02-4 计控系统抗干扰技术

导线1
导线2
R1 I1
Un
R3
M
U1
R2
图 8-4 导线之间的磁场耦合
3．公共阻抗耦合
1）公共阻抗耦合发生在两个电路的电流流 经一个公共阻抗时，一个电路在该阻抗上 的电压降会影响到另一个电路，从而产生 干扰噪声的影响。 2）图8-5给出一个公共电源线的阻抗耦合 示意图。

R3
R1
i2 A2 A1
引至计算机控制系统的输入端。
I a 干扰线
Un 计算机控制系统 C1
Us
Us
C2
计算机控制系统
( a ) 表现形式 图 8 - 6 串模干 扰
( b) 产生原因
对串模干扰的抑制较为困难，因为干扰Un直 接与信号Us串联。目前常采用双绞线与滤波器两 种措施。
1．双绞线做信号引线 双绞线是由两根互相绝缘的导线扭绞缠绕组成， 为了增强抗干扰能力，可在双绞线的外面加金 属编织物或护套形成屏蔽双绞线。
2．磁场耦合
1）空间的磁场耦合是通过导体间的互感耦合进来的。 2）在任何载流导体周围空间中都会产生磁场，而交
变磁场则对其周围闭合电路产生感应电势。 3）如设备内部的线圈或变压器的漏磁会引起干扰， 还有普通的两根导线平行架设时，也会产生磁场干扰， 如图8- 4所示。
如果导线1为承载着10A、220V的交流输电线， 导线2为与之相距1米并平行走线10米的信号线，两 线之间的互感M会使信号线上感应到的干扰电压Un 高达几十毫伏。如果导线2是连接热电偶的信号线， 那么这几十毫伏的干扰噪声足以淹没热电偶传感器 的有用信号。
i1
R4
R2
图 8-5 公共电源线的阻抗耦合
在一块印制电路板上，运算放大器A1和A2是两个独 立的回路，但都接入一个公共电源，电源回流线的等效 电阻R1、R2是两个回路的公共阻抗。当回路电流i1变化 时，在R1和R2上产生的电压降变化就会影响到另一个回 路电流i2。反之，也如此。
2.2 硬件抗干扰措施

表2－1 双绞线不同节距对串模干扰的不同抑制效果
节距(mm) 100 75 50 25 平行线 干扰衰减比 14:1 71:1 112:1 141:1 1:1 屏蔽效果 23dB 37dB 41dB 43dB 0dB

2．根据干扰类型滤波电路 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。
数字地 （b） 在D/A转换器与执行器之间
模拟地
3）浮地屏蔽
浮地屏蔽是利用屏蔽层使输入信号的“模 拟地”浮空，使共模输入阻抗大为提高，共模 电压在输入回路中引起的共模电流大为减少， 从而抑制了共模干扰，图8-13给出了一种浮地 输入双层屏蔽放大电路。
外屏蔽层 内屏蔽层 信号源 Us 屏蔽层 A 计 算 机 Us Z s1 Z s2 Z s3 Ucm (a) 原理框图 图8-13 浮地输入双层屏蔽放大电路 Ucm (b) 等效电路 I1 I2 I3 Z c2 Z c1 Z c3 计 算 机

（1）信号线类型的选择 在精度要求高、干扰严重的场合，应当采用屏蔽 信号线。下表列出几种常用的屏蔽信号线的结构 类型及其对干扰的抑制效果。
屏蔽结构 铜网（密度 85%） 铜带迭卷（密 度90%） 铝聚酯树脂带 迭卷 干扰衰减 屏蔽效果 （dB） 比 103：1 376：1 6610：1 40.3 51.5 76.4 备注 电缆的可挠性好， 适合近距离使用 带有焊药，易接 地，通用性好 应使用电缆沟， 抗干扰效果最好
双绞线 A RP R (a) EC R1 双绞线 A RP R2 (b) 图 8-15 终端阻抗匹配 B B
1）图a终端阻抗匹配 适当调整R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。 2）图b终端阻抗匹配
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 平降低得稍多一些，而让低电平抬高得少一些，可通 过适当选取电阻R1和R2，并使R1＞R2来达到此目的， 等效电阻R=RP。
3）图8-3给出两根平行导线之间静电耦合的
示意电路，Cl2 是两个导线之间的分布电容， C1g、C2g是导线对地的电容，R是导线2对地 电阻。如果导线1上有信号U1存在，那么它 就会成为导线2的干扰源，在导线2上产生干 扰电压Un 。显然，干扰电压Un与干扰源U1、 分布电容Cl2、C2g的大小有关。
（2）信号线粗细的选择 从信号线价格、强度及施工方便等因素出发， mm 2 信号线的截面积在2 以下为宜，一般采用 2 2 mm mm 1.5 和1.0 两种。采用多股线电缆较好， 其优点是可挠性好，适宜于电缆沟有拐角和 狭窄的地方。

