第9章 计算机控制系统的抗干扰技术

2020-03-01 154浏览

  • 1.“十二五”普通高等教育本科国家级规划教材 国家精品课程教材 计算机控制系统（第2版） 第九章 计算机控制系统的抗干扰技术
  • 2.第九章 计算机控制系统的抗干扰技术 学习目标： l了解计算机控制系统中干扰的来源及表现形式 l掌握过程通道设计中的抗干扰技术 l掌握计算机控制系统中常用的接地技术 l掌握计算机控制系统中抗干扰电源的设计方法 2019-9-2 2
  • 3.第一节 工业现场的干扰及其对系统的影响 电路或系统中出现的非期望的电信号是噪声。 噪声干扰是噪声对电路或系统产生的不良影响，会造成 计算机设备不能正常工作。在计算机测控系统中，噪声干扰 不仅会使测量信号产生误差，还可能导致系统的误动作。因 此，必须研究测控系统的抗噪声干扰技术。 形成噪声干扰要具备三个要素：噪声源、对噪声敏感的 接收电路和噪声源到接收电路间的耦合通道。 由此也可得到抑制噪声干扰的三种方法：降低噪声源的 强度、使接收电路对噪声不敏感、抑制或切断噪声源与接收 电路间的耦合通道。 2019-9-2 3
  • 4.一、噪声干扰的来源 1.外部干扰 外部干扰是由外界环境决定的，与系统结构无关。外部 干扰主要是空间电或磁的影响，例如通信广播发射的无线电 波，空中雷电，电网电压的波动、大型用电设备(如天车、电 炉、大电机、电焊机等)的启停、高压设备和电磁开关的电磁 辐射，传输电缆的共模干扰等。 2.内部干扰 内部干扰是由系统结构、制造工艺等所决定的，与外部 环境无关。内部干扰主要是指系统的软件干扰、分布电容或 分布电感产生的干扰、多点接地造成的电位差给系统带来的 影响、电磁场辐射感应、长线传输的波反射等。 yyyy/M/d 2019-9-2 4
  • 5.二、噪声干扰的传播途径 1.静电耦合（电容性耦合） 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，变压器线匝之间以及元件之间、元件与 导线之间都存在着分布电容。具有一定频率的干扰信号通过这些分布电 容提供的电抗通道穿行，对系统形成干扰，如图所示。 yyyy/M/d 2019-9-2 5
  • 6.2．电磁耦合（电感性耦合） 电磁耦合是指在空间磁场中电路之间的互感耦合。如果两个电路中 的两个导体靠得比较近，当一个回路中的电流变化时，载流导体在其周 围的空间会产生变化的磁场，而交变磁场又会在相邻回路导体中产生感 应电势，这样将干扰电压通过互感就耦合到其他回路中了，所以这种电 磁耦合总是存在的，只是程度强弱不同而已，取决于两个回路邻近导体 的互感系数M。 yyyy/M/d 2019-9-2 6
  • 7.3．漏电流耦合（电阻性耦合） 漏电流耦合是由于控制系统内部的电路绝缘不良，而出现的漏电流 引起的电阻耦合产生的干扰。 yyyy/M/d 2019-9-2 7
  • 8.4．共阻抗耦合 公共阻抗耦合是指多个电路的电流流经同一公共阻抗时所产生的相 互影响。例如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。 yyyy/M/d 2019-9-2 8
  • 9.三、噪声干扰的作用形式 1.串模干扰： 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。 2019-9-2 9
  • 10.2.共模干扰： 共模干扰是在电路输入端相对公共接地点同时出现的 干扰，也称为共态干扰、对地干扰、纵向干扰、同向干扰等。 2019-9-2 10
  • 11.四、抑制干扰的基本原则 •干扰：是指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。 •干扰影响系统的三个要素：干扰源、传播途径及干 扰对象。 抗干扰的措施 （1）尽可能消除干扰源； （2）切断干扰耦合通路； （3）增强系统自身的抗干扰能力； 2019-9-2 11
