第7章计算机控制系统的可靠性与抗干扰技术共81页

7.2 计算机控制系统的硬件抗干扰技术
表7-1 双绞线的节距与噪声衰减率
导线
节 距 / c
噪声 衰 减 率
m
抑制噪 声效 果
/dB
空气中
平
行 — 1:1
0
导
线
双绞线 10 14:1 23
双绞线 7.5 71:1 37
7.2 计算机控制系统的硬件抗干扰技术
在数字信号的长线传输中，除了对双绞线的接地与 节距有一定要求外，根据传送的距离不同，双绞线使用方 法也不同。图7-10所示为传送的距离不同时，双绞线的不 同使用方法。
计算机控制技术
第7章 计算机控制系统的 可靠性与抗干扰技术
范立南 李雪飞 编著
机械工业出版社
第7章 计算机控制系统的 可靠性与抗干扰技术
7.1 可靠性与抗干扰技术概述 7.2 计算机控制系统的硬件抗干扰技术 7.3 计算机控制系统的接地和电源保护技术 7.4 计算机控制系统的软件抗干扰技术
图7-15 降低输入电阻的反射波抑制方法
7.2 计算机控制系统的硬件抗干扰技术
5．光电耦合器 如图7-16所示，该方法除了有效抑制反射波干扰外，还
有效地实现了信号的隔离。
图7-16 光电耦合器的反射波抑制方法
7.1 可靠性与抗干扰技术概述
（1）串模干扰是指串联于信号回路之中的干扰。其表现形 式如图7-2所示。
图7-2 串模干扰示意图
7.1 可靠性与抗干扰技术概述
其中Vs为信号源，Vn为叠加在Vs上的串联干扰信号。 干扰可能来自信号源内部如图7-2（a）所示，也可能来自 邻近的导线（干扰线）如图7-2（b）所示，如果邻近的导 线（干扰线）中有交变电流Ia流过，那么由Ia产生的电磁 干扰信号就会通过分布电容C1和C2的耦合，引入A/D转换 器的输入端。
7.1 可靠性与抗干扰技术概述
7.1.2 干扰的耦合方式
耦合是指电路与电路之间的电的联系，即一个电路的电 压或电流通过耦合，使得另一个电路产生相应的电压或电流。 耦合起着电磁能量从一个电路传输到另一个电路的作用。
干扰的耦合方式主要有以下几种形式。
1．直接耦合方式 直接耦合又称为传导耦合，是干扰信号经过导线直接传
7.1 可靠性与抗干扰技术概述
6．漏电耦合方式 漏电耦合是电阻性耦合方式。当相邻的元件或导线间
的绝缘电阻降低时，有些电信号便通过这个降低了的绝缘 电阻耦合到逻辑元件的输入端而形成干扰。
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7.2.1 过程通道干扰的抑制
1．光电隔离 光电隔离是由光电耦合器来完成的。光电耦合器的结
7.1 可靠性与抗干扰技术概述
7.1.1 干扰窜入计算机控制系统的主要途径
干扰窜入计算机控制系统的主要途径如图7-1所示。
（1）空间感应；（2）过程通道窜入的干扰；（3）电源系统窜入的干扰 （4）地电位波动窜入的干扰；（5）反射波干扰。
图7-1 干扰窜入单片机系统主要途径示意图
7.1 可靠性与抗干扰技术概述
7.2 计算机控制系统的硬件抗干扰技术
2．阻抗匹配的方法 阻抗匹配的方法一般分为4种，即始端串联阻抗匹配、
终端并联阻抗匹配、终端并联隔直阻抗匹配和终端钳位二 极管匹配。
（1）始端串联阻抗匹配 如图7-13（a）所示。如果传输线的波阻抗是Rp，则当
R=Rp时，便实现了始端串联阻抗匹配，基本上消除了波反射。 考虑到门A输出低电平时的输出阻抗Rsc，一般选择始端匹配 电阻R为R=Rp-Rsc。
这种匹配方法会使终端的低电平抬高，相当于增加了输 出阻抗，降低了低电平的抗干扰能力。
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（2）终端并联阻抗匹配
如图7-13（b）所示。按式（7-1）选取等效电阻R
R R1R2
（7-1）
R1 R2
适当调整R1和R2的阻值，可使R=Rp。为了同时兼
顾高电平和低电平两种情况，可选取R1=R2=2Rp。
7.2 计算机控制系统的硬件抗干扰技术
对于一般的交流信号，可以用普通变压器实现隔离。 图7-9表明了一个由CMOS集成电路完成的电平检测电路。
