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1、第六章 抗干扰技术6.1 硬件抗干扰6.2 软件抗干扰16.1 硬件抗干扰技术 6.1.1 干扰的来源和传播途径 6.1.2 过程通道抗干扰 6.1.3 系统供电与接地硬件抗干扰2一、干扰的定义：所谓干扰，就是有用信号以外的噪声造成计算机设备不能正常工作的破坏因素。二、研究干扰的目的：抑制或消除干扰。三、研究方法:分析干扰的来源及传播途径，然后采用相应的措施。3一、干扰的来源：对于过程控制计算机系统来说，干扰既可能来源于外部，也可能来源于内部。外部干扰主要是空间电或磁的影响。如：输电线和电器设备发出的电磁场，太阳或其他天体辐射出的电磁波，电源电网的波动、大型用电设备(如天车、电炉、大电机、电焊
2、机等)的启停、传输电缆的共模干扰等。甚至气温、湿度等气象条件也是外来干扰。1.外部干扰：指那些与系统结构无关，而是由外界环境因素决定的。6.1.1 干扰的来源和传播途径-干扰的来源42.内部干扰:是由系统结构、制造工艺决定的。内部干扰主要是系统的软件干扰、分布电容、分布电感引起的耦合感应，电磁场辐射感应，长线传输的波反射，多点接地造成电位差引起的干扰，寄生振荡引起的干扰，甚至元器件产生的噪声也属于干扰。6.1.1 干扰的来源和传播途径-干扰的来源5二、干扰的传播途径主要有以下几种传播途径：传导耦合、静电耦合，磁场耦合，公共阻抗耦合等。u 静电耦合：干扰信号通过分布电容进行传递称为静电耦合。系统
3、内部各导线之间，印刷线路板的各线条之间，变压器线匝之间和绕组之间，元件之间、元件与导线之间都存在着分布电容。既然有分布电容存在，就可以对频率的干扰信号提供1/jc的电抗通道，电场干扰就可以取道窜入，对系统形成干扰。u 传导耦合：干扰由导线进入电路中称为传导耦合。电源线、输入输出信号线都是干扰经常窜入的途径。6.1.1 干扰的来源和传播途径-干扰的传播途径6两平行导体间的电容耦合VnV1RC1gC2gC12C12C1gRC2gVnV1导体1导体2 6.1.1 干扰的来源和传播途径-干扰的传播途径7如果导体1上有干扰源V1存在，导体2为接受干扰的导体，则导体2上出现的干扰电压Vn为当导体2对地电阻
4、R很小，使Vn可近似表示为这表明干扰电压Vn与干扰源频率和幅值V1、输入阻抗R、耦合电容C12成正比关系。VnV1RC1gC2gC12 6.1.1 干扰的来源和传播途径-干扰的传播途径8当导体2对地电阻R很大，使Vn可近似表示为在这种情况下，干扰电压Vn由电容C12和C2g的分压关系及V1所确定，其幅值比前种情况大的多。6.1.1 干扰的来源和传播途径-干扰的传播途径9u 磁场耦合：是通过导体间互感耦合进来的。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。在设备内部，线圈或变压器的漏磁会引起干扰；在设备外部，当两根导线平行架设时，也会产生干扰。两导体间的磁场耦
5、合V1VnR3R2R1M导体1导体2I1其中，为感应线磁场交变角频率，M为两根导线之间的互感，I1为导线1中的电流。由于感应电磁场引起的耦合，其感应电压Vn为：6.1.1 干扰的来源和传播途径-干扰的传播途径10u 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影响到另一个电路。如印刷电路板上的“地”，实质上就是公共回流线，由于它仍然有一定的电阻，各电路之间通过它产生信号耦合。系统中往往是多个电路共用一个电源，各电路的电流都流经电源内阻Rn和线路电阻RL，Rn和RL就成为各电路的公共阻抗。每一个电路的电流在公共阻抗上造成的压降都将成为其它电路的干扰信号。可分
6、为共电源干扰电压和共地干扰电压。6.1.1 干扰的来源和传播途径-干扰的传播途径111、共电源干扰电压：如下图所示，在一块印刷线路板上各电路有公共电源线，各独立电路回流通过公共回流线电阻Rpi和Rni（I=1，2，n）产生压降公共电源线的阻抗耦合Rp1RpnRn2Rn1Rp2Rnn它们分别耦合进各级电路形成干扰。6.1.1 干扰的来源和传播途径-干扰的传播途径122、共地干扰电压：如果系统的模拟信号和数字信号不是分开接地的，如图（A）（B）所示，则数字信号就会耦合到模拟信号中去。图（C）中模拟信号和数字信号是分开接地的，两种信号分别流入大地，这样，就可以避免干扰。6.1.1 干扰的来源和传播途