  • 12.第二节 过程通道的抗干扰技术 一、串模干扰抑制方法 串模干扰是指叠加 在被测信号上的干 扰噪声。 被测信号指有用的 直流信号或缓慢变 化的交变信号 干扰噪声指无用 的变化较快的杂 乱交变信号 2019-9-2 12
  • 13.1.采用滤波器： 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。 2019-9-2 13
  • 14.2.当尖峰型串模干扰成为主要干扰源时，用双积分式A／D 转换器可以削弱串模干扰的影响。 3.采用电流传送。 4.采用信号线屏蔽技术。干扰比较强的工业现场，采用双 绞屏蔽线作信号引线减少电磁感应，并且使各个小环路的感应 电势互相呈反向抵消。 2019-9-2 14
  • 15.双绞线节距对串模干扰的抑制效果 yyyy/M/d 15
  • 16.二、共模干扰抑制方法 共模干扰是指模／数 转换器两个输入端上 公有的干扰电压。 这种干扰可能 是直流电压， 也可能是交流 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 计算机等设备 的接地情况。 2019-9-2 。 共模干扰示意图 16
  • 17.1.采用变压器隔离 利用变压器把模拟信号电路与数字信号电路隔 离开来，以使共模干扰电压不成回路，从而抑制 共模干扰。 2019-9-2 17
  • 18.2.采用光电隔离 发光二极管和光敏三极管之间的信号是靠发光 二极管在信号电压的控制下发光，传给光敏三极管 来完成的。 2019-9-2 容易实现，成本 低，体积小。广 泛的应用。 18
  • 19.光电耦合器的模拟信号隔离(在传感器与A/D之间) 2019-9-2 光电耦合器的模拟信号隔离(在D/A转换器与执行机构之间 ) 19
  • 20.yyyy/M/d 20
  • 21.3.采用浮地屏蔽 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。 浮地输入双层屏蔽放大器 4.采用具有高共模抑制比的仪表放大器。 2019-9-2 21
  • 22.三、长线传输干扰的抑制 1.波阻抗的测量 在传输线的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。 2019-9-2 22
  • 23.2.终端匹配 最简单的终端匹配方法如图(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 形的形状相一致，只是时间上滞后。 由于并联R后终端电阻变低，则使信 号的高电平下降，从而降低了高电 平的抗干扰能力，但对信号的低电 平没有影响。 为了克服上述匹配方法的缺点，可采用图(b)所示的终端匹配方法。 等效电阻R为： R 2019-9-2 R1 R2 R1  R2 23
  • 24.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，当然要保证等效电阻R=RP。 在终端并联隔直阻抗也可以实现终端匹配 把电容C串入匹配电路中，当C较大时，其阻抗接近于零只起隔直流作用， 不会影响阻抗匹配，只要使R=Rp就可以了。它不会引起输出高电平的降低， 故增加了高电平的抗干扰能力。 2019-9-2 24
  • 25.3.始端匹配 在传输线始端串入电阻R，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 RSC为门A的输出低电平时的输出阻抗。 这种匹配方法的优点是信号的高电平不变，缺点是终端信号低电平 会抬高，相当于增加了输出阻抗，降低了低电平抗干扰能力。其原因是 终端门B的输入电流Isr在始端匹配电阻R上的压降所造成的。显然，终端 所带负载门个数越多，则低电平抬高越明显。 2019-9-2 25
