微机化测控系统第七章

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1、第七章 抗干扰技术 内容:噪声干扰的形成、硬件抗干扰技术、软件抗干扰技术重点：噪声干扰的形成、软件抗干扰技 术难点：硬件抗干扰技术、干扰的定义l干扰是指对系统的正常工作产生不良影响的 内部或外部因素。从广义上讲，机电一体化 系统的干扰因素包括电磁干扰、温度干扰、 湿度干扰、声波干扰和振动干扰等等。l电磁干扰是指在工作过程中受环境因素的影 响，出现的一些与有用信号无关的，并且对 系统性能或信号传输有害的电气变化现象。形成干扰的三个要素l干扰源：产生干扰信号的设备被称为干扰源，如变压器、继电器、微 波设备、电机、无绳电话和高压电线等都可以产生空中电磁信号 l传播途径：噪声源到接收电路间的耦合通道。

2、 l接收载体：接收载体是指受影响的设备的某个环节，该环节吸收了干 扰信号，并转化为对系统造成影响的电器参数。7-1-1 噪声源一、内部噪声源 1、电路元器件产生的固有噪声，电阻热噪声 、晶体管闪烁噪声 2、感性负载切换时产生的噪声干扰， 3、接触噪声（两种材料之间的不完全接触而引起导 电率起伏所产生的噪声，如虚焊或漏焊 ）2。感性负载切换时产生的噪声干扰在微机测控系统中常使用具有较大电感量的元件或 设备，诸如继电器、电动机、电磁阀等。当电感回 路的电流被切断时，会产生很大的反电势而形成噪 声干扰。这种反电势甚至可能击穿电路中晶体管之 类的器件，反电势形成的噪声干扰能产生电磁场， 对系统中的其它

3、电路产生干扰。对于反电势干扰， 可采用如下措施：2。感性负载切换时产生的噪声干扰图7-1-1 感性负载的干扰抑制网络7-1-1 噪声源二、外部噪声源 1、天体和天电干扰 2、放电干扰：电动机的电刷和整流子间的周期 性瞬间放电，电焊、电火花加工机床、电气开关 设备中的开关通断，电气机车和电车导电线与电 刷间的放电等。 3、射频干扰：电视广播、雷达及无线电收发机 等，对邻近电子设备的干扰。 4、工频干扰:大功率输、配电线与邻近测试系统 的传输线通过耦合产生的干扰。 7-1-2 噪声的耦合方式l静电耦合（电容性耦合）l电磁耦合（电感性耦合）：磁场耦合干扰是指大电 流周围磁场对机电一体化设备回路耦合形

4、成的干扰 。 l漏电耦合干扰（电阻性耦合） ：漏电耦合干扰是因 绝缘电阻降低而由漏电流引起的干扰，多发生于工 作条件比较恶劣的环境或器件性能退化、器件本身 老化的情况下。l共阻抗干扰：共阻抗干扰是指电路各部分公共导线 阻抗、地阻抗和电源内阻压降相互耦合形成的干扰, 这是机电一体化系统普遍存在的一种干扰。如图7-1 所示的串联接地方式，由于接地电阻的存在，三个 电路的接地电位明显不同。 l电磁辐射干扰：由各种大功率高频、中频发生装置, 各种电火花以及电台、电视台等产生的高频电磁波 向周围空间辐射，形成电磁辐射干扰。雷电和宇宙 空间也会有电磁波干扰信号。7-1-2 噪声的耦合方式一、静电偶合（电容

5、性耦合）l寄生的含义就是本来没有在那个地方设计电容，但 由于布线构之间总是有互容，互感就好像是寄生在 布线之间的一样，所以叫寄生电容。 l寄生电容一般是指电感，电阻，芯片引脚等在高频 情况下表现出来的电容特性。实际上，一个电阻等 效于一个电容，一个电感，和一个电阻的串连，在 低频情况下表现不是很明显，而在高频情况下，等 效值会增大，不能忽略。l两个电路之间存在的寄生电容，产生静电效应而引 起的干扰，多发生在小电流、高电压噪声源对测试 系统的干扰。如下页图7-1-2所示图7-1-2 静电电容耦合示意图 图中导线1是干扰源，导线2为测试系统传输线，C1、C2分别为导线 1、2的寄生电容，C12是导

