概 述

信號在長傳輸線上傳遞時主要會面臨兩方面的干擾，一是來自系統(tǒng)外的干擾比如空間電磁波耦含干擾，二是來自內(nèi)部的干擾比如傳輸線上的阻抗損耗。因此當(dāng)前行業(yè)內(nèi)都將4-20mA電流環(huán)作為一種廣泛應(yīng)用于信息采集系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)中的信號傳輸標(biāo)準(zhǔn)，電流信號能夠克服電壓信號傳輸中的噪聲干擾、傳輸線路阻抗導(dǎo)致的電壓降以及現(xiàn)場儀表放大器的供電等問題，因此抗干擾能力強的電流信號及具有內(nèi)阻無窮大的電流源特性使得電流傳輸方式成為信號長線傳輸應(yīng)用領(lǐng)域中的最佳選擇。

電流環(huán)電路分為兩線制和三線制兩種基本配置，在兩線制系統(tǒng)中，傳感器和變送器位于現(xiàn)場，由于現(xiàn)場供電困難的原因，一般是接收端利用兩線制的電流環(huán)電路向遠端的現(xiàn)場電流輸出模塊供電，通過供電回路上的電流大小來反映信號的大小，因此兩線制電流環(huán)的應(yīng)用中對于供電的穩(wěn)定性要求較高，供電電源的不穩(wěn)定可能會帶來新的干擾信號。在三線制系統(tǒng)中，額外的一條線用于向現(xiàn)場的變送器提供獨立的工作電壓，通常由監(jiān)控系統(tǒng)提供，這樣的設(shè)計更適用于需要驅(qū)動現(xiàn)場設(shè)備的情況。

雖然兩線制相比于三線制的電流環(huán)，具有系統(tǒng)靜態(tài)工作電流必須小于所要傳輸?shù)淖畹?mA電流的特性，但其具有可少使用一根長傳輸線的優(yōu)勢。在系統(tǒng)應(yīng)用中，長傳輸線的增加會使線阻增加、更易受外部干擾。因此在電流環(huán)的應(yīng)用中，為了得到高精度的電流輸出信號，兩線制或三線制電流環(huán)實現(xiàn)方案的選擇與應(yīng)對長傳輸線帶來的干擾問題是需要重點關(guān)注的。

長線傳輸應(yīng)用抗干擾措施的實施

電流傳輸?shù)男问揭蚱渚哂袚p耗低、穩(wěn)定性強與抗干擾能力強的特點廣泛應(yīng)用于信號長線傳輸。但在長線傳輸應(yīng)用中，仍然有其它的干擾因素需要進行考慮。

1.內(nèi)部因素：長傳輸線自身的影響與處理措施

長傳輸線就意味著信號傳輸?shù)木€纜不能當(dāng)做理想導(dǎo)線看待處理，線纜自身的阻抗的影響在實際應(yīng)用中也要得到重視，其會對信號的有效傳輸帶來額外的損耗。特別是當(dāng)信號的傳輸速率較快的時候，長傳輸線上的寄生參數(shù)不容忽視，寄生電容與寄生電感將會使得信號的有效傳輸更加。

系統(tǒng)工作頻率低的場合，相比于電壓信號，電流傳輸?shù)姆绞揭蚱潆娏髟摧敵鲎杩勾?、電流傳輸損耗小的特點能夠有效地抑制因長傳輸線的工作模式帶來的傳輸線損耗的影響，在長傳輸線工作模式下在終端電路也能得到高精度的信號。

在系統(tǒng)工作頻率較大的場合，就需要對電流源電路、監(jiān)測電路與長傳輸線之間進行阻抗匹配的處理以消除因阻抗不匹配帶來的反射波的影響。通過確認長傳輸線的阻抗以進行終端采樣電阻的選擇。匹配電阻的處理措施能夠有效地改善長傳輸線上的寄生參數(shù)帶來的干擾的影響。

