第九章 计算机控制系统的抗干扰技术

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1、第九章计算机控制系统的抗干扰技术第一节工业现场的干扰及其对系统的影响第二节过程通道的抗干扰技术第三节软件抗干扰与硬件冗余技术第四节接地技术第五节电源系统的抗干扰技术第六节印刷电路板抗干扰设计第一节工业现场的干扰及其对系统的影响一、干扰的来源计算机控制系统所受到的干扰源分为外部干扰和内部干扰。外部干扰的主要来源有：电源电网的波动、大型用电设备(如天车、电炉、大电机、电焊机等)的启停、高压设备和电磁开关的电磁辐射、传输电缆的共模干扰等。内部干扰主要有：系统的软件不稳定、分布电容或分布电感产生的干扰、多点接地造成的电位差给系统带来的影响等。二、干扰的作用途径1．传导耦合干扰由导线进

2、入电路中称为传导耦合。2．静电耦合干扰信号通过分布电容进行传递称为静电耦合。3．电磁耦合电磁耦合是指在空间磁场中电路之间的互感耦合。4．公共阻抗耦合公共阻抗耦合是指多个电路的电流流经同一公共阻抗时所产生的相互影响。三、干扰的作用形式1．共模干扰共模干扰是在电路输入端相对公共接地点同时出现的干扰，也称为共态干扰、对地干扰、纵向干扰、同向干扰等。共模干扰主要是由电源的地、放大器的地以及信号源的地之间的传输线上电压降造成的，如图9-1所示。图9-1共模干扰示意图2．串模干扰串模干扰就是指串联叠加在工作信号上的干扰，也称之为正态干扰、常态干扰、横向干扰等。图9-2描述了串模

3、干扰的情况。共模干扰对系统的影响是转换成串模干扰的形式来作用于系统的。图9-2串模干扰示意图第二节过程通道的抗干扰技术一、共模干扰的抑制抑制共模干扰的主要方法是设法消除不同接地点之间的电位差。1．变压器隔离隔离变压器是最常用的隔离元件之一，用来阻断干扰信号的传导通路，并抑制干扰信号的强度。是利用变压器把模拟信号电路与数字信号电路隔离开来，也就是把模拟地与数字地断开，以使共模干扰电压不成回路，从而抑制了共模干扰。图9-4变压器隔离图2．光电隔离光电隔离是利用光电耦合器完成信号的传送，实现电路的隔离，如图9-5所示。根据所用的器件及电路不同，通过光电耦合器可以实现模拟信号的隔离，

4、也可以实现数字量的隔离。注意，光电隔离前后两部分电路应分别采用两组独立的电源。图9-5光电隔离图当用于模拟信号的隔离时，对光电耦合器的线性特性要求较高，而且一般要配以相应的校正电路来保证信号的线性传送。现已有专门用于传递模拟信号的线性光电耦合器，例如B-B公司的ISO100。由于光电耦合器具有可靠的开关特性，所以用它来实现数字信号的隔离是目前光电隔离的主要形式。对模拟信号的隔离也可以通过V/F变换器将其变成不同频率的数字信号，然后由光电耦合器传送。3．浮地屏蔽采用浮地输入双层屏蔽放大器来抑制共模干扰，如图9-6所示。所谓浮地，就是利用屏蔽方法使信号的“模拟地”浮空，从而达到

5、抑制共模干扰的目的。图9-6浮地输入双层屏蔽放大器图4．采用具有高共模抑制比的仪表放大器作为输入放大器仪表放大器具有共模抑制能力强、输入阻抗高、漂移低、增益可调等优点，是一种专门用来分离共模干扰与有用信号的器件。二、串模干扰的抑制1．在输入回路中接入模拟滤波器根据被测信号的频率范围，选用不同频带的滤波器，使有用信号顺利通过。2．使用双积分式A/D转换器当尖峰型串模干扰为主要干扰时，使用双积分式A/D转换器，或在软件上采用判断滤波的方法加以消除。3．采用信号线的屏蔽措施为了防止“干扰噪声”通过空间耦合方式侵入信号线而进入电气设备，在干扰比较强的工业现场，或者对那些比较微弱的

6、信号，传输时宜选用屏蔽线。4．电流传送当传感器信号距离主机很远时很容易引入干扰。如果在传感器出口处将被测信号由电压转换为电流，以电流形式传送信号，将大大提高信噪比，从而提高传输过程中的抗干扰能力。三、长线传输干扰的抑制在计算机控制系统中，由于数字信号的频率很高，很多情况下传输线要按长线对待。信号在长线中传输时会遇到三个问题：一是长线传输易受到外界干扰；二是具有信号延时；三是高速度变化的信号在长线中传输时，还会出现波反射现象。当信号在长线中传输时，由于传输线的分布电容和分布电感的影响，信号会在传输线内部产生向前的电压波和电流波，称为入射波；另外，如果传输线的终端阻抗与传输线的

7、波阻抗不匹配，那么当入射波到达终端时，便会引起反射；同样，反射波到达传输线始端时，如果始端阻抗不匹配，还会引起新的反射。这种信号的多次反射现象，使信号波形失真和畸变，并且引起干扰脉冲。1．终端匹配为了进行阻抗匹配，必须事先知道传输线的波阻抗RP，波阻抗的测量如图9-8所示。图9-8波阻抗测量原理图调节可变电阻R，并用示波器观察门A的波形，当达到完全匹配时，即R=RP时，门A输出的波形不畸变，反射波完全消失，这时的R值就是该传输线的波阻抗。为了避免外界干扰的影响，在计算机中常常采用双绞线和同轴电缆作为信号