微机测控技术ch72课件.ppt
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1、17.2 7.2 硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术NUST自动化学院自动化学院微机测控技术微机测控技术2硬件抗干扰的常用措施硬件抗干扰的常用措施 1 1、接地技术、接地技术 2 2、屏蔽技术、屏蔽技术 3 3、长线传输的干扰及抑制、长线传输的干扰及抑制 4 4、共模干扰的抑制、共模干扰的抑制 5 5、差模干扰的抑制、差模干扰的抑制 6 6、供电系统抗干扰、供电系统抗干扰 7 7、印刷电路板抗干扰、印刷电路板抗干扰NUST自动化学院自动化学院微机测控技术微机测控技术3一、接地技术一、接地技术 1 1、接地的基本概念、接地的基本概念 2 2、接地环路与共模干扰、接地环路与共模干扰 3 3、系统接地设计
2、、系统接地设计 NUST自动化学院自动化学院微机测控技术微机测控技术4(一一)接地的基本概念接地的基本概念地:地:电路或系统中,为各信号提供参考电位的电路或系统中,为各信号提供参考电位的等电等电位点位点或或等电位面等电位面。接地:接地:将某点与一个等电位点或等电位面之间用将某点与一个等电位点或等电位面之间用低电低电阻导体阻导体连接起来,构成基准电位。连接起来,构成基准电位。NUST自动化学院自动化学院微机测控技术微机测控技术51 1、测控系统中的地线种类、测控系统中的地线种类 1)1)信号地信号地 检测系统中,原始信号是用传感器从被测对象检测系统中,原始信号是用传感器从被测对象获取的,信号地指
3、获取的,信号地指传感器本身的零电位基准线传感器本身的零电位基准线。2)2)模拟地模拟地 模拟信号的参考点,所有电路的模拟地最终都模拟信号的参考点,所有电路的模拟地最终都与与供给模拟电路电流的直流电源的参考点供给模拟电路电流的直流电源的参考点连接。连接。3)3)数字地数字地 数字信号的参考点,所有电路的数字地最终都数字信号的参考点,所有电路的数字地最终都与与供给数字电路电流的直流电源的参考点供给数字电路电流的直流电源的参考点相连。相连。NUST自动化学院自动化学院微机测控技术微机测控技术64)4)负载地负载地 指指大功率负载大功率负载或或感性负载感性负载的地线。的地线。当大功率负载被切换时,地电
4、流中会出现很大当大功率负载被切换时,地电流中会出现很大的的瞬态分量瞬态分量,对低电平的模拟电路乃至数字电路都,对低电平的模拟电路乃至数字电路都会产生严重干扰,这类负载的地线称为会产生严重干扰,这类负载的地线称为噪声地噪声地。NUST自动化学院自动化学院微机测控技术微机测控技术75)5)系统地系统地 为为避免地线公共阻抗的耦合干扰避免地线公共阻抗的耦合干扰,模拟地、数,模拟地、数字地、负载地应严格分开,最后汇合在一点,该点字地、负载地应严格分开,最后汇合在一点,该点称为系统地,为整个系统的统一参考电位。称为系统地,为整个系统的统一参考电位。系统或设备的机壳上的某一点通常与系统地相系统或设备的机壳
5、上的某一点通常与系统地相连接,供给系统各个环节的直流稳压或非稳压电源连接,供给系统各个环节的直流稳压或非稳压电源的参考点也都在系统地上。的参考点也都在系统地上。NUST自动化学院自动化学院微机测控技术微机测控技术82 2、共地和浮地、共地和浮地 浮地系统:浮地系统:1 1)系统地与大地绝缘的系统。系统地与大地绝缘的系统。2 2)系统地不一定是零电位,系统地不一定是零电位,仅为仅为系统的等电系统的等电位点位点。共地系统共地系统 1 1)系统地与大地相连的系统。系统地与大地相连的系统。2 2)系统地与大地电位相同系统地与大地电位相同。NUST自动化学院自动化学院微机测控技术微机测控技术9绝对零电位
