数字信号抗干扰电路的设计及实现方法

数字信号抗干扰电路的及实现 宋永强 中海石油技术服务公司 北京232信箱 摘要：在信号的传输过程中，噪音信号不可避免的会干扰正常信号。如何对混合信号进行信噪分离，是一件非常重要的工作，同时也是非常困难的事情。SAS油藏地面数据采集系统的研制成功与成功的信号分离技术是分不开的。因此，本文对数字信号的信噪从理论及实践上进行了详细的分析，并给出了实现方法。信噪分离技术的使用，对将来的硬件设备开发将起到非常重要的作用。 术语：数字信号、抗干扰电路 在石油现场上所使用的传感器、变送器，一般情况下都是通过长距离(100米左右)的电缆传入数据处理设备的。在信号的传输过程中，由于长距离电缆的电容及电感分布，会使数字信号发生严重的畸变。另外，线路的电阻则会使信号幅度下降，加上外部设备及天体的电场干扰，会使接收的信号变得更加恶化。 图一 图一是一个典型的传输畸变现象。从图上可以看出，信号在传输的过程中有些信号由于噪音信号的干扰幅度大大降低了，而有些信号在传输过程中由于正向干扰，幅度反而增加。因此信号变得杂乱无章，有用信号变小了，噪音信号增多了，很显然图一右面的信号是不能用于计数电路或其它数字电路工作的。早期的SAS油藏地面数据采集系统的实验设备采用的是图一所示的直传方式，在海上的实验明：油表或水表发出10个脉冲后，经传输送入计算机计数板计数时显示30多个脉冲数，而且很不稳定。这显然是不正确的，当第一台SAS实验返回后，我经过认真分析并对它进行了脉冲的解扰处理。 首先，对(图一右侧)混合信号进行放大处理，以弥补由于传输造成的信号损失，使信号经放大后从幅度上满足TTL电平的要求。图二是放大后的混合信号。 图二 为了得到图二所示的放大信号，我们采用了单级三极管放大电路，电路结构成如图三所示。 图三 当混合信号从输入端输入时，便在输出端得到所需的放大信号。基本工作原理是这样的。 当高电平信号来到时NPN三极管进入饱和区，于是在输出端便得到1V的输出信号；当低电平信号到来时NPN三极管便进入截止区，于是在输出端便得到5V的输出信号。 从上面的分析可知，这一电路对一般的信号整形是完全胜任的，但当信号发生严重畸变时，它就显得力不从心了。这是因为，我们无法正确的找到合适的限幅位置，因此，在使用此电路时仍有干扰不能正确的被排除的可能，必须对它加以改进才能使它达到现场作业的要求。 图四 图四是限幅后的混合信号波形，从信号分析的角度上讲它分离出来的不是单一的脉冲，有可能将一个输入的脉冲信号，分离成两个或更多个脉冲信号，因此，我们得到的信号比未处理前强不了多少，但如果选择了合适的限幅值，则可以得到良好的输出信号，见图五。 图五 仔细的分析可知，完成图五的信号分离是十分困难的，靠一只三极管是根本不可能实现的。这主要是： 1、三极管的放大倍数有限，供电电源又没有突破5V的限制。 2、干扰信号的抽样作用使混合信号发生了倍频变化。 为了完成高品质的脉冲分离，我们采取了更高技术性的脉冲分离技术，目前这一技术在SAS设备的应用中发挥了强劲的作用。现场实际应用证实了这一分离技术的有效性。使我们在数字信号处理方面真正的进入了实用阶段。这一原理对将来井下电子压力计、MWD的脉冲分离必将起到良好的借鉴作用，这一技术已成为了公司信号处理方面的成熟技术，业已逐步在生产中发挥作用。下面是改造后的传感器前置处理电路及脉冲分离电路。 图六 S1是临近接收器(如泵冲传感器、转盘转数传感器、大钳转数传感器等等) 下面我们分析一下它的工作原理。 1、当S1处于开状态时(泵离开传感器)，长距离线路中的各种干扰信号通过R1与地连接，由于S1处于开路状态，R1上的噪音信号即便达1V(噪音信号是达不到此电平的)也不足以使IC:A施密特触发器发生翻转，因此整个电路保持原有的稳定状态。 2、当S1闭合时(泵接近传感器)，长距离线路中的各种干扰信号不足以降低由于S1闭合在R1上形成的电压(4V以上)，因此IC:A不受干扰信号的干扰而发生误翻转。 3、当S1不注意接地时，R1直接接地，D1的正向端得约0.7V左右的电压，IC:A输入高电平，输出低电平，属于正常的电路工作，因此不会由于局部短路而损坏传感器电路。 4、当S1不注意搭接转高电压时(如50V)，R1可起到保险的作用，而使整个电路得到保护。D1由于处于反向工作，因此，直接隔离了外部高压，就是说适当的选择R1的容许功率和D1的反向电压，这一电路可以隔绝外部过高的电压。 上面陈述了传感器前置电路的四个优点，除此之外，电路还有信号形状好等优点。下面是它的工作原理。 一、当S1闭合时R1得到高电平，D1截止，于是在IC:A的输入端便得到了＋5V左右的高电平。 二、当S1打开时R1处于低电平，D1导通，于是在IC:A的输入端便得到1V左右的低电平。 经IC:A施密特电路的整形处理，IC:A输出端得到的波形要比图四的波形好得多，但由于电源的瞬态作用及其它考虑不到的情况，并不能完全消除方波信号上的锯齿，当这些锯齿足够大时又构成了倍频效应，因此，在设计电路时着重加上了C1，C1的选择即不能太大，太大了滤波作用加大，但同时也会降低电路接收外部变化的速率，但C1又不能太小，太小了起不到应有的作用。因此，考虑到IC:B的输入阻抗(1K左右)，将C1选择在1uf左右，这样C1的充放电时间常数大约为1Kx1uf,这样就足可以完成泵冲计数、原油产量计数等要求。从原理上讲，我在设计电路时去掉了放大部份，但却极大的提高了电路的抗干扰能力，实践是行之有效的。 图七是C1上得到的混合信号波形。 图七 由图七可以看出，上下不齐的混合信号变成了比较光滑的信号，但这样的信号还必须经过施密特电路IC:B的处理后才能送入脉冲计数板进行计数工作，图八是IC:B输出的脉冲信号。 图八 图八是整形输出后的外部信号，可以看出，经过电路处理后，比传感器直接得到的信号要好的得，使用处理后的脉冲进行计数，就能确保计数的准确性，如果能对整形脉冲再进行窄脉冲处理，对计数来讲(10毫秒)是再适合不过的了，目前适用于SAS的DBF10处理板已采用了窄脉冲处理技术。由于，它超出了本文的内容，因此，这一技术就不在这里介绍了。