2．信号线的铺设 信号线的铺设要注意以下事项： （1）模拟信号线与数字信号线不能合用同 一根电缆，要绝对避免信号线与电源线合用 同一根电缆。 （2）屏蔽信号线的屏蔽层要一端接地，同 时要避免多点接地。
大器两个输入端上共有的干扰电压。
信号源 Vs
Zr
A
Vc
共模干扰示意图 (a)


2.共模干扰的产生原因：
一般都用较长的信号导线把现场的传感器或执行器引入计算机系
统的输入或输出通道中，这类传输线通常长达几十米以至上百米， 这样，现场信号的参考接地点与计算机系统输入或输出通道的参
考接地点之间存在一个电位差Ucm。这个Ucm是加在放大器输入端
Us 放大器 双绞线 U s1 调制器 B 解调器 U s2 A/D 计算机
模拟地 数字地 要注意的是，隔离前和隔离后应分别采用两组互相独立的电 图 8-10 变压器隔离 源，以切断两部分的地线联系。
+5V
+5V
2）光电隔离
D0 D0 D1 A/D D2 D3 转换器 D4 D5 D6 D7 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 CPU
引言 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.4 2.2.5

串模干扰的抑制 共模干扰的抑制 长线传输干扰的抑制 电源系统的抗干扰 接地系统的抗干扰
引言
了解了干扰的来源，我们就可以采取相 应的抗干扰措施。主要根据干扰的三种主要 作用方式——串模、共模及பைடு நூலகம்线传输干扰来 分别采取相应的抗干扰措施。
C2 R1 C1 R2 C2 计控 系统 R1 R2 + A Ui C1 R4 R3 (a) 无源阻容滤波器 图 8-8 滤波电路 (b) 有 源 滤 波器 U0 计控 系统
+
Us
屏蔽层
2.2.2 对共模干扰的抑制

1、共模干扰（也称纵向干扰或共态干扰）
共模干扰是指计算机控制系统输入通道中信号放
3．始端阻抗匹配


在传输线始端串入电阻R，如图8-16所示，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。 其中，RSC为门A输出低电平时的输出阻抗。
R A
双绞线 B RP
图 8-16 始端阻抗匹配
补充：信号线的选择与铺设
在计算机控制系统中，信号线的选择与铺 设也是个不容忽视的问题。如果能合理地选 择信号线，并在实际施工中又能正确地铺设 信号线，那么可以抑制干扰。 1．信号线的选择 对信号线的选择，一般应从抗干扰和经济实 用这两个方面考虑，而抗干扰能力则应放在 首位。不同的使用现场，干扰情况不同，应 选择不同的信号线。
2.2.3 长线传输干扰及其抑制
1.长线干扰产生原因 易受到外界干扰 具有信号延时 会引起波反射现象 2.消除波反射或将它抑制到最低限度 终端阻抗匹配或始端阻抗匹配

1．波阻抗的测量

为了进行阻抗匹配，必须事先知道信号传输线的 波阻抗RP，波阻抗RP的测量如图8-14所示。
双绞线 信号 A RP 示波器 R
2.1 计算机控制系统过程通道的抗 干扰技术
干扰－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的总称。 一、干扰来源及种类 1、外部干扰：由控制系统的外部环境因素决定。 如： 1）天电干扰，如雷电或大气电离作用以及其他气象引 起的干扰电波； 2）电气设备的干扰，如动力机械、高频炉、电焊机等 都会产生的电磁干扰； 3）开关、电流断路器、过载继电器等具有瞬变过程的 设备也会产生较大的干扰；
2.2.1串模干扰的抑制

