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计算机控制系统第9章-计算机控制系统的抗干扰技术课件.ppt

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    • 2022/7/311 第九章第九章 计算机控制系统的抗干扰技术计算机控制系统的抗干扰技术学习目标: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掌握计算机控制系统中抗干扰电源的设计方法2022/7/312第一节第一节 工业现场的干扰及其对系统的影响工业现场的干扰及其对系统的影响 电路或系统中出现的电路或系统中出现的非期望的电信号非期望的电信号是噪声是噪声噪声干扰是噪声对电路或系统噪声干扰是噪声对电路或系统产生的不良影响产生的不良影响,会造成计,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,会使测量信号产生误差,还可能导致系统的误动作因此,必必须研究测控系统的抗噪声干扰技术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:形成噪声干扰要具备三个要素:噪声源噪声源、对噪声敏感的、对噪声敏感的接接收电路收电路和噪声源到接收电路间的和噪声源到接收电路间的耦合通道耦合通道。

      由此也可得到抑制噪声干扰的三种方法:由此也可得到抑制噪声干扰的三种方法:降低噪声源的强降低噪声源的强度度、使接收电路对噪声不敏感使接收电路对噪声不敏感、抑制或切断噪声源与接收电路抑制或切断噪声源与接收电路间的耦合通道间的耦合通道一、噪声干扰的来源一、噪声干扰的来源1.外部干扰外部干扰 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,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、大型用电设备空中雷电,电网电压的波动、大型用电设备(如天车、电炉、如天车、电炉、大电机、电焊机等大电机、电焊机等)的启停、高压设备和电磁开关的电磁辐射,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传输电缆的共模干扰等2.内部干扰内部干扰 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。

      电磁场辐射感应、长线传输的波反射等yyyy/M/32022/7/31二、噪声干扰的传播途径二、噪声干扰的传播途径1.静电耦合(电容性耦合)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,如图所示容提供的电抗通道穿行,对系统形成干扰,如图所示yyyy/M/42022/7/312电磁耦合(电感性耦合)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的互感系数M M。

      yyyy/M/52022/7/313漏电流耦合(电阻性耦合)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引起的电阻耦合产生的干扰yyyy/M/62022/7/314共阻抗耦合共阻抗耦合 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经电源内阻RnRn和线路电阻和线路电阻RLRL,RnRn和和RLRL就成为各电路的公共阻抗每一个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/72022/7/312022/7/318三、噪声干扰的作用形式三、噪声干扰的作用形式1.串模干扰:串模干扰:串模干扰是指串模干扰是指迭加在被测信号上的干扰噪声迭加在被测信号上的干扰噪声,即干扰源,即干扰源串联在信号源回路中。

      串联在信号源回路中2022/7/3192.2.共模干扰:共模干扰:共模干扰是在电路输入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、同向干扰等也称为共态干扰、对地干扰、纵向干扰、同向干扰等2022/7/3110干扰干扰:是指有用信号以外的:是指有用信号以外的噪声噪声或造成计算机设备或造成计算机设备不能正常工作的不能正常工作的破坏因素破坏因素干扰影响系统的干扰影响系统的三个要素三个要素:干扰源干扰源、传播途径传播途径及及干干扰对象扰对象四、抑制干扰的基本原则四、抑制干扰的基本原则(1 1)尽可能消除干扰源;)尽可能消除干扰源;(2 2)切断干扰耦合通路;)切断干扰耦合通路;(3 3)增强系统自身的抗干扰能力;)增强系统自身的抗干扰能力;抗干扰的措施抗干扰的措施2022/7/3111一、串模干扰抑制方法一、串模干扰抑制方法 第二节第二节 过程通道的抗干扰技术过程通道的抗干扰技术 串模干扰是指叠加串模干扰是指叠加在被测信号上的干在被测信号上的干扰噪声被测信号指有用的被测信号指有用的直流信号或缓慢变直流信号或缓慢变化的交变信号化的交变信号干扰噪声指干扰噪声指无用无用的变化较快的杂的变化较快的杂乱交变信号乱交变信号2022/7/3112 采用硬件滤波器抑制串模干扰是一种常用的方法。

