第8章抗干扰技术优秀PPT.ppt

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1、第8章 抗干扰技术现在学习的是第1页，共104页8.2 8.2 硬件抗干扰措施硬件抗干扰措施8.3 8.3 软件抗干扰措施软件抗干扰措施8.1 8.1 干扰的来源与传播途径干扰的来源与传播途径8.4 8.4 程序运行监视系统程序运行监视系统现在学习的是第2页，共104页 计算机控制系统的被控变量分布在生产现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

2、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，人们必须研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。讨论干扰的来源、传播途经及抗干扰的措施。现在学习的是第3页，共104页8.1 干扰的来源与传播途径v8.1.1 干扰的来源干扰的来源v8.1.2 干扰的传播途径干扰的传播途径现在学习的是第4页，共104页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

3、，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8-1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

4、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。8.1.1 干扰的来源干扰的来源现在学习的是第5页，共104页 动画链接动画链接现在学习的是第6页，共104页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、制造工艺所引入的。内部干扰环境入的。内部干扰环境如图如图8-2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

5、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。图图8-28-2内部干扰环境内部干扰环境 动画链接动画链接现在学习的是第7页，共104页8.1.2 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8.1.2 干扰的传播途径干扰的传播途径 动画链接动画链接现在学习的是第8

6、页，共104页q静静电电耦耦合合是是电电场场通通过过电电容容耦耦合合途途径径窜窜入入其其它它线线路路的的。两两根根并并排排的的导导线线之之间间会会构构成成分分布布电电容容，如如印印制制线线路路板板上上印印制制线线路路之之间间、变变压压器器绕绕线线之之间都会构成分布电容。间都会构成分布电容。q图图8-38-3给给出出两两根根平平行行导导线线之之间间静静电电耦耦合合的的示示意意电电路路，Cl Cl 2 2是是两两个个导导线线之之间间的的分分布布电电容容，C1gC1g、C2gC2g是是导导线线对对地地的的电电容容，R R是是导导线线2 2对对地地电电阻阻。如如果果导导线线1 1上上有有信信号号U1U

7、1存存在在，那那么么它它就就会会成成为为导导线线2 2的的干干扰扰源源，在在导导线线2 2上上产产生生干干扰扰电电压压Un Un。显显然然，干干扰扰电电压压UnUn与与干干扰扰源源U1U1、分布电容分布电容Cl2Cl2、C2gC2g的大小有关。的大小有关。现在学习的是第9页，共104页 空空间间的的磁磁场场耦耦合合是是通通过过导导体体间间的的互互感感耦耦合合进进来来的的。在在任任何何载载流流导导体体周周围围空空间间中中都都会会产产生生磁磁场场，而而交交变变磁磁场场则则对对其其周周围围闭闭合合电电路路产产生生感感应应电电势势。如如设设备备内内部部的的线线圈圈或或变变压压器器的的漏漏磁磁会会引引起

8、起干干扰扰，还还有有普通的两根导线平行架设时，也会产生磁场干扰，普通的两根导线平行架设时，也会产生磁场干扰，如图如图8-48-4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，导线的交流输电线，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，两线之间的互感米的信号线，两线之间的互感M M会使信号线上感应到的干扰电压会使信号线上感应到的干扰电压UnUn高达几十毫伏。如果导高达几十毫伏。如果导线线2 2是连接热电偶的信号线，那么这几十毫伏的干扰噪声足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

9、的有用信号。以淹没热电偶传感器的有用信号。2磁场耦合磁场耦合现在学习的是第10页，共104页 动画链接动画链接现在学习的是第11页，共104页n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8-58-5给出一个公共电源线的阻抗耦合示意图。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现在学习的是第12页，共104页 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A1

10、A1和和A2A2是两个独立是两个独立的回路，但都接入一个公共电源，电源回流线的等效电阻的回路，但都接入一个公共电源，电源回流线的等效电阻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变化时，在变化时，在R1R1和和R2R2上产生的电压降变化就会影响到另一个回路电流上产生的电压降变化就会影响到另一个回路电流i i2 2。反之，也如此。反之，也如此。动画链接动画链接现在学习的是第13页，共104页8.2 硬件抗干扰措施硬件抗干扰措施v引言引言v8.2.1 8.2.1 串模干扰的抑制串模干扰的抑制v8.2.2 8.2.2 共模干扰的抑制共模干扰的抑制v

