第六章计算机控制系统的抗干扰技术.doc

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第六章计算机控制系统的抗干扰技术

一、授课时间：

年月日第23次

二、教学目的：

1、掌握干扰信号的类型

2、掌握抗干扰技术

三、教学的重点及难点：

重点：

抗干扰技术。

难点：

抗干扰技术

四、教学内容及过程：

6.1干扰信号的类型及其传输形式

6.1.1按干扰耦合的形式分类

（1）静电干扰：

静电耦合是干扰电场通过电容耦合方式窜入其他回路中。

在控制系统中，互容现象是很普遍的。

两根导线之间构成电容；印刷电路板的印刷导线之间存在电容；变压器的线匝之间和绕组之间也都会构成电容。

电容为信号的传输提供了一条通路，但也容易造成电场干扰信号。

（2）电磁干扰：

在任何通电导体周围空间都会产生磁场，而且电流的变化必然引起磁场的变化，变化的磁场就要在其周围闭合回路中产生感应电动势。

在设备内部，线圈或变压器的漏磁会引起干扰：

在设备外部，当两根导线在很长的一段区间架设时，也会产生干扰。



（3）漏电耦合干扰：

漏电耦合又称为电阻性耦合。

当相邻的元件或导线间绝缘电阻降低时，有些信号便通过这个降低了的绝缘电阻耦合到信号传送的输入端而形成干扰。

（4）共阻抗感应干扰：

在控制系统的回路之间不可避免地存在公共耦合阻抗。

6.1.2按干扰与信号的关系分类

（1）串模干扰信号：

串模干扰信号是指串联于有用信号源回路之中的干扰，也称横向干扰或正态干扰。

其表现形式如图6－1所示。

当串模干扰的幅值与有用信号相接近时，系统就无法正常工作，即这时提供给计算机系统的数据会严重失真，甚至是错误的。



（2）共模干扰信号：

共模干扰信号是指由于对地电位的变化所形成的干扰信号，也称为对地干扰、横向干扰或不平衡干扰。

共模干扰示意图见图6-2。

由于计算机的地、信号源放大器的地以及现场信号源的地，通常要相隔一段距离，当两个接地点之间流过电流，尽管接地点之间的电阻极小，也会使对地电位发生变化，形成一个电位差Uc，这个Uc对放大器就会产生共模干扰。

6.1.3按干扰信号的性质分类

（1）随机干扰信号：

随机干扰信号是无规律的随机性干扰信号，如突发性脉冲干扰信号，连续性脉冲干扰信号。

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（2）周期干扰信号：

属于周期干扰信号的有交流声、啸叫、汽船声等自激振荡。

6.1.4按干扰源的类型分类

（1）外部干扰信号：

外部干扰信号是指来源于系统外部、与系统结构无关的干扰源。

在工业生产现场的外部干扰源种类繁多，干扰性强，随机性大，主要有电源、用电设备、自然界的雷电、带电的物体等。

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（2）内部干扰信号：

内部干扰信号是由于系统的结构布局、线路设计、元器件性能变化和漂移等原因所形成的存在于系统内部的干扰信号。

6.2抗干扰技术

6.2.1接地技术

将电路、单元与作为信号电位公共参考点的一个等位点或等位面实现低阻抗连接，称为接地。

接地的目的通常有两个：

一是为了安全，即安全接地；二是为了给系统提供一个基准电位，并给高频干扰提供低阻通路，即工作接地。

1.接地方式

2.浮地系统和接地系统

　浮地系统是指设备的整个地线系统和大地之间无导体连接，它是以悬浮的地作为系统的参考电平。

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浮地系统的优点是不受大地电流的影响，系统的参考电平随着高电压的感应而相应提高。

机内器件不会因高压感应而击穿。

其应用实例较多，如飞机、军舰和宇宙飞船上的电子设备都是浮地的。

浮地系统的缺点是对设备与地的绝缘电阻要求较高，一般要求大于50MΩ，否则会导致击穿。

另外，当附近有高压设备时，通过寄生电容耦合，外壳带电，不安全。

而且外壳会将外界干扰传输到设备内部，降低系统抗干扰性能。

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接地系统是指设备的整个地线系统和大地通过导体直接连接。

由于机壳接地，为感应的高频干扰电压提供了泄放的通道，对人员比较安全，也有利于抗干扰。

但由于机内器件参考电压不会随感应电压升高而升高，可能会导致器件被击穿。

3.交流地与直流地分开

交流地与直流地分开后，可以避免由于地电阻把交流电力线引进的干扰传输到装置的内部，保证装置内的器件安全和电路工作的稳定性。

值得注意的是，有的系统中各个设备并不是都能做到交直流分开，补救的办法是加隔离变压器等措施。

4.模拟地与数字地分开

　　模拟地作为传感器、变送器、放大器、A／D和D／A转换器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，而且与生产现场连接，必须认真地对待模拟地。