7、径-干扰的传播途径模拟系统数字系统模拟系统模拟系统数字系统数字系统（A）（B）（C）公共地线的阻抗耦合13 干扰源不同，干扰信号的频域不同，产生干扰的方式也不同。高电压小电流产生的干扰主要是电场干扰；低电压大电流产生的干扰主要是磁场干扰；当电压或电流的频率较高时，产生辐射电磁场，电场干扰和磁场干扰都必须考虑。在计算机控制系统中,主要存在电源干扰、过程通道干扰、数字电路引起的干扰。l 电源干扰：计算机控制系统一般由工业用电网络供电。工业系统中的某些大设备的启动、停机等，可能引起电源过压、欠压、浪涌、下陷及产生尖峰干扰，这些电压噪声均通过电源内阻耦合到系统电路中，给系统造成极大的危害。6.1.1
8、干扰的来源和传播途径-干扰信号的区分14l 数字电路引起的干扰：数字集成电路逻辑门引出的直流电流虽然只有mA级，但当电路处在高速开关时，就会形成较大的干扰。例如：TTL门电路在导通状态下，从直流电源引出5mA左右的电流，截止状态下则为1mA，在5ns的时间内其电流变化为4mA，如果在配电线上具有0.5H的电感，当这个门电路改变状态时，配电线上产生的噪声电压为：6.1.1 干扰的来源和传播途径-干扰信号的区分15l 过程通道干扰：过程通道形成的干扰主要有：共模干扰、串模干扰、长线传输干扰。共模干扰：共模干扰是在电路输入端相对公共接地点时出现的干扰，也称为共态干扰、对地干扰、纵向干扰、同向干扰等。
9、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。这种干扰可以是直流电压或交流电压，其幅值可达几伏甚至更高，取决于现场产生干扰的环境条件和计算机控制系统的接地情况。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。长线传输干扰：计控系统的脉冲信号在传输过程中易出现延时、变形并接收干扰信号，形成长线传输干扰。6.1.1 干扰的来源和传播途径-干扰信号的区分16串模干扰示意图共模干扰示意图 6.1.1 干扰的来源和传播途径-干扰信号的区分17主要内容主要内容串模干扰及其抑制串模干扰及其抑制共模干扰及其抑制共模干扰及其抑制长线传输
10、干扰及其抑制长线传输干扰及其抑制一、串模干扰的产生和抑制一、串模干扰的产生和抑制 串模干扰的产生原因：串模干扰的产生原因：产生串模干扰的原因有分布电容的静电耦合，长线传输的互感，空间电磁场引起的磁场耦合，以及50Hz的工频干扰。6.1.2 过程通道抗干扰技术-串模干扰的产生和抑制18因为干扰Un直接与信号Us串联，从干扰信号的特性和来源入手，分别不同情况采取相应措施。串模干扰的抑制:1、用双绞线作信号引线：若串模干扰和被测信号的频率相当，则很难用滤波的方法消除。此时，必须采用其它措施，消除干扰源。通常可在信号源到计算机之间选用带屏蔽层的双绞线或同轴电缆，并确保接地正确可靠。采用双绞线作为信号引
11、线的目的是减少电磁。双绞线能使各个小环路的感应电势相互抵消。一般双绞线的节距越小抗干扰能力越强。6.1.2 过程通道抗干扰技术-串模干扰的产生和抑制192、采用低通、高通或带通滤波器抑制串模干扰。如果串模干扰频率比被测信号频率高，则采用输入低通滤波器来抑制高频串模干扰；如果串模干扰频率比被测信号频率低，则采用高通滤波器来抑制低频串模干扰；如果串模干扰频率落在被测信号频谱的两侧，应采用带通滤波器。一般情况下，串模干扰均比被测信号变化快，故常用二阶阻容低通滤波网络作为模/数转换器的输入滤波器。6.1.2 过程通道抗干扰技术-串模干扰的产生和抑制203.使用双积分式A/D转换器 当尖峰型串模干扰为主
12、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。双积分式A/D转换器对输入信号的平均值而不是瞬时值进行转换，所以对尖峰干扰具有抑制能力。如果取积分周期等于主要串模干扰的周期或为主要串模干扰周期的整数倍，则通过积分比较变换后，对串模干扰有更好的抑制效果。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。6.1.2 过程通道抗干扰技术-串模干扰的产生和抑制215、其它措施 对于串模干扰主要来自电磁感应的情况下，对被测信号应尽可能早地进行前置放大，从而达