11、8.2.38.2.3长线传输干扰的抑制长线传输干扰的抑制 v8.2.4 8.2.4 信号线的选择与敷设信号线的选择与敷设 v8.2.5 8.2.5 电源系统的抗干扰电源系统的抗干扰 v8.2.6 8.2.6 接地系统的抗干扰接地系统的抗干扰 现在学习的是第14页，共104页引言引言 了了解解了了干干扰扰的的来来源源与与传传播播途途径径，我我们们就就可可以以采采取取相相应应的的抗抗干干扰扰措措施施。在在硬硬件件抗抗干干扰扰措措施施中中，除除了了按按照照干干扰扰的的三三种种主主要要作作用用方方式式串串模模、共共模模及及长长线线传传输输干干扰扰来来分分别别考考虑虑外外，还还要要从从布布线线、电电源源

12、、接接地等方面考虑。地等方面考虑。现在学习的是第15页，共104页 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8-68-6所示所示。图中。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

13、机控制系统的输入端。8.2.1 串模干扰的抑制串模干扰的抑制现在学习的是第16页，共104页 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。动画链接动画链接现在学习的是第17页，共104页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8-7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。8-7.双交线现在学

14、习的是第18页，共104页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8-1。n双绞线可用来传输模拟信号和数字信号，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。现在学习的是第19页，共104页表表8-1 8-1 双绞线节距对串模干扰的抑制效果双绞线节距对串模干扰的抑制效果节距(mm)干扰衰减比屏蔽效果1001412375711375011214125141143平行线110现在学习的是第20页，

15、共104页n2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。根据串模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，可以选用具有低通、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，如果干扰频率比被测信号频率高通、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；如果干扰频率比被测信号频率低，高，则选用低通滤波器；如果干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，则需用带通滤波器。一般采用电阻时，则

16、需用带通滤波器。一般采用电阻R、电容、电容C、电感、电感L等无源元件构成滤波器，等无源元件构成滤波器，图图8-8（a）所示为在模拟量输入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，但它的缺点是对有用信号也会有较大的衰减。为了把增益与频率特性结合对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的有源滤波起来，对于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，而且能够提高信号的增益，器，它不仅可以达到滤波效果，而且能够提高信号的增益，如图如图8-8(b)所示。所示

17、。现在学习的是第21页，共104页 动画链接动画链接现在学习的是第22页，共104页 共模干扰是指计算机控制系统输入通道中信共模干扰是指计算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，可以是号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，其幅值达几伏甚直流电压，也可以是交流电压，其幅值达几伏甚至更高，这取决于现场产生干扰的环境条件和计至更高，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算机等设备的接地情况。其表现形式与产生原因如图如图8-98-9所示所示。8.2.2 8.2.2 共模干扰的抑制共模干扰的抑制现在学习的是第23页

18、，共104页 动画链接动画链接现在学习的是第24页，共104页n在计算机控制系统中一般都用较长的导线把现场中的传感器或在计算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，这类信号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，这样，现场信号的参考接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点之间存在一个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电位差U Ucmcm。这个。这个U Ucmcm是加在放大器输入端上共有的干扰电压，故是加在放大器输

19、入端上共有的干扰电压，故称共模干扰电压。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，以及模之间存在的电压，以及模拟信号系统对地的漏阻抗。因此，共模干扰电压的抑制就应当是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，以及采用被测信号的双端差动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。具体的输入方式。具体的有变压器隔离、光电隔离与浮地屏蔽等三种措施。有变压器隔离、光电隔离与浮地屏蔽等三种措施。现在学习的是第25页，共104页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

20、的地隔离开来，也就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。被测信号通过变压器耦合获得通断开。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的抑制。路，而共模干扰电压由于不成回路而得到有效的抑制。动画链接动画链接现在学习的是第26页，共104页n要注意的是，隔离前和隔离后应分别采用两组互相独立的要注意的是，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，电源，以切断两部分的地线联系，如图如图8-108-10所示所示。被测。被测信号信号U US S经双绞线引到输入通道中的放大器，放大后的经双绞线

21、引到输入通道中的放大器，放大后的直流信号直流信号U US1S1，先通过调制器变换成交流信号，经隔离变，先通过调制器变换成交流信号，经隔离变压器压器B B由原边传输到副边，然后用解调器再将它变换为直由原边传输到副边，然后用解调器再将它变换为直流信号流信号U US2S2，再对，再对US2US2进行进行A/DA/D转换。这样，被测信号转换。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无法形成回路而得到有效的抑制。的隔离无法形成回路而得到有效的抑制。现在学习的是第27页，共104页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