数字地作为计算机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。

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由于数字地悬浮于机柜，增加了对有模拟量放大器的干扰感应，同时为避免脉冲逻辑电路工作时的突变电流通过地线对模拟量的共模干扰，应将模拟电路的地和数字电路的地分开，接在各自的地线汇流排上，然后再将模拟地的汇流排通过2～4μF的电容在一点接到安全地的接地点。

对模拟量来说，实际是一个直流浮地交流共地的系统。

5.印刷电路板的地线安排

在安排印刷板地线时，首先要尽可能加宽地线，以降低地线阻抗。

其次，要充分利用地线的屏蔽作用。

在印刷板边缘用较粗的印刷地线环包整块板子，并作为地线干线，自板边向板中延伸，用其隔离信号线，这样既可减少信号间串扰，也便于板中元器件就近接地。

6.屏蔽地

对于电场屏蔽来说，由于主要是解决分布电容问题，因此应接大地。

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对于磁场屏蔽，应采用高导磁材料使磁路闭合，且应接大地。

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对于电磁场干扰，因采用低阻金属材料制成屏蔽体，屏蔽体以接大地为宜。

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对于高增益放大器来说，一般要用金属罩屏蔽起来。

为了消除放大器与屏蔽层之间的寄生电容影响，应将屏蔽体与放大器的公共端连接起来。

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如果信号电路采用一点接地方式，则低频电缆的屏蔽层也应一点接地。

