кольца не влияют на работу самой схемы. При использовании экранированных кабелей следует учитывать большую емкость, вносимую ими и нагружающую источник сигнала. Один из способов уменьшения влияния емкости кабеля при передаче сигналов — введение следящей связи по экрану - показан на рис.3,в [2 ]. Ещё два полезных способа передачи и приема сигналов в линиях связи также даны на рис.3. На рис.3,г показано правильное подключение нагрузки (в частности, мощного реле, искателя, обмотки шагового двигателя) к системе. Каскад усиления мощности располагается у источника сигнала, а не у нагрузки, поэтому последняя фактически управляется током, а не напряжением. При индуктивной нагрузке необходим диод для демпфирования выброса, показанный на схеме. На рис.3,д изображена схема организации связи для логических или ЧИМ-сигналов с использованием дифференциальной пары, в которой могут использоваться обычные ТТЛ- или ТТЛШ-схемы и быстродействующий компаратор. Установка резисторов на приемном конце обязательна: витая пара действует как длинная линия с волновым сопротивлением около 10 0-2 0 0 Ом, и резисторы устраняют возможные отражения. К линиям связи нельзя непосредственно присоединять тактируемые элементы (триггеры, одновибраторы и т. п.), они обязательно должны отделяться от линии буферными каскадами.
Для уменьшения уровня помех во входных цепях измерительного преобразователя (ИП) часто применяют различного рода RLC-фильтры. Теория фильтрации сигналов и методы построения фильтров в настоящее время весьма развиты. Существует очень большое число различных видов фильтров. Приведем обобщенную классификацию наиболее типичных фильтров по различным признакам рис.4. В настоящей классификации не представлены нелинейные фильтры, т.е. фильтры, для которых не выполняется принцип суперпозиции и нестационарные фильтры, особенностью которых является то, что их импульсная характеристика представляет собой функцию двух или более аргументов (реакция фильтра на входной 8-импульс зависит не только от времени, прошедшего с момента приложения этого 8-импульса, но также и от момента прихода этого импульса, определяемого относительно некоторого начала отсчета). Нестационарные фильтры в ряде простых случаев могут быть сведены к стационарным. Например, усредняющий фильтр, производящий однократное интегрирование сигнала за некоторый ограниченный промежуток времени, может рассматриваться как вариант фильтра со скользящим усреднением. Методы аналоговой фильтрации в основном базируются на использовании активных фильтров, которые, согласно классификации рис.4, представляют собой аналоговые непрерывные фильтры с бесконечной импульсной характеристикой (БИХ-фильтры). Передаточные функции активных фильтров описываются в общем случае отношением двух операторных полиномов. Аппроксимация характеристик активных фильтров сводится к выбору таких коэффициентов этих полиномов, которые обеспечивают наилучшее в том или ином смысле приближение к желаемой амплитудно-частотной (АЧХ) или фазо-частотной (ФЧХ) характеристике фильтра. Наиболее широко применяются следующие типы активных фильтров, отличие которых друг от друга обусловлено различным подходом к нахождению наилучшей аппроксимации: фильтры Баттерворта, Чебышева, инверсный Чебышева, Кауэра (эллиптический), Бесселя.
Достоинством аналоговых фильтров (как активных, так и пассивных) является простота реализации. Основной недостаток этих фильтров состоит в том, что достижение высокой степени подавления помех сопровождается увеличением времени установления выходного сигнала (импульсная переходная функция аналогового фильтра принципиально бесконечна). Поэтому они используются в измерительных каналах только тогда, когда заданное быстродействие не является ограничивающим фактором, или в комбинации с другими средствами фильтрации. Например, как известно, АЧХ цифровых фильтров обладают свойством периодичности. Поэтому, если спектр входного сигнала занимает полосу превышающую, период повторения АЧХ цифрового фильтра, то высокочастотные составляющие спектра входного сигнала воспринимаются таким фильтром как низкочастотные (явление это имеет ту же природу, что и стробоскопический эффект). В результате сигнал на выходе искажается, желаемый эффект фильтрации не достигается. В таких случаях обычно применяют комбинацию аналогового и цифрового фильтров, при этом предварительно стоящий аналоговый фильтр подавляет не интересующие экспериментатора высокочастотные составляющие фильтруемого сигнала.
От указанного выше недостатка аналогового фильтра (низкое быстродействие) свободны дискретизаторы и дискретные фильтры, которые при определенных условиях обладают конечной импульсной переходной функцией (или, что то же, конечной длительностью переходного процесса), что и обусловило их преимущественное применение для повышения помехоустойчивости цифровых средств измерений (ЦСИ). Как правило, дискретизатор и дискретный фильтр реализуются в рамках структуры ЦСИ [3] , причем, учитывая, что входная величина ЦСИ является аналоговой и чаще всего непрерывной, а выходная -квантованной и дискретизированной, в любом случае дискретизатор является обязательным составным звеном структуры ЦСИ.
