抗干扰技术课件.ppt
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1、 第第9章章:抗干扰技术抗干扰技术 n1、了解干扰的来源与传播途径。、了解干扰的来源与传播途径。n2、了解硬件抗干扰措施、了解硬件抗干扰措施,重点是串模干扰与共重点是串模干扰与共 模干扰的抑制模干扰的抑制n3、了解软件抗干扰措施、了解软件抗干扰措施,重点是程序运行监视重点是程序运行监视 系统。系统。返回总目录返回总目录本章主要内容n 引言引言n9.1 干扰的来源与传播途径干扰的来源与传播途径n9.2 硬件抗干扰措施硬件抗干扰措施n9.3 软件抗干扰措施软件抗干扰措施n 本章小结本章小结n 思考题思考题 微机控制系统的被控变量分布在生产现微机控制系统的被控变量分布在生产现场的各个角落,因而计算机
2、是处于干扰频繁的场的各个角落,因而计算机是处于干扰频繁的恶劣环境中,干扰是有用信号以外的噪声,这恶劣环境中,干扰是有用信号以外的噪声,这些干扰会影响系统的测控精度,降低系统的可些干扰会影响系统的测控精度,降低系统的可靠性,甚至导致系统的运行混乱,造成生产事靠性,甚至导致系统的运行混乱,造成生产事故。故。但干扰是客观存在的,所以,人们必须但干扰是客观存在的,所以,人们必须研究干扰,以采取相应的抗干扰措施。本章主研究干扰,以采取相应的抗干扰措施。本章主要讨论干扰的来源、传播途经及抗干扰的措施。要讨论干扰的来源、传播途经及抗干扰的措施。9.1 干扰的来源与传播途径v9.1.1 干扰的来源干扰的来源v
3、9.1.2 干扰的传播途径干扰的传播途径n干扰的来源是多方面的,有时甚至是错综复杂的。干扰的来源是多方面的,有时甚至是错综复杂的。干扰有的来自干扰有的来自外部外部,有的来自,有的来自内部内部。n外部干扰由使用条件和外部环境因素决定。外部干外部干扰由使用条件和外部环境因素决定。外部干扰环境如图扰环境如图9-1所示,有天电干扰,如雷电或大气电所示,有天电干扰,如雷电或大气电离作用以及其他气象引起的干扰电波;天体干扰,离作用以及其他气象引起的干扰电波;天体干扰,如太阳或其他星球辐射的电磁波;电气设备的干扰,如太阳或其他星球辐射的电磁波;电气设备的干扰,如广播电台或通讯发射台发出的电磁波,动力机械、如
4、广播电台或通讯发射台发出的电磁波,动力机械、高频炉、电焊机等都会产生干扰;此外,荧光灯、高频炉、电焊机等都会产生干扰;此外,荧光灯、开关、电流断路器、过载继电器、指示灯等具有瞬开关、电流断路器、过载继电器、指示灯等具有瞬变过程的设备也会产生较大的干扰;来自电源的工变过程的设备也会产生较大的干扰;来自电源的工频干扰也可视为外部干扰。频干扰也可视为外部干扰。9.1.1 干扰的来源干扰的来源高压电缆闪电雷达、电台等天线发射 微机控制系统地电位波动电机、电焊机等大用电设备引入噪声交交流流动动力力线线 图 8-1 外部干扰环境n内部干扰则是由系统的结构布局、制造工艺所引内部干扰则是由系统的结构布局、制造
5、工艺所引入的。内部干扰环境入的。内部干扰环境如图如图9-2所示所示,有分布电容、,有分布电容、分布电感引起的耦合感应,电磁场辐射感应,长分布电感引起的耦合感应,电磁场辐射感应,长线传输造成的波反射;多点接地造成的电位差引线传输造成的波反射;多点接地造成的电位差引入的干扰;装置及设备中各种寄生振荡引入的干入的干扰;装置及设备中各种寄生振荡引入的干扰以及热噪声、闪变噪声、尖峰噪声等引入的干扰以及热噪声、闪变噪声、尖峰噪声等引入的干扰;甚至元器件产生的噪声等。扰;甚至元器件产生的噪声等。9.1.2 干扰的传播途径干扰的传播途径 干扰传播的途径主要有三种:干扰传播的途径主要有三种:静电耦合,磁场静电耦