　　当系统中有一个不接地的信号源和一个接地的放大器相连时，输入端的屏蔽应接到放大器的公共端。

反之，当接地的信号源与不接地的放大器相连时，应把放大器的输入端屏蔽接到信号源的公共端。

6.2.2屏蔽技术

　　1.电场屏蔽

电场屏蔽的作用是抑制电路之间由于分布电容的耦合而产生的电场干扰。

电场屏蔽一般是利用低电阻金属材料的屏蔽层和外罩，使其内部的电力线不传至外部，同时外部的电力线也不影响其内部。

实际应用中，盒形屏蔽优于板状屏蔽，全密封的优于有窗孔和有缝隙的。

屏蔽体的厚度一般由结构需要决定。

2.电磁屏蔽

电磁屏蔽主要用来防止高频电磁场对电路的影响。

电磁屏蔽包括对电磁感应干扰及电磁辐射干扰的屏蔽。

它是采用低电阻的金属材料作为屏蔽层。

电磁屏蔽就是利用屏蔽罩在高频磁场的作用下，会产生反方向的涡流磁场与原磁场抵消而削弱高频磁场的干扰；又因屏蔽罩接地，也可实现电场屏蔽。

由于电磁屏蔽是利用了屏蔽罩上的感生涡流，因而屏蔽罩的厚度对于屏蔽效果影响不大，而屏蔽罩是否连续却直接影响到感生涡流的大小，也即影响到屏蔽效果的好坏。

如果在金属体上垂直于电流方向上开缝，就没有屏蔽效应。

原则上屏蔽体越严密越好。

因此，电磁屏蔽层的接缝应注意良好的焊接与密封，通风孔与操作孔因尽量开小。

3.磁场屏蔽

对于低频磁场干扰，用上述电磁屏蔽方法往往难以奏效，一般采用高导磁率材料作屏蔽体，利用其磁阻较小的特点，给干扰磁通提供一个低磁阻通路，使其限制在屏蔽体内。

为了有效地进行磁场屏蔽，必须采用诸如玻莫合金之类材料，同时要有一定的厚度，或者采用相互具有一定间隔的两个或多个同心磁屏蔽罩，效果更好。

6.2.3隔离技术

隔离的实质是切断共地耦合通道，抑制因地环路引入的干扰。

隔离是将电气信号转变为电、磁、光及其他物理量作为中间量，使两侧的电流回路相对隔离又能实现信号的传递。

图6-3采用隔离变压器隔离，用于无直流分量的信号较方便。

因变压器线间分布电容较大，故应在一次、二次侧加屏蔽层，并将它接到二次侧的接地处。

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　　图6-4采用继电器隔离，常用于数字系统。

继电器把引入的信号线隔断，而传输的信号通过触点传递给后面的回路。

缺点是电感性励磁线圈工作频率不高、触点有抖动、有接触电阻及寿命短等缺点。

图6-5采用光电耦合器隔离。

中间环节借助于半导体二极管的光发射和光敏半导体三极管的光接收来进行工作，因而在电气上输入和输出是完全隔离的，且信号单向传输，输出信号与输入信号无相互影响，共模抑制比大，无触点，响应速度快（纳秒级），寿命长、体积小、耐冲击，是一种理想的开关元件。

缺点是过载能力有限和存在非线性及稳定性与时间、温度有关等现象。

而光电耦合集成隔离放大器的应用，克服了以上缺点并能适用于模拟系统。

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6.2.4串模干扰的抑制

串模干扰（又称常态干扰、正相干扰）是干扰电压和信号电压串联叠加于负载或放大电路的输入端，它常常表现为一个输入端对另一个输入端电压变化的干扰。

串模干扰主要来自于电源（多为50Hz的工频干扰及其高次谐波）、长线传输中的分布电感和分布电容以及传感器固有噪声等。

抗串模干扰的技术措施有：

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（1）合理选用信号线：

应采用金属屏蔽线、双绞线或屏蔽双绞线作信号线，以抑制由于分布电感和分布电容引起的串模干扰。

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（2）在信号电路中加装滤波器：

信号滤波器是一个选频电路，其功能是让指定频段信号通过，将其余频段的信号衰减。

利用低通滤波器可将低频有用的信号从高频干扰电压中分离出来，利用高通滤波器可从高频脉冲中滤除工频干扰。

（3）选择合适的A／D转换器：

由于叠加在被测信号上的串模干扰一般为对称性的交变干扰电压，故可采用积分式或双积分式的A／D转换器。

因为这种转换方式的A／D转换器是将采样时间内输入信号电压的平均值转换成数字量的，所以可使叠加在被测信号上的对称交变干扰电压在积分过程中相互抵消。

（4）采用调制解调技术：

当有用信号与干扰信号的频谱相互交错时，通常的滤波电路很难将其分开，这时可采用调制解调技术。

选用远离干扰频谱的某一特定频率对信号进行调制，然后再进行传输，传输途中混入的各种干扰很容易被滤波环节滤除，被调制的有用信号经软硬件解调后，恢复原来的有用信号频谱。

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　　（5）用光电耦合器隔离干扰。

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　　（6）配备高质量的稳压电源。

6.2.5共模干扰的抑制

共模干扰（又称共态干扰、同相干扰）表现为通道两信号端相对于零电位参考点所共有的干扰电压，包括交流和直流的两种电压。

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抑制共模干扰包括抑制共模干扰本身、抑制共模干扰向串模干扰的转变以及抑制已经转换成串模的干扰三个方面。

还可以选择隔离技术，使共模干扰不能构成回路。

对于由共模干扰转换过来的，并且已叠加在有用信号上的串模干扰，可用前面介绍的抗串模干扰的方法来滤除。

6.2.6长线传输中的抗干扰问题

在计算机控制系统中，许多被控对象与计算机相距较远，当所传输的信号波长可与传输线的长度相比拟时，或当传输线长度远远超过传输信号波长时，就构成长线传输。

如果处理不当，长线传输就会引起较严重的干扰。

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　在长线传输中，传输线路对于有用信号有下列几种不利的作用。

（1）滞后作用：

信号经过线路传输后的滞后时间为架空单线：

3.3ns／m；

双绞线：

5ns／m；

同轴电缆：

6ns／m。

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（2）波形畸变衰减作用。

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（3）外界电磁波、电磁场、静电场和其他传输线的干扰作用。

（4）由于分布电容和分布电感的影响，线路中存在着前向电压波和前向电流波，当线路终端阻抗不匹配时，有用信号还会产生反射波，当线路始端阻抗不匹配时，反射信号会再次产生反射波

五、课堂小结：

1、按干