【精品课件】计算机控制系统中的抗干扰技术
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第三章抗干扰技术PPT课件
Ia
C1
C2
串模干扰示意图
电磁耦合引入串模干扰
12.11.2020
6
图3-1 串模干扰示意图
12.11.2020
7
3.1.2
串模抑制比：衡量系统抑制串模干扰的能力。 定义： NMRR = 20lg(Un / △Ui) (dB)
Un:串模干扰信号的幅值； △Ui：Un引起输出的改变折合到输入端的偏移量。 效果：△Ui越小，抗串模干扰的能力越强，即NMRR越大。
共模干扰的影响：共模干扰对放大器的影响，是因转换 成串模干扰而加到输入端的。
共模抑制比：衡量系统抑制共模干扰转化为串模干扰的 能力。
定义： CMRR = 20lg(Ucm/Un) (dB) Un:是共模干扰信号Ucm转换成串模干扰的电压幅值； 效果：Un越小，抗共模干扰的能力越强，即CMRR越大。
CMRR与信号的输入方式有关，分单端输入和差动输入2种 形式。
14
3.1.4
2、电磁场传播的干扰
(1)静电耦合：静电场干扰通过分布电容耦合进入系统
(2)
两根平行导线之间的、印刷线路之间、变压器线
匝之间、绕组之间都可能构成分布电容。
(3)(2)电磁耦合：电磁耦合干扰通过电感引入感应电势
(4)
两条平行导线间会产生磁场耦合
(5)(3) 辐射电磁场耦合：具有天线效应的电源线和长信号线 会对空间电磁场产生接收作用，感应出干扰信号。
力。是个定性的概念。 有两层含义： ① 在规定时间内无故障运行； ② 故障后维修方便。
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可靠性的定量描述：
如下图，系统运行时间 t k 后发生故障，需维修时间 T k
k 1,2, 。
可定义以下可靠性指标：
课件 第六章 计算机控制系统的抗干扰技术
2 常用的接地方法(2) 常用的接地方法(2)
（2） 模拟地和数字地的连接
6.3 系统供电及接地技术
2 常用的接地方法(3) 常用的接地方法(3)
（3） 主机外壳接地
6.3 系统供电及接地技术
外壳接地，机壳浮空
2 常用的接地方法(4) 常用的接地方法(4)
（4） 多机系统的接地
过程 通道 主机 打印机
1 微机控制系统中的地线
(1)数字地，或逻辑地。 (2) 模拟地。 (3) 安全地。又称为保护 地或机壳地，屏蔽地。 (4) 系统地。 (5) 直流地。 (6) 交流地。
2 常用的接地方法(1) 常用的接地方法(1)
（1） 一点接地和多点接地
6.3 系统供电及接地技术
图6.15 串联一点接地
图6.16 并联一点接地
4
采用具有高共模抑制比的仪表
采用具有高共模抑制比的仪表放大器作 为输入放大器： 为输入放大器 ： 仪表放大器具有共模抑 制能力强、输入阻抗高、漂移低、增益 可调等优点，是一种专门用来分离共模 干扰与有用信号的器件。
6.2 硬件抗干扰技术
6.2.2
串模干扰的抑制
1. 在输入回路中接入模拟滤波器 使用双积分式A/D转换器 A/D转换器 2. 使用双积分式A/D转换器 3. 采用双绞线作为信号线 4. 电流传送 5. 对信号提早处理 选择合理的逻辑器件来抑制。 6. 选择合理的逻辑器件来抑制。
6.2 硬件抗干扰技术
3. 采用双绞线作为信号线
若串模干扰和被测信号的频率相当， 则很难用滤波的方法消除。此时，必须采 用其它措施，消除干扰源。通常可在信号 源到计算机之间选用带屏蔽层的双绞线或 同轴电缆，并确保接地正确可靠。采用双 绞线作为信号引线的目的是减少电磁。双 绞线能使各个小环路的感应电势相互抵消。 一般双绞线的节距越小抗干扰能力越强。
计算机控制系统的抗干扰技术共40页
40、学而不思则罔，思而不学则殆。——孔子
谢谢！
36、自己的鞋子，自己知道紧在哪里。——西班牙
37、我们唯一不会改正的缺点是软弱。——拉罗什福科
xiexie! 38、我这个人走得很慢，但是我从不后退。——亚伯拉罕·林肯