22、的一种抗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干扰方法。光电耦合隔离器的结构原理在4.1 4.1 光电耦合隔光电耦合隔离技术中已作过详细介绍。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电磁干扰，利用光耦隔离器的开关特性，可传送数字信号而隔离电磁干扰，即在数字信号通道中进行隔离。即在数字信号通道中进行隔离。4.2 4.2 数字量输入通道与数字量输入通道与4.3 4.3 数字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，路实例，如图如图4-44

23、-4开关量输入信号调理电路中，光耦隔离器不开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电隔离；又完全电隔离；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，光耦隔离器不仅把离器不仅把CPUCPU的控制数据信号输出到外部的继电器，而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。且实现了计算机与外部的完全电隔离。现在学习的是第28页，共104页n其实在模拟量输入输出通道中也主要应用这种数字信号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

24、的隔离方法，即在通道的隔离方法，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，控制信号的耦合传送，如图如图8-118-11所示所示。（。（a a）是在）是在A/DA/D转转换器与换器与CPUCPU接口之间接口之间8 8根数据线之间都各插接一个光耦隔根数据线之间都各插接一个光耦隔离器离器(图中只画出了一个图中只画出了一个)，不仅照样无误地传送数字信，不仅照样无误地传送数字信号，而且实现了号，而且实现了A/DA/D转换器及其模拟量输入通道与计算转

25、换器及其模拟量输入通道与计算机的完全电隔离；（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隔离器根数据线之间都各插接一个光耦隔离器(图中也只画出图中也只画出了一个了一个)，不仅照样无误地传送数字信号，而且实现了，不仅照样无误地传送数字信号，而且实现了计算机与计算机与D/AD/A转换器及其模拟量输出通道的完全电隔离。转换器及其模拟量输出通道的完全电隔离。现在学习的是第29页，共104页 动画链接动画链接 动画链接动画链接现在学习的是第30页，共104页n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

26、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8-12 所示。现在学习的是第31页，共104页 动画链接动画链接 动画链接动画链接现在学习的是第32页，共104页n在图8-12（a）输入通道的现场传感器与A/D转换器之间，光电耦合器一方面把放大器输出的模拟信号线性地光耦(或放大)到A/D转换器的输入端，另一方面又切断了现场模拟地与计算机数字地之间的联系，起到了很好的抗共模干扰作用。在图8-12（b）输出通道的D/A转换器与执行器之间，光电耦合器一方面把放大器输出的模拟信号线性地光耦(或放大)输出到现场执行器，另一方面又切断了计算

27、机数字地与现场模拟地之间的联系，起到了很好的抗共模干扰作用。现在学习的是第33页，共104页n光耦的这两种隔离方法各有优缺点。模拟信号隔离方法的优点是使用少量的光耦，成本低；缺点是调试困难，如果光耦挑选得不合适，会影响系统的精度。而数字信号隔离方法的优点是调试简单，不影响系统的精度；缺点是使用较多的光耦器件，成本较高。但因光耦的价格越来越低廉，因此，目前在实际工程中主要使用光耦隔离器的数字信号隔离方法。现在学习的是第34页，共104页 浮地屏蔽是利用屏蔽层使输入信号的浮地屏蔽是利用屏蔽层使输入信号的“模拟模拟地地”浮空，使共模输入阻抗大为提高，共模电压浮空，使共模输入阻抗大为提高，共模电压在输

28、入回路中引起的共模电流大为减少，从而抑在输入回路中引起的共模电流大为减少，从而抑制了共模干扰的来源，使共模干扰降至很低，制了共模干扰的来源，使共模干扰降至很低，图图8-138-13给出了一种浮地输入双层屏蔽放大电路给出了一种浮地输入双层屏蔽放大电路。3 3浮地屏蔽浮地屏蔽现在学习的是第35页，共104页 动画链接动画链接现在学习的是第36页，共104页n 计算机部分采用内外两层屏蔽，且内屏蔽层对外屏蔽层计算机部分采用内外两层屏蔽，且内屏蔽层对外屏蔽层(机壳地机壳地)是浮地的，而内层与信号源及信号线屏蔽层是在信是浮地的，而内层与信号源及信号线屏蔽层是在信号端单点接地的，被测信号到控制系统中的放大

