[工学]第9章 计算机控制系统中的抗干扰技术

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1、第第9 9章章计算机控制系统中的抗干扰技术计算机控制系统中的抗干扰技术本章主要内容本章主要内容l干扰的传播途径与作用方式 l硬件抗干扰技术l软件抗干扰技术 9.1 9.1 干扰的传播途径 与作用方式是指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。抗干扰技术抗干扰技术就是通过对这三要素中的一个或多个采取必要 措施来实现的。干扰：干扰：与干扰相关的几个概念：干扰干扰源：源：产生干扰信号的原因干扰对象：干扰对象：干扰源通过传播途径影响的器件或系统干扰系统的三个要素：干扰系统的三个要素：干扰源、传播途径及干扰对象。9.1.1 9.1.1 干扰的来源干扰的来源 计算机控制系统中干扰的来源

2、是多方面的:干扰干扰外部干扰内部干扰外部干扰外部干扰与系统结构无关，是由使用条件和外部 环境因素决定的。 主要有主要有：天电干扰，如雷电或大气电离作用引起 的干扰电波；天体干扰，如太阳辐射的电磁波； 周围电气设备发出的电磁波的干扰；电源的工频 干扰；气象条件引起的干扰；地磁场干扰；火化 放电、弧光放电、辉光放电等产生的电磁波等。 内部干扰内部干扰是由系统的结构布局、线路设计、元器件 性质变化和漂移等原因造成的主要有主要有：分布电容、分布电感引起的耦合感应，电 磁场辐射感应，长线传输的波反射，多点接地造成 的电位差引入的干扰，寄生振荡引起的干扰以及热 噪声、闪变噪声、尖峰噪声等。9.1.2 9.

3、1.2 干扰的传播途径干扰的传播途径l在计算机控制系统的现场，往往有许多强电设备，它们的启动和工 作过程中将产生干扰电磁场，另外还有来自空间传播的电磁波和雷 电的干扰，以及高压输电线周围交变磁场的影响等。 电场耦合又称静电耦合，是通过电容耦合窜入其他线路的。干扰传播途径主要有： 电场耦合电场耦合 磁场耦合磁场耦合 公共阻抗耦合公共阻抗耦合电场耦合电场耦合 电场干扰可以通过两根导线之间构成的分布电容窜入系统当导导体2对对地电电阻R很小时时，使jR(C12+C2g) 1时时，式(9.1)可以近似表示为为在这这种情况下，干扰电压扰电压 Un由电电容C12和C2g的分压压关系及U1所确定， 其幅值值比

4、前两种情况大得多。在任何载流导体周围都会产生磁场，当电流变化时会引起交变磁场， 该磁场必然在其周围的闭合回路中产生感应电势引起干扰。其中： 为感应磁场交变角频率 M为两根导线之间的互感 I1为导线1中的电流 磁场耦合磁场耦合 在设备内部，线圈或变压器的漏磁也会引起干扰；在设备外部，平行架 设的两根导线也会产生干扰，由于感应电磁场引起的耦合，可以计算感 应电压公共阻抗耦合干扰是由于电流流过回路间公共 阻抗，使得一个回路的电流所产生的电压降影响 到另一回路。 公共阻抗耦合公共阻抗耦合 在计算机控制系统中，普遍存在公共耦合阻抗 ，例如，电源引线、印刷电路板上的地和公共 电源线、汇流排等。这些汇流条都

5、具有一定的 阻抗，对于多回路来讲，就是公共耦合阻抗。公共电源线的阻抗耦 合 公共地线的阻抗耦合 9.1.3 9.1.3 干扰的作用方式干扰的作用方式l按干扰作用方式的不同，可分为差模干扰、共模干扰和 长线传输干扰。又称串模干扰，是指叠加在被测信号上的干扰噪声，它串 联在信号源回路中，与被测信号相加输入系统。差模干扰 与被测信号在回路中处于同样的地位，也称为常态干扰或 横向干扰。 差模干扰：差模干扰示意图 n主要有分布电容的电场耦合，空间的磁场耦合，长线传输的互 感，50Hz工频干扰，以及信号回路中元件参数变化等。产生差模干扰的原因l是指系统的两个信号输入端上所共有的干扰电压,共模干 扰也称为共