39、勿问成功的秘诀为何，且尽全力做你应该做的事吧。——美华纳
计算机控制系统的抗干扰技术
51、没有哪个社会可以制订一部永远 适用的 宪法， 甚至一 条永远 适用的 法律。 ——杰 斐逊 52、法律源于人的自卫本能。——英 格索尔
53、人们通常会发现，法律就是这样 一种的 网，触 犯法律 的人， 小的可 以穿网 而过， 大的可 以破网 而出， 只有中 等的才 会坠入 网中。 ——申 斯通 54、法律就是法律它是一座雄伟的大 夏，庇 护着我 们大家 ；它的 每一块 砖石都 垒在另 一块砖 石上。 ——高 尔斯华 绥 55、今天的法律未必明天仍是法律。 ——罗·伯顿
计算机控制系统的抗干扰技术和措施
对于磁场屏蔽，应采用高导磁材料使磁路闭合， 且应接 大地。
对于电磁场干扰，因采用低阻金属材料制成屏蔽体， 屏 蔽体以接大地为宜。
对于高增益放大器来说，一般要用金属罩屏蔽起来。 为 了消除放大器与屏蔽层之间的寄生电容影响， 应将屏蔽体与 放大器的公共端连接起来。
如果信号电路采用一点接地方式， 则低频电缆的屏蔽层 也应一点接地。
5. 印刷电路板的地线安排
在安排印刷板地线时，首先要尽可能加宽地线，以降低 地线阻抗。其次，要充分利用地线的屏蔽作用。 在印刷板边 缘用较粗的印刷地线环包整块板子，并作为地线干线，自板 边向板中延伸，用其隔离信号线，这样既可减少信号间串扰， 也便于板中元器件就近接地。
6. 屏蔽地
对于电场屏蔽来说， 由于主要是解决分布电容问题， 因 此应接大地。
2. 电磁屏蔽
电磁屏蔽主要用来防止高频电磁场对电路的影响。电磁屏 蔽包括对电磁感应干扰及电磁辐射干扰的屏蔽。它是采用低电 阻的金属材料作为屏蔽层。电磁屏蔽就是利用屏蔽罩在高频磁 场的作用下，会产生反方向的涡流磁场与原磁场抵消而削弱高 频磁场的干扰；又因屏蔽罩接地，也可实现电场屏蔽。由于电 磁屏蔽是利用了屏蔽罩上的感生涡流，因而屏蔽罩的厚度对于 屏蔽效果影响不大，而屏蔽罩是否连续却直接影响到感生涡流 的大小，也即影响到屏蔽效果的好坏。如果在金属体上垂直于 电流方向上开缝，就没有屏蔽效应。原则上屏蔽体越严密越好。 因此，电磁屏蔽层的接缝应注意良好的焊接与密封， 通风孔 与操作孔因尽量开小。
3. 磁场屏蔽
对于低频磁场干扰，用上述电磁屏蔽方法往往难以奏效， 一般采用高导磁率材料作屏蔽体，利用其磁阻较小的特点， 给干扰磁通提供一个低磁阻通路，使其限制在屏蔽体内。为 了有效地进行磁场屏蔽，必须采用诸如玻莫合金之类材料， 同时要有一定的厚度，或者采用相互具有一定间隔的两个或 多个同心磁屏蔽罩， 效果更好。
对于电磁场干扰，因采用低阻金属材料制成屏蔽体， 屏 蔽体以接大地为宜。
对于高增益放大器来说，一般要用金属罩屏蔽起来。 为 了消除放大器与屏蔽层之间的寄生电容影响， 应将屏蔽体与 放大器的公共端连接起来。
如果信号电路采用一点接地方式， 则低频电缆的屏蔽层 也应一点接地。
5. 印刷电路板的地线安排
在安排印刷板地线时，首先要尽可能加宽地线，以降低 地线阻抗。其次，要充分利用地线的屏蔽作用。 在印刷板边 缘用较粗的印刷地线环包整块板子，并作为地线干线，自板 边向板中延伸，用其隔离信号线，这样既可减少信号间串扰， 也便于板中元器件就近接地。
6. 屏蔽地
对于电场屏蔽来说， 由于主要是解决分布电容问题， 因 此应接大地。
2. 电磁屏蔽
电磁屏蔽主要用来防止高频电磁场对电路的影响。电磁屏 蔽包括对电磁感应干扰及电磁辐射干扰的屏蔽。它是采用低电 阻的金属材料作为屏蔽层。电磁屏蔽就是利用屏蔽罩在高频磁 场的作用下，会产生反方向的涡流磁场与原磁场抵消而削弱高 频磁场的干扰；又因屏蔽罩接地，也可实现电场屏蔽。由于电 磁屏蔽是利用了屏蔽罩上的感生涡流，因而屏蔽罩的厚度对于 屏蔽效果影响不大，而屏蔽罩是否连续却直接影响到感生涡流 的大小，也即影响到屏蔽效果的好坏。如果在金属体上垂直于 电流方向上开缝，就没有屏蔽效应。原则上屏蔽体越严密越好。 因此，电磁屏蔽层的接缝应注意良好的焊接与密封， 通风孔 与操作孔因尽量开小。
3. 磁场屏蔽