6、合,磁场耦合,公共阻抗耦合。耦合,公共阻抗耦合。1静电耦合静电耦合图 8-3 导 线 之 间 的 静 电 耦 合 导 线 1 导 线 2C12C1gU1C2gRUn9.1.2 干扰的传播途径干扰的传播途径q静电耦合是电场通过电容耦合途径窜入其它静电耦合是电场通过电容耦合途径窜入其它线路的。两根并排的导线之间会构成分布电线路的。两根并排的导线之间会构成分布电容,如印制线路板上印制线路之间、变压器容,如印制线路板上印制线路之间、变压器绕线之间都会构成分布电容。绕线之间都会构成分布电容。q图图9-39-3给出两根平行导线之间静电耦合的示意给出两根平行导线之间静电耦合的示意电路,电路,ClCl 2 2
7、是两个导线之间的分布电容,是两个导线之间的分布电容,C1gC1g、C2gC2g是导线对地的电容,是导线对地的电容,R R是导线是导线2 2对地电阻。对地电阻。如果导线如果导线1 1上有信号上有信号U1U1存在,那么它就会成为存在,那么它就会成为导线导线2 2的干扰源,在导线的干扰源,在导线2 2上产生干扰电压上产生干扰电压Un Un。显然,干扰电压显然,干扰电压UnUn与干扰源与干扰源U1U1、分布电容分布电容Cl2Cl2、C2gC2g的大小有关。的大小有关。空间的磁场耦合是通过导体间的互感耦合进来的。在空间的磁场耦合是通过导体间的互感耦合进来的。在任何载流导体周围空间中都会产生磁场,而交变磁
8、场则对其任何载流导体周围空间中都会产生磁场,而交变磁场则对其周围闭合电路产生感应电势。如设备内部的线圈或变压器的周围闭合电路产生感应电势。如设备内部的线圈或变压器的漏磁会引起干扰,还有普通的两根导线平行架设时,也会产漏磁会引起干扰,还有普通的两根导线平行架设时,也会产生磁场干扰,生磁场干扰,如图如图9-49-4所示所示。如果导线如果导线1 1为承载着为承载着10kVA10kVA、220V220V的交流输电线,的交流输电线,导线导线2 2为与之相距为与之相距1 1米并平行走线米并平行走线1010米的信号线,两线米的信号线,两线之间的互感之间的互感M M会使信号线上感应到的干扰电压会使信号线上感应
9、到的干扰电压UnUn高达几高达几十毫伏。如果导线十毫伏。如果导线2 2是连接热电偶的信号线,那么这几是连接热电偶的信号线,那么这几十毫伏的干扰噪声足以淹没热电偶传感器的有用信号。十毫伏的干扰噪声足以淹没热电偶传感器的有用信号。2磁场耦合磁场耦合1线导2线导图 8-4 导线之间的磁场耦合R2R3R1I1U1UnMn公共阻抗耦合发生在两个电路的电流流经一个公共阻抗耦合发生在两个电路的电流流经一个公共阻抗时,一个电路在该阻抗上的电压降会公共阻抗时,一个电路在该阻抗上的电压降会影响到另一个电路,从而产生干扰噪声的影响。影响到另一个电路,从而产生干扰噪声的影响。图图9-59-5给出一个公共电源线的阻抗耦
10、合示意图。给出一个公共电源线的阻抗耦合示意图。3公共阻抗耦合公共阻抗耦合R3R1i2i1R4R2图 8-5 公共电源线的阻抗耦合A1 A2 在一块印制电路板上,运算放大器在一块印制电路板上,运算放大器A1A1和和A2A2是两个独是两个独立的回路,但都接入一个公共电源,电源回流线的等效立的回路,但都接入一个公共电源,电源回流线的等效电阻电阻R1R1、R2R2是两个回路的公共阻抗。当回路电流是两个回路的公共阻抗。当回路电流i i1 1变化变化时,在时,在R1R1和和R2R2上产生的电压降变化就会影响到另一个回上产生的电压降变化就会影响到另一个回路电流路电流i i2 2。反之,也如此。反之,也如此。