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4．采用双绞线作信号线
使双绞线中一根用作屏蔽线，另一根用作信号传输线，这 样可以抑制电磁感应干扰。在使用过程中，把信号输出线和返 回线两根导线拧和，其扭绞节距与该导线的线径有关。线径越 细，节距越短，抑制感应噪声的效果越明显。实际上，节距越 短，所用的导线长度就越长，从而增加了导线的成本。一般节 距以5cm左右为宜。表7-1列出了双绞线节距与噪声衰减率的关 系。
图7-7 继电器隔离
7.2 计算机控制系统的硬件抗干扰技术
3．变压器隔离 脉冲变压器可实现数字信号的隔离。图7-8所示电路
外部的输入信号经RC滤波电路和双向稳压管抑制常模噪 声干扰，然后输入脉冲变压器的一次侧。为了防止过高的 对称信号击穿电路元件，脉冲变压器的二次侧输出电压被 稳压管限幅后进入计算机控制系统内部。
7.2 计算机控制系统的硬件抗干扰技术
为了增强其抗干扰能力，可以将双绞线与光电耦合 器联合使用，如图7-11所示。
7.2 计算机控制系统的硬件抗干扰技术
7.2.2 反射波干扰的抑制
影响反射波干扰的因素有两个：其一是信号频率，传输 信号频率越高，越容易产生反射波干扰，因此在满足系统功能 的前提下，尽量降低传输信号的频率；其二是传输线的阻抗， 合理配置传输线的阻抗，可以抑制反射波干扰或大大削弱反射 次数。
这种匹配方法由于终端阻值低，相当于加重负载，使
高电平有所下降，故高电平的抗干扰能力有所下降。
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（3）终端并联隔直阻抗匹配 如图7-13（c）所示。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。
导到被干扰电路中而造成对电路的干扰。它是干扰源与敏感设 备之间的主要干扰耦合途径之一。
7.1 可靠性与抗干扰技术概述
2．公共阻抗耦合方式 公共阻抗耦合是当电路的电流流经一个公共阻抗时，
一个电路的电流在该公共阻抗上形成的电压就会对另一个 电路产生影响。公共阻抗耦合是噪声源和信号源具有公共 阻抗时的传导耦合。
3．电容耦合方式 电容耦合又称静电耦合或电场耦合，是指电位变化在干
扰源与干扰对象之间引起的静电感应。计算机控制系统电路 的元件之间、导线之间、导线与元件之间都存在着分布电容， 如果一个导体上的信号电压（或噪声电压）通过分布电容使 其他导体上的电位受到影响，这样的现象就称为电容性耦合。
7.1 可靠性与抗干扰技术概述
4．地电位波动的干扰 计算机控制系统分散的很广，地线与地线之间存在一
定的电位差。计算机交流供电电源的地电位很不稳定。在 交流地上任意两点之间，往往很容易就有几伏至十几伏的 电位差存在。
7.1 可靠性与抗干扰技术概述
5．反射波的干扰 电信号（电流、电压）在沿导线传输过程中，由于分
布电容、电感和电阻的存在，导线上各点的电信号并不能 马上建立，而是有一定的滞后，离起点越远，电压波和电 流波到达的时间越晚。这样，电波在线路上以一定的速度 传播开来，从而形成行波。如果传输线的终端阻抗与传输 线的波阻抗不匹配，那么当入射波到达终端时，便会引起 反射。同样，反射波到达传输线始端时，如果始端阻抗也 不匹配，也会引起新的反射。这种信号的多次反射现象， 使信号波形严重地畸变，并且引起干扰脉冲。
7.2 计算机控制系统的硬件抗干扰技术
在传输线较长、现场干扰十分强烈时，通过光电耦合 器将长线完全“浮置”起来，如图7-6所示。
图7-6 长线传输光电耦合浮置处理
7.2 计算机控制系统的硬件抗干扰技术
2．继电器隔离 继电器的线圈和触点之间没有电气上的联系，因此，
可利用继电器的线圈接受电气信号，从而避免强电和弱电 信号之间的直接接触，实现了抗干扰隔离，常用于开关量 输出，以驱动执行机构，如图7-7所示。
其中Vs为信号源，Vc为共模电压。这种干扰可以是直 流电压，也可以是交流电压，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。