29、器是采用双号端单点接地的，被测信号到控制系统中的放大器是采用双端差动输入方式。图中，端差动输入方式。图中，Z Zs1s1、Z Zs2s2为信号源内阻及信号引线电阻，为信号源内阻及信号引线电阻，Z Zs3s3为信号线的屏蔽电阻，它们至多只有十几欧姆左右，为信号线的屏蔽电阻，它们至多只有十几欧姆左右，Z Zc1c1、Z Zc2c2为放大器输入端对内屏蔽层的漏阻抗，为放大器输入端对内屏蔽层的漏阻抗，Z Zc3c3为内屏蔽层与外屏为内屏蔽层与外屏蔽层之间的漏阻抗。工程设计中蔽层之间的漏阻抗。工程设计中Z Zc1c1、Z Zc2c2、Z Zc3c3应达到数十兆欧姆应达到数十兆欧姆以上，这样模拟地与数字地

30、之间的共模电压以上，这样模拟地与数字地之间的共模电压U Ucmcm在进入到放大在进入到放大器以前将会被衰减到很小很小。这是因为首先在器以前将会被衰减到很小很小。这是因为首先在U Ucmcm、Z Zs3s3、Z Zc3c3构成的回路中，构成的回路中，Z Zc3c3Z Zs3s3，因此干扰电流，因此干扰电流I I3 3在在Z Zs3s3上的分压上的分压U US3S3就小得多；同理，就小得多；同理，U US3S3分别在分别在Z Zs2s2与与Z Zs1s1上的分压上的分压U US2S2与与U US1S1又又被衰减很多，而且是同时加到运算放大器的差动输入端，也被衰减很多，而且是同时加到运算放大器的差动

31、输入端，也即被即被2 2次衰减到很小很小的干扰信号再次相减，余下的进入次衰减到很小很小的干扰信号再次相减，余下的进入到计算机系统内的共模电压在理论上几乎为零。因此，这种到计算机系统内的共模电压在理论上几乎为零。因此，这种浮地屏蔽系统对抑制共模干扰是很有效的。浮地屏蔽系统对抑制共模干扰是很有效的。现在学习的是第37页，共104页 由生产现场到计算机的连线往往长达几十米，甚至数百米。即使在中央控制室内，各种连线也有几米到十几米。对于采用高速集成电路的计算机来说，长线的“长”是一个相对的概念，是否“长线”取决于集成电路的运算速度。例如，对于纳秒级的数字电路来说，l 米左右的连线就应当作长钱来看待；而

32、对于10微妙级的电路，几米长的连线才需要当作长线处理。信号在长线中传输除了会受到外界干扰和引起信号延迟外，还可能会产生波反射现象。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正向前进的电压波和电流波，称为入射波。8.2.38.2.3长线传输干扰的抑制长线传输干扰的抑制现在学习的是第38页，共104页1波阻抗的测量波阻抗的测量n为了进行阻抗匹配，必须事先知道信号传输线的波阻抗RP，波阻抗RP的测量如图8-14所示。图中的信号传输线为双绞线，在传输线始端通过与非门加入标准信号，用示波器观察门A的输出波形，调节传输线终端的可变电阻R，当门A输出的波形不畸变时，即

33、是传输线的波阻抗与终端阻抗完全匹配，反射波完全消失，这时的R值就是该传输线的波阻抗，即RPR。现在学习的是第39页，共104页n为了避免外界干扰的影响，在计算机中常常采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信号线。双绞线的波阻用双绞线和同轴电缆作信号线。双绞线的波阻抗一般在抗一般在100200之间，绞花愈密，波阻抗之间，绞花愈密，波阻抗愈低。同轴电缆的波阻抗约愈低。同轴电缆的波阻抗约50100范围。范围。现在学习的是第40页，共104页2终端阻抗匹配终端阻抗匹配n最简单的终端阻抗匹配方法如图8-15（a）所示。如果传输线的波阻抗是RP，那么当RRP时，便实现了终端匹配，消

34、除了波反射。此时终端波形和始端波形的形状一致，只是时间上迟后。由于终端电阻变低，则加大负载，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。n为了克服上述匹配方法的缺点，可采用图8-15（b）所示的终端匹配方法。现在学习的是第41页，共104页现在学习的是第42页，共104页 适当调整适当调整R1R1和和R2R2的阻值，可使的阻值，可使R=RPR=RP。这种匹配方法。这种匹配方法也能消除波反射，优点是波形的高电平下降较少，缺点也能消除波反射，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是低电平抬高，从而降低了低电平的抗干扰能力为了

