《第三章抗干扰技术课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第三章抗干扰技术课件（41页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、2020/8/6,1,第三章,计算机控制系统的 抗干扰技术,2020/8/6,2,干扰含义：有用信号以外的噪声或造成计算机设备不能正常 工作的破坏因素。 干扰是在信号输入、传输和输出过程中出现的一些有害的电气变化现象。这些变化迫使信号的传输值、 指示值或输出值出现误差, 出现假像。 干扰的危害：干扰对电路的影响, 轻则降低信号的质量, 影响 系统的稳定性; 重则破坏电路的正常功能, 造成 逻辑关系混乱, 控制失灵。,2020/8/6,3,研究的内容：干扰源、干扰类型、干扰传播途径、 抗干扰措施。 系统抗干扰策略：软硬结合抗干扰。硬件措施应当将大部 分干扰消除，软件措施消除余下的部分。 可靠性（
2、Reliability）：系统的可靠程度。与系统的内在 质量、系统的设计水平、使用环境、运行维护水平 有关。是衡量系统的主要性能指标。 包括：硬件的可靠性、软件的可靠性。影响系统硬件可靠性的主要因素就是干扰。,2020/8/6,4,3.1 干扰源及干扰分类3.1.1 干扰源,干扰源：干扰的来源或造成干扰的原因。 分类： 按干扰源来分，有内部干扰和外部干扰。 1.内部干扰 由系统结构、制造工艺、安装等内在原因引起的干扰。 主要原因： (1).元器件噪声； (2).分布电容、电感引起的电磁感应； (3).长线传输中波的反射； (4).多点接地引起的电位差； (5).电源系统引入的干扰。,2020/
3、8/6,5,3.1.1,2.外部干扰 由外界环境因素引起的干扰。 主要原因： (1)大功率设备、输 电线路发生的电磁场； (2)广播和通信设备 发射的无线电波； (3)自然界干扰，包括：天体 辐射、雷电、气温、湿度等。 *内外干扰本质相同,相互关联,相互作用。通常采取消除干扰源、避开干扰源、切断干扰传播途径的方法，有效消除干扰。 干扰作用方式分类：串模干扰、共模干扰、长线传输干扰,2020/8/6,6,3.1.2 串模干扰,串模干扰：串联于有用信号回路之中的干扰，即叠加在有用信号之上。 原因(1) 内部干扰（信号源内部叠加的干扰） (2) 电磁耦合引起的干扰（长线传输、空间电磁场、工频干扰）
4、串模干扰示意图 电磁耦合引入串模干扰,2020/8/6,7,图3-1 串模干扰示意图,2020/8/6,8,串模抑制比：衡量系统抑制串模干扰的能力。 定义： NMRR = 20lg(Un / Ui) (dB) Un:串模干扰信号的幅值； Ui：Un引起输出的改变折合到输入端的偏移量。 效果：Ui越小，抗串模干扰的能力越强，即NMRR越大。,3.1.2,串模干扰也称为差模干扰、横向干扰、常模干扰或常态干扰。,2020/8/6,9,3.1.3 共模干扰,共模干扰：共模干扰是系统2个输入端上共有的干扰电压。 也称对地干扰、共态干扰。 原因：被测信号的接地点和计算机输入信号的参考接地点，存在一定的电位
5、差。 共模干扰示意图 UA=Us+Ucm UB=Ucm,2020/8/6,10,图9.3 串模干扰与共模干扰波形 (a) 直流信号； (b) 串模干扰； (c) 共模干扰； (d) 串模干扰与共模干扰共同作用,2020/8/6,11,3.1.3,由于现场与计算机之间相差几米甚至几千米，取决于现 场情况和计算机的接地情况，Ucm可以是直流，也可以是交 流；幅值可以是几伏甚至几十伏。 共模干扰的影响：共模干扰对放大器的影响，是因转换 成串模干扰而加到输入端的。 共模抑制比：衡量系统抑制共模干扰转化为串模干扰的 能力。 定义： CMRR = 20lg(Ucm/Un) (dB) Un:是共模干扰信号U
