CN1855750B - 抗干扰单端信号传输方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种抗干扰单端信号传输方法，单端信号传输中包括输出装置和输入装置，该输出装置的信号输出端与该输入装置的信号输入端相连，在输出装置的信号输出端和/或输入装置的信号输入端接入浮动隔离电路，输出信号或输入信号通过该浮动隔离电路输出或输入，输出信号的隔离参考端通过隔离阻抗与输出装置接地点相连，和/或输入信号的隔离参考端通过隔离阻抗与输入装置接地点相连，该输出装置的信号输出参考端与该输入装置的信号输入参考端相连。本发明还公开了一种抗干扰单端信号传输输出和输入装置。本发明通过改进信号收、发端之间接口电路的设计，使进入信号通路的干扰信号大大减小，且实施成本低。

Description

抗干扰单端信号传输方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种信号传输方法，尤其是涉及一种抗干扰单端信号传输方法以及一种抗干扰单端信号传输输出和输入装置。

背景技术

单端信号是最常使用的信号形式，其处理电路简单，但这种信号在传输过程中易于感受干扰，所以在对抗干扰能力要求高的信号传输系统中，普遍使用差分信号传输，但使用差分信号系统会增加硬件的复杂程度，使用范围有限，因此提供一种单端信号的抗干扰传输方法有着实际的意义。

单端信号在传输过程中很容易受到干扰的影响，但由于对干扰产生的原因认识不全，减小干扰的方法成本较高，现在通常采用的减小干扰的方法是尽量减小干扰源及参考端连线阻抗。提供单端信号传输中的具有高抗干扰能力的改进的信号传输方法实为必要。

下面对干扰产生的原因分析如下：

图1单端信号传输干扰的等效电路，其中：

G：参考接地点

Goe：信号输出方装置接地点

Gie：信号输入方装置接地点

Vs：输出信号电压源

Rs：输出信号电压源内阻

Ri：信号输入端内阻

Cs：信号输出方装置接地点相对参考接地点G的体电容和感应电容之和，

Vns：信号输出方装置接地点相对参考接地点G的感应干扰电压

Ci：信号输入方装置接地点相对参考接地点G的体电容和感应电容之和

Vni：信号输入方装置接地点相对参考接地点G的感应干扰电压

Rr：信号输入、输出参考端连线的阻抗

Vnl：信号输入、输出参考端连线的感应干扰电压

Vnr：系统中全部干扰源在Rr上产生的干扰电流所得到的干扰电压

Vn：Vnl与Vnr之和，信号输入端的等效干扰电压

单端信号有一个信号端和一个参考端，通常称参考端为信号地，其参考端电位固定，信号端电位变化。在单端信号传输的过程中，可以认为干扰主要来自参考端连线，来自信号端连线的干扰很小。其干扰电压主要有以下三个来源：其一为收、发参考端连线的感应干扰电压，其对输入信号的等效干扰电压在图中表示为Vnl；其二为收、发参考端之间不平衡感应电压产生的干扰电流在参考端连线阻抗Rr上的电压降，其对输入信号的等效干扰电压在图中表示为Vnr，图中Cs、Vns、Ci和Vni是这个干扰源的等效电路；其三为多地线回路干扰，该干扰根据地线的连接情况而可能出现。下面对这几种干扰影响进行具体分析。

收、发参考端连线的感应干扰：

图1中的Vnl即为这个干扰源产生的干扰电压，单端信号通常用非平衡屏蔽线传输，其信号的参考端由屏蔽线的外屏蔽层连接，所以很容易感应干扰电压，该干扰源可等效为一个高内阻的电压源，降低其两端的负载阻抗就可以减小该干扰电压，该负载阻抗为去除参考端连线后Goe与Gie之间的阻抗，它由以下两个阻抗并联构成，分别是Rs串联Ri，Cs串联Ci，图中Vnl是考虑了两端的负载阻抗因素的干扰电压。等效电路图1中，信号参考端与装置接地点相同，Cs、Ci较大，所以Vnl不大，对总的输入干扰电压影响不大。需要注意的一点是，加粗该导体会降低其干扰源的内阻及增加感应的干扰信号，从而导致Vnl增加。

