第2章 2.6 硬件抗干扰技术

干扰的来源与传播途径2.6.1过程通道抗干扰技术2.6.2CPU抗干扰技术2.6.3系统供电与接地技术2.6硬件抗干扰技术干扰的来源与传播途径1、什么是干扰：就是有用信号以外的噪声或造成计算机设备不能正常工作的破坏因素。2、干扰的来源•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。即外部干扰和内部干扰。•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。外部干扰主要是空间电或磁的影响，环境温度、湿度等气象条件。外部干扰环境如下图所示，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。内部干扰：是由系统结构、制造工艺等决定的。内部干扰主要是分布电容、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，多点接地造成的电位差引起的干扰，寄生振荡引起的干扰，甚至元器件产生的噪声。3、干扰的传播途径干扰传播的途径主要有三种：静电耦合，磁场耦合，公共阻抗耦合。静电耦合：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，如印制线路板上印制线路之间、变压器绕线之间都会构成分布电容。（解释见注释）磁场耦合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，如下图所示。（解释见注释）公共阻抗耦合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，从而产生干扰噪声的影响。下图给出一个公共电源线的阻抗耦合示意图。（解释见注释）2.6.1过程通道抗干扰技术1.串模干扰及其抑制方法(1)串模干扰所谓串模干扰是指叠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。也称为常态干扰。一个串模干扰的例子图中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。（2）串模干扰的抑制方法①采用滤波器（低通、高通、带通滤波器）：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、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，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。一般情况下，串模干扰均比被测信号变化快，常用下图结构的二级阻容低通滤波网络作为模/数转换器的输入滤波器。网络中参数与被测信号的快慢相关。该滤波电路可使50Hz的串模干扰信号衰减600倍左右，滤波器的时间常数小于200ms。222)(WnSQWnSWnsAmsRCTQRCWn375*2121,21,2无源二级阻容低通滤波器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，如下图所示。②当尖峰型串模干扰成为主要干扰源时，可采用限幅电路，采用双积分式A/D转换器削弱串模干扰的影响。③尽可能早地进行前置放大，提高信噪比；或尽可能早地完成模/数转换，或采取隔离和屏蔽等措施。④从选择逻辑器件入手，利用逻辑器件的特性来抑制串模干扰。如提高阈值电平，或采用低速逻辑器件等。⑤采用双绞线作信号引线的目的是减少电磁感应，并且使各个小环路的感应电势互相呈反向抵消。选用带屏蔽的双绞线或同轴电缆做信号线，以具有良好接地。双绞线能抑制磁场耦合干扰屏蔽能抑制电厂耦合干扰2．共模干扰及其抑制方法(1)共模干扰所谓共模干扰是指模/数转换器两个输入端上公有的干扰电压。共模干扰也称为共态干扰。被测信号Us的参考接地点和计算机输入信号的参考接地点之间往往存在着一定的电位差Ucm。对于模/数转换器的两个输入端来说，分别有Us+Ucm和Ucm两个输入信号。显然，Ucm是共模干扰电压。共模干扰示意图•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电位差Ucm。这个Ucm是加在放大器输入端上共有的干扰电压，故称共模干扰电压。•既然共模干扰产生的原因是不同“地”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。具体的有变压器隔离、光电隔离、浮地屏蔽与使用仪表放大器等措施。单端对地输入和双端不对地输入此时的共模干扰电压全部转换成串模干扰电压。所以必须采用双端输入不对地方式，如下图所示：对于存在共模干扰的场合，不能采用单端对地输入方式。ZsZcZcUsUcmUzc)(如Zs1＝Zs2，Zc1=Zc2，则UAB=0从上式可以看出，Zs1、Zs2越小，Zc1、Zc2越大，且Zc1与Zc2越接近时，UAB就越小，这就是为什么集成电路器件的输入阻抗尽可能做大一点的原因。有时间时举双端输入运算放大器的例子两个输入端之间的共模电压UAB为：对单端输入，Un=Ucm，则CMRR=0，无共模抑制能力。当Ucm一定时，Un越小，CMRR越大，抗共模干扰能力越强。(2)共模干扰的抑制方法①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Ucm不成回路，从而抑制了共模干扰。