Теория синтеза весовых функций (ВФ) для обеспечения заданных частотных свойств средств фильтрации и методов их реализации развита в работах по цифровой фильтрации, в которых весовые функции принято называть окнами. Из множества возможных видов ВФ для повышения помехоустойчивости ЦСИ преимущественное применение нашли так называемые ступенчатые весовые функции (СВФ), как наиболее просто реализуемые на практике и в то же время обеспечивающие широкие возможности в плане решения рассматриваемой задачи. В основе построения помехоустойчивых ЦСИ, реализующих СВФ, лежат те же идеи, что и при построении нерекурсивных (без обратных связей) цифровых фильтров, т.е. процесс фильтрации сводится к сложению ряда последовательных дискретизированных значений фильтруемого сигнала с некоторыми весовыми коэффициентами, определяемыми видом воспроизводимой ВФ.
Достоинством цифровых методов фильтрации является возможность получения высокой степени подавления периодической помехи при небольшой девиации значения ее частоты. Недостатком является сложность практической реализации, что обуславливает применение цифровых методов борьбы с помехами только в ЦСИ.
Применяемый метод усреднения помехи нормального вида за определенный интервал времени преобразования является одним из наиболее перспективных. Расчеты показывают, что при допускаемом отклонении на 1% от номинальной частоты сети (ГОСТ 12997-76), даже без учета появляющегося при этом влияния фазы помехи фп, степень подавления сетевой помехи нельзя сделать больше 4 0дб. Следовательно, весьма актуальными являются любые дополнительные меры по повышению помехоустойчивости. Кроме того, даже при усреднении только за один период сетевой помехи (2 0мс), быстродействие ЦСИ практически нельзя сделать больше чем 2 0-25 измерений в секунду, что в ряде случаев недостаточно. Это обстоятельство вызывает необходимость поиска дополнительных способов повышения быстродействия СИ при одновременном сохранении достаточно высокой помехоустойчивости.
Известны и другие способы усреднения помехи, изложенные в литературе, например, способ параллельного интегрирования позволяет повысить быстродействие ИП за счет сокращения интервала интегрирования. Способ весового интегрирования позволяет получить большую степень подавления помехи. Расчеты показывают, что для диапазона частот 49-51Гц степень подавления помехи Рн составляет не менее 60дб, а при использовании системы автоподстройки частоты может быть повышена до 100дб. Данные схемы при высокой степени подавления помех имеют существенный недостаток: сложность практической реализации.
В методе компенсации для получения высокой степени подавления помехи требуется создание отдельного канала для выделения помехи. Выделенная помеха затем с обратным знаком подается в основной канал измерения для компенсации наложенной на информационный сигнал помехи. В данном методе представляет трудность выделение составляющей помехи, особенно, если спектры сигнала и помехи перекрываются. Кроме того не учитывается фазовый сдвиг помехи, вносимый полосовым фильтром, поэтому степень подавления помехи в данном случае будет невысокой. Основное достоинство такой схемы - простота практической реализации.
Дальнейшее развитие метод компенсации помех получил в схемах, учитывающих фазовые соотношения помехи ед и информационного сигнала их [4]. Фазовую компенсацию наводимых помех можно отнести к одному из методов компенсации в приведенной ранее классификации повышения помехозащищенности СИ. Суть данного метода и основное отличие его от традиционного способа компенсации (создание отдельного канала для выделения помехи) состоит в учете фазовых соотношений помехи и информационного сигнала. В качестве полосового фильтра целесообразно использовать фазовое звено, настроенное на частоту помехи. При этом информационный сигнал и сигнал помехи будут приобретать разные фазовые сдвиги в фазовом звене.
Обобщенная структурная схема предлагаемого метода компенсации помех представлена на рис.5. Для компенсации высокочастотных помех используется фазоопережающее звено ФЧХ рис.6,а, для низкочастотных помех - фазозапаздывающее звено ФЧХ рис. 6, б, при условии ^>>^, либо соответ-
ственно, где ]!п - частота помехи, 1с - частота информационного сигнала.
ф
о
-180 о
Рис. 6,а Рис. 6,б
Использование фазовых звеньев второго порядка с ФЧХ, представленной на рис.7, позволяет реализовать фильтр информационного сигнала с высокой регулируемой добротностью. Подобный фильтр применяется в случае, когда соизмерима с ]!п.
Ф
180°
0
Рис. 7
Основным достоинством данного метода компенсации являются минимальные фазовые, а при соответствующих весовых коэффициентах алгебраического сумматора, и амплитудные искажения информационного сигнала при высокой степени подавления помехи. Простота реализации и минимальные искажения дают возможность использовать данный метод в измерительных преобразователях замкнутого типа. Применением фазового звена второго порядка на конверторах полного сопротивления с ФЧХ рис.7 возможно подавление гармонической помехи при произвольной форме информационного сигнала. При этом фазовое звено настраивается на частоту помехи
ЛИТЕРАТУРА
1. Шахов Э.К. Повышение помехоустойчивости цифровых средств измерения. -Пенза: Пенз. политехн,
ин-т, 1983.
2. Гальперин М.В. Электронная техника. -М.: ФОРУМ-ИНФРА-М, 2003.
3. Шляндин В.М. Цифровые измерительные устройства. -М.: Высшая школа, 1981.
4. Волков С.В. Фазовый метод компенсации аддитивных периодических помех // Информационноизмерительная техника: Межвуз. сб. научн. тр. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2 0 0 0.