收、发信号端连线采用屏蔽线内导体，所以感应的干扰信号可以较小；但当收信端输入阻抗很大使其两端负载阻抗加大时，或者屏蔽线的屏蔽效果不佳时，就会使收、发信号端连线的感应干扰影响增加。

如果单端信号采用平衡屏蔽线传输，即信号端和参考端连线都用屏蔽线内导体则可以认为连线感应干扰电势很小，Vnl影响不大。

收、发参考端之间不平衡感应电压产生的干扰电流流过参考端连线阻抗：

图1中的Cs、Vns、Ci和Vni即为这个干扰源等效电路，其干扰来源包括感应干扰及电源和接地系统引入的干扰，对输入端的干扰反映在Vnr之中。Cs是发端的体电容和感应电容之和，Vns是发端的感应干扰电压，Ci是收端的体电容和感应电容之和，Vni是收端的感应干扰电压。当Vns、Vni存在感应电压差时，就会产生感应电流，进而在Rr上产生干扰电压Vnr。

图1中收、发参考端与装置接地点直接相连，所以Cs、Ci都较大，感应的干扰电压也较大，如果装置接地点还与外接地线系统相连，其Cs或Ci还将增大，所以收、发参考端如果存在感应电压差，流过Rr的干扰电流也就比较大，由此导致较大的干扰电压。

多地线回路干扰：

在单端信号传输中，可能还存在一种多地线回路干扰，如果两端装置之间存在多于一条地线连接，两条地线形成一个回路，当该回路所包围的面积通过变化的干扰磁通时就会在回路中产生干扰电势，该干扰电势形成的干扰电流就会在信号地线Rr上产生干扰电压，实际应用中这种情况可能经常发生，例如两端装置本身都有电源地且与信号地相通，两端装置接入同一电源就会有一条电源地线相连，单端信号传输时还需要一条信号地线，这时就有了两条地线连接，在现有的单端信号传输系统中，设备中装置地与信号地通常直接相连的，一旦形成地线回路干扰，消除干扰需要较多的经验，所以地线的处理较为复杂。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种具有高抗干扰能力、低成本的单端信号传输方法。

本发明的另一目的在于提供一种具有高抗干扰能力、低成本的抗干扰单端信号传输输出装置。

本发明的又一目的在于提供一种具有高抗干扰能力、低成本的抗干扰单端信号传输输出装置。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种抗干扰单端信号传输方法，单端信号传输中包括输出装置和输入装置，在输出装置的信号输出端接入浮动隔离电路，输出信号通过该浮动隔离电路输出，该浮动隔离电路的信号输出参考端为输出信号的隔离参考端，该输出信号的隔离参考端通过隔离阻抗与输出装置的装置接地点相连，且该输出信号的隔离参考端与输入装置的装置接地点相连，输出装置的装置接地点与输入装置的装置接地点相连；

或者，在输入装置的信号输入端接入浮动隔离电路，输入信号通过该浮动隔离电路输入，该浮动隔离电路的信号输入参考端为输入信号的隔离参考端，该输入信号的隔离参考端通过隔离阻抗与输入装置的装置接地点相连，且该输入信号的隔离参考端与输出装置的装置接地点相连，输出装置的装置接地点与输入装置的装置接地点相连；

或者，在输出装置的信号输出端接入浮动隔离电路，输出信号通过该浮动隔离电路输出，该浮动隔离电路的信号输出参考端为输出信号的隔离参考端，该输出信号的隔离参考端通过隔离阻抗与输出装置的装置接地点相连；以及在输入装置的信号输入端接入另一浮动隔离电路，输入信号通过该浮动隔离电路输入，该浮动隔离电路的信号输入参考端为输入信号的隔离参考端，该输入信号的隔离参考端通过隔离阻抗与输入装置的装置接地点相连；并且，所述输出信号的隔离参考端与所述输入信号的隔离参考端相连，输出装置的装置接地点与输入装置的装置接地点相连；