6、态干扰或纵向干扰。计算机的地、信号放大器的地与现场信号源的地一般相隔一段距离，在 两个接地点之间往往存在一个电位差Vc，该电位差是系统信号输入端上 共有的干扰电压，会对系统产生共模干扰。 共模干扰示意图 共模干扰：l对于系统的干扰来说，共模干扰大都通过差模干扰的方 式表现出来。两种输入方式时共模电压的引入 l图 (a)所示为信号单端输入情况，Zs是信号源 内阻，Zr是系统输入阻抗。共模干扰电压 Ucm和信号源电压Us相加共同作用于回路， 此时，共模干扰全部以差模干扰形式作用于 电路。由Ucm引起系统输入的差模电压Un1 为 l因为ZrZs，则l其中，Zs是信号源内阻(含信号引线电阻)，Zr 是

7、放大器输入阻抗。显然，Zr越大，或Zs越 小，Un1越小，越有利于抑制共模干扰。l图 9.8(b)所示为放大器双端输入情况，Zs1、 Zs2为信号源内阻，Zc1、Zc2为系统输入阻 抗。共模电压Ucm引起系统输入端的差模干 扰电压Un2为l若Zs1=Zs2，Zc1=Zc2，则Un2=0，系统没 有引入共模干扰。实际上，两个输入端不可 能作到完全对称，因此，Un20，也就是说 实际上总是存在一定的共模干扰电压。当Zs1 和Zs2越小，Zc1和Zc2越大，并且Zc1和Zc2 越接近时，共模干扰电压就越小 l由上述分析可知，对于存在共模干扰的场合 ，不能采用单端输入，应采用双端输入方式 ，原因是其抗

8、共模干扰能力强。l为了衡量一个放大器抑制共模干扰的能力， 常用共模抑制比CMRR表示，即 l其中，Ucm是共模干扰电压，Un是由Ucm转 化成的差模干扰电压。显然，单端输入方式 的CMRR较小，说明它的抗共模抑制能力较 差；而双端输入方式，由Ucm引入的差模干 扰电压Un较小，CMRR较大，所以抗共模干 扰能力很强。l在计算机控制系统中，现场信号到控制计算机以及 控制计算机到现场执行机构，都经过一段较长的线 路进行信号传输，即长线传输。 一是高速变化的信号在长线中传输时，会出现波反射现象。长线传输干扰:信号在长线中传输会遇到三个问题：二是具有信号延时三是长线传输会受到外界干扰9.2 Unit

9、29.2 Unit 2硬件抗干扰技术9.2.19.2.1电源系统的抗干扰技术电源系统的抗干扰技术电源引入的干扰是计算机控制系统的主要干扰之一； 对计算机控制系统的干扰大部分是由电源耦合产生的。 供电方式 尖峰脉冲干扰的抑制 掉电保护 直流侧的抗干扰措施 计算机控制系统的供电方式 供电方式交流滤波器可采用电容滤波器，电感电容滤波器或有原滤波器。滤 波器要有良好的接地，布线接近地面，输入输出引线应相互隔离， 不可平行或缠绕在一起。 在电源变压器中设置合理的屏蔽（静电屏蔽和电磁屏蔽）是一种有 效的抗干扰措施，它是在电源变压器的初级和次级之间加屏蔽层 。还可采用开关电源、DC-DC变换器以及UPS供电

10、等，来提高电源的 稳定性 电源变压器的静电屏蔽 隔离变压器及其屏蔽l尖峰干扰是一种频繁出现的叠加于电网正弦波上的高能脉冲，其幅 度可达几千伏，宽度只有几个毫微秒或几个微妙，因此采用常规的 抑制办法是无效的，而必须采取综合治理办法。另外，使系统远离干扰源，对大功率用电设备采取专门措施抑制尖峰干 扰的产生等都是可行的方法。尖峰脉冲干扰的抑制抑制尖峰干扰最常用的方法主要有三种： 在交流电源的输入端并联压敏电阻； 采用铁磁共振原理(如采用超级隔离变压器)； 在交流电源输入端串入均衡器，即干扰抑制器。l过程控制计算机供电不允许中断，一旦中断电源，将影响生产。 为此，计算机系统应加装UPS（不间断电源），

11、或增加电源电 压监视电路，及早监测到掉电状态，从而进行应急处理。掉电保护电路 掉电保护对于没有使用UPS的计算机控制系统，为了防止掉电后RAM中 的信息丢失，经常采用镍电池对RAM进行数据保护。 l对直流电源电压监视可采用集成电路P监控电路实现掉电保护。现在 已经有许多集成电路P监控电路可供选择，它们具有很多种类和规格 ，同时也具有多种功能，如有的P监控电路除电源监视外，还具有看 门狗、上电复位、备用电源切换开关等功能。 利用MAX915组成的电源监视电路 l电网的高频干扰，由于频带较宽，仅在交流侧采取抗干扰措施，很 难保证干扰绝对不进入直流系统，因此须在直流侧采取必要的抗干 扰措施。直流侧的