6、:绝对零电位:地球电位作为绝对基准电位地球电位作为绝对基准电位也也即即绝对零电位。绝对零电位。绝对零电位常用连接方法:绝对零电位常用连接方法:地下埋设铜板或插入金属棒等作为连接大地的地下埋设铜板或插入金属棒等作为连接大地的地线。地线。NUST自动化学院自动化学院微机测控技术微机测控技术10常用系统的接地设计常用系统的接地设计共地系统:共地系统:1 1)采用共地系统,有利于采用共地系统,有利于信号线的屏蔽处理信号线的屏蔽处理(抑制干扰抑制干扰);2 2)机壳接地可免除操作人员的触电危险;机壳接地可免除操作人员的触电危险;浮地系统:浮地系统:优点:优点:对地电阻较大,对地分布电容较小,外对地电阻较
7、大,对地分布电容较小,外部共模干扰引起的干扰电流较小。部共模干扰引起的干扰电流较小。NUST自动化学院自动化学院微机测控技术微机测控技术11实现方式:实现方式:1 1)机壳与大地完全绝缘:机壳与大地完全绝缘:机壳较大时,机壳与大地间分布电容和有限的机壳较大时,机壳与大地间分布电容和有限的漏电阻使系统地与大地间的可靠绝缘非常困难。漏电阻使系统地与大地间的可靠绝缘非常困难。2 2)系统地不接机壳:系统地不接机壳:后果:后果:贴地布线的原则贴地布线的原则(系统内部的信号传输系统内部的信号传输线、电源线和地线应贴近接地的机柜排列,机柜可线、电源线和地线应贴近接地的机柜排列,机柜可起到屏蔽作用起到屏蔽作
8、用)难以实施难以实施。NUST自动化学院自动化学院微机测控技术微机测控技术12共地系统中有接地注意点共地系统中有接地注意点-可靠接地可靠接地 1 1)系统地不能连接到交流电源的零线上系统地不能连接到交流电源的零线上;2 2)系统地不能连到大功率设备安全地线系统地不能连到大功率设备安全地线上;上;交流电源及大功率设备地与大地间存在着随机交流电源及大功率设备地与大地间存在着随机变化的电位差,幅值变化范围从几十变化的电位差,幅值变化范围从几十mVmV至几十至几十V V。3 3)共地系统必须另设接地线共地系统必须另设接地线;4 4)为防止大功率交流电源地电流对系统地的干为防止大功率交流电源地电流对系统
9、地的干扰,系统地的接地点和交流电源接地点间的最小距扰,系统地的接地点和交流电源接地点间的最小距离不应少于离不应少于800 m800 m,所用的接地棒按常规的接地工艺所用的接地棒按常规的接地工艺深埋,且与电力线垂直。深埋,且与电力线垂直。NUST自动化学院自动化学院微机测控技术微机测控技术133 3、接地方式、接地方式 1)1)串联单点接地串联单点接地 2)2)并联单点接地并联单点接地 3)3)多点接地多点接地NUST自动化学院自动化学院微机测控技术微机测控技术14串联单点接地串联单点接地 方式:方式:两个或两个以上的电路共用一段地线两个或两个以上的电路共用一段地线 1 1)R R1 1、R R
10、2 2和和R R3 3是各地线等效电阻;是各地线等效电阻;2 2)I I1 1、I I2 2和和I I3 3是电路是电路1 1、2 2和和3 3的入地电流。的入地电流。3 3)地电流在地线等效电阻上产生压降,三个电地电流在地线等效电阻上产生压降,三个电路与地线的连接点的对地电位具有不同的数值:路与地线的连接点的对地电位具有不同的数值:V VA A =(I=(I1 1 +I I2 2 +I I3 3)R)R1 1 V VB B=V=VA A +(I+(I2 2 +I I3 3)R)R2 2 V VC C=V=VB B +I+I3 3R R3 3 NUST自动化学院自动化学院微机测控技术微机测控技