  • 26.第三节 接地技术 一、计算机控制系统中的地 – 模拟地作为传感器、变送器、放大器、A/D和D/A转换中模 拟电路的零电位。模拟信号有精度要求，有时信号比较小， 而且与生产现场相连。 – 数字地作为控制系统中各种数字电路的零电位，应该与模 拟地分开，避免模拟信号受数字脉冲的干扰。 – 信号地作为控制系统中远距离传感器和变送器的零电位， 以区别主机模拟地，是弱信号地。 – 系统地是以上几种地的最终回流点，直接与大地相连 。 – 交流地是计算机交流供电电源地，即为动力线地，它的地 电位很不稳定。 – 安全地的目的是使设备机壳与大地等电位，以避免机壳带 电影响人身和设备的安全。通常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。 2019-9-2 26
  • 27.二、常用的接地方法 1.单点接地与多点接地 根据接地理论分析，低频电路应单点接地，这主要是避免形成产生干扰 的地环路；高频电路应该就近多点接地。一般来说，当频率低于1MHZ时， 采用单点接地方式为好；当频率高于10MHZ时，采用多点接地方式为好； 而在1~10MHZ之间，如果采用单点接地，其地线长度不得超过波长的1/20， 否则应采用多点接地方式。 2019-9-2 27
  • 28.yyyy/M/d 2019-9-2 28
  • 29.在工业控制系统中，信号频率大多小于1MHZ，所以通常采用单点接地方式 输入 信号 + 输入 放大器 _ V V+ ˉ 数字 输出 状态 模拟输出 输出 模拟输入 采样/保持放大 数字地 V+ V ˉ 保持 电容 模拟地 A/D转换器 V+ VCC V ˉ 模拟地 数字地 地噪声 图 8-24 单点接地方式 yyyy/M/d 29
  • 30.2.模拟地和数字地的连接 数字地作为 计算机中各 种数字电路 的零电位， 应该与模拟 地分开。 安全地使设备机 壳与大地等电位， 以避免机壳带电 而影响人身及设 备安全。 2019-9-2 模拟地作为传感器、 变送器、放大器、 A／D和D／A转换 器中模拟电路的零 电位。 系统地是上述几种地的 最终回流点，直接与大 地相连 。 30
  • 31.3.将数字地浮空并使机柜良好接地 浮地是指控制装置的数字地和大地之间不用导线连接，以悬浮的“地” 作为系统的参考电平。 机柜的良好接地，给机壳上感应的高频干扰电压提供了低阻抗的泄漏 通道，使机壳上不至于因电荷蓄积而电压升高。这样，不仅对操作人员比 较安全，而且对提高系统的抗干扰性能也极为有利。 4.交流接地点与直流接地点分开 为了避免电阻把交流电力线引入的干扰传输到控制装置内部，一般将 交流地与直流地分开。这样既能保证控制系统内部器件的安全性，又能提 高系统工作的可靠性和稳定性。另外，由于交流地与直流地的分开，交流 电网的地和控制系统的直流地各自形成自己的回路，其绝缘电阻可达 109～1010Ω。两者之间相当于开路，从而可以大大减少工业设备的地电 流干扰。 2019-9-2 31
  • 32.5.印刷电路板地线的安排 在安排印刷电路板地线时， 首先要保证地线阻抗较低，为此必须尽可能地加宽地线，不要小于 3mm； 其次要充分利用地线的屏蔽作用，将印刷电路板全部边缘用较粗的印 刷地线环绕整块板子作为地线干线，并同时在板中的所有空隙处均填以地 线，这样既可减少地线阻抗，又可防止外部干扰窜入。 将接地线构成闭环。若电路板上只有数字电路时，应该使地线形成环 路，环形地线可以减少接地电阻，从而减小接地电位差，这样可以明显提 高抗噪声的能力。 数字地线与模拟地线，不同的电源电压、高速电路与低速电路等的地 线要分开设置，最后汇总到电源端。高频部分最好采用栅格状的大面积覆 铜，以保证有良好的屏蔽效果。 2019-9-2 32
  • 33.计算机控制系 统中采用公共 接地点(SGP) 系统。选中一 点作为系统接 地点，系统中 各个参考接地 点均与SGP点 连接，防止接 地回路的形成。 通常把铜网埋 入地面深处， 然后用铜排接 到SGP点上。 2019-9-2 SGP接地系统示意图 33
