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1、6.3 提高系统抗电源干扰能力的方法,6.2 干扰源,6.1 电磁干扰形成的条件,第 6 章 机电一体化系统的抗干扰设计,6.6 过程通道抗干扰措施,6.5 几种接地技术,6.4 电场与磁场干扰耦合的抑制,6.7 模拟信号的线性光耦隔离,6.9 软件抗干扰技术,6.8 空间干扰的抑制,6.10 铁氧体插损器,6.1 电磁干扰形成的条件,电磁干扰的两种传输途径： 辐射耦合途径，传导耦合途径。 电磁干扰的存在必须具备三个条件： (1)电磁干扰源；(2)电磁干扰传播途径； (3)电磁干扰敏感体。 由于系统通过电网、空间与周围环境发生了联系而受到干扰。若系统抵御不住干扰的冲击，各电气功能模块将不能进行
2、正常的工作。微机系统往往会因干扰产生程序“跑飞”，传感器模块将会输出伪信号，功率驱动模块将会输出畸变驱动信号，使执行机构动作失常，凡此种种，最终导致系统产生故障，甚至瘫痪。因此，系统设计除功能设计、优化设汁外，另一项重要任务是要完成系统的抗干扰设计。,6.2 干扰源,为了提高机电一体此系统抗干扰性能，首先须弄清干扰源。从干扰窜入系统的渠道来看，系统所受到的干扰源分为供电干扰、过程通道干扰、场干扰等。,图6-1 机电一体化系统的干扰源,第1 章 机电一体化系统设计绪论,6.2.2 过程通道干扰 通道干扰主要来源于长线传输(传输线长短的定义是相对于CPU的晶振频率而定的，当频率为lMHz时，传输线
3、长度大于0.5m，频率为4MHz时，传输线长度大于0.3m时。视其为长传输线)。 当系统中有电气设备漏电，接地系统不完善，或者传感器测量部件绝缘不好等，都会在通道中直接串入很高的共模电压或差模电压； 各通道的传输线如果处于同一根电缆中或捆扎在一起，各路间会通过分布电感或分布电容产生相互间的干扰。尤其是将015V的信号线与交流220V的电源线同处于一根长达几百米的管道内，其干扰相当严重。,第1 章 机电一体化系统设计绪论,6.2.3 场干扰 系统周围的空间总存在着磁场、电磁场、电场，如太阳及天体辐射电磁波；广播、电话、通讯发射台的电磁波；周围中频设备(如中频炉。晶闸管变送电源、微波炉等)发出的电
4、磁辐射等。这些场干扰会通过电源或传输线影响各功能模块的正常工作，使其中的电平发生变化或产生脉冲干扰信号。,6.3 提高系统抗电源干扰能力的方法,6.3.1 配电方案中的抗干扰措施 抑制电源干扰首先从配电系统的设计上采取措施。图6-2中的交流稳压器用来保证系统供电的稳定性，阻止电网供电的过压或欠压。,交,图6-3 低通滤波器内部电路 图6-4 电源变压器的隔离措施,直流稳压电源：常规线性直流稳压电源、开关稳压电源。 开关电源的振荡频率近10OkHz，其滤波以高频滤波为主，对尖脉冲有良好的抑制作用。开关电源对来自电网干扰的抑制能力较强，在工业控制微机中已被广泛地采用。,高频干扰是通过电源变压器的初
5、级与次级间寄生耦合电容串入系统，在电源变压器的初级线圈和次级线圈间加静电屏蔽层，C3把耦合电容分隔成C2，C1，使耦合电容隔离，断开高频干扰信号，能有效地抑制共模干扰。,电容和电感组成的低通滤波器对于20kHz以上的干扰抑制能力较好。,6.3.2 利用电源监视电路抗电源干扰 在系统配电方案中实施抗干扰措施是必不可少的，但这些措施仍难抵御微秒级的干扰脉冲及瞬态掉电，特别是后者属于恶性干扰，可能产生严重的事故。电源监视电路的设计是抗电源干扰的一个有效方法。目前市场提供的电源监视集成电路，一般具有如下的功能: (1) 监视电源电压瞬时短路、瞬间降压和微秒级干扰脉冲及掉电； (2) 及时输出供CPU接