12、抗干扰措施在每块逻辑电路板的电源和地线的引入处并接一个（10100） F的大电容和一个（0.010.1）F的小电容；在各主要的集成 电路芯片的电源输入端与地之间，或电路板电源布线的一些关键 点与地之间，接入一个（110）F的电解电容，同时为滤除高 频干扰，可再并联一个0.01F的小电容。去耦法在每块电路板上装上一个或几块稳压块，以稳定电路板上的电源 电压，提高抗干扰能力。增设稳压块法9.2.29.2.2接地系统的抗干扰技术接地系统的抗干扰技术二是为了保证控制系统稳定可靠工作，提供一个基准电位的接 地，即工作接地。 接地技术对计算机控制系统是极为重要的，不恰当的接地会对系统产 生严重的干扰，而正

13、确的接地却是抑制干扰的有效措施之一。计算机控制系统中接地的目的通常有两个： 一是为了安全，即安全接地；地线系统分析l在过程计算机控制系统中，一般有以下几种地线：模拟 地、数字地、安全地、系统地和交流地。 安全地的目的是使设备机壳与大地等电位，以避免机壳带 电影响人身和设备的安全。通常安全地又称为保护地或机 壳地，机壳包括机架、外壳、屏蔽罩等。 模拟地作为传感器、变送器、放大器、A/D和D/A转换中模 拟电路的零电位。模拟信号有精度要求，有时信号比较小 ，而且与生产现场相连。 数字地作为控制系统中各种数字电路的零电位，应该与模 拟地分开，避免模拟信号受数字脉冲的干扰。 系统地是以上几种地的最终回

14、流点，直接与大地相连 。 交流地是计算机交流供电电源地，即为动力线地，它的地 电位很不稳定。 在过程控制计算机中，对上述各种地的处理一般是采用分 别回流法单点接地。 单点接地与多点接地分别回流法接地示意图输入系统的接地l在输入通道中，为防止干扰，传感器、变送器、和信号放大 器通常采用屏蔽罩进行屏蔽，而信号线往往采用屏蔽信号线 。屏蔽层的接地也应采取单点接地方式，关键是确定接地位 置。 l输入信号源有接地和浮地两种情况。信号源端接地，而接收端浮地， 则屏蔽层应在信号源端接地 信号源浮地，接收端接地，则屏 蔽层应在接收端接地 主机系统的接地l为了提高计算机的抗干扰能力，将主机外壳作为屏蔽。而把机内

15、器 件架与外壳绝缘，绝缘电阻大于50M，即机内信号地浮地。主机与外部设备地连接后，采用一点接地。如图所示。为避 免多点接地，各机柜用绝缘板垫起来。这种接地方式安全可 靠，有一定的抗干扰能力。在计算机网络系统中，对于近距 离的几台计算机，可采用多机的一点接地方式；l对于远距离的多台计算机之间的数据通信，通过隔离的办法 分开，如采用变压器隔离技术、光电隔离技术和无线电通信 技术等。9.2.39.2.3过程通道的抗干扰技术过程通道的抗干扰技术l过程通道是计算机控制系统的现场数据采集输入和输出通道，它包括 了现场信号源、信号线、转换设备、I/O接口电路，主机和执行机构等。 l过程通道涉及内容多，分布广

16、，受干扰的可能性大，其抗干扰 问题非常重要。l过程通道干扰的来源是多方面的，主要有共模干扰、差模干扰 和长线干扰。 1 1、共模干扰的抑制、共模干扰的抑制共模干扰产生的原因主要是不同的地之间存在共模电压，以及模 拟信号系统对地的漏阻抗。共模干扰的抑制措施主要有三种：变 压器隔离、光电隔离、浮地屏蔽。变压器隔离l变压器隔离是利用隔离变压器将模拟信号电路与数字信号电 路隔离开，也就是把模拟地与数字地断开，以使共模干扰电 压不能构成回路，从而达到抑制共模干扰的目的。另外，隔 离后的两电路应分别采用两组互相独立的电源供电，切断两 部分的地线联系 .l这种隔离适用于无直流分量信号的通路。对于直流信号，也 可通过调制器变换成交流信号，经隔离变压器后，用解调器 再变换成直流信号。光电隔离l光电耦合器是由发光二极管和光敏三极管（或达林顿管、或晶闸管 等）封装在一个管壳内组成, 实现以光为媒介的电信号传输。发光二极管动态电阻非常小，而干扰源的内阻一般很