11、9.2 硬件抗干扰措施硬件抗干扰措施v9.2.1 9.2.1 串模干扰的抑制串模干扰的抑制v9.2.2 9.2.2 共模干扰的抑制共模干扰的抑制v9.2.3 9.2.3 长线传输干扰的抑制长线传输干扰的抑制 v9.2.4 9.2.4 信号线的选择与敷设信号线的选择与敷设 v9.2.5 9.2.5 电源系统的抗干扰电源系统的抗干扰 v9.2.6 9.2.6 接地系统的抗干扰接地系统的抗干扰 串模干扰是指迭加在被测信号上的干扰噪声,串模干扰是指迭加在被测信号上的干扰噪声,即干扰源串联在信号源回路中。其表现形式与产即干扰源串联在信号源回路中。其表现形式与产生原因生原因如图如图9-69-6所示所示。图
12、中。图中U Us s为信号源,为信号源,U Un n为串为串模干扰电压,邻近导线模干扰电压,邻近导线(干扰线干扰线)有交变电流有交变电流I Ia a流流过,由过,由I Ia a产生的电磁干扰信号就会通过分布电容产生的电磁干扰信号就会通过分布电容C C1 1和和C C2 2的耦合,引至计算机控制系统的输入端。的耦合,引至计算机控制系统的输入端。9.2.1 串模干扰的抑制串模干扰的抑制sUnUU1C2C线扰干)b(因原生产)a(式形现表扰干模串6-8图s计 算 机 控 制 系 统计 算 机 控 制 系 统aI 对串模干扰的抑制较为困难,因为干扰Un直接与信号Us串联。目前常采用双绞线与滤波器两种措
13、施。1双绞线做信号引线双绞线做信号引线n双绞线是由两根互相绝缘的导线扭绞缠绕组成,为双绞线是由两根互相绝缘的导线扭绞缠绕组成,为了增强抗干扰能力,可在双绞线的外面加金属编织了增强抗干扰能力,可在双绞线的外面加金属编织物或护套形成屏蔽双绞线,物或护套形成屏蔽双绞线,图图9-7给出了带有屏蔽给出了带有屏蔽护套的多股双绞线实物图。护套的多股双绞线实物图。n采用双绞线作信号线的目的,就是因为外界电磁场会在双绞线相邻的小环路上形成相反方向的感应电势,从而互相抵消减弱干扰作用。双绞线相邻的扭绞处之间为双绞线的节距,双绞线不同节距会对串模干扰起到不同的的抑制效果,见表9-1。n双绞线可用来传输模拟信号和数字
14、信号,用于点对点连接和多点连接应用场合,传输距离为几公里,数据传输速率可达2Mbps。节距(mm)干扰衰减比屏蔽效果10014:1237571:13750112:14125141:143平行线1:10n2引入滤波电路引入滤波电路n采用硬件滤波器抑制串模干扰是一种常用的方法。根采用硬件滤波器抑制串模干扰是一种常用的方法。根据串模干扰频率与被测信号频率的分布特性,可以选据串模干扰频率与被测信号频率的分布特性,可以选用具有低通、高通、带通等滤波器。其中,如果干扰用具有低通、高通、带通等滤波器。其中,如果干扰频率比被测信号频率高,则选用低通滤波器;如果干频率比被测信号频率高,则选用低通滤波器;如果干扰
15、频率比被测信号频率低,则选用高通滤波器;如果扰频率比被测信号频率低,则选用高通滤波器;如果干扰频率落在被测信号频率的两侧时,则需用带通滤干扰频率落在被测信号频率的两侧时,则需用带通滤波器。一般采用电阻波器。一般采用电阻R、电容电容C、电感电感L等无源元件构等无源元件构成滤波器,成滤波器,图图9-8(a)所示为在模拟量输入通道中引所示为在模拟量输入通道中引入的一个无源二级阻容低通滤波器,但它的缺点是对入的一个无源二级阻容低通滤波器,但它的缺点是对有用信号也会有较大的衰减。为了把增益与频率特性有用信号也会有较大的衰减。为了把增益与频率特性结合起来,对于小信号可以采取以反馈放大器为基础结合起来,对于