13、到提高回路中信噪比的目的。或者尽可能早地完成A/D转换或采取隔离和屏蔽等措施。6.1.2 过程通道抗干扰技术-串模干扰的产生和抑制22二、共模干扰的抑制二、共模干扰的抑制 共模干扰共模干扰（也称纵向干扰或共态干扰），是由不同的“地”而引起的。在计算机控制系统中，被测信号有单端对地输入和双端不对地输入两种方式。单端对地输入方式双端不对地输入方式 图中，Zs、Zs1、Zs2为信号源Us的内阻抗，Z1、Zcm1、Zcm2是输入电路的输入阻抗。Ucm为共模干扰电压。6.1.2 过程通道抗干扰技术-共模干扰的抑制23当放大器为单端输入时，由共模电压Ucm引入放大器输入端的串模干扰电压Vn1为：其中，Zs
14、是信号源内阻，Z1是放大器输入阻抗。显然，Zs越小，Z1越大，越有利于提高抗共模干扰的能力。6.1.2 过程通道抗干扰技术-共模干扰的抑制24当放大器为双端输入时，由共模电压Ucm引入放大器输入端的串模干扰电压Vn2为：其中，Zs1、Zs2是信号源内阻，Zcm1、Zcm2是放大器输入阻抗。为了提高抗共模干扰的能力，信号引入线要尽量短，Zcm1和Zcm2则要尽量大，而且阻值要相等。一般情况下，共模干扰电压Ucm总是转化为一定的串模干扰Vn出现在两个输入端之间。6.1.2 过程通道抗干扰技术-共模干扰的抑制25共模抑制比CMRR：用共模抑制比衡量一个放大器抑制共模干扰的能力（Common Mode
15、 Rejection Ratio）。即其中，Ucm是共模干扰电压，Vn是由Ucm转化成的串模干扰电压。显然，单端输入方式的CMRR较小，说明它的抗共模抑制能力较差；而双端输入方式，由Ucm引入的串模干扰电压Vn较小，CMRR较大，所以抗共模干扰能力很强。6.1.2 过程通道抗干扰技术-共模干扰的抑制26共模干扰的抑制：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。常用方法：常用方法：双端输入双端输入 变压器隔离变压器隔离 光电隔离光电隔离 浮地屏蔽浮地屏蔽 采用仪表放大器提高共模抑制比采用仪表放大器提高共模抑制比 6.1.2 过程通道抗干扰技术-共模干扰的抑制27(1
16、)、变压器隔离 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。另外，隔离前和隔离后应分别采用两组互相独立的电源，切断两部分的地线联系。变压器隔离图 6.1.2 过程通道抗干扰技术-共模干扰的抑制28(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。根据所用的器件及电路不同，通过光电耦合器既可以实现模拟信号的隔离，更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。光电隔离图 与变压器隔离相比，光隔实现容易，成本低，体积小，在计算机控制系统中应用广泛。6.1.2 过程通道
17、抗干扰技术-共模干扰的抑制29(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。所谓浮地，就是利用屏蔽方法使信号的“模拟地”浮空，从而达到抑制共模干扰的目的。计控系统的浮地就是将系统的各个部分全部与大地浮置起来，即浮空。这种方法有一定的抗干扰能力，但一旦绝缘下降，便会带来干扰；另外，浮空易于产生静电，导致干扰。6.1.2 过程通道抗干扰技术-共模干扰的抑制30(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。(5)、采用公共接地点 6.1.2 过程通道抗干扰技术-共模干
18、扰的抑制31长线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。例如，对于10毫微级的电路，几米长的连线应作为长线来考虑，而对于毫微级的电路，1米长的连线就要当作长线处理。(1)、长线传输的干扰信号在长线中传输时会遇到三个问题：u 长线传输易受到外界干扰；u 具有信号延时；u 高速度变化的信号在长线中传输时，还会出现波反射现 象。波反射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正向前进的电压波和电流波，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
