第七章 计算机控制系统的抗干扰技术 (1)

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1. 终端并联阻抗匹配(P167)
R阻值的确定；优点；缺点
2. 始端串联阻抗匹配(P168)
R阻值的确定；优点；缺点
3. 终端并联隔直流匹配(P168)
R阻值的确定；优点；缺点
4. 终端接钳位二极管匹配(P168)
优点
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(2) 系统结构设计；
(3) 安装与调试。
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外部干扰有电网的波动、大型用电设备的起 停、电磁辐射，一些大功率的用电设备以及电力 设备，甚至空间条件可能成为干扰源等。外部干 扰的主要因素为： (1) 外部电气条件：如电源电压的稳定性、强 电场与磁场等；
(2) 外部空间条件：如温度、湿度、空气清洁 度等； (3) 外部机械条件：如振动、冲击等。
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屏蔽信号线需注意的事项(P166)。
2. 双绞线不同的使用方法(图7.10)
(1) 传送距离小于5m，收发端装负载电阻 (2) 传送距离超过10m或经过噪声严重污染的区域 时，可使用平衡输出的驱动器和平衡输入的接收器， 发收端有末端电阻。
3. 双绞线与光耦联合使用(图7.11)
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7.2.2 共模干扰的抑制
采用双端输入的差分放大器作为仪表输入通 道的前置放大器，是抑制共模干扰的有效方法。
另外可以利用变压器或光耦把各种模拟负载 与数字信号隔离开来，即把“模拟地”与“数字 地”断开，被测信号通过变压器耦合或光电耦合 获得通路，而共模干扰由于不成回路而被有效的 抑制。
7.2.5 长线的电流传输
长线传输时，用电流代替电压传输，可获得较
好的抗干扰能力。
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7.3 软件抗干扰技术
第十七讲
经常采用的软件抗干扰技术是数字滤波技术、 开关量的软件抗干扰技术、指令冗余技术、软件 陷阱技术等。
7.3.1Leabharlann Baidu软件出错对系统的危害
1. 数据采集不可靠
(2) 当尖峰型串模干扰成为主要干扰源，系统对采样速 率要求不高时，采用双积分式A/D转换器可以削弱周期 性的串模干扰。 (3) 通过提高阈值电平抑制低噪声的干扰。
(4) 高速逻辑器件抑制低频干扰；低速逻辑器件或人为 附加电容抑制高频干扰(脉冲干扰)。 (5) 若串模干扰的频率与被测信号频率相近时，信号线 应选用带屏蔽的双绞线或电缆线，并应有良好的接地系 统；或在软件中使用数字滤波。 (6) 对于主要来自电磁感性的串模干扰，应尽可能早地 对被测信号进行前置放大，以提高回路中信号噪声比， 或尽可能早地完成A/D转换或采用隔离和屏蔽等措施。
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7.2.4 阻抗匹配
为了防止静电干扰和反射波干扰，采用终端 阻抗匹配或始端阻抗匹配，或者通过TTL芯片缓 冲器与长线连接。 阻抗匹配：负载阻抗与激励源内部阻抗互相 匹配，得到最大功率输出的一种工作状态。 为了阻抗匹配，必须事先知道传输线的特征 阻抗(波阻抗)Rp。
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工程实践中常采用二级RC低通滤波器，其原 理图如下：
图7.3 RC双级网络示意图
该滤波器的时间常数要小于200ms，可使50Hz的串 模干扰信号衰减600倍左右。当被测信号变化较快 时，应相应改变网络参数，适当减小时间常数。
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1.变压器隔离
图7.4 变压器隔离
变压器把模拟信号与数字信号电路隔离开，抑制 共模干扰。隔离前和隔离后应采用两组相互独立的电 源，切断两部分的地线联系。 脉冲变压器隔离法在微机测控系统中应用较广。
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2. 光电隔离
图7.5 光耦合器隔离
