【精品课件】计算机控制系统中的抗干扰技术
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• 其中，Ucm是共模干扰电压，Un是由Ucm转化成的差模 干扰电压。单端输入方式的CMRR较小，说明它的抗共模 抑制能力较差；而双端输入方式，由Ucm引入的差模干扰 电压Un较小，CMRR较大，所以抗共模干扰能力很强
10.1.3 干扰的作用方式
• 长线传输干扰：在计算机控制系统中，现场信号到控 制计算机以及控制计算机到现场执行机构，都经过一 段较长的线路进行信号传输，即长线传输，在长线传 输中产生的干扰称为长线传输干扰。
• 信号在长线中传输会遇到三个问题：一是高速变化的信 号在长线中传输时，会出现波反射现象，二是具有信号延 时，三是长线传输会受到外界干扰。
10.2 硬件抗干扰技术
10.2.1电源系统的抗干扰技术
电源引入的干扰是计算机控制系统的主要干扰之一； 对计算机控制系统的干扰大部分是由电源耦合产生的。
➢供电方式 ➢尖峰脉冲干扰的抑制 ➢掉电保护
共模干扰示意图
• 对于系统干扰来说，共模干扰大都通过差模干扰方式表现出来
• 由Ucm引起系统输入的差模电压为：
共模抑制比
Un1
Zs
Zs Zr
Ucm
Zs Us ~ Ic
Zr A
Un2Zs1Z sc1Zc1Zs2Zsc2Zc2Ucm Zs1
Us ~ Ic1
A
Zs2
Ucm
~
Ic2
~ Ucm Zc2
Zc1
(a) 单端输入
(b) 双端输入
两种输入方式的共模电压的引入
• 对于存在共模干扰的场合，不能采用单端输入方式，应采 用双端输入方式，原因是其抗共模干扰能力强
• 为了衡量一个放大器抑制共模干扰的能力，常用共模抑制
比CMRR（Common-Mode Rejection Ratio ）
表示，即
CMRR 20lgUcm(DB ) Un
Un jM1I
其中： • ω为感应磁场交变角频率 • M为两根导线之间的互感
• I1为导线1中的电流
磁场耦合
– 设某信号线与电压为220VAC、负荷为10KVA 输电线的距离为1m，并且平行走线10m，两 线之间的互感为4.2μH(亨利 )，按公式计算出 信号线上感应的干扰电压Un为
Un=ωMI1=2π×50×4.2×（10-6）× 10000/220=59.98(mV)
干扰，以及高压输电线周围交变磁场的影响等。
高压电线
雷电
过程控制系统
雷达、电台等 天线发射装置
引 入 噪 声
地电位波动
交流动力线
电机、电焊机等 大用电设备
干扰传播途径主要有： • 电场耦合
• 磁场耦合
电场耦合
• 公共阻抗耦合
– 电场耦合又称静电耦合，是通过电容耦合窜入其他线路的。
– 电场干扰可以通过两根导线之间构成的分布电容窜入系统
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。
内部干扰是由系统的结构布局、线路设计、元器件 内部干扰 性质变化和漂移等原因造成的
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： 产生干扰信号的源头 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。
10.1.1 干扰的来源
计算机控制系统外部干扰
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。
第十章
计算机控制系统中的抗干扰技术
Anti-Disturbance Technology in Computer Control System
本章主要内容
• 干扰的传播途径与作用方式 • 硬件抗干扰技术 • 软件抗干扰技术(已讲)
10.1 干扰的传播途径 与作用方式
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。
➢直流侧的抗干扰措施
•供电方式
计算机控制系统的供电方式
在电源变压器中设置合理的屏蔽（静电屏蔽和电磁屏蔽）是一种有 效的抗干扰措施，它是在电源变压器的初级和次级之间加屏蔽层 。
可见，这样大的干扰，足以淹没小信号。
•公共阻抗耦合
– 公共阻抗耦合干扰是由于电流流过回路间公共阻 抗，使得一个回路的电流所产生的电压降影响到 另一回路。
– 在计算机控制系统中，普遍存在公共耦合阻抗，例如， 电源引线、印刷电路板上的地和公共电源线、汇流排等。 这些汇流条都具有一定的阻抗，对于多回路来讲，就是 公共耦合阻抗。
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。
10.1.2 干扰的传播途径
• 在计算机控制系统的现场，往往有许多强电设备，它们的启动和工作 过程中将产生干扰电磁场，另外还有来自空间传播的电磁波和雷电的
Ra=1/jωc12
Rb=R/(1+1/jωc2g)
磁场耦合
– 在任何载流导体周围都会产生磁场，当电流变化时会引起交变磁 场，该磁场必然在其周围的闭合回路中产生感应电势引起干扰。
– 在设备内部，线圈或变压器的漏磁也会引起干扰；在设备外部， 平行架设的两根导线也会产生干扰，由于感应电磁场引起的耦合， 可以计算感应电压
图A 公共电源线的阻抗耦合 图B 公共地线的阻抗耦合
10.1.3 干扰的作用方式
• 按干扰作用方式的不同，可分为差模干扰、共模干扰和长线 传输干扰。
• 差模干扰：又称串模干扰，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。差 模干扰与被测信号在回路中处于同样的地位，也称为常态干 扰或横向干扰。
• 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
I
差模干扰示意图