6、cm转换成串模干扰的电压幅值； 效果：Un越小，抗共模干扰的能力越强，即CMRR越大。 CMRR与信号的输入方式有关，分单端输入和差动输入2种 形式。,2020/8/6,12,1.单端输入：一个 输入信号，地端为 参考电压； 2.差动输入：2个 输入信号，1个是 高电平，一个是低 电平，以2个信号 的差值来决定信 号的幅值。,3.1.3,2020/8/6,13,3.1.4 干扰传播的途径,1电路传播的干扰：任何电路在传递与处理有效信号的同时，也会对进入电路中的干扰信号进行传递。 (1)漏电阻: 理论上与干扰源断开的电路，由于漏电阻会形成回路，导致干扰的引入。 (2) 公共阻抗 公共电源线的阻抗
7、耦合,回流条,2020/8/6,14,模拟信号和数字信号分开接地: （a）未分开接地 （b）未分开接地 （c）分开接地 （3）信号输入/输出回路 （4）电源回路,3.1.4,2020/8/6,15,3.1.4,2、电磁场传播的干扰 静电耦合：静电场干扰通过分布电容耦合进入系统 两根平行导线之间的、印刷线路之间、变压器线匝之间、绕组之间都可能构成分布电容。 (2)电磁耦合：电磁耦合干扰通过电感引入感应电势 两条平行导线间会产生磁场耦合 (3) 辐射电磁场耦合：具有天线效应的电源线和长信号线会对空间电磁场产生接收作用，感应出干扰信号。,2020/8/6,16,3.2 干扰抑制,1消除或抑制干扰源
8、消除和抑制干扰源是行之有效的抗干扰措施之一，如：选择热噪声小的元器件、把产生干扰的大功率设备移开、避免信号电缆与电源电缆平行敷设、在各种强电触点开关上采取消弧措施等等。 2切断引入干扰的途径 (1) 提高绝缘性能，消除或抑制漏电阻； (2) 正确的接地技术； (3) 隔离技术，切断信号传输中电的联系； (4) 屏蔽、浮置技术，防止电磁场干扰； (5) 滤波技术，阻止干扰信号进入系统。 3提高设备本身抗干扰的性能 使用高质量元器件、优化设计线路板等,2020/8/6,17,3.2.1 串模干扰的抑制,1滤波技术 滤波是抗串模干扰的通常做法，在有效信号和干扰信号特性显著不同时，则滤波效果十分有效。
9、 滤波器的形式： - 低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器等； - 模拟滤波器、数字滤波器； 模拟滤波器又分： - 无源滤波器和有源滤波器（滤波+放大） 2使用双积分式A/D转换器 克服工频干扰以及对称干扰的影响。 3使用双绞屏蔽信号传输线 减少电磁感应产生的干扰 4选用高抗干扰性的元器件：高逻辑电平 、V/F转换器 5供电技术与阻抗匹配技术,2020/8/6,18,3.2.2 共模干扰的抑制,1差动输入 2隔离技术 切断电量通道，把信号侧与输入侧隔离开来，使共模电压形不成电流电路，以光耦合或磁耦合作用将有效信号传递至输入端。 光电隔离 ：传输脉冲信号，也可传递模拟信号 变压器隔离：对信号进行调
10、制和解调 3浮地与屏蔽 浮地：使模拟地浮空，提高整个回路对于共模干扰电压的阻抗 屏蔽：屏蔽外部电磁场对模拟放大部分的干扰 模拟量输入通道采用三线采样、双层屏蔽、放大器浮地的方式 ，电路原理框图如图3-13所示 。三线采样保证在非采样期间切断Ucm形成电流回路，双层屏蔽和浮地大大提高了CMRR,2020/8/6,19,图3-11 变压器隔离电路,图3-12 光电隔离,2020/8/6,20,图3-13 三线采样、双层屏蔽、放大器浮地原理图,2020/8/6,21,3.2.3 长线传输干扰的抑制,终端（始端）阻抗匹配技术： 针对传输线的阻抗（双绞线的波阻抗一般在100200之间，同轴电缆的波阻抗在
11、50100之间）。设计适宜的终端（始端）阻抗匹配电路。,2020/8/6,22,3.3 其它抗干扰技术,3.3.1地线与接地技术,计算机控制系统中的地线有: 安全地： 机壳地或屏蔽地，特征是不作为电流回流的地线。接地电阻要求小于5 电源或信号参考电位：电源或信号的参考地电位 数字地、 模拟地、 功率地,2020/8/6,23,接地的应用原则 (1) 一般高频电路应就近多点接地, 低频电路应一点接地。在高频电路中, 地线上具有电感, 因而增加了地线阻抗, 而且地线变成了天线, 向外辐射噪声信号, 因此, 要多点就近接地。在低频电路中, 接地电路若形成环路, 对系统影响很大, 因此应一点接地。,2