对于低频磁场干扰，用上述电磁屏蔽方法往往难以奏效， 一般采用高导磁率材料作屏蔽体，利用其磁阻较小的特点， 给干扰磁通提供一个低磁阻通路，使其限制在屏蔽体内。为 了有效地进行磁场屏蔽，必须采用诸如玻莫合金之类材料， 同时要有一定的厚度，或者采用相互具有一定间隔的两个或 多个同心磁屏蔽罩， 效果更好。
抗干扰技术课件
数字地
计算机 D/A
放大器
VCC
双绞线
执
行
器
RL
数字地
模拟地
（b） 在D/A转换器与执行器之间
图8-12 光耦隔离器的模拟信号隔离
动画链接
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Hale Waihona Puke 学习文档在图8-12（a）输入通道的现场传感器与A/D 转换器之间，光电耦合器一方面把放大器输出 的模拟信号线性地光耦(或放大)到A/D转换器 的输入端， 另一方面又切断了现场模拟地与 计算机数字地之间的联系，起到了很好的抗共 模干扰作用。在图8-12（b）输出通道的D/A 转换器与执行器之间，光电耦合器一方面把放 大器输出的模拟信号线性地光耦(或放大)输出 到现场执行器，另一方面又切断了计算机数字 地与现场模拟地之间的联系，起到了很好的抗 共模干扰作用。
地点之间存在一个电位差Ucm。这个Ucm是加在放大器
输入端上共有的干扰电压，故称共模干扰电压。 既然共模干扰产生的原因是不同“地”之间存在的电压，
以及模拟信号系统对地的漏阻抗。因此，共模干扰电压的 抑制就应当是有效的隔离两个地之间的电联系，以及采用 被测信号的双端差动输入方式。具体的有变压器隔离、光 电隔离与浮地屏蔽等三种措施。
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3.2.2 共模干扰及其抑制
1. 共模干扰
共模干扰是指计算机控制系统输入通道中信 号放大器两个输入端上共有的干扰电压，可以是 直流电压，也可以是交流电压，其幅值达几伏甚 至更高，这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。其表现形式与产生原因 如图3-10所示。
学习文档
共模抑制比CMRR
CMRR 20lg Ucm Un
学习文档
计算机控制课件 08第8章计算机控制系统抗干扰技术
电子笔
35
第8章 计算机控制系统抗干扰技术
图8-7（a）无源阻容滤波电路
电子笔
36
第8章 计算机控制系统抗干扰技术
图8-7 （b）有源滤波器
电子笔
37
第8章 计算机控制系统抗干扰技术
图8-1 共模干扰 （a）表现形式 （b）产生原因 电子笔
8
第8章 计算机控制系统抗干扰技术
在计算机控制系统中一般都用较长的 导线把现场的传感器或执行器引入至计算 机系统的输入通道或输出通道中，这类信 号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 端上共有的干扰电压，故称为共模干扰。
电子笔
6
第8章 计算机控制系统抗干扰技术
8.1.1 共模干扰抑制
共模干扰是指计算机控制系统输入通
道中信号放大器两个输入端上共有的干
扰电压，可以是直流电压，也可以是交
流电压，其幅值达几十伏甚至更高，这
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。其表现形式与产
生原因如图8-1所示。
电子笔
7
第8章 计算机控制系统抗干扰技术
电子笔
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第8章 计算机控制系统抗干扰技术
表8-1 双绞线节距对串模干扰的抑制效果
电子笔
32
第8章 计算机控制系统抗干扰技术
2.引入滤波电路 采用硬件滤波器抑制串模干扰是一种常用 的方法。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。如果串模干扰频率比被测信号频率高， 则采用输入低通滤波器来抑制高频率串模干扰； 如果串模干扰频率比被测信号频率低，则采用 高通滤波器来抑制低频率串模干扰；如果串模 干扰频率落在被测信号频谱的两测，则应用带 通滤波器。