另外，隔离前与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。②光电隔离光电隔离与变压器隔离相比，实现起来比较容易，成本低，体积也小。在计算机控制系统中光电隔离得到了广泛应用。（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模拟量应选用线性光耦）③浮地屏蔽采用浮地输入双层放大器来抑制共模干扰。这是利用屏蔽方法使输入信号的“模拟地”浮空，从而达到抑制共模干扰的目的。下图给出了一种浮地输入双层屏蔽放大电路。•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)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器是采用双端差动输入方式。图中，Zs1、Zs2为信号源内阻及信号引线电阻，Zs3为信号线的屏蔽电阻，它们至多只有十几欧姆左右，Zc1、Zc2为放大器输入端对内屏蔽层的漏阻抗，Zc3为内屏蔽层与外屏蔽层之间的漏阻抗。工程设计中Zc1、Zc2、Zc3应达到数十兆欧姆以上，这样模拟地与数字地之间的共模电压Ucm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Ucm、Zs3、Zc3构成的回路中，Zc3＞＞Zs3，因此干扰电流I3在Zs3上的分压US3就小得多；同理，US3分别在Zs2与Zs1上的分压US2与US1又被衰减很多，而且是同时加到运算放大器的差动输入端，也即被2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，这种浮地屏蔽系统对抑制共模干扰是很有效的。④采用仪表放大器提高共模抑制比仪表放大器将两个信号的差值放大。抑制共模分量是使用仪表放大器的唯一原因。AD620（低功耗，低成本，集成仪表放大器），还有AD623等等。(仪表放大器实际上是高精度差分输入的运算放大器)AD620仪表放大器的简介)21)(21(0VVRxRV仪表放大电路是由三个放大器所共同组成，其中电阻R与RX来调整放大的增益值，其关系式如下式所示，要注意避免每个放大器的饱和现象。3.长线传输干扰及其抑制方法(1)长线传输干扰①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，1米左右的连线就应当作长钱来看待；而对于10微妙级的电路，几米长的连线才需要当作长线处理。（PCI总线）②信号在长线中传输遇到三个问题：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。波反射产生的原理•阻抗不连续，信号在传输线末端突然遇到电缆阻抗很小甚至没有，信号在这个地方就会引起反射。这种信号反射的原理，与光从一种媒质进入另一种媒质要引起反射是相似的。•消除这种反射的方法，就必须在电缆的末端跨接一个与电缆的特性阻抗同样大小的终端电阻，使电缆的阻抗连续。•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。传输介质•双绞线：双绞线是由两条导线按一定扭距相互绞合在一起的类似于电话线的传输媒体，每根线加绝缘层并有颜色来标记。•双绞线的波阻抗一般在100至200Ω之间，绞花越密，波阻抗越低。（波阻抗代表的是单位长度的阻抗值，与其传输线的总长度无关，仅代表该传输线本身的特性）•同轴电缆：同轴电缆可分为两类：粗缆和细缆，这种电缆在实际应用中很广，比如有线电视网，就是使用同轴电缆。不论是粗缆还是细缆，其中央都是一根铜线，外面包有绝缘层。•同轴电缆的波阻抗在50至100Ω之间。波阻抗的测量为了进行阻抗匹配，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RP＝R。(2)长线传输干扰的抑制方法采用终端阻抗匹配或始端阻抗匹配，可以消除长线传输中的波反射或者把它抑制到最低限度。①终端匹配：终端并联电阻②始端匹配：始端串联电阻①终端匹配在（a）中，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。在（b）中，等效电阻R为R=R1R2/(R1+R2)适当调整R1和R2的阻值，可使R=RP。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一些，而让低电平抬高得少一些，可通过适当选取电阻R1和R2，使R1＞R2达到此目的，当然还要保证等效电阻R=RP。②始端匹配在传输线始端串入电阻R，如图所示，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R为R=RP-RSC,其中RSC为门A输出低电平时的输出阻抗。2.6.2CPU抗干扰技术计算机控制系统的CPU抗干扰措施常常采用：①Watchdog(俗称看门狗)②电源监控(掉电检测及保护)③复位MAX1232是微处理器监控电路，另外常用的集成电路还有X5045、IMP813等。看门狗的工作原理定时到脉冲中断或复位重新设置或复位定时器CPUCLK看门狗的实现WatchdogTimer1．MAX1232的结构原理MAX1232引脚：PBRST为按键复位输入TD为时间延迟，Watchdog时基选择输入TOL为容差输入RST为复位输出（高电平有效）RST为复位输出（低电平有效）ST为选通输入Watchdog定时器输入MAX1232内部原理图2．MAX1