微机系统设计开发03-隔离与抗干扰技术.ppt

孟祥印 机电测控系xymeng@,《微机系统设计开发》,《微机系统设计开发》,1.微机系统设计开发的基本问题2.微机系统的接口与通信技术3.微机系统的隔离与抗干扰设计4.微机系统的软件开发与测试（软件工程）5.微机系统本安防爆设计6.微机系统应用案例,干扰源与抗干扰耦合方式空间抗干扰措施过程通道的抗干扰措施系统供电与接地的抗干扰措施数字信号和软件程序的抗干扰措施提高计算机控制系统的可靠性措施,所谓干扰，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抗干扰的方法有硬件措施、软件措施，还有软硬件结合的措施3.1 干扰源与抗干扰耦合方式,系统的各个装置己经小型化、集成化、数字化，然而在极小的空间内却容纳并处理着大量的信息，同时系统还要实施各种控制其结果是抵御干扰的能力自然会有所下降另外，系统采用大量的低电平信号电路，致使干扰的作用更加明显3.1.1 干扰来源,干扰来源,,外部干扰,内部干扰,与系统结构无关，由外界环境因素决定的干扰,由系统结构、制造工艺等决定的,,电源干扰,空间干扰,设备干扰,3.1.1 干扰来源,1. 电源干扰电源干扰是指来自供电电源的干扰，主要有：浪涌、尖峰、噪声和断电。

◆浪涌:大功率设备感性负载设备的启动或停止造成浪涌◆尖峰:大功率开关的通断，使电网上出现尖峰脉冲◆噪声:噪声随供电电源侵入系统◆断电:断电、电网调度高压切换中的瞬间断电3.1.1 干扰来源,2. 空间干扰◆静电和电场的干扰系统的部分设备产生静电，或部分设备在某个电场之中◆磁场干扰系统设备与某些能够产生磁场的电气设备构成电磁感应◆电磁辐射干扰通信发射台；可控硅逆变电源、变频调速装置等发出的电磁波干扰3.1.1 干扰来源,3. 设备干扰设备干扰是指设备内部或设备之间产生的干扰以上三种干扰，来自交流电源的干扰最为严重，其次为设备干扰，特别是来自通道的干扰，再其次为来自空间的辐射干扰3.1.2 干扰信号的耦合方式,干扰信号进入到计算机测控系统中的主要耦合方式分为四种：静电耦合方式 电磁耦合方式共阻抗耦合方式电磁场辐射耦合方式3.1.2 干扰信号的耦合方式,1. 静电耦合方式当二根导线平行地放置至一定距离时，该二根导线之间的电容就构成了它们相互间的电容性耦合两根导线之间的电容性耦合,导线之间电容性耦合等效电路,当导体2对地电阻R很小时，使jωR(C12+C2g) << 1时，式(9.1)可以近似表示为,这表明干扰电压Un与干扰频率ω和幅度U1、输入电阻R、耦合电容C12成正比关系。

当导体2对地电阻R很大，使jωR(C12+C2g) >> 1时，式(9.1)可以近似表示为,在这种情况下，干扰电压Un由电容C12和C2g的分压关系及U1所确定，其幅值比前两种情况大得多3.1.2 干扰信号的耦合方式,2. 电磁耦合方式在设备内部，线圈或变压器的漏磁就是一个很大的干扰源；在设备外部，当二根导线在较长的距离内敷设或架设时，将会产生电磁耦合干扰两个电路之间的电磁耦合,电磁耦合等效电路,其中： ω为感应磁场交变角频率 M为两根导线之间的互感 I1为导线1中的电流,3.1.2 干扰信号的耦合方式,3. 共阻抗耦合方式当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所产生的电压降会影响到另一个电路，该种耦合方式称作公共阻抗耦合，其原理如图所示公共阻抗耦合原理图,公共电源线的阻抗耦合,公共地线的阻抗耦合,3.1.2 干扰信号的耦合方式,4. 电磁场辐射耦合方式处于电磁波中的导体，将因受到电磁波的作用而感应出相应频率的电动势3.2 空间抗干扰的措施,空间感应包括静电场、高频电磁场以及磁场引起的干扰，主要的方法解决：◆空间隔离：使敏感设备或信号线远离干扰源（如大型动力设备及大变压器等）。