35、同时兼顾高电平和低电平两种情况，可选取时兼顾高电平和低电平两种情况，可选取R1=R2=2RPR1=R2=2RP，此时等效电阻此时等效电阻R=RPR=RP。实践中宁可使高电平降低得稍多一。实践中宁可使高电平降低得稍多一些，而让低电平抬高得少一些，可通过适当选取电阻些，而让低电平抬高得少一些，可通过适当选取电阻R1R1和和R2R2，并使，并使R1R1R2R2来达到此目的，当然还要保证等效电来达到此目的，当然还要保证等效电阻阻R=RPR=RP。现在学习的是第43页，共104页3始端阻抗匹配始端阻抗匹配n在传输线始端串入电阻在传输线始端串入电阻R R，如图，如图8-168-16所示，也能基本上消除所示

36、，也能基本上消除反射，达到改善波形的目的。一般选择始端匹配电阻反射，达到改善波形的目的。一般选择始端匹配电阻R R为为nR RRPRPRSC RSC （8-38-3）n其中，其中，RSCRSC为门为门A A输出低电平时的输出阻抗。输出低电平时的输出阻抗。现在学习的是第44页，共104页n这种匹配方法的优点是波形的高电平不变，缺这种匹配方法的优点是波形的高电平不变，缺点是波形低电平会抬高。其原因是终端门点是波形低电平会抬高。其原因是终端门B B的的输入电流在始端匹配电阻输入电流在始端匹配电阻R R上的压降所造成的。上的压降所造成的。显然，终端所带负载门个数越多，则低电平抬显然，终端所带负载门个数

37、越多，则低电平抬高得越显著。高得越显著。现在学习的是第45页，共104页8.2.4 信号线的选择与敷设信号线的选择与敷设 在计算机控制系统中，信号线的选择与敷设也是个不在计算机控制系统中，信号线的选择与敷设也是个不容忽视的问题。如果能合理地选择信号线，并在实际施工容忽视的问题。如果能合理地选择信号线，并在实际施工中又能正确地敷设信号线，那么可以抑制干扰；反之，将中又能正确地敷设信号线，那么可以抑制干扰；反之，将会给系统引入干扰，造成不良影响。会给系统引入干扰，造成不良影响。n1 1信号线的选择信号线的选择n对信号线的选择，一般应从抗干扰和经济实用这几个方面考对信号线的选择，一般应从抗干扰和经济

38、实用这几个方面考虑，而抗干扰能力则应放在首位。不同的使用现场，干扰情况虑，而抗干扰能力则应放在首位。不同的使用现场，干扰情况不同，应选择不同的信号线。在不降低抗干扰能力的条件下，不同，应选择不同的信号线。在不降低抗干扰能力的条件下，应该尽量选用价钱便宜，敷设方便的信号线。应该尽量选用价钱便宜，敷设方便的信号线。现在学习的是第46页，共104页n（1）信号线类型的选择）信号线类型的选择n在精度要求高、干扰严重的场合，应当采用屏蔽信号线。表8-2列出几种常用的屏蔽信号线的结构类型及其对干扰的抑制效果。屏蔽结构干扰衰减比屏蔽效果（dB）备注铜网（密度85%）103：140.3电缆的可挠性好，适合近距

39、离使用铜带迭卷（密度90%）376：151.5带有焊药，易接地，通用性好铝聚酯树脂带迭卷6610：176.4应使用电缆沟，抗干扰效果最好表8-2 屏蔽信号线性能及其效果现在学习的是第47页，共104页n有屏蔽层的塑料电缆是按抗干扰原理设计的，几十对信号在同一电缆中也不会互相干扰。屏蔽双绞线与屏蔽电缆相比性能稍差，但波阻抗高、体积小、可挠性好、装配焊接方便，特别适用于互补信号的传输。双绞线之间的串模干扰小、价格低廉，是计算机控制实时系统常用的传输介质。n（2）信号线粗细的选择）信号线粗细的选择n从信号线价格、强度及施工方便等因素出发，信号线的截面积在2mm2以下为宜，一般采用1.5 mm2和1.