6、线1和2之间的寄生电容，R为导线2被干 扰电路的等效输入阻抗。当干扰源的电压U1和角频率一定时，要 降低静电电容性耦合效应就必须减小电路的等效输入阻抗R和寄生 电容C12。 7-1-2 噪声的耦合方式二、电磁干扰（电感性耦合） 两个电路之间存在的互感。多发生在大电 流、低电压噪声源对测试系统的干扰。图7-1-3 两个电路之间的互感7-1-2 噪声的耦合方式三、漏电耦合（电阻性耦合） 由于绝缘不良，流经绝缘电阻的漏电使电测装置引 起干扰。图7-1-4 电阻耦合等效电路 7-1-2 噪声的耦合方式四、共阻抗耦合 两个或两个以上的电路有公共阻抗时，一个电路 中的电流变化在公共阻抗端产生的电压。这个

7、电压会影响与公共阻抗相连的其他电路的工作 ，成为其干扰电压。 1、电源内阻抗的耦合干扰 当一个电源对几路供电时，电源内部电阻R0就是 公共阻抗，当某一路电流变化时，公共阻抗上 产生的电压就构成了对其他电路干扰源，如下 图7-1-5。7-1-2 噪声的耦合方式图7-1-5 电源共阻抗耦合干扰为了抑制电源内阻抗的耦合干扰，可采取如下措施： 减小电源 的内阻； 在电路中增加电源退耦滤波电路。 7-1-2 噪声的耦合方式2、公共地线耦合干扰 由于公共地线存在一定的阻抗，当电流 通过时会产生干扰电压。如图图7-1-6 公共地线耦合干扰 图中R1,R2,R3为地线电阻，A1,A2为前置电压放大器，A3为功

8、率放大器， A3级的电流I3较大，通过地线电阻R3时产生的电压为U3=I3R3,U3就会对A1 、A2产生干扰。 7-1-2 噪声的耦合方式3、输出阻抗耦合干扰 输出向几路负载供电时，任何一路负载电 压的变化都会通过线路公共阻抗耦合而 影响其他的输出，产生干扰。7-1-2 噪声的耦合方式图7-1-7 输出阻抗耦合干扰 图为一个信号输出电路同时向三路负载提供信号的示意图。ZS为信号输出 电路的输出阻抗，Z0为输出接线阻抗，ZL为负载阻抗。若A路输出电压产 生变化UA,它将在负载B上引起UB的变化，UB就是干扰电压。一般 ZLZSZ0，故由上图可得UB UA ZS/ZL 。公式表明，减小输出阻抗

9、ZS，可减小由输出阻抗耦合产生的干扰UB。 7-1-2 噪声的耦合方式7-1-3 噪声的干扰模式在电路中，干扰信号通常以串模干扰和共模干扰形式与有用 信号一同传输。 1. 串模信号 串模干扰是叠加在被测信号上的干扰信号，也称横向 干扰。产生串模干扰的原因有分布电容的静电耦合、长线传 输的互感、空间电磁场引起的磁场耦合以及50Hz的工频干扰 等。 在机电一体化系统中，被测信号是直流（或变化比较 缓慢的）信号，而干扰信号经常是一些杂乱的波形并含有尖 峰脉冲，如图7-2(c)所示。图7-2中Us表示理想测试信号， U c表示实际传输信号，Ug表示不规则干扰信号。干扰可能来自 信号源内部（图7-2(a

10、)），也可能来自于导线的感应（图7- 2(b)）。图 串模干扰示意图l共模干扰往往是指同时加载在各个输入信号 接口端的共有的信号干扰。l图7-3所示的电路中，检测信号输入A/D转 换器，A/D转换器的两个输入端上即存在公 共的电压干扰。l由于输入信号源与主机有较长的距离，输入 信号Us的参考接地点和计算机控制系统输入 端参考接地点之间存在电位差Ucm。l这个电位差就在转换器的两个输入端上形成 共模干扰。以计算机接地点为参考点，加到 输入点A上的信号为Us+Ucm，加到输入点B 上的信号为Ucm。2.共模干扰图7-3 共模干扰示意图7.2 抗干扰的措施l屏蔽l隔离l滤波l接地l屏蔽是指利用导电或

11、导磁材料制成的盒状或壳状屏蔽体，将干扰源 或干扰对象包围起来，从而割断或削弱干扰场的空间耦合通道，阻 止其电磁能量的传输。按需屏蔽的干扰场的性质不同 l一、屏蔽的类型和原理 1、静电屏蔽 是为了消除或抑制由于电场耦合引起的干扰。空心导体内部没有静 电荷。 2、电磁屏蔽 高频电磁场能够在导体中产生涡流，利用涡流可以抵消高频干扰的 磁场。主要用于防止高频电磁干扰。 3、磁屏蔽 利用高导磁材料制成屏蔽罩，使低频磁场干扰的磁力线在屏蔽罩内 形成回路，达到抑制低频磁场。l二、屏蔽的结构形式：主要有屏蔽罩、屏蔽栅网、屏蔽铜箔、隔离 仓和导电涂料等。 l7.2.1 屏蔽l磁场屏蔽是为了消除或抑制由于磁场 耦