◆屏蔽：对敏感电路加屏蔽盒或对信号加屏蔽层，注意屏蔽层不能随意接地，必要时屏蔽层外还要有绝缘层◆电气布线：合理的选择信号线，并在实际施工中正确的敷设信号线来抑制干扰3.2.1 屏蔽技术,屏蔽主要用来解决电磁干扰，将电力线或磁力线的影响限定在某个范围之内或阻止他们进入某个范围通常可分为：◆ 低频磁场屏蔽◆ 电磁屏蔽◆ 双层屏蔽◆ 电场屏蔽,3.2.1 屏蔽技术,屏蔽技术实现的关键是如何保证屏蔽体的完整性，使其电磁泄漏奖低到最小程度通常采取以下措施◆ 屏蔽壳体接缝上的永久性缝隙一般采用氩弧焊密封焊接◆ 机壳的通风孔一般采用穿孔金属板或者金属丝网覆盖◆ 必须对传输线进行屏蔽，其屏蔽外皮必须伸入到外壳或链接器内部◆ 元件的安装孔，需要通过导电衬垫与外壳连接3.2.2 电气布线技术,系统布线设计的关键是进行正确电缆选型、敷设、抑制干扰和降低成本1、常用的线缆类型 ▲ 双绞线 ▲ 屏蔽电缆 ▲ 同轴电缆2、电缆的选择与敷设,3.3 过程通道的抗干扰措施,强烈的干扰往往沿着过程通道进入计算机，其主要原因是过程通道与计算机之间存在公共地线，而且首当其冲是A心和各种输入装置。

所以要求这些设备有很强的抗干扰能力，而且要设法削弱来自公共地线的干扰，以提高过程通道的抗干扰性能干扰的作用方式，一般可分为串模干扰和共模干扰干扰信号的形式,3.3 过程通道的抗干扰措施,1．串模干扰及其抑制叠加在被测信号上的干扰信号称为串模干扰产生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可以采取下列措施尽量减少其影响◆ 采用输入滤波器◆ 进行电磁屏蔽和良好的接地◆ 选择合适的ADC◆ 使用电流信号传输,3.3 过程通道的抗干扰措施,2．共模干扰及其抑制共模干扰产生的主要原因是不同“地”之间存在共模电压，以及模拟信号系统对地存在漏阻抗共模干扰,3.3 过程通道的抗干扰措施,抑制共模干扰的措施有：(1)  采用差分放大器做信号前置放大 (2) 采用隔离技术将地电位隔开 当信号地与放大器地隔开时， Vg不形成回路，就不能转成串模干扰常用的隔离方法是使用变压耦合或光电耦合若被测信号是直流信号，采用变压器隔离时，就必须采用调制解调技术由变压器构成的隔离放大器如图所示3.3 过程通道的抗干扰措施,隔离放大器,隔离放大器,3.3 过程通道的抗干扰措施,(3)利用浮地屏蔽采用双层屏蔽三线采样(Sl，S2，S3)浮地隔离放大器来抑制共模干扰电压。

隔离放大器,3.长线传输干扰的抑制,同轴电缆对于电场干扰有较强的抑制作用，工作频率较高双绞线对于磁场干扰有较好的抑制作用，绞距越短，效果越好在电场干扰较强时须采用屏蔽双绞线采用同轴电缆或双绞线作为传输线,在使用双绞线时，尽可能采用平衡式传输线路所谓平衡式传输线路，是双绞线的两根线不接地传输信号因为这种传输方式具有较好的抗差模干扰能力，外部干扰在双绞线中的两条线中产生对称的感应电动势，相互抵消同时，对于来自地线的干扰信号也受到抑制终端阻抗匹配,为了消除长线的反射现象，可采用终端或始端阻抗匹配的方法同轴电缆的波阻抗一般在50～100Ω之间，双绞线的波阻抗约为100～200Ω进行阻抗匹配，首先，需要通过测试或由已知的技术数据掌握传输线的波阻抗Rp的大小终端阻抗匹配,始端阻抗匹配,始端阻抗匹配是在长线的始端串入电阻R，通过适当的选择R，以消除波反射,这种匹配方法的优点是波形的高电平不变，缺点是波形的低电平会抬高其原因是终端门B的输入电流Isr在始端匹配电阻R上的压降所造成的,3.4.1系统供电的抗干扰措施,考虑采取电源保护措施，防止电源干扰，并保证不间断地供电交流稳压器抑制电网电压波动的影响，保证220VAC供电。