6、受的复位信号及中断信号；,6.3.3 用Watchdog抗电源于扰 在Watchdog的实现中，定时器时钟输入端CLK由系统时钟提供，其控制端接CPU，定时器总在一定的时间间隔内被CPU刷新一次，因而不会产出溢出信号，当系统因干扰产生程序“跑飞”或进入死循环后，定时器因未能被及时刷新而产生溢出，使系统重新初始化，而从头开始运行。,6.4 电场与磁场干扰耦合的抑制,6.4.1 电场与磁场干扰耦合的特点,电磁干扰特性： （1）接收特性。根据天线理论，电缆本身就是一条高效率的接收天线，它能够接收到空间的电磁波干扰，并且还能将干扰能量传递给系统中的电子电路或电子设备中，造成敏感性的干扰影响。 （2）辐
7、射特性。根据天线理论，电缆本身还是一条高效率的辐射天线。它能够将电子系统中的电磁干扰能量辐射到空间中去，造成辐射发射干扰影响。 （3）寄生特性。在电缆中，导线可以看成是互相平行的，而且互相靠得很紧密。根据电磁理论，导线与导线之间必然蕴藏着大量的寄生电容(分布电容)和寄生电感(分布电感)，这些寄生电容和寄生电感是导致串扰的主要原因。 （4）地电位特性。电缆的屏蔽层(金属护层)一般情况下是接地的。因此如果电缆所连接设备接地的电位不同，必然会在电缆的屏蔽层中引起地电流的流动，在内导线上感应出相应的感应电压和感应电流。,6.4.2 电场与磁场干扰耦合的抑制,1电场干扰耦合等效电路分析 电场干扰耦合又称
8、为容性干扰耦合。我们知道平行导线间存在电场(容性)干扰耦合，利用电路理论可以分析电场干扰耦合的一些特点。在这里主要讨论电场干扰耦合的抑制问题。为了能比较清楚地说明问题。仍然采用两平行导线系统结构。在讨论中，假设只对干扰源回路采取了屏蔽措施，而干扰敏感回路未采取屏蔽措施，如图6-7所示。图6-8给出了图6-7的等效电路。,图6-7 对干扰源回路采取屏蔽措施,图6-8 分析电场（容性）干扰耦合的等效电路,图6-9 接地电阻变化使得电场干扰耦合增加,屏蔽层接地质量的好与坏，可由RsG取值的大小反映出来；屏蔽层屏蔽效能的好与坏，可由CsG的取值反映出来。,2屏蔽层本身阻抗特性的影响 在上面的分析中，没
9、有考虑到屏蔽层本身阻抗特性的影响。屏蔽层阻抗是沿着屏蔽层纵向分布的，只有在频率较低或屏蔽层纵向长度远远小于传输信号波长的1/16时，才能忽略屏蔽层本身阻抗特性的影响。在低频时或屏蔽层纵向长度不长时，采用单点接地技术较为适合。,图6-10 屏蔽层单点接地干扰耦合电流流过较长距离后入地,当信号频率很高或屏蔽层纵向长度接近或大于传输信号波长的1/16时，屏蔽层本身的纵向阻抗特性就不能被忽略。如果这时屏蔽层仍然采用单点接地技术，那么单点接地将迫使干扰电流流过较长的距离后才能入地，结果使干扰电流在屏蔽层纵向方向上会产生电压降，形成屏蔽层在纵向方向上的各点电位不相同，应在每间隔1/16信号波长的距离处进行
10、接地一次。,图6-11 保证屏蔽层每间隔1/16信号波长的距离接地一次,在接地技术实施过程中，常常是将屏蔽层与被屏蔽的导线分开，屏蔽层被扭绞成一个辫子形状的粗导线后再接地，就是这个辫子形状的粗导线很容易产生寄生(分布)电感，寄生电感对屏蔽层的屏蔽效能有着极为不利影响，这种影响就被称为“猪尾（pigtail）”效应。“猪尾效应”引起寄生电感Lp的存在，使屏蔽层的电场屏蔽性能发生了较大的变化，导致电场干扰耦合电压增加。,图6-12 “猪尾”效应接地方式,图6-13 “猪尾”效应等效电路图,图6-14 “猪尾”效应产生的电场干扰耦合变化,电场干扰耦合VN/Vs,图6-15 芯线伸出屏蔽层太长增加电场
11、干扰耦合,实际工程中在屏蔽电缆与设备或系统的接入点处，如果屏蔽层的长度过短，屏蔽电缆留出的芯线又过长，暴露在屏蔽层之外电缆芯线得不到屏蔽层的保护会使得整个电缆的电场屏蔽效能降低，,6.5 几种接地技术,接地从字面上看来是一件十分简单的事情，但是对于从事电磁干扰的人来说，接地可能是一个非常复杂且难处理的事情。 在一个场合中可能是一个很好的设计方案，但在另一个场合里就不一定是最好的。接地设计在很大程度上取决于设计者对“接地”这个概念理解程度的深浅和设计经验丰富与否。 接地的方法很多，具体采用哪一种方法为妥要取决于系统的结构和功能。下面给出几种在电子系统中经常采用的接地技术，这些技术来源于已经成功的
