第6章 抗干扰技术

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（a）所示，也可能来自邻近 的导线（干扰线）如图（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。
（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，如图所示。这个Vc对放大器产生的干扰，称 为共模干扰。
第二节
一
硬件抗干扰技术
计算机控制系统的电源保护技术
1．计算机控制系统的一般保护措施
（1）采用交流稳压器 当电网电压波动范围较大时，应使用交流稳压器。这也 是目前最普遍采用的抑制电网电压波动的方案，保证220V AC 供电。 （2）采用电源滤波器 交流电源引线上的滤波器可以抑制输入端的瞬态干扰。 直流电源的输出也接入电容滤波器，以使输出电压的纹波限制 在一定范围内，并能抑制数字信号产生的脉冲干扰。
1.信号采用电流传送
2.采用双绞线传送抑制串模干扰
双绞线每一个小环路上感应的电势会互相抵消，可以使干扰 抑制比达到几十分贝。
3.采用屏蔽信号线
在精度要求高、干扰严重的场合，应当采用屏蔽信号线。
4.利用光导纤维克服电磁干扰的影响
对周围电磁干扰比较大的系统可以采用光导纤维进行传送。 用光导纤维传送数字脉冲，传输过程可以不受任何形式的电 磁干扰影响，而且光导纤维具有很高的绝缘强度，传输损耗 又极小。
2. 按干扰特性分类： 直流干扰：是指以直流电压或直流电流的形式出现，一 般由热电效应和电化学效应引起的干扰。 交流干扰：由交流电感应引起，因为过程通道往往处于 杂散电场和磁场分布较多的场所，当信号反馈线与 动力线在电缆槽中平行布线时，经耦合进入通道的 干扰尤为明显。
随机干扰：一般是瞬变的，为尖峰或脉冲形式，多由电 感负载的间断工作引起，如各种电源整流器和电动 工具的电火花都是这种干扰的来源。这种干扰的时 间短，幅度大，会给系统带来很大的危害。
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。
图6-10 数字量光电隔离
6.使用V/F转换器减少光耦数量
如图所示，当使用V/F转换器把模拟信号转换成频率信号 后，使用一个光电耦合器，就可以实现输入通道的隔离。 优点：简化电路，节省大量光电耦合器，降低系统成本。
使用V/F转换器的光电隔离技术
四．接地技术
(1)地线系统分析 什么是地线？ 地线有安全地和信号地两种。前者是为了保证人 身安全、设备安全而设置的地线，后者是为了保证电 路正确工作所设置的地线，造成电路干扰现象的主要 是信号地。在进行电磁兼容问题分析时，对地线使用 下面的定义：“地线是信号电流流回信号源的地阻抗 路径。”
第六章
计算机控制系统抗干 扰技术
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第一节 干扰的来源于种类
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。
与干扰相关的几个概念：
干扰系统的三个要素：干扰源、传播途径及干扰对象。 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。
干扰源： 产生干扰信号的原因 干扰对象： 干扰源通过传播途径影响的器件或系统 抗干扰技术就是通过对这三要素中的一个或多个采取必要措 施来实现的。 抗干扰的措施：硬件措施，软件措施，软硬结合的措施
UPS电源按其操作方式可分为后备式和在线式的UPS电
源。
① 后备式UPS电源的原理图如图所示。
② 在线式UPS电源的原理图如图所示。
3.直流电源系统的抗干扰措施
（1）采用直流开关电源
直流开关电源是一种脉宽调制型电源，由于脉冲频率高 达20 kHz，甩掉了传统的工频变压器，具有体积小、重量 轻、效率高（>90%）、电网电压范围大［（-20%～10%） ×220 V］、电 网电压变化时不会输出过电压或欠电压、 输出电压保持时间长等优点。
（2）采用DC-DC变换器
如果系统供电电网波动较大，或者对直流电源的精度要 求较高，可以采用DC-DC变换器。
（3）每块电路板的直流电源
当一台微机测控系统有几块逻辑电路板时，可以采取以下措 施: ①用短线向印刷线路板并行供电，而且印刷线路板里的电源 线采用格子形状或多层板，即做成网眼结构以降低线路的 阻抗。 ②在每块板的电源和地线的引入处附近并接一个10～100μ F 的大电容和一个0.01～ 0.1 F的瓷片电容。 ③每块板上装一个或几个稳压块，使每块板形成独立的供电 环境，不会因为某个稳压块出现故障而使整个系统遭到破 坏。
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。
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。
（2）共模干扰 共模干扰是测控系统模拟量输入通道的A/D 转换器两个输 入端上共有的干扰电压。共模干扰也称为共态干扰或纵向 干扰。
产生共模干扰的原因：系统（或信号放大器）的地与现 场信号源的地一般相隔一段距离，在两个接地点之间往往 存在一个电位差Vc，该电位差是系统信号输入端上共有的 干扰电压，会对系统产生共模干扰。
（5）分类供电方式 把空调、照明、动力设备分为一类供电方式，把计算 机及其外设分为一类供电方式，以避免强电设备工作时对计 算机系统的干扰。
2．电源异常的保护措施