16、小信号可以采取以反馈放大器为基础的有源滤波器,它不仅可以达到滤波效果,而且能够的有源滤波器,它不仅可以达到滤波效果,而且能够提高信号的增益,提高信号的增益,如图如图9-8(b)所示。所示。s U1R2R1C2C无 源 阻 容 滤 波 器(a)3R4R1C2C0UiU(b)图 8-8 滤 波 电 路+1R2R器波滤源有A+计 控系 统-层蔽屏计 控系 统 共模干扰是指微机控制系统输入通道中信号共模干扰是指微机控制系统输入通道中信号放大器两个输入端上共有的干扰电压,可以是直放大器两个输入端上共有的干扰电压,可以是直流电压,也可以是交流电压,其幅值达几伏甚至流电压,也可以是交流电压,其幅值达几伏甚至
17、更高,这取决于现场产生干扰的环境条件和计算更高,这取决于现场产生干扰的环境条件和计算机等设备的接地情况。其表现形式与产生原因机等设备的接地情况。其表现形式与产生原因如如图图9-99-9所示所示。9.2.2 9.2.2 共模干扰的抑制共模干扰的抑制)a(mcUsUrZ计 控系 统mcU源号信U)b(式形现表因原生产图 8-9 共 模 干 扰Zsr计 控系 统n在微机控制系统中一般都用较长的导线把现场中的传感器在微机控制系统中一般都用较长的导线把现场中的传感器或执行器引入至计算机系统的输入通道或输出通道中,这或执行器引入至计算机系统的输入通道或输出通道中,这类信号传输线通常长达几十米以至上百米,这
18、样,现场信类信号传输线通常长达几十米以至上百米,这样,现场信号的参考接地点与计算机系统输入或输出通道的参考接地号的参考接地点与计算机系统输入或输出通道的参考接地点之间存在一个电位差点之间存在一个电位差U Ucmcm。这个这个U Ucmcm是加在放大器输入端是加在放大器输入端上共有的干扰电压,故称共模干扰电压。上共有的干扰电压,故称共模干扰电压。n既然共模干扰产生的原因是不同既然共模干扰产生的原因是不同“地地”之间存在的电压,之间存在的电压,以及模拟信号系统对地的漏阻抗。因此,共模干扰电压的以及模拟信号系统对地的漏阻抗。因此,共模干扰电压的抑制就应当是有效的隔离两个地之间的电联系,以及采用抑制就
19、应当是有效的隔离两个地之间的电联系,以及采用被测信号的双端差动输入方式。具体的被测信号的双端差动输入方式。具体的有变压器隔离、光有变压器隔离、光电隔离与浮地屏蔽等三种措施。电隔离与浮地屏蔽等三种措施。1变压器隔离变压器隔离 利用变压器把现场信号源的地与计算机的地隔离开来,利用变压器把现场信号源的地与计算机的地隔离开来,也就是把也就是把“模拟地模拟地”与与“数字地数字地”断开。被测信号通过变压断开。被测信号通过变压器耦合获得通路,而共模干扰电压由于不成回路而得到有效器耦合获得通路,而共模干扰电压由于不成回路而得到有效的抑制。的抑制。放 大 器调 制 器解 调 器A/D计 算 机sUB模 拟 地数
20、 字 地图 8-10 变 压 器 隔 离双 绞 线s1Us2Un要注意的是,隔离前和隔离后应分别采用两组互要注意的是,隔离前和隔离后应分别采用两组互相独立的电源,以切断两部分的地线联系,相独立的电源,以切断两部分的地线联系,如图如图9-109-10所示所示。被测信号。被测信号U US S经双绞线引到输入通道中经双绞线引到输入通道中的放大器,放大后的直流信号的放大器,放大后的直流信号U US1S1,先通过调制器先通过调制器变换成交流信号,经隔离变压器变换成交流信号,经隔离变压器B B由原边传输到副由原边传输到副边,然后用解调器再将它变换为直流信号边,然后用解调器再将它变换为直流信号U US2S2