1、串模干扰(又称横向干扰或正态干扰)
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。
Vn
Vs
A
放大器
串模干扰示意图
2.串模干扰的产生原因
Us为信号源，Un为串模干扰电压，邻近导线 (干扰线)有交变电流Ia流过，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，
上共有的干扰电压，故称共模干扰电压。


3.共模干扰的抑制措施：
共模干扰电压的抑制应当是有效的隔离两个地之间的电联系。具 体有变压器隔离、光电隔离与浮地屏蔽等三种措施。
1）变压器隔离
利用变压器把现场信号源的地与计算机的地隔离开 来，也就是把“模拟地”与“数字地”断开。被测信号 通过变压器耦合获得通路，而共模干扰电压由于不形成 回路而得到有效的抑制。
信号线和电力 线之间的最少 间距（cm）
12 18 24
二、干扰的传播途径
干扰传播的途径主要有三种：静电耦合，磁场 耦合，公共阻抗耦合。 1．静电耦合
导线1 C12 C2g 导线2 Un
C1g
U1
R
图 8-3 导线之间的静电耦合
1）静电耦合是电场通过电容耦合途径窜入
其它线路。
2）两根并排的导线之间就会构成分布电容，
如印制线路板上印制线路之间、变压器绕线 之间都会构成分布电容。

高压电缆
闪电 微机控制系统
雷达、电台 等天线发射
地电位波动
引入噪声
电机、电焊机 等大用电设备
交流动力线 图 8-1 外部干扰环境
2、内部干扰：由系统结构、制造工 艺决定。

如： 1）分布电容、分布电感引起的耦合感应，电磁场 辐射感应； 2）长线传输造成的波反射； 3）多点接地造成的电位差引入的干扰； 4）装置及设备中各种寄生振荡引入的干扰以及热 噪声、闪变噪声、尖峰噪声等引入的干扰；
1)双绞线的抗干扰作用 因为外界电磁场会在双绞线相邻的小环路 上形成相反方向的感应电势，从而互相抵 消减弱干扰作用。 双绞线相邻的扭绞处之间为双绞线的节距， 双绞线不同节距会对串模干扰起到不同的 的抑制效果，见表2-1。 双绞线用来传输模拟信号和数字信号，用 于点对点连接和多点连接应用场合，数据 传输速率可达2Mbps。
第二章 计算机控制系统的 抗干扰与可靠性技术部分
Anti-Disturbing and Reliability Techniques of Computer Control Systems


1、干扰的来源与传播途径。 2、硬件抗干扰措施。
计算机控制系统的被控变量分布在生 产现场的各个角落，因而计算机是处于干 扰频繁的恶劣环境中。 干扰是有用信号以外的噪声，这些干 扰会影响系统的测控精度，降低系统的可 靠性，甚至会导致系统的运行混乱，造成 生产事故。 因为干扰是客观存在的，所以我们必 须研究干扰，以采取相应的抗干扰措施。
（3）信号线的铺设要尽量远离干扰源。 如避免铺设在大容量变压器、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。

电力线容量 电压（V） 125 250 440 电流（A） 10 50 200
图 8-14 传输线波阻抗的测量

图中的信号传输线为双绞线，在传输线始 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，当门A输出的波形不畸变时，即是 传输线的波阻抗与终端阻抗完全匹配，反 射波完全消失，这时的R值就是该传输线的 波阻抗，即RP＝R。
2．终端阻抗匹配
(a)在A/D转换器与CPU之间
+5V
+5V
D0 CPU D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D1 D/A D2 D3 转换器 D4 D5 D6 D7
(b)在CPU与D/A转换器之间
VCC
Us 传 感 器 放大器 双绞线 A/D 计算机
模拟地 （a） 在传感器与A/D转换器之间
数字地
VCC 双绞线 计算机 D/A 放大器 执 行 器 RL