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1、第5章应用程序设计和实现技术(3)抗干扰技术5.1干扰的来源与传播途径5.1.1干扰的来源5.1.2干扰的传播途径5.2硬件抗干扰措施5.2.1串模干扰的抑制5.2.2共模干扰的抑制5.2.3长线传输干扰的抑制5.2.4信号线的选择与敷设5.2.5电源系统的抗干扰5.2.6接地系统的抗干扰5.3软件抗干扰措施5.3.1指令冗余技术5.3.2软件陷阱技术5.4程序运行监视系统5.4.1WatchdogTimer工作原理5.4.2WatchdogTimer实现方法1计算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
2、,这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,造成生产事故.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.本章主要讨论干扰的来源、传播途经及抗干扰的措施.2干扰的来源是多方面的,有时甚至是错综复杂的.干扰有的来自外部,有的来自内部.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5-1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,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、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
3、电器、指示灯等具有瞬变过程的设备也会产生较大的干扰;来自电源的工频干扰也可视为外部干扰.5.1.1干扰的来源5.1干扰的来源与传播途径3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流动力线图5-1外部干扰环境4内部干扰则是由系统的结构布局、制造工艺所引入的.内部干扰环境如图5-2所示,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.图5-2内部干扰环境5干扰传播的途径主要
4、有三种:静电耦合,磁场耦合,公共阻抗耦合.1.静电耦合5.1.2干扰的传播途径(了解)导线1导线2C12C1gU1C2gRUn图5-3导线之间的静电耦合6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容,如PCB版上印制线路之间、变压器绕线之间都会构成分布电容.图5-3给出两根平行导线之间静电耦合的示意电路,Cl2是两个导线之间的分布电容,C1g、C2g是导线对地的电容,R是导线2对地电阻.如果导线1上有信号U1存在,那么它就会成为导线2的干扰源,在导线2上产生干扰电压Un.显然,干扰电压Un与干扰源U1、分布电容Cl2、C2g的大小有关.7
5、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,如图5-4所示.如果导线1为承载着10kV的交流输电线,导线2为与之相距1米并平行走线10米的信号线,两线之间的互感M会使信号线上感应到的干扰电压Un高达几十毫伏.如果导线2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.2.磁场耦合81线导2线导R2R3R1I1U1UnM图5-4导线之间的磁场耦合9公共阻抗耦合发生在两个电路的电流
6、流经一个公共阻抗时,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.图5-5给出一个公共电源线的阻抗耦合示意图.3.公共阻抗耦合10在一块印制电路板上,运算放大器A1和A2是两个独立的回路,但都接入一个公共电源,电源回流线的等效电阻R1、R2是两个回路的公共阻抗.当回路电流i1变化时,在R1和R2上产生的电压降变化就会影响到另一个回路电流i2.反之,也如此.R3R1i2i1R4R2图5-5公共电源线的阻抗耦合A1A211了解了干扰的来源与传播途径,我们就可以采取相应的抗干扰措施.在硬件抗干扰措施中,除了按照干扰的三种主要作用方式——串模、共模及长线传
7、输干扰来分别考虑外,还要从布线、电源、接地等方面考虑.5.2硬件抗干扰措施12扼流圈13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.其表现形式与产生原因如图5-6所示.图中Us为信号源,Un为串模干扰电压,邻近导线(干扰线)有交变电流Ia流过,由Ia产生的电磁干扰信号就会通过分布电容C1和C2的耦合,引至计算机控制系统的输入端.5.2.1串模干扰的抑制14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施.sUnUU1C2C干扰线s计算机控制系统计算机控制系统aI