所述浮动隔离电路的信号输入参考端与信号输出参考端相对隔离，两参考端的电位无固定关系。

该输出装置的装置接地点可与该输入装置的装置接地点相连，装置地连线的阻抗越低，系统的抗干扰能力越强，在本发明的方案中信号地与装置地回路中存在隔离阻抗，且该阻抗远大于信号地线阻抗，所以地线回路干扰电压主要降在隔离阻抗上，对信号地线的影响很小，如果有多条装置地连线，在装置地线上会形成地线回路干扰，但该地线回路干扰对信号地线影响很小，也就是说不会干扰信号传输，所以系统中可以有多条装置地线连接，这一点给实际应用带来很大方便，我们可以方便的增加装置地低阻抗连线而不必担心是否会由于已有装置地连接而引入地线回路干扰。

当多个装置之间进行单端信号的收、发时，例如多个输入装置接受同一个信号，可以在一个或一个以上装置采用本发明的浮动隔离端口方法，即在一个或一个以上信号输入端或输出端接入浮动隔离电路SFS，可大大减小干扰。最优方案为，最多只有一个装置未采用本发明的浮动隔离端口方法，则任意两个参考端连线上都不会有大的干扰。

本发明一种抗干扰单端信号传输输出装置包括浮动隔离电路和隔离阻抗，其中单端信号通过浮动隔离电路输出，从而使输出信号建立相对所述抗干扰单端信号传输输出装置接地点的隔离参考端，该浮动隔离电路的信号输出参考端即为输出信号的隔离参考端；所述输出信号的隔离参考端通过隔离阻抗与所述抗干扰单端信号传输输出装置接地点相连。在本发明中，抗干扰传输信号时，所述输出装置的输出信号的隔离参考端与其他的单端信号输入装置的装置接地点相连，所述输出装置的装置接地点与所述其他的单端信号输入装置的装置接地点相连。

本发明中，一种抗干扰单端信号传输输入装置，包括浮动隔离电路和隔离阻抗，其中单端信号通过浮动隔离电路输入，从而使输入信号建立相对所述抗干扰单端信号传输输入装置接地点的隔离参考端，该浮动隔离电路的信号输入参考端即为输入信号的隔离参考端；所述输入信号的隔离参考端通过隔离阻抗与所述抗干扰单端信号传输输入装置接地点相连。在本发明中，抗干扰传输信号时，所述输入装置的输入信号的隔离参考端与其他的单端信号输出装置的装置接地点相连，所述输入装置的装置接地点与所述其他的单端信号输出装置的装置接地点相连。