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第8章 计算机控制系统抗干扰技术
图8-7（a）无源阻容滤波电路
电子笔
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第8章 计算机控制系统抗干扰技术
图8-7 （b）有源滤波器
电子笔
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第8章 计算机控制系统抗干扰技术
图8-1 共模干扰 （a）表现形式 （b）产生原因 电子笔
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第8章 计算机控制系统抗干扰技术
在计算机控制系统中一般都用较长的 导线把现场的传感器或执行器引入至计算 机系统的输入通道或输出通道中，这类信 号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 端上共有的干扰电压，故称为共模干扰。
电子笔
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第8章 计算机控制系统抗干扰技术
8.1.1 共模干扰抑制
共模干扰是指计算机控制系统输入通
道中信号放大器两个输入端上共有的干
扰电压，可以是直流电压，也可以是交
流电压，其幅值达几十伏甚至更高，这
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。其表现形式与产
生原因如图8-1所示。
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第8章 计算机控制系统抗干扰技术
表8-1 双绞线节距对串模干扰的抑制效果
电子笔
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第8章 计算机控制系统抗干扰技术
2.引入滤波电路 采用硬件滤波器抑制串模干扰是一种常用 的方法。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。如果串模干扰频率比被测信号频率高， 则采用输入低通滤波器来抑制高频率串模干扰； 如果串模干扰频率比被测信号频率低，则采用 高通滤波器来抑制低频率串模干扰；如果串模 干扰频率落在被测信号频谱的两测，则应用带 通滤波器。
第六章 计算机控制系统抗干扰技术
二、硬件抗干扰技术
1. 电源系统抗干扰----交流电源
① 采用电子稳压电源 用于克服电网电压波动对控制系统的影响，工业上也常用不间断电源 （UPS）和交流净化稳压电源。 ② 采用低通滤波器 抑制电网侵入的外部高频干扰。可疑让低于50Hz的工频几乎无衰减 通过，滤除高于50Hz的高次谐波。
L L
C3 L C2
3.软硬件结合实现看门狗技术 硬件看门狗技术能有效监视程序是否陷 入死循环，但对中断关闭故障无能为力； 软件看门狗技术对高级中断服务程序陷 入死循环无能为力，但能监视全部中断 关闭的故障。
二、填码技术
单片机应用系统的用户应用程序一般由循环结构的主程序和中断服务子 程序组成。将软件陷阱程序段插入到用户应用程序中，即在用户应用程 序存储器不用区域写入代码“0000020000H”。
1. 数字滤波器的优点 （1）无需增加任何硬件设备。 （2）系统可靠性高，不存在阻抗匹配问题。 （3）可多通道共享，从而降低成本。 （4）可以对频率很低（如0.01HZ）的信号进行滤波。 （5）使用灵活、方便，可根据需要选择不同的滤波方法，或改变滤波器的参数 在计算机控制系统中得到广泛的应用
1. 数字滤波器的优点 （1）无需增加任何硬件设备。 （2）系统可靠性高，不存在阻抗匹配问题。 （3）可多通道共享，从而降低成本。 （4）可以对频率很低（如0.01HZ）的信号进行滤波。 （5）使用灵活、方便，可根据需要选择不同的滤波方法，或改变滤波器的参数 在计算机控制系统中得到广泛的应用
