6.1 硬件抗干扰技术

GeSibo,DepartmentofAutomation1第六章抗干扰技术6.1硬件抗干扰6.2软件抗干扰GeSibo,DepartmentofAutomation26.1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GeSibo,DepartmentofAutomation3一、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。GeSibo,DepartmentofAutomation4一、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GeSibo,DepartmentofAutomation52.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GeSibo,DepartmentofAutomation6二、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。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/jc的电抗通道，电场干扰就可以取道窜入，对系统形成干扰。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GeSibo,DepartmentofAutomation7两平行导体间的电容耦合~VnV1RC1gC2gC12~C12C1gRC2gVnV1导体1导体26.1.1干扰的来源和传播途径--干扰的传播途径GeSibo,DepartmentofAutomation8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121212)(1VCCRjRCjVgn1)(212gCCRj•当导体2对地电阻R很小，使112VRCjVn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。~VnV1RC1gC2gC126.1.1干扰的来源和传播途径--干扰的传播途径GeSibo,DepartmentofAutomation91)(212gCCRj•当导体2对地电阻R很大，使121212VCCCVgn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。121212)(1VCCRjRCjVgn6.1.1干扰的来源和传播途径--干扰的传播途径GeSibo,DepartmentofAutomation10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。两导体间的磁场耦合~~V1VnR3R2R1M导体1导体2I11MIjVn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GeSibo,DepartmentofAutomation11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GeSibo,DepartmentofAutomation12)(,),)((),(12221111nnpnnjjnpnpRRiRRiiRRi1、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njji121ii1i1i2ini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GeSibo,DepartmentofAutomation132、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GeSibo,DepartmentofAutomation14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。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干扰的来源和传播途径--干扰信号的区分GeSibo,DepartmentofAutomation15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0.5µH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：VdtdiLU4.0105104105.09366.1.1干扰的来源和传播途径--干扰信号的区分GeSibo,DepartmentofAutomation16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。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GeSibo,DepartmentofAutomation17信号源UsUn模－数转换器UsUn模－数转换器信号源干扰源sUnUU串模干扰示意图信号源UsUcm模数转换器共模干扰示意图6.1.1干扰的来源和传播途径--干扰信号的区分GeSibo,DepartmentofAutomation18主要内容串模干扰及其抑制共模干扰及其抑制长线传输干扰及其抑制一、串模干扰的产生和抑制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GeSibo,DepartmentofAutomation19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GeSibo,DepartmentofAutomation202、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。模数转换器屏蔽层输入信号757575755005006.1.2过程通道抗干扰技术--串模干扰的产生和抑制GeSibo,DepartmentofAutomation213.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。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GeSibo,DepartmentofAutomation225、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GeSibo,DepartmentofAutomation23二、共模干扰的抑制共模干扰（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。信号源UsUcmZsZ1信号源UsUcmZs1Zcm1Zs2Zcm2AB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GeSibo,DepartmentofAutomation24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：11ZZZUZIVsscmscnsZZ111ZZUVscmn其中，Zs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。信号源UsUcmZ1UsZsIcVn16.1.2过程通道抗干扰技术--共模干扰的抑制GeSibo,D