11、术15串联单点接地的特点串联单点接地的特点 1 1)电路的电路的地电位受其他电路地电流变化的调地电位受其他电路地电流变化的调制制,电路的输出信号受到干扰;,电路的输出信号受到干扰;2 2)干扰由地线公共阻抗耦合作用产生的;干扰由地线公共阻抗耦合作用产生的;3 3)离接地点越远,电路中出现噪声干扰越大;离接地点越远,电路中出现噪声干扰越大;4 4)串联接地方式布线最简单,费用最省串联接地方式布线最简单,费用最省。NUST自动化学院自动化学院微机测控技术微机测控技术16串联单点接地方式的适用电路:串联单点接地方式的适用电路:地电流较小地电流较小且且相差不太大相差不太大的电路。的电路。抗干扰措施:抗
12、干扰措施:为使干扰最小,把电平最低的电路安置在离接为使干扰最小,把电平最低的电路安置在离接地点地点(系统地系统地)最近的地方与地线相接。最近的地方与地线相接。NUST自动化学院自动化学院微机测控技术微机测控技术17并联单点接地并联单点接地 各电路的地线只在一点各电路的地线只在一点(系统地系统地)汇合汇合,如图:,如图:NUST自动化学院自动化学院微机测控技术微机测控技术18并联单点接地的特点并联单点接地的特点 1 1)电路的对地电位只与本电路的地电流和地线电路的对地电位只与本电路的地电流和地线阻抗有关阻抗有关,因而没有公共阻抗耦合噪声;,因而没有公共阻抗耦合噪声;2 2)地线太多地线太多,复杂
13、的系统这一矛盾更突出;,复杂的系统这一矛盾更突出;NUST自动化学院自动化学院微机测控技术微机测控技术19 3 3)不能用于高频信号系统不能用于高频信号系统。a a、地线一般较长,高频情况下,地线的等效电、地线一般较长,高频情况下,地线的等效电感和各地线之间杂散电容耦合的影响不容忽视;感和各地线之间杂散电容耦合的影响不容忽视;b b、地线的长度等于信号波长的奇数倍时,地线、地线的长度等于信号波长的奇数倍时,地线呈极高阻抗,变成一个呈极高阻抗,变成一个发射天线发射天线,对邻近电路产生,对邻近电路产生严重的辐射干扰;严重的辐射干扰;c c、应把地线长度控制在、应把地线长度控制在1/201/20信号
14、波长之内。信号波长之内。NUST自动化学院自动化学院微机测控技术微机测控技术20多点接地方式多点接地方式 1 1)各电路或元件的地线以各电路或元件的地线以最短的距离就近连到地线汇流最短的距离就近连到地线汇流排排(通常是金属底板通常是金属底板)上;上;2 2)地线很短地线很短(小于小于25 mm)25 mm),底板表面镀银,所以阻抗都很小;底板表面镀银,所以阻抗都很小;3 3)不能用在低频系统中不能用在低频系统中。各电路的地电流流过地线汇流排的电阻会产生公各电路的地电流流过地线汇流排的电阻会产生公共阻抗耦合噪声。共阻抗耦合噪声。NUST自动化学院自动化学院微机测控技术微机测控技术21接地方式的选
15、用接地方式的选用 1 1)信号频率低于信号频率低于1MHz1MHz时,采用单点接地方式;时,采用单点接地方式;2 2)信号频率高于信号频率高于10MHz10MHz时,采用多点接地;时,采用多点接地;3 3)频率处于频率处于1-10MHz1-10MHz之间的系统;之间的系统;a a、采用单点接地方式:地线长度应小于信号波采用单点接地方式:地线长度应小于信号波长的长的1 12020。b b、如不满足这一要求,应采用多点接地。如不满足这一要求,应采用多点接地。NUST自动化学院自动化学院微机测控技术微机测控技术22低频系统接地方式低频系统接地方式要求:要求:1 1)串联和并联相结合的单点接地方式;串