40、0 mm2两种。采用多股线电缆较好，其优点是可挠性好，适宜于电缆沟有拐角和狭窄的地方。现在学习的是第48页，共104页2信号线的敷设 选择了合适的信号线，还必须合理地进行敷设。否则，不仅达不到抗干扰的效果，反而会引进干扰。信号线的敷设要注意以下事项：n（1）模拟信号线与数字信号线不能合用同一根电缆，要绝对避免信号线与电源线合用同一根电缆。n（2）屏蔽信号线的屏蔽层要一端接地，同时要避免多点接地。现在学习的是第49页，共104页n（3）信号线的敷设要尽量远离干扰源，如避免敷设在大容量变压器、电动机等电器设备的附近。如果有条件，将信号线单独穿管配线，在电缆沟内从上到下依次架设信号电缆、直流电源电缆

41、、交流低压电缆、交流高压电缆。表号线和交流电力线之间的最少间距，供布线时参考。现在学习的是第50页，共104页表表-信号线和电力线之间的最少间距信号线和电力线之间的最少间距电力线容量信号线和电力线之间的最少间距（cm）电压（V）电流（A）1251012250501844020024500080048现在学习的是第51页，共104页n（4）信号电缆与电源电缆必须分开，并尽量避免平行敷设。如果现场条件有限，信号电缆与电源电缆不得不敷设在一起时，则应满足以下条件：电缆沟内要设置隔板，且使隔板与大地连电缆沟内要设置隔板，且使隔板与大地连接，如图接，如图8-17（a）所示。）所示。电缆沟内用电缆架或在沟

42、底自由敷设时，电缆沟内用电缆架或在沟底自由敷设时，信号电缆与电源电缆间距一般应在信号电缆与电源电缆间距一般应在15cm以上，以上，如图如图8-17（b）（）（c）所示；如果电源电缆无屏）所示；如果电源电缆无屏蔽，且为交流电压蔽，且为交流电压220VAC、电流、电流10A时，两者时，两者间距应在间距应在60 cm以上。以上。电源电缆使用屏蔽罩，如图电源电缆使用屏蔽罩，如图8-17（d）所示。）所示。现在学习的是第52页，共104页现在学习的是第53页，共104页n8.2.5 8.2.5 电源系统的抗干扰电源系统的抗干扰 计算机控制系统一般是由交流电网供电，电网电压与频率的波动将直接影响到控制系统

43、的可靠性与稳定性。实践表明，电源的干扰是计算机控制系统的一个主要干扰，抑制这种干扰的主要措施有以下几个方面。现在学习的是第54页，共104页n理想的交流电应该是50HZ的正弦波。但事实上，由于负载的变动如电动机、电焊机、鼓风机等电器设备的启停，甚至日光灯的开关都可能造成电源电压的波动，严重时会使电源正弦波上出现尖峰脉冲，如图8-18所示。这种尖峰脉冲，幅值可达几十甚至几千伏，持续时间也可达几毫秒之久，容易造成计算机的“死机”，甚至会损坏硬件，对系统威胁极大。在硬件上可以用以下方法加以解决。1交流电源系统现在学习的是第55页，共104页现在学习的是第56页，共104页n(1)选用供电比较稳定的进

44、线电源选用供电比较稳定的进线电源 计算机控制系统的电源进线要尽量选用比较稳定的计算机控制系统的电源进线要尽量选用比较稳定的交流电源线，至少不要将控制系统接到负载变化大、交流电源线，至少不要将控制系统接到负载变化大、晶闸管设备多或者有高频设备的电源上。晶闸管设备多或者有高频设备的电源上。n（2）利用干扰抑制器消除尖峰干扰）利用干扰抑制器消除尖峰干扰 干扰抑制器使用简单，利用干扰抑制器消除尖峰干扰干扰抑制器使用简单，利用干扰抑制器消除尖峰干扰的电路的电路如图如图8-19示示。干扰抑制器是一种无源四端网。干扰抑制器是一种无源四端网络，目前已有产品出售。络，目前已有产品出售。图8-19利用干扰抑制器的