2.外部因素：環(huán)境電磁干擾的影響與處理措施

長線傳輸應(yīng)用時不僅要考慮內(nèi)部原因長傳輸線帶來的損耗增加的影響，也要考慮外部原因復(fù)雜工作環(huán)境下的電磁場帶來的電磁干擾。受到外環(huán)境電磁干擾的影響，信號的輸出噪聲將會變得明顯增大，采集精度誤差變大。因此在長線應(yīng)用的環(huán)境下，推薦用戶使用帶有屏蔽層的屏蔽線。屏蔽線外圍包裹的金屬屏蔽層能夠有效地屏蔽外圍電磁場對于內(nèi)部導(dǎo)體的干擾，能夠有效地防止內(nèi)部導(dǎo)體上的傳輸信號對外部其他設(shè)備造成干擾，能夠減小信號在長線傳輸過程中的損耗，提高信號的傳輸質(zhì)量，在應(yīng)用屏蔽線時屏蔽線外殼要進行在監(jiān)控電路處的接地處理。

針對長傳輸線應(yīng)用下外部的電磁干擾測試與驗證實施屏蔽線的作用，公司工程師們對自產(chǎn)的電流輸出型三軸高精度弱磁測量模塊HJMAG803C進行了相關(guān)的信號長線傳輸實驗，這款產(chǎn)品設(shè)計時采用了調(diào)制解調(diào)技和PID調(diào)節(jié)技術(shù)，使得磁傳感器探頭一直工作在零高斯附近。以此來消除外界強磁場干擾（比如永磁鐵、強電磁脈沖等），同時減小零位時漂（dK0/dT）和二次非線性（K2）。將測量的弱磁信號轉(zhuǎn)換為抗干擾能力強的電流信號輸出以保持高精度的特性。其電流輸出類型是一款三線制形式的電流環(huán)變送器。實驗中在供電電源附近設(shè)置390Ω的采樣電阻對輸出電流信號進行采集。

實驗條件為應(yīng)用20m長的長傳輸線的進行測試，長線的走線方式不固定，將輸出電流設(shè)置為4mA的情況下分別在普通長線、屏蔽線（屏蔽線外層不接地和可靠接地）的長線的實驗條件下進行實驗驗證，實驗測試波形結(jié)果如下圖所示：

從上述的結(jié)果中能夠觀察到不帶屏蔽線的長線傳輸與帶屏蔽線的長線傳輸實驗結(jié)果是不同的，屏蔽層是否接地處理的結(jié)果也是不同的。其中屏蔽層接地處理的屏蔽線的實驗結(jié)果是最好的，輸出噪聲最小，即屏蔽層接地處理的屏蔽線的應(yīng)用加強了整個系統(tǒng)的抗外部電磁干擾的能力，使得電流輸出信號具有更強的穩(wěn)定性與可靠性。

為了更好的一致傳輸線上的干擾信號，通過在終端采樣電阻上并聯(lián)電容對輸出噪聲進行改善，盡管這樣會使得輸出信號的建立時間變得較長，但能夠使得輸出噪聲得到就進一步的明顯抑制，實驗結(jié)果如下所示：

上述實驗結(jié)果表明，終端采樣電阻并聯(lián)電容后，信號的輸出噪聲明顯得到了改善，即在對傳輸信號的靈敏度要求不高的場合，在不影響器件功能的情況下添加電容的措施，有效的減小輸出信號的噪聲，提高整個系統(tǒng)的采集精度。

結(jié) 論

在對信號在長線傳輸工作模式下的干擾因素進行了分析，對主要干擾因素長線自身的損耗與外部環(huán)境的電磁干擾的具體影響結(jié)果進行了論證與實驗驗證。驗證得知，應(yīng)用電流模式進行信號長線傳輸具有高精度和高可靠性的優(yōu)勢，并對如何減小外部電磁干擾的影響提出了改進措施：通過采用屏蔽線（外層可靠接地處理）進行信號傳輸和在采樣電阻上并聯(lián)濾波電容的方式可有效的改善輸出噪聲。

相關(guān)電流環(huán)產(chǎn)品