在本发明的方案中信号地与装置地回路中存在隔离阻抗，且该阻抗远大于信号地线阻抗，所以地线回路干扰电压主要降在隔离阻抗上，地线回路干扰对信号地线的影响很小。

本发明通过改进信号收、发端之间接口电路的设计，使进入信号通路的干扰信号大大减小，达到抗干扰传输单端信号的目的。

下面结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步的说明。

附图说明

图1是单端信号传输干扰等效电路图。

图2是本发明一实施例输出端浮动隔离的单端信号传输干扰等效电路图。

图3是本发明另一实施例输入端浮动隔离的单端信号传输干扰等效电路图。

图4是本发明再一实施例输出、入端浮动隔离的单端信号传输干扰等效电路图。

具体实施方式

请结合参考图1单端信号传输干扰等效电路图以及下列代表符号。

G：参考接地点

Goe：信号输出方装置接地点

Gos：信号输出方输出信号隔离参考端

Gie：信号输入方装置接地点

Gis：信号输入方输入信号隔离参考端

Vs：输出信号电压源

Rs：输出信号电压源内阻

Ri：信号输入端内阻

Ros：信号输出方Goe与Gos之间的隔离阻抗

Ris：信号输入方Gie与Gir之间的隔离阻抗

Cs：信号输出方装置接地点相对参考接地点G的体电容和感应电容之和，

Vns：信号输出方装置接地点相对参考接地点G的感应电压

Ci：信号输入方装置接地点相对参考接地点G的体电容和感应电容之和

Vni：信号输入方装置接地点相对参考接地点G的感应电压

Rr：信号输入、输出参考端连线的阻抗

Vnl：信号输入、输出参考端连线的感应干扰电压

Vnr：系统中全部干扰源在Rr上产生的干扰电流所得到的干扰电压

Vn：Vnl与Vnr之和，信号输入端的等效干扰电压

Rg：信号输入、输出装置接地点之间连线的阻抗

SFS；信号浮动隔离电路

其中SFS信号浮动隔离电路是一个功能单元电路，该电路有四个端口，在本说明书中将四个端口标注为A、B、C和D，其中A和B为输入端口，C和D为输出端口，该电路使输入信号与输出信号为相对浮动状态，既输入端信号与输出端信号的参考端电位无固定关系，随外部条件的改变而变动，即可以使输出信号与输入信号建立相对隔离的参考端。隔离变压器和光电耦合器件是提供该功能的典型器件，用运算放大器组成的差动输入放大电路也可以提供这种功能并能得到很好的线性；对运算放大器组成的差动输入放大电路来说，这是一种输入端阻抗不平衡的应用，使放大电路输入阻抗远高于输入信号内阻可以提高抗共模干扰能力，使用运放电路是一种性价比很高的解决方案。

在图1所示单端信号传输干扰等效电路中，要想减小感应电压差，必须同时减小Vns、Vni或使其完全一致；由于Rr远小于Rs串联Ri，Goe与Gie之间感应干扰电流主要通过Rr，感应干扰电流的回路是Cs、Ci和Rr，如果能减小Cs、Ci或两者，可以提高环路阻抗，也就能够减小感应干扰回路电流，而同时减小Cs、Ci还能达到减小Vns、Vni的效果，感应干扰回路电流则更低。

通常收、发信号端的体电容和感应电容很小，其感应干扰电压很低及环路阻抗较高，这两个因素都使环路干扰电流降低，所以信号端之间基本不受收、发端之间不平衡感应的影响。而对收、发信号端连线的感应干扰，采用屏蔽效果较好的屏蔽线及合理的选择输入端阻抗，可以使收、发信号端连线的感应干扰影响很小。

由以上的分析可得，单端信号传输系统的干扰主要来自收、发参考端及连线上的感应干扰，收、发信号端之间及连线引入的干扰影响很小；收、发参考端连线上的干扰与装置接地点及其电容密切相关；通过减小不平衡感应电压降低干扰需要在收、发信端同时采取降低干扰电压的措施才有效果；减小参考端连线的阻抗Rr可以减小不平衡感应电压产生的输入干扰；减小收、发任一参考端的电容也能减小不平衡感应电压产生的输入干扰。

以下是本发明具体抗干扰单端信号传输方法的具体实施例：

实施例1

输出端浮动隔离的单端信号传输方法，请参照图2。与等效电路图1相比，图2电路在信号输出端改变了电路结构，修改方法为：输出信号通过浮动隔离电路SFS输出，从而使输出信号建立相对所述抗干扰单端信号传输输出装置接地点的隔离参考端，输出信号的隔离参考端Gos通过隔离阻抗Ros与输出装置接地点Goe相连，还增加了一条连接收、发装置接地点的阻抗为Rg的连线。信号输入端仅多一条连接收、发装置接地点的连线，如果收、发装置本身都已连接到了同一地线，也可不需要为此专门连线。由于隔离参考端Gos不与装置接地点直接相连，可以有很小的体电容和感应电容；Rg是连接两个装置接地点的连线阻抗，取值基本与Rr的相同，Ros的取值应满足：

Ros＞＞Rr和Ros＞＞Rg

收、发参考端连线的感应干扰：

当传输线上的感应干扰电势较大，如单端信号采用非平衡屏蔽线传输或传输距离较长时，应减小Gos和Gie之间的阻抗，它由以下三个阻抗并联构成，分别是Rs串联Ri，Cs串联Ci和Ros串联Rg，Ros是影响这个阻抗的重要因素，Ros越大，等效电压Vnl越大，在大部分应用系统中，Ros小于1000欧即可使连线的感应干扰足够小。

当参考端连线上感应干扰电势较小时，如单端信号采用平衡屏蔽线传输且信号端和参考端连线都用屏蔽线内导体或传输距离较短时，Gos和Gie之间的阻抗可以较大，Ros可以很大或者无限大，Vnl也不会很大。