16、联和并联相结合的单点接地方式;2 2)兼顾抑制公共阻抗耦合噪声;兼顾抑制公共阻抗耦合噪声;3 3)系统布线不过于复杂。系统布线不过于复杂。方式:方式:1 1)系统所有地线根据电流变化性质分若干组;系统所有地线根据电流变化性质分若干组;2 2)性质相近的电路共用一根地线性质相近的电路共用一根地线(串联接地串联接地);3 3)将各组地线汇集于系统地上将各组地线汇集于系统地上(并联接地并联接地)。NUST自动化学院自动化学院微机测控技术微机测控技术23(二二)、系统接地设计、系统接地设计基本要求:基本要求:1 1)消除消除电流经公共地线阻抗产生的噪声电压电流经公共地线阻抗产生的噪声电压;2 2)避免
17、形成接地环路,引进共模干扰;避免形成接地环路,引进共模干扰;电路中地线特点:电路中地线特点:1 1)系统中具有多种地线;系统中具有多种地线;2 2)各)各环节与系统中一种或几种地线发生联系环节与系统中一种或几种地线发生联系。NUST自动化学院自动化学院微机测控技术微机测控技术24地线处理的基本原则地线处理的基本原则 1 1)尽量避免或减少由接地所引起的各种干扰,尽量避免或减少由接地所引起的各种干扰,2 2)便于布线;便于布线;3 3)节省成本。节省成本。NUST自动化学院自动化学院微机测控技术微机测控技术25系统接地设计的主内容系统接地设计的主内容 1 1)输入信号传输线屏蔽接地点的选择)输入
18、信号传输线屏蔽接地点的选择 2 2)电源变压器静电屏蔽层的接地)电源变压器静电屏蔽层的接地 3 3)直流电源接地点的选择)直流电源接地点的选择 4 4)印刷电路板的地线布局)印刷电路板的地线布局 5 5)机柜地线的布局)机柜地线的布局 NUST自动化学院自动化学院微机测控技术微机测控技术261 1、直流电源接地点的选择、直流电源接地点的选择系统电源的特点:系统电源的特点:1 1)具有多种直流电源,有供给模拟电路工作用具有多种直流电源,有供给模拟电路工作用的和供给数字电路工作用的电源,都是稳压电源;的和供给数字电路工作用的电源,都是稳压电源;2 2)可能存在非稳压直流电源,供显示、控制等可能存在
19、非稳压直流电源,供显示、控制等用;用;3 3)不同性质的电源地线不能任意互连,应分别不同性质的电源地线不能任意互连,应分别汇集于一点,再与系统地相接。汇集于一点,再与系统地相接。NUST自动化学院自动化学院微机测控技术微机测控技术272 2、印刷电路板的地线布局、印刷电路板的地线布局 常用印刷电路板的特点:常用印刷电路板的特点:1 1)包含模拟电源和数字电源,即包含模拟地、包含模拟电源和数字电源,即包含模拟地、数字地;数字地;2 2)一般的,一个系统中不可能为单一地信号。一般的,一个系统中不可能为单一地信号。NUST自动化学院自动化学院微机测控技术微机测控技术28地线处理原则地线处理原则1 1
20、)模拟地和数字地分别设置;模拟地和数字地分别设置;通过不同的引脚各元器件的模拟地和数字地分通过不同的引脚各元器件的模拟地和数字地分别连到电路板上的模拟地线和数字地线。别连到电路板上的模拟地线和数字地线。2 2)减小地线电阻;减小地线电阻;选用较宽的地线选用较宽的地线(支线宽度通常不小于支线宽度通常不小于2-3mm2-3mm,干线宽度不小于干线宽度不小于8-10 mm)8-10 mm);不能随意增大地线面积,避免增大电路和地线不能随意增大地线面积,避免增大电路和地线之间的寄生电容。之间的寄生电容。NUST自动化学院自动化学院微机测控技术微机测控技术293 3)采用地线隔离信号之间的耦合;采用地线