      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,可以选用具有选用具有低通、高通、带通等滤波器低通、高通、带通等滤波器1.1.采用滤波器采用滤波器:2022/7/3113 2.2.当当尖峰型串模干扰尖峰型串模干扰成为主要干扰源时,用成为主要干扰源时,用双积分式双积分式A AD D转转换器换器可以削弱串模干扰的影响可以削弱串模干扰的影响3.3.采用电流传送采用电流传送4.4.采用信号线屏蔽技术干扰比较强的工业现场,采用采用信号线屏蔽技术干扰比较强的工业现场,采用双绞双绞屏蔽线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势互相呈反向抵消双绞线节距对串模干扰的抑制效果双绞线节距对串模干扰的抑制效果yyyy/M/142022/7/3115二、共模干扰抑制方法二、共模干扰抑制方法 共模干扰是指模数共模干扰是指模数转换器两个输入端上转换器两个输入端上公有的干扰电压公有的干扰电压共模干扰示意图共模干扰示意图这种干扰可能这种干扰可能是直流电压,是直流电压,也可能是交流也可能是交流电压,其幅值电压,其幅值可达几伏甚至可达几伏甚至更高,取决于更高,取决于现场产生干扰现场产生干扰的环境条件和的环境条件和计算机等设备计算机等设备的的接地情况接地情况。

      2022/7/31161.1.采用采用变压器隔离变压器隔离 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,以使开来,以使共模干扰电压不成回路共模干扰电压不成回路,从而抑制共,从而抑制共模干扰2022/7/31172.2.采用采用光电隔离光电隔离 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,传给光敏三极管来极管在信号电压的控制下发光,传给光敏三极管来完成的容易实现,成本容易实现,成本低,体积小广低,体积小广泛的应用泛的应用2022/7/3118 光电耦合器的模拟信号隔离光电耦合器的模拟信号隔离(在传感器与在传感器与A/D之间之间)光电耦合器的模拟信号隔离光电耦合器的模拟信号隔离(在在D/A转换器与执行机构之间转换器与执行机构之间)yyyy/M/192022/7/31203.3.采用采用浮地屏蔽浮地屏蔽 利用屏蔽方法使输入信号的利用屏蔽方法使输入信号的“模拟地模拟地”浮空浮空,从而,从而达到抑制共模干扰的目的达到抑制共模干扰的目的4.4.采用具有采用具有高共模抑制比高共模抑制比的仪表放大器。

      的仪表放大器浮地输入双层屏蔽放大器浮地输入双层屏蔽放大器 2022/7/3121三、长线传输干扰的抑制三、长线传输干扰的抑制1.1.波阻抗的测量波阻抗的测量 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 A的输出的输出波形,调节传输线终端的可变电阻波形,调节传输线终端的可变电阻R R,当达到完全匹配时,即,当达到完全匹配时,即R=RPR=RP时,门时,门A A输出的波形不畸变,反射波完全消失,这时的输出的波形不畸变,反射波完全消失,这时的R R值就是该传输线的波阻值就是该传输线的波阻抗2022/7/312022/7/31222.2.终端匹配终端匹配最简单的终端匹配方法如图最简单的终端匹配方法如图(a)(a)所示,所示,如果传输线的波阻抗是如果传输线的波阻抗是RPRP,那么当,那么当R=RPR=RP时,便实现了终端匹配,消除时,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,只是时间上滞后形的形状相一致,只是时间上滞后由于并联由于并联R R后终端电阻变低,则使信后终端电阻变低,则使信号的高电平下降,从而降低了高电号的高电平下降,从而降低了高电平的抗干扰能力,但对信号的低电平的抗干扰能力,但对信号的低电平没有影响。

      平没有影响为了克服上述匹配方法的缺点,可采用图为了克服上述匹配方法的缺点,可采用图(b)(b)所示的终端匹配方法所示的终端匹配方法等效电阻等效电阻R R为:为:2022/7/312022/7/3123 适当调整适当调整R1R1和和R2R2的阻值,可使的阻值,可使R=RPR=RP这种匹配方法也能消除波反射,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=2RPR1=R2=2RP,此时等效电阻,此时等效电阻R=RPR=RP实践中,宁可使高电平降低得多一些,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,。

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