  • 34.第四节 电源系统的抗干扰技术 一、电源系统的干扰类型 （1）大功率感性负载或可控硅切换时，会在电网中产生强大的反电动势， 这种瞬态高压（幅值可达2kv，频率从几百赫兹到两兆赫兹）可引起电源波 形的严重畸变。电网中的瞬态高压对系统会产生严重的干扰，其主要途径 是由电源进线经电源变压器的初、次级绕组间的杂散电容，进入系统电路， 再从系统接地点入地返回干扰源。 （2）当采用整流方式供电时，滤波不良会产生纹波噪声，这是一种低频干 扰噪声。 （3）当采用DC/DC变换器或开关稳压电源时，会出现高频开关噪声干扰。 （4）电源的进线和输出线也很容易受到工业现场以及天电的各种噪声干扰， 这些噪声干扰经电源线耦合到电路中，对系统产生干扰。 2019-9-2 34
  • 35.二、电源系统的抗干扰措施 电源滤波和退耦是抑制电源干扰的主要措施。 可在电源系统的交流进线端接对称LC低通滤波器，以滤除交流进线上 引入的大于50Hz的高次谐波干扰，改善电源的波形； 可在变压器初级跨接变阻二极管（也可跨接适当的压敏电阻），用来 抑制进入交流电源线上的瞬时干扰（或者大幅值的尖脉冲干扰）； 可在电源变压器中采用双重屏蔽措施，将初、次级隔离起来，使混入 初级的噪声干扰不致进入初级； 在整流滤波电路中采用电解电容和无感高频电容并联组合，以进一 步减小高频噪声进入电源系统；整流滤波后的直流电压再经稳压，可使干 扰被抑制到最小； 当一个电源系统同时向几个电路供电时，为了避免通过电源内阻造 成几个电路间相互干扰，可在每个电路的直流电源进线与地之间接入RC或 LC退耦滤波电容。 yyyy/M/d 2019-9-2 35
  • 36.三、抗干扰稳压电源的设计 计算机常用的直流稳压电源如图所示。该电源采用了双隔离、双滤波 和双稳压措施，具有较强的抗干扰能力，可用于一般工业控制场合。 1.隔离变压器 隔离变压器的作用有两个：其一是防止浪涌电压和尖峰电压直接窜入 而损坏系统；其二是利用其屏蔽层阻止高频干扰信号窜入。 2019-9-2 36
  • 37.2.低通滤波器 各种干扰信号一般都有很强的高频分量，低通滤波器是有效的抗干扰 器件，它允许工频50Hz电源通过，而滤掉高次谐波，从而改善供电质量。 3.交流稳压器 交流稳压器的作用是保证供电的稳定性，防止电源电压波动对系统的 影响。 2019-9-2 37
  • 38.4.电源变压器 电源变压器是为直流稳压电源提供所要求的电压而设置的。为了增强 系统的抗干扰能力，电源变压器做成双屏蔽形式。 5.直流稳压系统 2019-9-2 38
  • 39.在交流电压波动不大的场合，交流稳压器可省略；在浪涌和尖峰电压 不大的场合，隔离变压器和电源变压器可以合二为一。这样可简化电源系 统结构。 简易直流稳压电源示意图 2019-9-2 39
  • 40.四、电源系统的异常保护 1.不间断电源UPS 在正常情况下，由交流电网向计算机系统供电，并同时给UPS的电池 组充电。一旦交流电网出现断电，则不间断电源UPS自动切换到逆变器供 电，逆变器将电池组的直流电压逆变成工频交流电压，此电压送给直流稳 压器后继续保持对系统的供电。 2．连续备用供电系统 连续备用供电系统由柴油发电机供电，在两种供电系统转换期间，由 电池完成平滑过渡，以避免电源更换对系统的冲击。 yyyy/M/d 2019-9-2 40
  • 41.3．计算机系统的掉电保护 （1）电源监控电路。 yyyy/M/d 2019-9-2 （2）掉电保护。 41
  • 42.第五节 印刷电路板抗干扰设计 一、印制电路板布局 1．电路板的大小确定 在外壳尺寸确定的前提下，考虑电路板的大小时应该注意：电路板 过小，则器件的密集度高，不利于散热，而且线与线间容易引发干扰；若 电路板过大，则制造费用高，印刷线条长，阻抗增加，抗噪声能力减弱。 当不受外壳限制时，一般采用长宽之比为3：2或4：3的矩形。 2．布置元器件 在抗干扰问题上，元器件物理位置布置要注意高频电路尽量按无规则 排列，有利于减少分布参数的影响，其它电路可以按照有规则方向排列； 热敏感元件的放置要注意散热元件的散热方向，避免引起热辐射。 yyyy/M/d 2019-9-2 42
