发布时间 : 星期二 文章第二章 思考题与习题更新完毕开始阅读3a07b0c7227916888586d7b8
器。当被测信号变化较快时，应相应改变网络参数，以适当减小时间常数。
②当尖峰型串模干扰成为主要干扰源时，用双积分式或Σ-Δ调制式A/D转换器可以削弱串模干扰的影响。因为此类转换器是对输入信号的积分值进行测量，而不是测量信号的瞬时值。若干扰信号是周期性的而积分时间又为信号周期或信号周期的整数倍，则积分后干扰值为零，对测量结果不产生误差。
③对于串模干扰主要来自电磁感应的情况下，对被测信号应尽可能早地进行前置放大，从而达到提高回路中的信号噪声比的目的；或者尽可能早地完成模/数转换或采取隔离和屏蔽等措施。
④从选择逻辑器件入手，利用逻辑器件的特性来抑制串模干扰。
⑤采用双绞线作信号引线的目的是减少电磁感应，并且使各个小环路的感应电势互相呈反向抵消。选用带有屏蔽的双绞线或同轴电缆做信号线，且有良好接地，并对测量仪表进行电磁屏蔽。
即：根据串模干扰频率采用恰当的输入滤波电路削弱干扰信号的影响，采用高品质的A/D转换器减小转换误差，尽可能早地进行前置放大提高回路中的信号噪声比或者尽可能早地完成模/数转换或采取隔离和屏蔽以及电磁屏蔽和良好的接地等措施。
共模干扰是在电路输入端相对公共接地点同时出现的干扰，也称为共态干扰、对地干扰、纵向干扰、同向干扰等。共模干扰主要是由电源的地、放大器的地以及信号源的地之间的传输线上电压降造成的。
共模干扰的抑制方法： ①变压器隔离
利用变压器把模拟信号电路与数字信号电路隔离开来，也就是把模拟地与数字地断开，以使共模干扰电压Ｕcm不成回路，从而抑制了共模干扰。另外，隔离前和隔离后应分别采用两组互相独立的电源，切断两部分的地线联系。
②光电隔离
光电耦合器是由发光二极管和光敏三极管封装在一个管壳内组成的，发光二极管两端为信号输入端，光敏三极管的集电极和发射极分别作为光电耦合器的输出端，它们之间的信号是靠发光二极管在信号电压的控制下发光，传给光敏三极管来完成的。
③浮地屏蔽
采用浮地输入双层屏蔽放大器来抑制共模干扰，如图所示。这是利用屏蔽方法使输入信号的“模拟地”浮空，从而达到抑制共模干扰的目的。 ④采用仪表放大器提高共模抑制比
仪表放大器具有共模抑制能力强、输入阻抗高、漂移低、增益可调等优点，是一种专门用来分离共模干扰与有用信号的器件。
仪表放大器将两个信号的差值放大。抑制共模分量是使用仪表放大器的唯一原因 。
即：采用仪表放大器做信号前置放大、采用隔离技术将地电位隔开、利用浮地屏蔽等 2.23 滤波的作用是什么？硬件滤波和数字滤波各有何特点？
答：滤波的作用：由于工业控制对象的环境一般比较恶劣，干扰源较多，如强电磁场干扰、环境温度变化较大等，因此为了减少对采样值的干扰，提高系统的性能。
为了抑制干扰信号，通常在信号入口处采用RC低通滤波器（硬件滤波）。它能抑制高频干扰信号，但对低频干扰信号的滤波效果较差。
数字滤波，就是通过一定的计算程序减少干扰信号在有用信号中的比重。数字滤波克服了模拟滤波器的不足，它与模拟滤波器相比有以下几个优点：
(1)由于数字滤波是用程序实现的，因而不需要增加硬件设备，很容易实现。同时，多
个输入通道还可以共用一个滤波程序。
(2)由于数字滤波不需要硬件设备，因而可靠性高,稳定性好，各回路之间不存在阻抗匹配等问题。
(3)数字滤波可以对频率很低的信号实现滤波，克服了模拟滤波器的缺陷。
(4)通过改写数字滤波程序，可以实现不同的滤波方法或调整滤波参数，它比改变模拟滤波器的硬件方便得多。
2.24 常有数字滤波有几种方法？各有何特点和用途？ 答：1.程序判断滤波
当采样信号由于随机干扰、误检或者变送器不稳定等原因引起严重失真时，可以采用程序判断滤波。程序判断滤波的方法是，根据经验确定出两次采样输入信号可能出现的最大偏差ΔY，若相邻两次采样信号的差值大于ΔY，则表明该采样信号是干扰信号，应该去掉；若小于ΔY，则表明没有受到干扰，可将该信号作为本次采样值。程序判断滤波根据滤波方法不同，可分为限幅滤波和限速滤波两种。 1) 限幅滤波
所谓限幅滤波，就是把相邻两次采样值相减，求出其增量的绝对值，然后与最大允许偏差ΔY进行比较，如果小于或等于ΔY，则取为本次采样值；若大于ΔY，则仍取上一次的采样值作为本次的采样值，即：
| Yn-Yn-1 |≤ΔY，则Yn＝Yn |Yn-Yn-1 |＞ΔY，则Yn＝Yn-1
式中，Yn为第n次采样值，Yn-1 为第n-1次采样值。 2)限速滤波
设相邻的采样时刻t1，t2，t3的采样值为Y1，Y2，Y3，则限速滤波的算法为： 若|Y2-Y1|≤ΔY，则以Y2作为滤波输出值;
若|Y2-Y1|＞ΔY，则不采用Y2，但仍保留其值，再取第三次的采样值Y3; 若|Y3-Y2|≤ΔY，则以Y3作为滤波输出值;
若|Y3-Y2|＞ΔY，则以(Y3+Y2)/2作为滤波输出值。