低通滤波器让50Hz的基波通过，而滤除高频干扰干扰信号直流稳压电源采用开关电源对电网电压的波动适应性强，抗干扰性能好3.4.1系统供电的抗干扰措施,1. 供电系统的一般保护 解决尖峰脉冲的硬件方法：◆ 选用供电比较稳定的进线电源◆ 利用干扰抑制器消除尖峰干扰◆ 采用交流稳压器稳定电网电压,一般计算机控制系统供电结构,3.4.1系统供电的抗干扰措施,2. 电源异常保护采用不间断电源UPS不中断供电具有UPS发热供电结构,3.4.1系统供电的抗干扰措施,3. 直流电源系统直流电源侧采取的相应抗干扰措施◆ 交流电源变压器的屏蔽◆ 采用直流开关电源◆ 直流供电系统的隔离当控制装置和电子电气设备的内部子系统之间需要相互隔离时，它们各自的直流供电电源间也应相互隔离，以减少公共阻抗的相互耦合和公共电源的相互耦合交流侧隔离,直流侧隔离,3.4.2 系统接地的抗干扰措施,广义的接地包含接实地和接虚地计算机系统接地的目的：◆ 抑制干扰◆ 保护计算机、电器设备和操作人员的安全,3.4.2 系统接地的抗干扰措施,计算机控制系统中的“地”有多种，故接地线主要分为以下几类：模拟地、数字地、安全地、系统地、交流地 模拟地是系统中的传感器、变送器、放大器、A／D和D/A转换器中模拟电路的零电位。

 数字地是计算机中数字电路的零电位，为避免对模拟信号造成数字脉冲的干扰，数字地应与模拟地分开 安全地又称为保护地或机壳地，其目的是让设备机壳与大地等电位 系统地是上述几类地的最终回流点，直接与大地相连 交流地是计算机交流供电电源地，即动力线地，其地电位很不稳定交流地绝对不允许与上述几类地相连3.4.2 系统接地的抗干扰措施,1. 单点接地与多点接地,3.4.2 系统接地的抗干扰措施,2. 分别回流单点接地,3.4.2 系统接地的抗干扰措施,3. 实用的低频接地,3.4.2 系统接地的抗干扰措施,4. 输入通道的接地技术 电路一点地基准信号源端接地时，放大器电源不接地；放大器接地时，信号源不接地 电缆屏蔽层的接地 信号电路一点接地时，低频电缆的屏蔽层也一点接地3.4.2 系统接地的抗干扰措施,5. 主机外壳接地,3.4.2 系统接地的抗干扰措施,6. 多机系统的接地,3.5数字信号的软件抗干扰措施,1、数字滤波,数字滤波是一种软件算法，它实现从采样信号中提取出有效信号数值，滤除干扰信号的功能数字滤波与模拟滤波相比，具有很多优点数字滤波可以实现对频率很低（如0.01Hz）信号的滤波，克服了模拟滤波器的不足；,首先，由于采用了程序实现滤波，无需硬件器件，不受外界的影响，也无参数变化等问题，所以可靠性高，稳定性好；,当然，数字滤波不足之处在于滤波速度比硬件滤波要慢，但鉴于数字滤波器具有的上述优点，在计算机控制系统中得到了广泛的应用。

数字滤波还可以根据信号和干扰的不同，采用不同的滤波方法和滤波参数，具有灵活、方便、功能强等优点2、输入数字信号的抗干扰,数字信号是用高低电平表示的两态信号，即“0”、“1”在数字信号的输入中，由于操作或外界等的干扰，会引起状态变化，造成误判对于数字信号来说，干扰信号多呈毛刺状，作用时间短利用这一特点，在采集某一数字信号时，可多次重复采集，直到连续两次或两次以上采集结果完全一致方为有效若多次采集后，信号总是变化不定，可停止采集，给出报警信号对数字信号的采集不能采用多次平均方法，而是比较两次或两次采集结果是否相同3、输出数字信号的抗干扰,由于干扰，可能使计算机输出的正确数字信号，在输出设备中得到的却是错误信号输出设备有电位控制型和同步锁相型两种，前者有良好的抗“毛刺”干扰能力，后者不耐干扰，当锁存线上出现干扰时，会盲目锁存当前的数据输出设备的惯性（响应速度）与干扰的耐受能力也有很大关系惯性大的输出设备（各类电磁机构）对“毛刺”干扰有一定耐受能力；惯性小的输出设备（如通信口、显示设备等）耐受能力就小一些在软件上可以采取以下一些方法提高抗干扰能力：,（1）重复输出同一数据在满足实时控制的要求前提下，重复周期尽可能短些。

外部设备接受到一个被干扰的错误信号后，还来不及作出有效的反应，一个正确的输出信息又来到，就可及时防止错误动作的产生。