  • 43.二、印刷电路板布线 （1）考虑到铜膜导线自身的电阻、电感效应，布线时不易太长， 避免反射干扰以及高压放电现象的产生，拐角处宜用450角或圆 弧方式，不能有尖角形态出现。布双面电路板时，两面的导线 应该相互垂直、斜交或弯曲走线，避免相互平行，以减小寄生 耦合。 （2）铜膜导线的线宽，应以能满足电气性能要求而又便于生产 为准，它的最小值取决于流过它的电流以及加工过程的抗剥强 度。一般情况下，分立元件1.5mm左右，IC电路可以在1mm以下。 （3）相邻铜膜线之间的间距应该宽一点为好。由于信号频率越 来越高，为减少分布电容的影响，相邻铜膜线之间的距离要加 大，最小间距应不小于0.3mm。 yyyy/M/d 2019-9-2 43
  • 44.三、印刷电路板接地、电源和退耦电容 1．地线布置 （1）在低频电路中，由于布线和器件电感影响小，可以采用单 点接地法。当信号频率比较大时，地线电感的影响较大，所以 宜采用就近接地的多点接地法。对于频带范围较宽的电路，可 以考虑用混合接地方式。 （2）数字地线与模拟地线，不同的电源电压、高速电路与低速 电路等的地线要分开设置，最后汇总到电源端。 （3）地线的宽度应能通过3倍于印制板上的允许电流，一般以 大于3mm为宜。 （4）将接地线构成闭环。环形地线可以减少接地电阻，从而减 小接地电位差，这样可以明显提高抗噪声的能力。 yyyy/M/d 2019-9-2 44
  • 45.2．电源线设计 （1）根据电流的大小，尽量加宽电源线。 （2）电源线、接地线布线的方向要与信号线运行方向一致。 3．退耦电容的配置 （1）电源输入端配置一个10～100μF或者100μF以上的钽电解 电容和一个0.01～0.1μF的瓷片小电容，分别用于滤掉低频干 扰和高频干扰。 （2）每个集成电路芯片配置一个0.01μF的退耦电容，若位置 有限，可以考虑4～8个集成芯片配置一个。对于RAM、ROM元件 应在电源接地处直接接一个退耦电容。 （3）电容引线不能太长，尤其是高频的旁路电容。 yyyy/M/d 2019-9-2 45
  • 46.第六节 软件抗干扰技术 一、指令冗余技术 指令冗余技术主要是为了防止CPU受到干扰。所谓指令冗余，就是在 编写控制程序过程中，应多采用单字节指令，并在关键的地方有意插入一 些单字节指令（NOP）或将有效单字节指令重复书写。 二、时间冗余技术 1．指令复执技术 所谓复执，就是程序中的每条指令都是一个重新启动点，一旦发现错误， 就重新执行被错误破坏的现行指令。 2．程序卷回技术 程序卷回不是某一条指令的重复执行，而是一小段程序的重复执行。 3．延时避开法 当系统要接通或断开大功率负载时，使CPU暂停工作，待干扰过去以后 再恢复工作。 2019-9-2 46 yyyy/M/d
  • 47.三、软件陷阱技术 软件陷阱是针对程序运行失常的软件抗干扰措施。在非程序区设置陷 阱，一旦程序飞到非程序区，很快进入陷阱，然后强迫程序由陷阱进入初 始状态。 具体做法是附加一条引导指令，强行将出错的程序引向一个指定的地 址，在那里有一段专门对程序出错进行处理的程序。 如果我们把这段程序的入口标记为ERR的话，软件陷阱即为一条无条 件转移指令。为了加强其捕捉效果，一般还在它前面加两条NOP指令，因 此真正的软件陷阱由3条指令构成： NOP 软件陷阱安排在以下4种地方： NOP （1）未使用的中断向量区 JMP ERR （2）未使用的大片ROM空间 （3）程序中的数据表格区 （4）程序区中一些指令串中间的断裂点处 yyyy/M/d 2019-9-2 47
  • 48.四、“看门狗”技术 每一个计算机测控系统都有自己的程序运行周期。在初始化时，将 Watchdog定时器的时间常数定为略大于程序的运行周期，并且在程序运行 的每个循环周期内，每次都对定时器重新初始化。如果程序运行失常，跑 飞或进入局部死循环，不能按正常循环路线运行，则Watchdog定时器得不 到及时的重新初始化而使定时时间到，引起定时中断，在中断服务程序中 将系统复位，再次将程序的运行拉入正常的循环轨道。 yyyy/M/d 2019-9-2 48
  • 49.本章内容结束 2019-9-2 49