二、干扰的种类
1.按特性分类 ①直流干扰：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。 ②交流干扰：由交流电感应引起。是最易出现的一 种。 ③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。这种干扰的时间 短，幅度大，会给系统带来很大的危害。
1. 电源系统抗干扰----交流电源
① 采用电子稳压电源 用于克服电网电压波动对控制系统的影响，工业上也常用不间断电源 （UPS）和交流净化稳压电源。 ② 采用低通滤波器 抑制电网侵入的外部高频干扰。可疑让低于50Hz的工频几乎无衰减 通过，滤除高于50Hz的高次谐波。
L L
C3 L C2
3.软硬件结合实现看门狗技术 硬件看门狗技术能有效监视程序是否陷 入死循环，但对中断关闭故障无能为力； 软件看门狗技术对高级中断服务程序陷 入死循环无能为力，但能监视全部中断 关闭的故障。
二、填码技术
单片机应用系统的用户应用程序一般由循环结构的主程序和中断服务子 程序组成。将软件陷阱程序段插入到用户应用程序中，即在用户应用程 序存储器不用区域写入代码“0000020000H”。
1. 数字滤波器的优点 （1）无需增加任何硬件设备。 （2）系统可靠性高，不存在阻抗匹配问题。 （3）可多通道共享，从而降低成本。 （4）可以对频率很低（如0.01HZ）的信号进行滤波。 （5）使用灵活、方便，可根据需要选择不同的滤波方法，或改变滤波器的参数 在计算机控制系统中得到广泛的应用
1. 数字滤波器的优点 （1）无需增加任何硬件设备。 （2）系统可靠性高，不存在阻抗匹配问题。 （3）可多通道共享，从而降低成本。 （4）可以对频率很低（如0.01HZ）的信号进行滤波。 （5）使用灵活、方便，可根据需要选择不同的滤波方法，或改变滤波器的参数 在计算机控制系统中得到广泛的应用
二、干扰的种类
1.按特性分类 ①直流干扰：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。 ②交流干扰：由交流电感应引起。是最易出现的一 种。 ③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。这种干扰的时间 短，幅度大，会给系统带来很大的危害。
计算机控制系统中的抗干扰技术.ppt
•计算机的地、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。
共模干扰示意图
2019/10/24
计算机控制技术
14
第9章 计算机抗干扰技术
• 对于系统的干扰来说，共模干扰大都通过差模干扰的方式 表现出来。
Un
1
jRC12 jR(C12 C2g )
U1
当导体2对地电阻R很小时，使jωR(C12+C2g) << 1时，式(9.1)可以近似表示为
Un jRC12U1
这表明干扰电压Un与干扰频率ω和幅度U1、输入电阻R、耦合电容C12 成正比关系。
当导体2对地电阻R很大，使jωR(C12+C2g) >> 1时，式(9.1)可以近似表示为
两种输入方式时共模电压的引入
2019/10/24
计算机控制技术
15
第9章 计算机抗干扰技术
• 图 (a)所示为信号单端输入情况，Zs是信号源 内阻，Zr是系统输入阻抗。共模干扰电压Ucm 和信号源电压Us相加共同作用于回路，此时，
共模干扰全部以差模干扰形式作用于电路。由
Ucm引起系统输入的差模电压Un1为
Un
C12 C12 C2g
U1
在这种情况下，干扰电压Un由电容C12和C2g的分压关系及U1所确定， 其幅值比前两种情况大得多。
2019/10/24
计算机控制技术
8
第9章 计算机抗干扰技术
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。
共模干扰示意图
2019/10/24
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14