（1）采用静止式备用交流电源 当交流电网出现故障时，利用备用交流电源能够及时供 电，保证系统安全可靠地运行。 （2）采用不间断电源UPS 不间断电源UPS的基本结构分为两大类：一部分是将交 流市电变为直流电的整流/充电装置，另一部分是把直流电再 度转变为交流电的PWM逆变器。
（3）电源变压器采取屏蔽措施 利用几毫米厚的高导磁材料将变压器严密的屏蔽起来， 以减小漏磁通的影响。
（4）采用分布式独立供电 整个系统不是统一变压、滤波、稳压后供各单元电 路使用，而是变压后直接送给各单元电路的整流、滤波、 稳压。这样可以有效地消除各单元电路间的电源线、地 线间的耦合干扰，又提高了供电质量，增大了散热面积。
二
干扰的来源
干扰的来源主要有内部干扰和外部干扰。
外部干扰与系统结构无关，是由使用条件和外 部环境因素决定的。 主要有：天电干扰，如雷电或大气电离作用引起 的干扰电波；天体干扰，如太阳辐射的电磁波； 周围电气设备发出的电磁波的干扰；电源的工频 干扰；气象条件引起的干扰；地磁场干扰；火化 放电、弧光放电、辉光放电等产生的电磁波等。 内部干扰 内部干扰是由系统的结构布局、线路设计、元器件 性质变化和漂移等原因造成的 主要有：分布电容、分布电感引起的耦合感应，电 磁场辐射感应，长线传输的波反射，多点接地造成 的电位差引入的干扰，寄生振荡引起的干扰以及热 噪声、闪变噪声、尖峰噪声等。
外部干扰
干扰
三 干扰的分类
1.按干扰作用的方式分类 （1）常态干扰 是指叠加在被测信号上的干扰噪声，它串联在信号源回路 中，与被测信号相加输入系统。 常态干扰可能是信号源 的一部分，也可能是由长线引入的。由于它和信号所处地 位相同，因此又称为串模干扰，也叫正态干扰。 产生差模干扰的原因：分布电容的电场耦合，空间的磁 场耦合，长线传输的互感，50Hz工频干扰，以及信号回路 中元件参数变化等 差模干扰示意图
一
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。
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。
（4）集成电路块的VCC加旁路电容
二
输入/输出传输线的抗干扰措施
信号采用电流传送是抗干扰的基本措施。干扰信号主要是通 过输入线侵入微机测控系统的，尤其是当变送器远离微处理 器时，长距离的传输线十分容易接受干扰。这些干扰包括共 模干扰和电磁感应电压，在多对数的电缆中还会相互干扰。 用电流方式传送信号，负载串联在变送器内部的电路中，在 传输线上形成一个来回，电磁场相互抵消，共模电压和电磁 感应电压很难产生，可以大大提高信息在传送中的信噪比。
6.信号线的敷设
选择了合适的信号线，还必须合理地进行敷设。否则，不仅达 不到抗干扰的效果，反而会引进干扰。信号线的敷设要注意 以下事项: （1）要绝对避免信号线与电源线合用同一股电缆。 （2）屏蔽信号线的屏蔽层要一端接地，同时要避免多点接地。 （3）信号线的敷设要尽量远离干扰源，如避免敷设在大容量变 压器、电动机等电器设备的附近。如果有条件，将信号线单 独穿管配线，在电缆沟内从上到下依次架设信号电缆、直流 电源电缆、交流低压电缆、交流高压电缆。 （4）信号电缆与电源电缆必须分开，并尽量避免平行敷设。如 果现场条件有限，信号电缆与电源电缆不得不敷设在一起时， 则应满足以下条件: ①电缆沟内要设置隔板，且使隔板与大地连接. ②电缆沟内用电缆架或在沟底自由敷设时，信号电缆与电源电 缆间距一般应在15 cm以上。如果电源电缆无屏蔽，交流电压 220 V、电流10 A 时，两者间距应在60 m以上。 ③电源电缆使用屏蔽罩。
5.长线传输干扰的抑制
在计算机系统中，1 m左右的传输线就要算作长线了。长线 传输除了会受到外界干扰和引起信号延迟外，还可能产生波 反射。如果传输线的终端阻抗和传输线的波阻抗不匹配，入 射波达到终端时会引起反射，反射波达到始端后，如果和始 端阻抗不匹配，又会引起新的反射。如此反复，在信号中引 进许多干扰。
2.差动方式传输和接收
利用差动方式传输和接收信号，是抑制共模噪声的一个主 要方法。由于差动放大器只对图6-7所示的差动信号u1 u2 起放大作用，而对共模电压ucm不起放大作用，因此能够 抑制共模噪声的影响，差动放大器具有良好的抑制共模噪 声的能力。
信号传输中的串模和共模噪声
3.采用浮地输入双层屏蔽放大器抑制共模干扰 如图所示，这种方法是利用屏蔽技术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抑制共模干扰
4.利用线性光电耦合器隔离模拟信号
利用线性光电耦合器隔离模拟信号如图所示，但是要使信 号落在线性光电耦合器的线性区内，而且即使是线性区， 也还存在非线性失真，需要进行非线性校正。
利用线性光电耦合器隔离模拟信号
5.脉冲信号、数字量、开关量信号采用光电隔离
图中，A/D转换器输出的数字量通过光电耦合器施加到单 片机的I/O接口上，使主机和输入通道实现了隔离;同样， 单片机输出的数字量通过光电耦合器施加到D/A转换器的 数字量输入端，使主机和输出通道又实现了隔离。这样就 组成了所谓全浮空系统。
三 I/O接口的抗干扰措施
I/O接口的抗干扰措施对系统的影响十分重要，通常采取下 列措施。 1.对信号加硬件滤波器 将信号加到输入通道之前，可先用硬件低通滤波器滤除交 流干扰。在微机测控系统中，常用的低通滤波器有 RC滤 波器、LC滤波器、双T滤波器及有源滤波器，它们的原理 图如图所示。
图6-6 常用滤波器原理图
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。
（1）串模干扰是指串联于信号回路之中的干扰。其表现形 式如图所示。