21、隔离信号之间的耦合;a a、模拟地线可隔离输入模拟信号间及输出和输、模拟地线可隔离输入模拟信号间及输出和输入信号间的耦合;入信号间的耦合;b b、在需要隔离的两信号线之间增设模拟地线;、在需要隔离的两信号线之间增设模拟地线;c c、数字信号可用数字地线进行隔离。、数字信号可用数字地线进行隔离。NUST自动化学院自动化学院微机测控技术微机测控技术30二、屏蔽技术二、屏蔽技术屏蔽前提:屏蔽前提:1 1)仪表或系统的工作现场存在强电设备;仪表或系统的工作现场存在强电设备;2 2)强电设备的磁力线或电力线干扰仪表或系统强电设备的磁力线或电力线干扰仪表或系统的正常工作。的正常工作。屏蔽措施:屏蔽措施:采
22、用采用低电阻的导电材料低电阻的导电材料或或高导磁率的铁磁材料高导磁率的铁磁材料制成容器,对易受干扰的部分实行屏蔽,制成容器,对易受干扰的部分实行屏蔽,阻断或抑阻断或抑制各种场干扰制各种场干扰。NUST自动化学院自动化学院微机测控技术微机测控技术31(一一)、屏蔽的类型和原理、屏蔽的类型和原理屏蔽的类型:屏蔽的类型:1 1)静电屏蔽静电屏蔽 2 2)电磁屏蔽电磁屏蔽 3 3)磁屏蔽磁屏蔽NUST自动化学院自动化学院微机测控技术微机测控技术321 1、静电屏蔽、静电屏蔽静电屏蔽的原理:静电屏蔽的原理:1 1)静电场作用下,如果空心导体腔内没有净电静电场作用下,如果空心导体腔内没有净电荷,导体内和空
23、腔内任何一点处的场强都等于零,荷,导体内和空腔内任何一点处的场强都等于零,剩余电荷只能分布在外表面。剩余电荷只能分布在外表面。2 2)把某一物体放入空心导体的空腔内,该物体把某一物体放入空心导体的空腔内,该物体就不受任何外电场的影响。就不受任何外电场的影响。NUST自动化学院自动化学院微机测控技术微机测控技术33静电屏蔽作用静电屏蔽作用 1 1)在空心导体在空心导体(金属盒金属盒)B)B的的空腔内放有一个带电体空腔内放有一个带电体A A:2 2)由于静电感应,金属盒由于静电感应,金属盒B B的内外表面分别出现等量异号的的内外表面分别出现等量异号的感应电荷;感应电荷;3 3)B B外表面电荷产生
24、的电场对外界产生影响外表面电荷产生的电场对外界产生影响:NUST自动化学院自动化学院微机测控技术微机测控技术34 4 4)将金属盒将金属盒B B接地,则外表面的感应电荷将因接地,则外表面的感应电荷将因接地而消失,相应的电场也随之消失;接地而消失,相应的电场也随之消失;5 5)可消除金属盒内带电体对盒外的影响。可消除金属盒内带电体对盒外的影响。NUST自动化学院自动化学院微机测控技术微机测控技术35静电屏蔽的效果及措施静电屏蔽的效果及措施静电屏蔽的效果:静电屏蔽的效果:1 1)用金属屏蔽盒罩住被干扰的电路,且将金属用金属屏蔽盒罩住被干扰的电路,且将金属盒接地,可消除外部的静电干扰;盒接地,可消除
25、外部的静电干扰;2 2)用金属盒罩住干扰源,且将金属盒接地,则用金属盒罩住干扰源,且将金属盒接地,则可抑制干扰源对外部的干扰。可抑制干扰源对外部的干扰。NUST自动化学院自动化学院微机测控技术微机测控技术36静电屏蔽的措施:静电屏蔽的措施:1 1)为达到较好的静电屏蔽效果,选用为达到较好的静电屏蔽效果,选用低电阻材低电阻材料料作屏蔽盒,以铜或铝为佳;作屏蔽盒,以铜或铝为佳;2 2)屏蔽盒应有良好的接地;屏蔽盒应有良好的接地;3 3)伸出屏蔽盒以外的导线越短越好。伸出屏蔽盒以外的导线越短越好。NUST自动化学院自动化学院微机测控技术微机测控技术372 2、电磁屏蔽、电磁屏蔽 电磁屏蔽的目的:电磁
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