12、合引起的干扰。 l如图7-4所示的变压器，在变压器绕组 线包的外面包一层铜皮作为漏磁短路 环。l在如图7-5所示的同轴电缆）中，为防 止信号在传输过程中受到电磁干扰， 在电缆线中设置了屏蔽层。 图7-4 变压器的屏蔽图7-5 同轴电缆示意图l1.光电隔离l光电隔离是以光作为媒介在隔离的两端之间进行信号传输的，所用 的器件是光电耦合器。l由于光电耦合器在传输信息时，不是将其输入和输出的电信号进行 直接耦合，而是借助于光作为媒介物进行耦合的，因而具有较强的 隔离和抗干扰能力。l图7-6(a)所示为一般光电耦合器组成的输入/输出线路。在控制系统 中，它既可以用作一般输入/输出的隔离，也可以代替脉冲变

13、压器起线路隔离与脉冲放大作用。l由于光电耦合器具有二极管、三极管的电气特性，使它能方便地组 合成各种电路；又由于它靠光耦合传输信息，使它具有很强的抗电 磁干扰的能力，因而在机电一体化产品中获得了极其广泛的应用。 l7.2.2 隔离 光电隔离隔离原理l对于交流信号的传输,一般使用变压器隔离干扰信号的办法。隔离变压器也是常用的隔离部件，用来阻断交流信号中的直流干扰和 抑制低频干扰信号的强度,如图7-6(b)所示的变压器耦合隔离电路。隔离变压器把各种模拟负载和数字信号源隔离开来，也就是把 模拟地和数字地断开。传输信号通过变压器获得通路，而共模干 扰由于不形成回路而被抑制。2.变压器隔离变压器隔离原理

14、继电器线圈和触点仅有机械上的联系，而没有直接的电的联系，因此可利用 继电器线圈接收电信号，而利用其触点控 制和传输电信号，从而可实现强电和弱电 的隔离（如图7-8所示）。同时，继电器触点较多，且其触点能承受较大的负载电 流，因此应用非常广泛。 3.继电器隔离图7-8 继电器隔离l滤波是抑制干扰传导的一种重要方法。由于干扰源发 出的电磁干扰的频谱往往比要接收的信号的频谱宽得 多，因而当接收器接收有用信号时，也会接收到那些 不希望有的干扰。l图7-9所示为计算机电源采用的一种LC低通滤波器的 接线图。含有瞬间高频干扰的220V工频电源通过截 止频率为50Hz的滤波器，其高频信号被衰减，只有 50H

15、z的工频信号通过滤波器到达电源变压器，保证 正常供电。l7.2.3 滤波图7-9 低通滤波器l图7-10(a)所示为触点抖动抑制电路，对抑制各类触点或开关在闭 合或断开瞬间因触点抖动所引起的干扰是十分有效的。l图7-10(b)所示电路是交流信号抑制电路，主要用于抑制电感性负 载在切断电源瞬间所产生的反电势。这种阻容吸收电路可以将电 感线圈的磁场释放出来的能量转化为电容器电场的能量储存起来 ，以降低能量的消散速度。l图7-10(c)所示电路是输入信号的阻容滤波电路，类似的这种线路 既可作为直流电源的输入滤波器，也可作为模拟电路输入信号的 阻容滤波器。图7-11 双T型带阻滤波器l图7-11所示为

16、一种双T型带阻滤波器， 可用来消除工频（电源）串模干扰。 图中输入信号U1经过两条通路送到输 出端。 一、接地的基本概念 1、测控系统中的地线种类 信号地：传感器本身的零电位基准线 模拟地：模拟信号的参考点，最后汇总到供电的直 流电源上。 数字地：数字信号的参考点，最后汇总到供电的直 流电源上。 负载地：大功率负载或感性负载的地线。也叫噪声 地 系统地：将数字地、模拟地、负载地的最后汇合点 。7-2-4 接地技术2、共地和浮地 浮地：系统地与大地绝缘，则该系统称为浮地系 统。 共地系统：把系统地与大地连接在一起。 宜采用共地系统；接地点与交流电源接地点 距离不少于800米，接地棒深埋并与电力线垂 直。 3、接地方式单点接地：两个或两个以上的电路共用一段地 线的接地方法称为串联单点接地。容易受到别 的电路干扰。适合于地电流比较小电路。图7-2-1 串联单点接地方式串联接地 方式的缺 点： 离接地点 越远，电 路中出现 的噪声干 扰越大。图7-12 并联一点接地图7-1