收、发端之间不平衡感应电压产生的干扰电流流过参考端连线阻抗Rr：

由于Gos只有很小的体电容和感应电容，所以Gos和Gie之间不平衡感应电压的干扰电流也就很小，所以图2的等效电路也就没有反映这个干扰的等效电源。

Goe与Gie之间不平衡感应电压的干扰源与图1中的相同，由于Ros的存在，流过Rr的干扰电流大大减小，大部分干扰电流通过Rg，Rg越小及Ros越大，流过Rr的干扰电流越小，Vnr也越小。当Rg等于Rr时，流过Rr与流过Rg的干扰电流之比等于Rg与Ros之比，因为Rg为连线电阻，可以认为其阻抗小于1欧姆，取Ros为100欧姆时，Rr上的干扰电流就比Rg上的减小了100倍，与图1等效电路相比，Vnr也会减小100倍，由此可知，由于Rg和Ros的存在，可有效地减小Vnr。

Vnl与Vnr之和为信号输入端的等效干扰电压，等效电路图2中，Vnl随Ros增大而增大，Vnr随Ros增大而减小，随Rg和Rr减小而减小，选择适当的Ros使Vnl与Vnr之和最小，可以使信号传输系统的抗干扰性能达到最佳。当参考端连线上感应干扰电势较大时，如单端信号采用非平衡屏蔽线传输或传输距离较长时，这时应减小Gos和Gie之间的阻抗，Ros应该取较小的值以减小Vnl；当参考端连线上感应干扰电势较小时，如单端信号采用平衡屏蔽线传输且信号端和参考端连线都用屏蔽线内导体或传输距离较短时，Gos和Gie之间的阻抗可以较大，既Ros可以取值较大或者无限大，Vnl也不会很大，而Vnr却可以减小。Ros取值需考虑的另一个因素是Ros取值越大，多地线回路干扰越小。

如果没有连接信号输入、输出装置接地点之间连线，这等效于Rg为无穷大，对信号传输没有影响，但是该传输系统的抗干扰能力也变差了，特别当Ros较大时可能在输入端产生较大的共模干扰。

实施例2

输入端浮动隔离的单端信号方法，参照图3。与等效电路图1相比，图3电路在信号输入端改变了电路结构，修改方法为：输入信号通过浮动隔离电路SFS输入，从而使输入信号建立相对所述抗干扰单端信号传输输入装置接地点的隔离参考端，输入信号的隔离参考端Gis通过隔离阻抗Ris与输入装置接地点Gie相连，还增加了一条连接收、发装置接地点的阻抗为Rg的连线。信号输出端仅多一条连接收、发装置接地点的连线，如果收、发装置本身都已连接到了同一地线，也可不需要为此专门连线。由于输入参考端Gis不与装置接地点直接相连，可以有很小的体电容和感应电容；Rg是连接两个装置接地点的连线阻抗，取值基本与Rr的相同，Ris的取值条件与图2的Ros相同。

由上可知，实施例2与实施例1区别只是将相似的电路修改分别应用于信号的收信端或发信端，实施例2的抗干扰能力的分析过程及结果与实施例1相同。

实施例3

输出端、输入端浮动隔离的单端信号传输方法，参照图4。等效电路图4是图2与图3的结合，该电路在信号输出和输入端都使用了浮动隔离电路SFS和隔离阻抗Ros及Ris。由于输入和输出参考端都为隔离参考端，可进一步减小参考端之间的感应干扰，这种干扰对整体干扰的影响不大，而在收、发端之间不平衡感应电压干扰的计算中，将Ros或Ris换成Ros+Ris，综合以上分析可知，等效电路图4与图2或图3电路的抗干扰效果也是相当的。

综合实施例1、实施例2和实施例3的结论可以得出：不论在信号输入装置或输出装置采用本发明的浮动隔离端口方法，都可得到抗干扰能力基本相同的单端信号传输效果。

该输入装置的装置接地点与其他输出装置的装置接地点有多条线相连，当多个装置之间进行单端信号的收、发时，例如多个输入装置接受同一个信号，可以在一个或一个以上装置采用本发明的浮动隔离端口方法，即在一个或一个以上信号输入端或输出端接入浮动隔离电路SFS，可大大减小干扰。最优方案为，最多只有一个装置未采用本发明的浮动隔离端口方法，则任意两个参考端连线上都不会有大的干扰。