在光耦的I/O部分必须分别采用独立的电源。 应注意光耦的位置设置(P164) 。
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3. 继电器隔离—实现强弱电之间的抗干扰
图7.7 继电器隔离
4. 屏蔽方法—使输入信号的“模拟地”浮空
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7.2.3 长线传输干扰的抑制
限幅滤波法能有效克服因偶然因素引起的脉冲干 扰，但无法抑制周期性的干扰，平滑度差。
2. 中位值滤波法
连续采样N次(N为奇数)，把N个采样值按大小排列， 取中间值为本次有效值。 能有效克服因偶然因素引起的波动干扰，对温度、 液位等变化缓慢的被测参数有良好的滤波效果。
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4.一阶滞后滤波法(惯性滤波法)
1 G(s) 1 Tf s
离散化得低通滤波公式：
x ( k ) (1 ) u ( k ) x ( k 1 )
一阶滞后滤波法对周期性干扰具有良好的抑制 作用，适用于波动频率较高的场合，缺点是相位滞 后，灵敏度低，不能消除滤波频率高于采样频率的 1/2的干扰信号。
2. 控制失灵
3. 程序运行失常
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7.3.2 数字滤波方法
数字滤波：通过一定的计算或判断程序减少干 扰在有用信号中的比例，实质上是一种程序滤波。 与模拟滤波器相比，数字滤波有以下几个优点： (2) 可以对频率很低(如0.01Hz)的信号实现滤波克服 了模拟滤波器的缺陷； (3) 可根据信号的不同，采用不同的滤波方法或滤波 参数，具有灵活、方便、功能强大的特点。
第7章 计算机控制系统的抗 干扰技术
第十六讲-第十七讲
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第十六讲
7.1 工业现场的干扰及对系统的影响 7.2 硬件抗干扰技术
7.3 软件抗干扰技术
7.4 接 地 技 术 7.5 电源系统的抗干扰技术 7.6 小
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结
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( dB)
串模抑制比：使输出信息发生规定变化的串模电压，与 由被测量引起的能使输出产生相同变化的电压之比。
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2. 共模干扰
共模干扰：在电路输入端相对公共接地点同 时出现的干扰，即输入通道上共有的干扰电压。 共模干扰主要由电源的地、放大器的地以及信号 源的地之间的传输线上电压降造成的。
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7.2 硬件抗干扰技术
7.2.1 串模干扰的抑制
控制系统中，串模干扰的抑制方法应从干扰信号 的特性和来源入手。
(1) 若串模干扰频率比被测信号频率高，则采用低通滤 波器来抑制高频串模干扰；若串模干扰频率比被测信 号频率低，则采用高通滤波器来抑制高频串模干扰； 若串模干扰频率在被测信号频谱两侧，则采用带通滤 波器。 一般串模干扰比被测信号变化快，可用低通滤波 器滤除交流干扰。常用的低通滤波器有RC网络、LC 网络、双T网络及有源滤波器。(P162)
长线传输的缺点：易受到外界的干扰，具有信号延 迟，高速变化的信号在长线中传输时，会出现波反射现 象。
1. 屏蔽信号线
方法: (1) 采用双绞线，其中一根用作屏蔽线，另一根用 作信号传输线。把信号输出线和返回线两根导线拧合;
(2) 采用金属网状编织的屏蔽线，金属编织网作屏 蔽外层，芯线用来传输信号。
原则：抑制静电感应干扰用金属网的屏蔽线；抑制 电磁感应干扰用双绞线。
干扰电压：U AB
一般情况下，共模干扰电压总是转化成一定的串模干扰出现 在两个输入端之间。
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U cm UB Z c1 Z s2 Zc1 Z c2 Z c1 U A UB [ ]U cm Z s1 Z c2 Z s2 Z c1
3. 算术平均滤波法
1 N x (k ) xi N i 1 N值较大时，信号平滑度好，但灵敏度低；N 值较小时，信号平滑度低，但灵敏度好。一般流量 测量N=8~16，压力N=4。