12、020/8/6,24,3.3.1,单点接地,2020/8/6,25,(2) 交流地、功率地与信号地不能公用。 流过交流地和功率地的电流较大, 会造成数毫伏、甚至几伏电压, 这会严重地干扰低电平信号的电路, 因此信号地与交流地、功率地分开。 (3) 数字地与模拟地应分开, 最后单点相连。,分别回流法：电路中把模拟地和数字地分开，采用汇流条分别走线，最终在一点把两个地接在一起。,2020/8/6,26,3.3.1,信号屏蔽层接地：单点接地,机柜接地： 机柜内安装的内部机件外壳应保证与机柜有很好的接触，机柜应当与大地一点相连。 内部电路应当浮空，与机柜的绝缘电阻应大于50M。,2020/8/6,27
13、,1、供电技术 图 一般供电结构,3.3.2 电源及供电技术,2020/8/6,28,3.3.2 电源及供电技术,2. 抗电源干扰技术 (1)交流电源系统的抗干扰 消除电源中高频干扰，常采用带屏蔽的变压器隔离和滤波技术 (2) 直流电源系统的抗干扰 采用逆变式开关电源(DC/DC变换器): 防止工频干扰 采用退耦电容器 ：以消除电源内阻所产生的干扰 分组供电。 把变压器隔离，光电隔离输入与输出部分的电源分开，单独供电。 （3）电源保护 配置不间断电源装置（UPS）。在正常情况下，来自电网的220VAC给系统供电，同时，也对电池组充电。当交流供电中断后，控制器立即将开关切至逆变器的输出端，电池组
14、为逆变器供电，输出交流220V电压，对系统供电。 设置双回路供电系统、掉电中断等,2020/8/6,29,3.3.2 软件抗干扰技术,1、数字滤波 数字滤波是通过一定的算法程序，进一步消除信号中的低频或高频干扰。数字滤波算法种类很多，常用的如：算术平均滤波可消除周期性干扰信号；中值滤波可去掉脉冲性的干扰；一阶滞后滤波相当于RC滤波器。 2、信号监督 充分利用计算机的判断能力，对系统输入与输出信号进行判别与监督。如上下限监督、多测点表决方式输入 、接入标准验证信号等。 3、系统监督 对整个计算机系统工作状态的监督 ，如诊断程序等。,2020/8/6,30,计算机控制系统工作特点： 环境恶劣、干扰
15、严重、对可靠性要求高 对计算机控制系统的评价： 性能指标、可靠性 （两方面都重要）,3.4 系统的可靠性,2020/8/6,31,3.4.1 系统可靠性指标,什么是计算机控制系统的可靠性？ 在规定的条件下、在规定的时间内完成规定任务的能力。是个定性的概念。 有两层含义： 在规定时间内无故障运行； 故障后维修方便。,2020/8/6,32,可靠性的定量描述： 如下图，系统运行时间 后发生故障，需维修时间 。,可定义以下可靠性指标：,2020/8/6,33,可靠性指标：,(1)可靠度R(t) 可靠度的定义：产品在规定的条件和规定的时间内完成规定功能的概率。设t为运行时间，N0为相同的控制系统数(足
16、够大) ,NS为该段时间内未发生故障的控制系统数,则:,(2)失效率(t) 失效率的定义：单位时间内发生故障的次数。,2020/8/6,34,可靠性指标：,图3-21电子产品的失效率曲线,早期故障期：元器件质量原因，通过投运前考机、调试排除,偶然故障期：系统稳定期,失效故障期：部分器件寿命到期,2020/8/6,35,（3）平均无故障时间 MTBF(Mean Time Between Failure),平均维护时间MTTR(Mean Time To Repair),(4)利用率A,要获得尽可能大的可利用率，应当使MTBF尽可能大，使MTTR尽可能地小。,2020/8/6,36,3.4.2 系统可靠性分析,一、串联模型