第9章 计算机抗干扰技术
• 对于系统的干扰来说，共模干扰大都通过差模干扰的方式 表现出来。
Un
1
jRC12 jR(C12 C2g )
U1
当导体2对地电阻R很小时，使jωR(C12+C2g) << 1时，式(9.1)可以近似表示为
Un jRC12U1
这表明干扰电压Un与干扰频率ω和幅度U1、输入电阻R、耦合电容C12 成正比关系。
当导体2对地电阻R很大，使jωR(C12+C2g) >> 1时，式(9.1)可以近似表示为
两种输入方式时共模电压的引入
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第9章 计算机抗干扰技术
• 图 (a)所示为信号单端输入情况，Zs是信号源 内阻，Zr是系统输入阻抗。共模干扰电压Ucm 和信号源电压Us相加共同作用于回路，此时，
共模干扰全部以差模干扰形式作用于电路。由
Ucm引起系统输入的差模电压Un1为
Un
C12 C12 C2g
U1
在这种情况下，干扰电压Un由电容C12和C2g的分压关系及U1所确定， 其幅值比前两种情况大得多。
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第9章 计算机抗干扰技术
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。
计算机控制系统中的抗干扰技术
计算机控制系统中的抗干扰技术第9章计算机控制系统中的抗干扰技术●本章的教学目的与要求掌握各种干扰的传播途径与作用方式以及软硬件抗干扰技术。
●授课主要内容●干扰的传播途径与作用方式●软硬件抗干扰技术●主要外语词汇●重点、难点及对学生的要求说明：带“***”表示要掌握的重点内容，带“**”表示要求理解的内容，带“*”表示要求了解的内容，带“☆”表示难点内容，无任何符号的表示要求自学的内容●干扰的类型***●干扰的传播途径***☆●各类干扰的抑制方法***●辅助教学情况多媒体教学课件（POWERPOINT）●复习思考题●干扰的类型●干扰的传播途径●各类干扰的抑制方法●参考资料刘川来，胡乃平，计算机控制技术，青岛科技大学讲义干扰是客观存在的，研究抗干扰技术就是要分清干扰的来源，探索抑制或消除干扰的措施，以提高计算机控制系统的可靠性和稳定性。
9.1 干扰的传播途径与作用方式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。
产生干扰信号的原因称为信号源。
干扰源通过传播途径影响的器件或系统称为干扰对象。
干扰源、传播途径及干扰对象构成了干扰系统的三个要素。
9.1.1 干扰的来源1．外部干扰2．内部干扰9.1.2 干扰传播途径干扰传播途径主要有：静电耦合、磁场耦合、公共阻抗耦合。
1. 静电耦合静电耦合是通过电容耦合窜入其他线路的。
2. 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，它是通过导体间互感耦合进来的。
3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。
9.1.3 干扰的作用方式按干扰作用方式的不同，可分为串模干扰、共模干扰和长线传输干扰。
1. 串模干扰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.图9.6 串模干扰示意图图9.7 共模干扰示意图产生串模干扰的原因主要有分布电容的静电耦合，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。
计算机控制技术课件第6章
（2）靠光传输信号，切断了各电路之间地线的联系； （3）其发光二极管只有通过一定的电流时才能发光，从而有效的抑 制干扰信号。
硬件抗干扰技术
➢ 模拟信号经放大后，再利用光电隔离的线性区，直接对 模拟信号进行光电耦合传送。
硬件抗干扰技术
3、浮地屏蔽
采用浮地输入双层屏蔽放大器来抑制共模干扰。所谓浮地，就 是利用屏蔽方法使信号的“模拟地”浮空，从而达到抑制共模干扰 的目的。