该方法适用于对具有随机干扰的信号进行滤波， 该信号有一个平均值，在某一数值范围附近上下波 动。 在编制算法程序时，N一般取2的整数幂，以便 用移位代替除法求平均值。
(1) 数字滤波是用程序实现的，不需要增加硬件设备；
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1. 限幅滤波法(程序判断滤波法)
Y (k ) Y (k 1) Y , 则 Y (k ) Y (k ) Y (k ) Y (k 1) Y , 则 Y (k ) Y (k 1)
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7.1.2 干扰的作用途径
干扰信号主要通过以下途径进入系统内部：
(1) 电磁感应(磁耦合)
(2) 静电感应(电耦合)
串模干扰
(3) 传导耦合
(4) 公共阻抗耦合 (5) 其他形式
干扰源 交流电源/接地系统 公共阻抗 I/O信号传输线路 电磁感应 静电场感应
图7.2 共模干扰示意图
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共模干扰可以是直流电压，也可以是交流电 压，其幅值可达1~10V。因为在计算机控制生产过 程中，被控制和被测试的参量可能很多，并且是 分散在生产现场的各个地方，一般用长导线将计 算机发出的控制信号传送到现场的某个控制对象， 或者把安装在某个装置中的传感器产生的被测信 号传送到计算机的A/D转换器。因此，被测信号Us 的参考接地点和计算机输入信号的参考接地点往 往存在一定的电位差Ucm。对于A/D转换器的两个 输入端来说，分别有两个输入信号：Us+Ucm和 Ucm。故Ucm是共模干扰电压。
为衡量一个输入电路抑制共模干扰的能力，用 共模抑制比CMRR来表示：
U cm CMRR 20lg Un
Un是转化成的串模干扰电压。
(dB)
对于单端对地输入方式，Un=Ucm，故CMRR=0， 说明无共模抑制能力； 对于双端不对地输入方式，Ucm引入的串模干扰Un 越小，CMRR越大，抗共模干扰能力越强。
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7.1.3 干扰的作用形式
1. 串模干扰(差动干扰)
串模干扰是指干扰电压与有效信号串联叠加 联合作用到仪表上的干扰。通常来自高压输电线， 与信号线平行铺设的电源线及大电流控制线所产 生的空间电磁场。 串模抑制比：
图7.1 串模干扰示意图
Un SMRR 20 lg U
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通常IN/OUT线与大地或机壳之间发生的干扰 都是共模干扰，信号线收到静电感应时产生的干 扰也是共模干扰。
由于共模干扰它不和信号相叠加，但它能通 过测量系统形成到地的泄漏电流，这泄漏电流通 过电阻的耦合就能直接作用于仪表，产生干扰。
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被测电路中，被测信号Us有单端对地输入和 信号源的内阻抗 双端不对地输入两种。
共模干扰电压 全部转为串模 干扰电压
UA U cm Zc Z s1 Zc1 1
输入电路的 输入阻抗
单端对地
双端不对地
共模干扰电压Ucm在仪表 U cm 输入端A,B两端形成的共 U A Z Z Z c2 s1 c2 模电压为：
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7.1.1 干扰的来源
智能仪表 传输通道
主机
I /O 电路
传感 执行器
对象
直流稳压电源
直流稳压电源 干扰 市电
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系统的内部干扰主要是由分布电容、分布电 感引起的耦合感应、多点接地造成的电位差和寄 生电容振荡、热噪声等引起的，内部的电源变压 器、继电器、开关以及电源线等也均可能成为干 扰源。内部干扰的主要因素为： (1) 元器件本身的性能与可靠性；
7.1 工业现场的干扰及对系统的影响
影响应用系统可靠、安全运行的主要因素来 自系统内部和外部的各种电磁干扰，以及系统结 构设计、元器件安装、加工工艺和外部电磁环境 条件等，这些因素对系统造成的干扰后果主要表 现在以下几个方面： 1. 测量数据误差加大
2. 影响存储数据
3. 控制系统失灵
4. 程序运行失常