与现有的单端信号传输方法相比，专利设计使传输单端信号的抗干扰能力大大提高，其电路的实施成本也很低，而且由于只需在收信或发信中的单边装置上实施发明就能达到目的，不存在与现有装置的兼容问题，所以推广使用较为容易。

Claims (8)

1.一种抗干扰单端信号传输方法，单端信号传输中包括输出装置和输入装置，其特征在于：

在输出装置的信号输出端接入浮动隔离电路，输出信号通过该浮动隔离电路输出，该浮动隔离电路的信号输出参考端为输出信号的隔离参考端，该输出信号的隔离参考端通过隔离阻抗与输出装置的装置接地点相连，且该输出信号的隔离参考端与输入装置的装置接地点相连，输出装置的装置接地点与输入装置的装置接地点相连；

或者，在输入装置的信号输入端接入浮动隔离电路，输入信号通过该浮动隔离电路输入，该浮动隔离电路的信号输入参考端为输入信号的隔离参考端，该输入信号的隔离参考端通过隔离阻抗与输入装置的装置接地点相连，且该输入信号的隔离参考端与输出装置的装置接地点相连，输出装置的装置接地点与输入装置的装置接地点相连；

或者，在输出装置的信号输出端接入浮动隔离电路，输出信号通过该浮动隔离电路输出，该浮动隔离电路的信号输出参考端为输出信号的隔离参考端，该输出信号的隔离参考端通过隔离阻抗与输出装置的装置接地点相连；以及在输入装置的信号输入端接入另一浮动隔离电路，输入信号通过该浮动隔离电路输入，该浮动隔离电路的信号输入参考端为输入信号的隔离参考端，该输入信号的隔离参考端通过隔离阻抗与输入装置的装置接地点相连；并且，所述输出信号的隔离参考端与所述输入信号的隔离参考端相连，输出装置的装置接地点与输入装置的装置接地点相连；

所述浮动隔离电路的信号输入参考端与信号输出参考端相对隔离，两参考端的电位无固定关系。

2.如权利要求1所述的抗干扰单端信号传输方法，其特征在于：该输出装置的装置接地点与该输入装置的装置接地点有多条线相连。

3.一种抗干扰单端信号传输输出装置，其特征在于：所述输出装置包括浮动隔离电路和隔离阻抗，其中单端信号通过浮动隔离电路输出，从而使输出信号建立相对所述输出装置接地点的隔离参考端，该浮动隔离电路的信号输出参考端即为输出信号的隔离参考端；所述输出信号的隔离参考端通过隔离阻抗与所述输出装置的装置接地点相连；在抗干扰传输信号时，所述输出装置的输出信号的隔离参考端与其他的单端信号输入装置的装置接地点相连，所述输出装置的装置接地点与所述其他的单端信号输入装置的装置接地点相连；

所述浮动隔离电路的信号输入参考端与信号输出参考端相对隔离，两参考端的电位无固定关系。

4.如权利要求3所述抗干扰单端信号传输输出装置，其特征在于：该输出装置的装置接地点与其他输入装置的装置接地点有多条线相连。

5.如权利要求3所述抗干扰单端信号传输输出装置，其特征在于：所述隔离阻抗为无穷大。

6.一种抗干扰单端信号传输输入装置，其特征在于：所述输入装置包括浮动隔离电路和隔离阻抗，其中单端信号通过浮动隔离电路输入，从而使输入信号建立相对所述输入装置接地点的隔离参考端，该浮动隔离电路的信号输入参考端即为输入信号的隔离参考端；所述输入信号的隔离参考端通过隔离阻抗与所述输入装置的装置接地点相连；在抗干扰传输信号时，所述输入装置的输入信号的隔离参考端与其他的单端信号输出装置的装置接地点相连，所述输入装置的装置接地点与所述其他的单端信号输出装置的装置接地点相连；

所述浮动隔离电路的信号输入参考端与信号输出参考端相对隔离，两参考端的电位无固定关系。

7.如权利要求6所述抗干扰单端信号传输输入装置，其特征在于：该输入装置的装置接地点与其他输出装置的装置接地点有多条线相连。

8.如权利要求6所述抗干扰单端信号传输输入装置，其特征在于：所述隔离阻抗为无穷大。

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