19、，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。6.1.2 过程通道抗干扰技术-长线传输干扰及其抑制32(2)、长线传输干扰的抑制 主要指消除波反射或将它抑制到最低限度。终端阻抗匹配 始端阻抗匹配 步骤：1）测量波阻抗 2）阻抗匹配 6.1.2 过程通道抗干扰技术-长线传输干扰及其抑制33 波阻抗RP的测量 为了进行阻抗匹配，必须事先知道传输线的波阻抗RP，波阻抗的测量如下图所示。方法：调节可变电阻R，并用示波器观测门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。6.1.2
20、 过程通道抗干扰技术-长线传输干扰及其抑制34 终端匹配 最简单的终端匹配方法如下图所示，如果传输线的波阻抗是RP，那么当R=RP时，便实现了终端匹配，消除了波反射。此时终端波形和始端波形的形状相一致，只是时间上滞后。6.1.2 过程通道抗干扰技术-长线传输干扰及其抑制35终端不匹配，说明终端阻抗高，需在终端并联一个电阻，使其降低。由于终端电阻变低，使波形的高电平下降，从而降低了高电平的抗干扰能力，但对波形的低电平没有影响。为了克服上述匹配方法的缺点，可采用下图所示的终端匹配方法。优点是波形的高电平下降较少，缺点是低电平抬高，从而降低了低电平的抗干扰能力。为了同时兼顾高电平和低电平两种情况，可
21、选取R1=R2=2RP，此时等效电阻R=RP。实践中宁可使高电平降低得稍多点，而让低电平抬高得少点。6.1.2 过程通道抗干扰技术-长线传输干扰及其抑制36 始端匹配 阻抗不匹配，说明始端阻抗低，为此需在始端串接一电阻，增大始端阻抗，使得信号电流在传输线上压降增大，而这并不改变高电平波形，缺点是波形低电平会抬高。显然，终端所带负载门个数越多，则低电平抬高得越显著。选择始端匹配电阻R为：R=Rp-Rsc。其中，Rsc为门A输出低电平时的输出阻抗。在传输线始端串入电阻R，如下图所示，也能基本上消除反射，达到改善波形的目的。6.1.2 过程通道抗干扰技术-长线传输干扰及其抑制37背景：一方面，过程控
22、制计算机一般由交流电网供电（220VAC，50Hz）。电网的干扰，频率的波动将直接影响到计算机系统的可靠性与稳定性。另外，计算机的供电不允许中断，否则，不但会使计算机丢失数据，而且会影响生产。另一方面，接地技术对过程控制计算机也是极为重要的，不恰当的接地会造成极其严重的干扰。6.1.3 系统供电与接地技术38一、系统供电技术一、系统供电技术供电系统的一般保护 为了抑制电网电压波动的影响而设置交流稳压器，保证220VAC供电。交流电网频率50Hz，其中混杂了部分高频干扰信号，为此，采用低通滤波器让50Hz的基波通过，而滤除高频干扰信号，最后，由直流稳压电源给计算机供电，建议采用开关电源。开关电源
23、用调节脉冲宽度的办法调整直流电压，调整管以开关方式工作，抗干扰性能好。6.1.3 系统供电与接地技术39电源异常的保护 过程计算机的供电不允许中断，否则，将会影响生产。为此可采用不间断电源。正常情况下由交流电网供电，同时给电池组充电，如果交流供电中断，电池组经逆变器输出交流代替外界交流供电，这是一种无触点的不间断切换。6.1.3 系统供电与接地技术40二、接地技术二、接地技术计算机控制系统接地可分为1）工作接地：是为了保证系统稳定可靠地运行，防止地环路引起干扰而采取的防干扰措施2）保护接地：是为了避免工作人员因设备的绝缘损坏或性能下降时遭受触电危险和保证系统安全而采取的安全措施。6.1.3 系
24、统供电与接地技术41（1）、地线系统的分析（微机控制系统中的地线）计算机控制系统有以下几种地线模拟地，数字地，安全地，系统地，交流地u模拟地：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。u数字地：计算机中各种数字电路的零电位。u安全地：目的是使设备即壳与大地等电位以避免机壳带电而影响人身及设备安全，安全地 又称为保护地或机壳地，机壳包括机架、外壳、屏蔽罩等。u系统地：是上述几种地的最终汇流点，直接与大地相连。u交流地：是计算机交流供电电源地。6.1.3 系统供电与接地技术42（2）、接地原则：根据接地理论，低频电路应单点接地，高频电路应就近多点接地。u 在低频电路中，布线和