软件抗干扰技术
五、程序运行失常的软件抗干扰
1、设置软件陷阱
当干扰导致程序计数器PC值混乱时，可能造成CPU离开正确的指 令顺序而跑飞到非程序区去执行一些无意义地址中的内容，或进入数 据区，把数据当作操作码来执行，使整个工作紊乱，系统失控。针对 这种情况，可以在非程序区设置陷阱，一旦程序飞到非程序区，很快 进入陷阱，然后强迫程序由陷阱进入初始状态。
干扰的形成
三、 干扰的作用形式
各种干扰信号通过不同的耦合方式进入系统后，按照对系 统的作用形式又可分为共模干扰、串模干扰和长线传输干扰。 1、共模干扰
共模干扰是在电路输入端相对公共接地点同时出现的干扰，也称为共 态干扰、对地干扰、纵向干扰、同向干扰等。共模干扰主要是由电源的地、 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。
软件抗干扰技术
2、数字量输出抗干扰措施
当计算机输出开关量控制闸门、料斗等执行机构动作时，为了防 止这些执行机构由于外界干扰而误动作，比如已关的闸门、料斗可能 中途打开；已开的闸门、料斗可能中途突然关闭。
对于这些误动作，可以在应用程序中每隔一段时间(比如几个ms) 发出一次输出命令，不断地关闭闸门或者开闸门。这样，就可以较好 地消除由于扰动而引起的误动作(开或关)。
硬件抗干扰技术
硬件抗干扰技术
➢ 模拟信号经放大后，再利用光电隔离的线性区，直接对 模拟信号进行光电耦合传送。
硬件抗干扰技术
3、浮地屏蔽
采用浮地输入双层屏蔽放大器来抑制共模干扰。所谓浮地，就 是利用屏蔽方法使信号的“模拟地”浮空，从而达到抑制共模干扰 的目的。
软件抗干扰技术
五、程序运行失常的软件抗干扰
1、设置软件陷阱
当干扰导致程序计数器PC值混乱时，可能造成CPU离开正确的指 令顺序而跑飞到非程序区去执行一些无意义地址中的内容，或进入数 据区，把数据当作操作码来执行，使整个工作紊乱，系统失控。针对 这种情况，可以在非程序区设置陷阱，一旦程序飞到非程序区，很快 进入陷阱，然后强迫程序由陷阱进入初始状态。
干扰的形成
三、 干扰的作用形式
各种干扰信号通过不同的耦合方式进入系统后，按照对系 统的作用形式又可分为共模干扰、串模干扰和长线传输干扰。 1、共模干扰
共模干扰是在电路输入端相对公共接地点同时出现的干扰，也称为共 态干扰、对地干扰、纵向干扰、同向干扰等。共模干扰主要是由电源的地、 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。
软件抗干扰技术
2、数字量输出抗干扰措施
当计算机输出开关量控制闸门、料斗等执行机构动作时，为了防 止这些执行机构由于外界干扰而误动作，比如已关的闸门、料斗可能 中途打开；已开的闸门、料斗可能中途突然关闭。
对于这些误动作，可以在应用程序中每隔一段时间(比如几个ms) 发出一次输出命令，不断地关闭闸门或者开闸门。这样，就可以较好 地消除由于扰动而引起的误动作(开或关)。
硬件抗干扰技术
第八章 计算机控制系统的抗干扰技术
21
1.终端匹配 终端匹配
（a)当 R = Rp 时，消 a)当 除了波反射。 除了波反射。降低 了高电平的抗干扰 能力 。
A R
B
(a)简单的终端匹配 (a)简单的终端匹配
Ec
R1
（b)适当调整 R1 和 R2 b)适当调整 的阻值， 的阻值，可使 R = Rp
R= R1 R2 R1 + R2
B A R2
2012-1-15 12
二、过程通道抗干扰方法
1.串模干扰及其抑制方法 1.串模干扰及其抑制方法
Us
t
串模干扰是指叠加 在被测信号上的干 扰噪声。 扰噪声。
被测信号指有用的 直流信号或缓慢变 化的交变信号
Us
Un
t
Us
A/D
Un Ua
A/D
Un
t
干扰噪声指无用 的变化较快的杂 乱交变信号 串模干扰示意图
① 信号滞后作用； 信号滞后作用；
波形畸变衰减作用； ② 波形畸变衰减作用； 外界电磁波、电磁场、 ③ 外界电磁波、电磁场、静电场和其它传输线 的干扰作用； 的干扰作用； 由于分布电容和分布电感的影响， ④ 由于分布电容和分布电感的影响，可能会产 长线效应” 生 “长线效应”。