限速滤波是一个折中方案，既照顾了滤波输出值的实时性，又照顾了其变化的连续性。程序判断滤波可以用于变化比较缓慢的参数，如温度、液位等。其关键在于最大允许误差ΔY的选取，ΔY太大，干扰会“乘机而入”，ΔY太小，又会使某些有用的信号被“拒之门外”，使采样效率变低。通常ΔY根据经验数据获得，必要时可由实验得出。
适用对象：对偶然脉冲干扰信号有良好的滤波效果。 2.中值滤波
中值滤波是指对被测参数连续采样n次(n≥3，且为奇数)，再将这n个采样值从小到大(或从大到小)排序，最后取中间值作为本次采样值。
中值滤波能有效地滤去脉动性质的干扰，对变化缓慢的被测参数有良好的滤波效果，但对快速变化过程的参数则不宜使用(如流量)。程序中只要改变n值，就可以对任意采样值进行中值滤波。一般来说，n值不宜取得过大，否则滤波效果反而不好，且总的采样控制时间增加，所以n值一般取3～5即可。
适用对象：中位值滤波对偶然脉冲干扰信号有良好的滤波效果。 3.算术平均值滤波
算术平均值滤波是要寻找一个Y，它与N个采样值Xi之间误差的平方和E为最小，即
N
E?min[(Y?Xi)2] i?1
?其中N为采样次数。根据极值原理得 1NY?Xi Ni?1该方法是把N次采样值进行相加，然后取其算术平均值为本次采样值。
算术平均值法适用于对压力、流量等周期脉动信号的平滑，这种信号的特点是往往在某一数值范围附近作上、下波动，有一个平均值。这种算法对信号的平滑程度取决于平均次数N，当N较大时平滑度高，但灵敏度低；当N较小时，平滑度低，但灵敏度高，应该视具体情况选取N值。对于一般流量，通常取N=12；若为压力，则取N=4。
适用对象：算术平均值滤波主要适用于对压力、流量等周期脉动的采样值进行平滑加工，但对于脉冲性干扰信号的平滑效果欠佳。 4.加权平均滤波
在算术平均滤波中，N次采样值在结果中所占的比重是均等的，即每次采样值具有相同的加权因子1/N。但有时为了提高滤波效果，往往对不同时刻的采样值赋以不同的加权因子。这种方法称为加权平均滤波法，也称滑动平均或加权递推平均。其算法为
n?1
Yn?aiXn?in?1 i?00?ai?1ai?1其中 i? 0
加权因子选取可视具体情况决定，一般采样值愈靠后，赋予的比重越大，这样可增加新的采样值在平均值中的比例，系统对正常变化的灵敏性也可提高，当然对干扰的灵敏性也稍大了些。
适用对象：加权平均值滤波法适用于纯迟延较大的被控对象。 5. 防脉冲干扰平均值滤波(复合滤波)
前面介绍的算术平均值滤波法和中值滤波法各有优缺点，前者不易消除由于脉冲干扰而引起的采样值偏差，而后者由于采样点数的限制，其应用范围缩小。但将二者结合，即可取长补短，即先用中值滤波原理滤除由于脉冲引起的干扰，再把剩下的采样值进行算术平均，以得出防脉冲干扰平均值法。其原理可用下式表示：若x1≤x2≤…≤xN(3≤N≤14)，则 Y=(x2+x3+…+xN-1 )/(N-2)
可以肯定，这种方法兼容了算术平均值法和中值滤波法的优点。它既可以去掉脉冲干扰，又可以对采样进行平滑加工，在快、慢速系统中它都能削弱干扰，提高控制质量。当采样点数为3时，它便是中值滤波。 6.惯性滤波（一阶低通滤波器）
算术平均值法滤波属于静态滤波，主要适用于变化比较快的参数，如压力、流量等。对于慢速随机变化的参数，采用在短时间内连续采样求平均值的方法，其滤波效果不太好。在这种情况下，通常采用动态滤波方法，如一阶滞后滤波法，其表达式为 Yn=(1-α)Xn+αYn-1
式中,Xn为第n次采样值；Yn-1 为上次滤波输出值；Yn为第n次采样后的滤波输出值；α为滤波平滑系数， α≈τ/(τ+T)；τ为滤波环节的时间常数；T为采样周期。
通常，采样周期T远小于滤波环节的时间常数τ，τ和T的选择可根据具体情况确定，只要使被滤波的信号不产生明显的波纹即可。 一阶滞后滤波也称为惯性滤波，适用于波动频繁的工艺参数滤波，它能很好地消除周期性干扰，但也带来了相位滞后，滞后相位角度的大小与α的选择有关。
适用对象：惯性滤波法适用于高频及低频干扰信号。
2.25 某热处理炉温度变化的范围为0～1350℃，经温度变送器变换为1～5V电压输入AD574A，AD574A的输入范围为0～10V。当t=kT时，AD574A的转换结果为56AH，问
???此时炉内的温度为多少度？
解：注意：Y0 、N0 、Ym、Nm对应值及与A/D转换范围的对应关系
由已知条件得：Y0=0℃，Ym=1350℃，Nx=56AH=(1386)10 ；AD574A的输入范围为0～10V 时，输出为000H～FFFH，则Nm= 4095×5/10=2047.5 ； N0为=4095×1/10=409.5；因此，根据公式，此时的温度为：
Yx?Y0?(Ym?Y0)Nx?N01386?409.5?0?(1350?0)??804.81?CNm?N02047.5?409.5