10.1.3 干扰的作用方式
• 共模干扰：是指系统的信号输入端上对接地端干扰电压, 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。
10.1.3 干扰的作用方式
• 长线传输干扰：在计算机控制系统中，现场信号到控 制计算机以及控制计算机到现场执行机构，都经过一 段较长的线路进行信号传输，即长线传输，在长线传 输中产生的干扰称为长线传输干扰。
• 信号在长线中传输会遇到三个问题：一是高速变化的信 号在长线中传输时，会出现波反射现象，二是具有信号延 时，三是长线传输会受到外界干扰。
10.2 硬件抗干扰技术
10.2.1电源系统的抗干扰技术
电源引入的干扰是计算机控制系统的主要干扰之一； 对计算机控制系统的干扰大部分是由电源耦合产生的。
➢供电方式 ➢尖峰脉冲干扰的抑制 ➢掉电保护
共模干扰示意图
• 对于系统干扰来说，共模干扰大都通过差模干扰方式表现出来
• 由Ucm引起系统输入的差模电压为：
共模抑制比
Un1
Zs
Zs Zr
Ucm
Zs Us ~ Ic
Zr A
Un2Zs1Z sc1Zc1Zs2Zsc2Zc2Ucm Zs1
Us ~ Ic1
A
Zs2
Ucm
~
Ic2
~ Ucm Zc2
Zc1
(a) 单端输入
(b) 双端输入
两种输入方式的共模电压的引入
• 对于存在共模干扰的场合，不能采用单端输入方式，应采 用双端输入方式，原因是其抗共模干扰能力强
• 为了衡量一个放大器抑制共模干扰的能力，常用共模抑制
比CMRR（Common-Mode Rejection Ratio ）
表示，即
CMRR 20lgUcm(DB ) Un
Un jM1I
其中： • ω为感应磁场交变角频率 • M为两根导线之间的互感
• I1为导线1中的电流
磁场耦合
– 设某信号线与电压为220VAC、负荷为10KVA 输电线的距离为1m，并且平行走线10m，两 线之间的互感为4.2μH(亨利 )，按公式计算出 信号线上感应的干扰电压Un为
Un=ωMI1=2π×50×4.2×（10-6）× 10000/220=59.98(mV)
干扰，以及高压输电线周围交变磁场的影响等。
高压电线
雷电
过程控制系统
雷达、电台等 天线发射装置
引 入 噪 声
地电位波动
交流动力线
电机、电焊机等 大用电设备
干扰传播途径主要有： • 电场耦合
• 磁场耦合
电场耦合
• 公共阻抗耦合
– 电场耦合又称静电耦合，是通过电容耦合窜入其他线路的。
– 电场干扰可以通过两根导线之间构成的分布电容窜入系统
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。
内部干扰是由系统的结构布局、线路设计、元器件 内部干扰 性质变化和漂移等原因造成的
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： 产生干扰信号的源头 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。
10.1.1 干扰的来源
计算机控制系统外部干扰
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。
第十章
计算机控制系统中的抗干扰技术
Anti-Disturbance Technology in Computer Control System
本章主要内容
• 干扰的传播途径与作用方式 • 硬件抗干扰技术 • 软件抗干扰技术(已讲)
10.1 干扰的传播途径 与作用方式
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。
➢直流侧的抗干扰措施
•供电方式
计算机控制系统的供电方式
在电源变压器中设置合理的屏蔽（静电屏蔽和电磁屏蔽）是一种有 效的抗干扰措施，它是在电源变压器的初级和次级之间加屏蔽层 。
可见，这样大的干扰，足以淹没小信号。
•公共阻抗耦合
– 公共阻抗耦合干扰是由于电流流过回路间公共阻 抗，使得一个回路的电流所产生的电压降影响到 另一回路。
– 在计算机控制系统中，普遍存在公共耦合阻抗，例如， 电源引线、印刷电路板上的地和公共电源线、汇流排等。 这些汇流条都具有一定的阻抗，对于多回路来讲，就是 公共耦合阻抗。
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。
10.1.2 干扰的传播途径
• 在计算机控制系统的现场，往往有许多强电设备，它们的启动和工作 过程中将产生干扰电磁场，另外还有来自空间传播的电磁波和雷电的
Ra=1/jωc12
Rb=R/(1+1/jωc2g)
磁场耦合
– 在任何载流导体周围都会产生磁场，当电流变化时会引起交变磁 场，该磁场必然在其周围的闭合回路中产生感应电势引起干扰。
– 在设备内部，线圈或变压器的漏磁也会引起干扰；在设备外部， 平行架设的两根导线也会产生干扰，由于感应电磁场引起的耦合， 可以计算感应电压
图A 公共电源线的阻抗耦合 图B 公共地线的阻抗耦合
10.1.3 干扰的作用方式
• 按干扰作用方式的不同，可分为差模干扰、共模干扰和长线 传输干扰。
• 差模干扰：又称串模干扰，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。差 模干扰与被测信号在回路中处于同样的地位，也称为常态干 扰或横向干扰。
• 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
I
差模干扰示意图
10.1.3 干扰的作用方式
• 共模干扰：是指系统的信号输入端上对接地端干扰电压, 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。