45、电源系统现在学习的是第57页，共104页n（3）采用交流稳压器稳定电网电压n计算机控制的交流供电系统一般如图8-20所示。图中交流稳压器是为了抑制电网电压的波动，提高计算机控制系统的稳定性，交流稳压器能把输出波形畸变控制在5以内，还可以对负载短路起限流保护作用。低通滤波器是为了滤除电网中混杂的高频干扰信号，保证50HZ基波通过。图8-20一般交流供电系统现在学习的是第58页，共104页n（4）利用UPS保证不中断供电n电网瞬间断电或电压突然下降等掉电事件会使计算机系统陷入混乱状态，是可能产生严重事故的恶性干扰。对于要求更高的计算机控制系统，可以采用不间断电源即UPS向系统供电，如图8-21所示

46、。正常情况下由交流电网通过交流稳压器、切换开关、直流稳压器供电至计算机系统；同时交流电网也给电池组充电。所有的UPS设备都装有一个或一组电池和传感器，并且也包括交流稳压设备。如果交流供电中断，系统中的断电传感器检测到断电后就会将供电通路在极短的时间内（3ms）切换到电池组，从而保证流入计算机控制系统的电流不因停电而中断。这里，逆变器能把电池直流电压逆变到正常电压频率和幅度的交流电压，具有稳压和稳频的双重功能，提高了供电质量。现在学习的是第59页，共104页图图8-218-21不间断电源供电系统不间断电源供电系统现在学习的是第60页，共104页n（5）掉电保护电路）掉电保护电路n对于没有使用对于

47、没有使用UPS的计算机控制系统，为了防止掉电后的计算机控制系统，为了防止掉电后RAM中的信息丢失，可以采用镍电池对中的信息丢失，可以采用镍电池对RAM数据进行数据进行掉电保护。掉电保护。图图8-22是一种某计算机系统是一种某计算机系统64KB存储板所存储板所使用的掉电保护电路。系统电源正常工作时，由外部电使用的掉电保护电路。系统电源正常工作时，由外部电源源+5V供电，供电，A点电平高于备用电池（点电平高于备用电池（3V）电压，）电压，VD2截止，存储器由主电源（截止，存储器由主电源（5V）供电。系统掉电时，）供电。系统掉电时，A点电位低于备用电池电压，点电位低于备用电池电压，VD1截止，截止，

48、VD2导通，由备导通，由备用电池向用电池向RAM供电。当系统恢复供电时，供电。当系统恢复供电时，VD1重新导重新导通，通，VD2截止，又恢复主电源供电。截止，又恢复主电源供电。现在学习的是第61页，共104页现在学习的是第62页，共104页n对对于于没没有有采采用用镍镍电电池池进进行行掉掉电电保保护护的的一一些些控控制制系系统统，至至少少应应设设置置电电源源监监控控电电路路即即硬硬件件掉掉电电检检测测电电路路。在在掉掉电电电电压压下下降降到到CPU最最低低工工作作电电压压之之前前应应能能提提出出中中断断申申请请（提提前前时时间间为为几几百百微微妙妙到到数数毫毫秒秒），使使系系统统能能及及时时对

49、对掉掉电电作作出出保保护护反反应应在在掉掉电电中中断断子子程程序序中中，首首先先进进行行现现场场保保护护，把把当当时时的的重重要要参参数数、中中间间结结果果以以及及输输入入输输出出状状态态作作出出妥妥善善处处理理，并并在在片片内内RAM中中设设置置掉掉电电标标志志。当当电电源源恢恢复复正正常常时时，CPU重重新新复复位位，复复位位后后应应首首先先检检查查是是否否有有掉掉电电标标记记。如如果果没没有有，按按一一般般开开机机程程序序执执行行，即即首首先先系系统统初初始始化化；如如果果有有掉掉电电标标记记，则则说说明明本本次次复复位位是是掉掉电电保保护护之之后后的的复复位位，不不应应将将系系统统初初

50、始始化化，而而应应按按掉掉电电中中断断子子程程序序相相反反的的方方式式恢恢复复现现场场，以以一一种种合合理理的的安安全全方方式式使使系系统统继继续续工工作作。这这种种监监控控电电路路有有许许多多，其其中中一一种种简简便便实实用用的的应应用用电电路路见见后后面面的的图图8-31 X5045与与CPU的的接接口口电电路路。上上电电时时，电电压压超超过过4.5V后后，经经过过约约200ms的的稳稳定定时时间间后后RESET 信信号号由由高高电电平平变变为为低低电电平平；掉掉电电时时，当当电电源源电电压压低低于于4.5V时时，RESET 信信号号立立即即变变为为高高电电平平，使使CPU响响应应中中断断