2012-1-15 20
抑制进入交流电源 线上的瞬时干扰
10
4.电源分组供电 4.电源分组供电 将输入通道电源和其他设备电源分开， 将输入通道电源和其他设备电源分开，以防止 设备间的干扰。 设备间的干扰。
电源分组供电
2012-1-15
11
5.直流电源的抗干扰措施 5.直流电源的抗干扰措施
直流电源一般带有各种频率的信号。为消除这种干扰， 直流电源一般带有各种频率的信号。为消除这种干扰， 每块集成芯片的电源与地线引入端应接一片的无感瓷片电 容。 若一个装置中有多块逻辑印刷线路板时， 若一个装置中有多块逻辑印刷线路板时，一般应在每块 板的电源和地线的引入处并接一个10 100的电解电容和一 10～ 板的电源和地线的引入处并接一个10～100的电解电容和一 个的无感瓷片电容，以防止板间的相互干扰。 个的无感瓷片电容，以防止板间的相互干扰。 最好是每块印刷电路板都装一片或几片“稳压块” 最好是每块印刷电路板都装一片或几片“稳压块”（如 7815、LM317、7805）形成独立的供电系统， 7815、LM317、7805）形成独立的供电系统，这样能较好 防止板间的相互干扰。 防止板间的相互干扰。 逻辑电路板上的直流电源线与地线的布线也要注意合理 布线，不要使电源形成环路。 布线，不要使电源形成环路。
1.终端匹配 终端匹配
（a)当 R = Rp 时，消 a)当 除了波反射。 除了波反射。降低 了高电平的抗干扰 能力 。
A R
B
(a)简单的终端匹配 (a)简单的终端匹配
Ec
R1
（b)适当调整 R1 和 R2 b)适当调整 的阻值， 的阻值，可使 R = Rp
R= R1 R2 R1 + R2
B A R2
2012-1-15 12
二、过程通道抗干扰方法
1.串模干扰及其抑制方法 1.串模干扰及其抑制方法
Us
t
串模干扰是指叠加 在被测信号上的干 扰噪声。 扰噪声。
被测信号指有用的 直流信号或缓慢变 化的交变信号
Us
Un
t
Us
A/D
Un Ua
A/D
Un
t
干扰噪声指无用 的变化较快的杂 乱交变信号 串模干扰示意图
① 信号滞后作用； 信号滞后作用；
波形畸变衰减作用； ② 波形畸变衰减作用； 外界电磁波、电磁场、 ③ 外界电磁波、电磁场、静电场和其它传输线 的干扰作用； 的干扰作用； 由于分布电容和分布电感的影响， ④ 由于分布电容和分布电感的影响，可能会产 长线效应” 生 “长线效应”。
2012-1-15 20
抑制进入交流电源 线上的瞬时干扰
10
4.电源分组供电 4.电源分组供电 将输入通道电源和其他设备电源分开， 将输入通道电源和其他设备电源分开，以防止 设备间的干扰。 设备间的干扰。
电源分组供电
2012-1-15
11
5.直流电源的抗干扰措施 5.直流电源的抗干扰措施
直流电源一般带有各种频率的信号。为消除这种干扰， 直流电源一般带有各种频率的信号。为消除这种干扰， 每块集成芯片的电源与地线引入端应接一片的无感瓷片电 容。 若一个装置中有多块逻辑印刷线路板时， 若一个装置中有多块逻辑印刷线路板时，一般应在每块 板的电源和地线的引入处并接一个10 100的电解电容和一 10～ 板的电源和地线的引入处并接一个10～100的电解电容和一 个的无感瓷片电容，以防止板间的相互干扰。 个的无感瓷片电容，以防止板间的相互干扰。 最好是每块印刷电路板都装一片或几片“稳压块” 最好是每块印刷电路板都装一片或几片“稳压块”（如 7815、LM317、7805）形成独立的供电系统， 7815、LM317、7805）形成独立的供电系统，这样能较好 防止板间的相互干扰。 防止板间的相互干扰。 逻辑电路板上的直流电源线与地线的布线也要注意合理 布线，不要使电源形成环路。 布线，不要使电源形成环路。
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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。