第三章(4)硬件抗干扰技术

第4节:系统硬件抗干扰技术1、干扰的来源与传播途径。2、硬件抗干扰措施。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，降低系统的可靠性，甚至导致系统的运行混乱，造成生产事故。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。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。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1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。4.1干扰的来源高压电缆闪电雷达、电台等天线发射微机控制系统地电位波动电机、电焊机等大用电设备引入噪声交流动力线图8-1外部干扰环境内部干扰则是由系统的结构布局、制造工艺所引入的。内部干扰环境如图8-2所示，有分布电容、分布电感引起的耦合感应，电磁场辐射感应，长线传输造成的波反射；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。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。1．静电耦合图8-3导线之间的静电耦合导线1导线2C12C1gU1C2gRUn4.2干扰的传播途径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。图8-3给出两根平行导线之间静电耦合的示意电路，Cl2是两个导线之间的分布电容，C1g、C2g是导线对地的电容，R是导线2对地电阻。如果导线1上有信号U1存在，那么它就会成为导线2的干扰源，在导线2上产生干扰电压Un。显然，干扰电压Un与干扰源U1、分布电容Cl2、C2g的大小有关。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，如图8-4所示。如果导线1为承载着10kVA、220V的交流输电线，导线2为与之相距1米并平行走线10米的信号线，两线之间的互感M会使信号线上感应到的干扰电压Un高达几十毫伏。如果导线2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的有用信号。2．磁场耦合1线导2线导图8-4导线之间的磁场耦合R2R3R1I1U1UnM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。图8-5给出一个公共电源线的阻抗耦合示意图。3．公共阻抗耦合R3R1i2i1R4R2图8-5公共电源线的阻抗耦合A1A2在一块印制电路板上，运算放大器A1和A2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R1、R2是两个回路的公共阻抗。当回路电流i1变化时，在R1和R2上产生的电压降变化就会影响到另一个回路电流i2。反之，也如此。4.3硬件抗干扰措施引言4.3.1串模干扰的抑制4.3.2共模干扰的抑制4.3.3长线传输干扰的抑制4.3.4信号线的选择与敷设4.3.5电源系统的抗干扰4.3.6接地系统的抗干扰引言了解了干扰的来源与传播途径，我们就可以采取相应的抗干扰措施。在硬件抗干扰措施中，除了按照干扰的三种主要作用方式——串模、共模及长线传输干扰来分别考虑外，还要从布线、电源、接地等方面考虑。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。其表现形式与产生原因如图8-6所示。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。4.3.1串模干扰的抑制sUnUU1C2C线扰干)b(因原生产)a(式形现表扰干模串6-8图s计算机控制系统计算机控制系统aI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。1．双绞线做信号引线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物或护套形成屏蔽双绞线，图8-7给出了带有屏蔽护套的多股双绞线实物图。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。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。节距(mm)干扰衰减比屏蔽效果1001412375711375011214125141143平行线1102．引入滤波电路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、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。一般采用电阻R、电容C、电感L等无源元件构成滤波器，图8-8（a）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，如图8-8(b)所示。sU1R2R1C2C无源阻容滤波器(a)3R4R1C2C0UiU(b)图8-8滤波电路+1R2R器波滤源有A+计控系统-层蔽屏计控系统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算机等设备的接地情况。其表现形式与产生原因如图8-9所示。4.3.2共模干扰的抑制)a(mcUsUrZ计控系统mcU源号信U)b(式形现表因原生产图8-9共模干扰Zsr计控系统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、光电隔离与浮地屏蔽等三种措施。1．变压器隔离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“模拟地”与“数字地”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。放大器调制器解调器A/D计算机sUB模拟地数字地图8-10变压器隔离双绞线s1Us2U2．光电隔离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4.1光电耦合隔离技术中已作过详细介绍。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。4.2数字量输入通道与4.3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路实例，如图4-4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完全电隔离；又如图4-11继电器输出驱动电路中，光耦隔离器不仅把CPU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。A/D转换器D1D2+5V+5VD3D4D5D6D7D0D/A转换器+5V+5V(b)在CPU与D/A转换器之间(a)在A/D转换器与CPU之间图8-11光耦隔离器的数字信号隔离CPUD1D2D3D4D5D6D7D0D1D2D3D4D5D6D7D0D1D2D3D4D5D6D7D0CPU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，如图8-12所示。A/D计算机数字地（a）在传感器与A/D转换器之间VCC放大器sU模拟地双绞线D/A计算机数字地图8-12光耦隔离器的模拟信号隔离VCC放大器模拟地双绞线LR（b）在D/A转换器与执行器之间执行器传感器浮地屏蔽是利用屏蔽层使输入信号的“模拟地”浮空，使共模输入阻抗大为提高，共模电压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，图8-13给出了一种浮地输入双层屏蔽放大电路。3．浮地屏蔽图8-13浮地输入双层屏蔽放大电路信号源cmU外屏蔽层内屏蔽层计算机sUsU1sZ2sZ3sZ2cZc1cZ3Z(a)原理框图(b)等效电路1I2I3IAcmU计算机屏蔽层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)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。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。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。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。4.3.3长线传输干扰的抑制1．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。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。双绞线的波阻抗一般在100～200Ω之间，绞花愈密，波阻抗愈低。同轴电缆的波阻抗约50～100Ω范围。双绞线示波器信号ARRP图8-14传输线波阻抗的测量2．终端阻抗匹配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。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。双绞线ARPBR2双绞线ARPBRR1EC(a)(b)图8-15终端阻抗匹配适当调整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