25、元件间的电感不是大问题，但接地电路形成的环路对于干扰影响很大，因此，常以一点作为接地点。u高频电路中，地线上具有电感因而增加了地线阻抗，同时，各地线之间又产生电感耦合。u一般来说，频率在1MHz以下，可用一点接地；而高于10MHz，应多点接地。在110MHz之间，如用一点接地，其地线长度不得超过波长的1/20。否则，应采用多点接地。6.1.3 系统供电与接地技术43（3）、系统的低频接地技术 在实际的计算机控制系统中，通道的信号频率绝大部分在1MHz以下。a、一点接地方式 串联接地（或称共同接地）-不甚合理（p60）并联接地（或称分别接地）-比较合理电路电路1电路电路2电路电路3r1r2r3I
26、3I2I1CBAI3I2+I3I1+I2+I3串联一点接地串联一点接地电路电路1电路电路2电路电路3r1r2r3I3I2I1CBA并联一点接地并联一点接地 6.1.3 系统供电与接地技术44信号地线信号地线噪声地线噪声地线金属件地线金属件地线实用低频接地方式实用低频接地方式信号地线：低电平电路地线信号地线：低电平电路地线信号地线：低电平电路地线信号地线：低电平电路地线噪声地线：继电器、电动机噪声地线：继电器、电动机噪声地线：继电器、电动机噪声地线：继电器、电动机 等的地线等的地线等的地线等的地线金属件地线：设备机壳地线金属件地线：设备机壳地线金属件地线：设备机壳地线金属件地线：设备机壳地线b、
27、实用的低频接地统筹兼顾防噪和简单易行 串联一点接地的综合接法（分组接法）：低电平电路经一组共同地线接地；高电平电路经另一组共同地线接地；不要把功率相差很多、噪声电平相差很大的电路接入同一组地线接地。在一般的系统至少要有3条分开的地线单点接地。如下图。6.1.3 系统供电与接地技术45（4）、输入系统的接地其接地应遵守单点接地原则。（a）模拟量输入通道的接地：-电路一点地基准（p61）接地有两种方法：信号源端接地而接收端浮地，或信号源浮地，而接收端接地。错误的接线方式 这种接地方式会遭受电、磁耦合的影响，还会因为A、B两点地电位不等造成环流噪声干扰。应改为单端接地。6.1.3 系统供电与接地技术
28、46（b）信号电路单点接地时，电缆屏蔽层的接地也应遵守单点接地原则(p61)接地电路也有两种情况：信号源端接地而接收端浮地，则屏蔽层应在信号源端接地；若信号源浮地，而接收端接地，则屏蔽层应在接收端接地。这样分别接地是为了避免流过屏蔽层的电流通过屏蔽层与信号线间的电容产生对信号线的干扰。说明：在过程计算机输入系统中，传感器、变送器、放大器通常采用屏蔽罩，而信号的传送往往使用屏蔽线。6.1.3 系统供电与接地技术47（5）、主机系统接地(a)、主机外壳接地，机芯浮空。机机芯芯主机外壳主机外壳大地大地外壳接地，机芯浮空示意图外壳接地，机芯浮空示意图绝缘层绝缘层 这种方法安全可靠，抗干扰能力强。但是一
29、旦绝缘电阻降低就会引入干扰。6.1.3 系统供电与接地技术48(b)、全机一点接地：主机架内采用分别回流法接地方式。主机地与外部设备地连接后，采用一点接地，如下图所示。为了避免多点接地，各机柜用绝缘板垫起来。数字地数字地横汇流条横汇流条数字地数字地纵汇流条纵汇流条模拟地模拟地横汇流条横汇流条模拟地模拟地纵汇流条纵汇流条接地板接地板安全地安全地(机壳地机壳地)系统板系统板大地大地 分别回流法接地示例图分别回流法接地示例图 6.1.3 系统供电与接地技术49(6)、多机系统的接地u 近距离多机系统的一点接地（如下图示）主主机机 打印机打印机 绘图仪绘图仪 操作台操作台 过过 程程 通通 道道大地大地近距离多机系统的接地示意图近距离多机系统的接地示意图地线地线绝缘板绝缘板u 远距离系统采用隔离的方法。采用变压器隔离，光电隔离技术或无线电通信技术等。6.1.3 系统供电与接地技术50u 干扰的来源和传播途径u 过程通道抗干扰技术 串模干扰及其抑制串模干扰及其抑制 共模干扰及其抑制共模干扰及其抑制 长线传输干扰及其抑制长线传输干扰及其抑制u 系统供电与接地技术 本节小结51