12、经验之中。,6.5.1 单点接地,单点接地是为许多接在一起的不同的电路提供一个公共电位参考点，这样不同种类电路的信号就可以在不同种的电路之间传输。若没有一个公共参考点，传输的信号就会出现错误。单点接地是要求每个电路只接地一次，并且全部接在同一个接地点上。该点常常作为地电位参考点。由于只存在一个参考点，因此有的电路的接地地线可能会拉得很长，增加了导线的分布电感和分布电容，因此在高频电路中不宜采用单点接地的方法。另外因为单点接地在各电路中不存在地回路，所以能有效降低或抑制感性耦合干扰。,图6-16 单点接地,6.5.2 多点接地,设备内电路都以机壳为参考点，而各个设备的机壳又都以地为参考点。这种接
13、地结构能够提供较低的接地阻抗，而且每条地线可以做到很短。由于多根导线并联能够降低接地导体的总电感，因此在高频电路中必须使用多点接地，并且要求每根接地地线的长度小于信号波长的1/16。,图6-17 多点接地,6.5.3 混合单点接地,系统内的电源需要单点接地，而高频或射频信号又要求多点接地，这时就可以采用混合单点接地的方法。这种接地方法的缺点是接地导线有时较长，不利于高频或射频电路所要求的接地性能，这种方法适用于板级电路的模拟地和数字地的接地方式。如果多点接地与设备的外壳或电源地相连接，并且设备的物理尺寸或连接电缆长度与干扰信号的波长相比很长，就存在通过机壳或电缆的作用产生干扰的可能性。,图6-
14、18 混合单点接地,6.5.4 混合多点接地,混合多点接地方法不仅包含了单点接地特性也包含了多点接地特性，是经常采用的一种接地方法。为了防止系统地之间的互相影响，减小地阻抗之间的耦合，接地层的面积越大越好。由于采用了就近接地，接地导线可以做到很短，这样不仅降低了接地阻抗，同时还减小了接地回路的面积，有利于抑制干扰耦合的现象发生。,图6-19 混合多点接地,使用交流电供电的设备必须将设备的外壳与安全地线进行连接，否则当设备内的电源与设备外壳之司的绝缘电阻变小时，会导致电击伤害人身的事故。对于内部噪声和外部干扰的抑制需要在设备或系统上有许多点与地相连，主要是为干扰信号提供一个“最低阻抗”的旁路通道
15、。 设备的雷电保护系统是一个能够泄放掉大电流强度的接地系统，它主要由接闪器(避雷针)、下引线和接地网体组成。雷电接地系统常常要与电源参考地线或安全地线共同连接，形成一个等电位的安全系统，接地网体的接地电阻应足够小(一般为几个欧姆)。这里应该指出，一般对地的设计要求是指对安全和雷电防护的接地要求，其他接地均包含在对系统或设备的功能性设计要求中。,6.5.5 接地的一般性原则,低频电路（1MHz以下）： 对于低频电路接地的问题，应坚持一点接地的原则，而在一点接地的原则中，又有串联接地和并联接地两种。单点接地是为许多接在一起的电路提供共同的参考点，其中并联单点接地最为简单而实用，地线上不会出现耦合干
16、扰电流。这种接地方式一般在1MHz以下的工作频率段内能工作得很好，随着使用信号频率的升高，接地阻抗会随着越来越大，电路模块上会产生较大的共模干扰电压。因此，单点接地不能适合于高频电路模块的接地设计。,图6-20 串联型和并联型单点接地,高于10MHz高频电路： 对于工作频率较高的模拟电路和数字电路而言，由于各个电路模块或电路中的元器件引线的分布电感和分布电容以及电路布局本身的分布电感和分布电容都将会增加接地线的阻抗，非常容易造成电路间的互相耦合干扰的机会，从而使电路工作出现不稳定等现象。 为了降低接地线阻抗和接地线间的分布电感和分布电容所造成的电路引互相耦合干扰的机会，高频电路宜采用就近接地，即“多点接地”的原则，将各电路模块中的系统地线就近接到具有低阻抗的地线上。一般来说，当电路的工作频率高于10MHz时，应采用多点接地的方式。高频接地的关键技术就是尽量减少接地线的分布电感和分布电容，所以高频电路在接地的实施技术和方法上与低频电路是有很大区别的。,高低频率混合电路： 当一个系统中既有低频电路又有高频电路(这是常有的情况)