21、,再再对对US2US2进行进行A/DA/D转换。这样,被测信号通过变压器转换。这样,被测信号通过变压器的耦合获得通路,而共模电压由于变压器的隔离的耦合获得通路,而共模电压由于变压器的隔离无法形成回路而得到有效的抑制。无法形成回路而得到有效的抑制。2光电隔离n光电耦合隔离器是目前计算机控制系统中最常用的一光电耦合隔离器是目前计算机控制系统中最常用的一种抗干扰方法。光电耦合隔离器的结构原理在种抗干扰方法。光电耦合隔离器的结构原理在4.1 4.1 光光电耦合隔离技术中已作过详细介绍。电耦合隔离技术中已作过详细介绍。n利用光耦隔离器的开关特性,可传送数字信号而隔离利用光耦隔离器的开关特性,可传送数字信
22、号而隔离电磁干扰,即在数字信号通道中进行隔离。电磁干扰,即在数字信号通道中进行隔离。4.2 4.2 数字数字量输入通道与量输入通道与4.3 4.3 数字量输出通道两节中给出了大量数字量输出通道两节中给出了大量应用于数字量输入输出通道中的电路实例,应用于数字量输入输出通道中的电路实例,如图如图4-44-4开开关量输入信号调理电路中,光耦隔离器不仅把开关状关量输入信号调理电路中,光耦隔离器不仅把开关状态送至主机数据口,而且实现了外部与计算机的完全态送至主机数据口,而且实现了外部与计算机的完全电隔离;又电隔离;又如图如图4-114-11继电器输出驱动电路中,光耦隔继电器输出驱动电路中,光耦隔离器不仅
23、把离器不仅把CPUCPU的控制数据信号输出到外部的继电器,的控制数据信号输出到外部的继电器,而且实现了计算机与外部的完全电隔离。而且实现了计算机与外部的完全电隔离。n其实在模拟量输入输出通道中也主要应用这种数字信其实在模拟量输入输出通道中也主要应用这种数字信号通道的隔离方法,即在号通道的隔离方法,即在A/DA/D转换器与转换器与CPUCPU或或CPUCPU与与D/AD/A转换器的数字信号之间插入光耦隔离器,以进行数据转换器的数字信号之间插入光耦隔离器,以进行数据信号和控制信号的耦合传送,信号和控制信号的耦合传送,如图如图9-119-11所示所示。(。(a a)是在是在A/DA/D转换器与转换器
24、与CPUCPU接口之间接口之间8 8根数据线之间都各插根数据线之间都各插接一个光耦隔离器接一个光耦隔离器(图中只画出了一个图中只画出了一个),不仅照样无,不仅照样无误地传送数字信号,而且实现了误地传送数字信号,而且实现了A/DA/D转换器及其模拟转换器及其模拟量输入通道与计算机的完全电隔离;(量输入通道与计算机的完全电隔离;(b b)是在是在CPUCPU与与D/AD/A转换器接口之间转换器接口之间8 8根数据线之间都各插接一个光耦根数据线之间都各插接一个光耦隔离器隔离器(图中也只画出了一个图中也只画出了一个),不仅照样无误地传送,不仅照样无误地传送数字信号,而且实现了计算机与数字信号,而且实现
25、了计算机与D/AD/A转换器及其模拟转换器及其模拟量输出通道的完全电隔离。量输出通道的完全电隔离。A/D转换器D1D2+5V+5VD3D4D5D6D7D0 D/A转换器+5V+5V(b)在CPU与D/A转换器之间(a)在A/D转换器与CPU之间图8-11 光耦隔离器的数字信号隔离CPUD1D2D3D4D5D6D7D0D1D2D3D4D5D6D7D0D1D2D3D4D5D6D7D0CPUn利用光耦隔离器的线性放大区,也可传送模拟信号而隔离电磁干扰,即在模拟信号通道中进行隔离。例如在现场传感器与A/D转换器或D/A转换器与现场执行器之间的模拟信号的线性传送,如图9-12 所示。A/D计算机数字地(
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