3．电源系统的干扰 控制用计算机一般由交流电网供电（220V AC，
50Hz），电压不稳、频率波动、突然掉电事故难免发生， 这些都会直接影响计算机系统的可靠性与稳定性。
（4）终端钳位二极管匹配 如图7-13（d）所示。利用二极管D把B门输入端低电平
钳位在0.3V以下，可以减少波的反射和振荡，提高动态抗干 扰能力。
7.2 计算机控制系统的硬件抗干扰技术
图7-13 传输线的阻抗匹配法
7.2 计算机控制系统的硬件抗干扰技术
3．输入/输出驱动法
如图7-14所示，当A点为低电平时，电压波从B向A传输。 由于此时驱动器SN7406的输出呈现近于零的低阻抗，反射信号 一到达该门的输出端就有相当部分被吸收掉，只剩下很少部分 继续反射。这就是说，由于反射信号遇到的是低阻抗，它的衰 减速度很快，反射能力大大地减弱了。当A点为高电平时，发送 器T1的输出端对地阻抗很大，可视为开路。为了降低接收器T2 的输入阻抗，接入一个负载电阻R＝1kΩ，这样大大削弱了反射 波的干扰。
1．空间感应的干扰 空间感应的干扰主要来源于电磁场在空间的传播。例
如，输电线和电气设备发出的电磁场，空中雷电等放电现 象。
2．过程通道的干扰 过程通道的干扰常常沿着过程通道进入计算机，主要原
因是过程通道与主机之间存在公共地线，要设法削弱和斩断 这些来自公共地线的干扰，以提高过程通道的抗干扰能力。 过程通道的干扰按照其作用方式，一般分为串模干扰和共模 干扰。
7.2 计算机控制系统的硬件抗干扰技术
1．传输线的特性阻抗Rp的测定 根据反射理论，当传输线的特性阻抗Rp与负载电阻R
相等（匹配）时，将不发生反射。特性阻抗的测定方法如 图7-12所示。调节可变电阻R，当R=Rp时，A门的输出波 形畸变最小，反射波几乎消失，这时的R值可以认为该传 输线的特性阻抗Rp。
4．电磁感应耦合方式 电磁感应耦合又称磁场耦合。在任何载流导体周围空
间中都会产生磁场。若磁场是交变的，则对其周围闭合电 路产生感应电势。
5．辐射耦合方式 当高频电流流过导体时，在该导体周围便产生电力线和磁
力线，并发生高频变化，从而形成一种在空间传播的电磁波。 处于电磁波中的导体便会感应出相应频率的电动势。电磁场辐 射干扰是一种无规则的干扰，这种干扰很容易通过电源线传到 系统中去。当信号传输线（输入线、输出线、控制线）较长时， 它们能辐射干扰波和接受干扰波，称为天线效应。
7.2 计算机控制系统的硬件抗干扰技术
图7-14 应用双驱动器的反射波抑制方法
7.2 计算机控制系统的硬件抗干扰技术
4．降低输入阻抗法 如图7-15所示，当驱动器输出低电平时，A点对地阻抗
很低；当驱动器输出高电平时，B点对地阻抗快衰减。
7.1 可靠性与抗干扰技术概述
（2）计算机控制系统中，被控对象往往比较分散，一般都 有很长的引线将现场信号源、信号放大器、主机等连接起 来。引线长在几十米以至几百米，两地之间往往存在着一 个电位差Vc，如图7-3所示。这个Vc对放大器产生的干扰， 称为共模干扰。
图7-3 共模干扰示意图
7.1 可靠性与抗干扰技术概述
构如图7-4所示。
图7-4 光电耦合器结构
7.2 计算机控制系统的硬件抗干扰技术
采用光电耦合器可以切断主机与过程通道以及其他主 机部分电路的电联系，能有效地防止干扰从过程通道串入 主机，如图7-5所示。
图7-5 光电隔离基本配置
7.2 计算机控制系统的硬件抗干扰技术
光电耦合器能够抑制干扰信号，主要是因为它具有以 下几个特点： ① 以光为媒介传输信号的，其输入和输出在电气上是隔离的。 ② 光电耦合部分是在一个密封的管壳内进行的，因而不会受 到外界光的干扰。 ③ 光电耦合器的输入阻抗很低，而干扰源内阻一般都很大, 传 送到光电耦合器输入端的干扰电压就变得很小了。 ④ 一般干扰噪声源的内阻很大，可供出的能量很小，只能形 成很微弱的电流。由于没有足够的能量，也不能使二极管发光， 显然，干扰就被抑制掉了。 ⑤ 输入回路与输出回路之间分布电容极小，而且绝缘电阻很 大，因此，在回路中，一端的干扰很难通过光电耦合器馈送到 另一端去。