附录三 计算机抗干扰技术

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第三章计算机抗干扰技术

所谓干扰,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。工业控制计算机的工作环境恶劣,干扰频繁。干扰将影响计算机控制系统的可靠性和稳定性,给系统调试增加了难度。干扰是客观存在的,研究干扰的目的是抑制干扰进入计算机。为此,必须分析干扰的来源,研究对于不同的干扰源采用哪些相应的行之有效的一直或消除干扰措施;除此之外,为了提高系统的看干扰能力,应当重视接地技术和供电技术。这些就是本章将要讨论的内容。

3.1 干扰的来源和传播途径

干扰的来源是多方面的,有时甚至是错综复杂的。对于计算机控制系统来说,干扰既可能来源于外部,也可能来源于内部。外部干扰是指那些与系统结构无关,由外界环境因素决定的干扰;而内部干扰则是由系统结构、制造工艺等所决定的。

外部干扰主要是空间电场或磁场的影响。例如,输电线和电气设备发出的电磁场,通信广播发射的无线电波,太阳或其他天体辐射出的电磁波,空中雷电,火花放电、弧光放电、辉光放电等放电现象,甚至气温、湿度等气象条件。

内部干扰主要是分布电容、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,多点接地造成电位差引起的干扰,寄生振荡引起的干扰,设置元器件产生的噪声干扰。

从机理上看,外部干扰和内部干扰的物理性质相同,因而消除或抑制它们的方法没有本质上的区别。本节首先分析干扰传播途径,然后讨论三类常见干扰,即串模干扰、共模干扰和长线传输干扰。

3.1.1 干扰传播途径

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干扰,以及高压输电线周围交变电磁场的影响等。典型的计算机控制系统的干扰环境可以用图3.1来表示。干扰传播途径主要有以下

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几种:静电耦合,磁场耦合,公共阻抗耦合。

图3.1 干扰环境

1.静电耦合

静电耦合是电场通过电容耦合途径窜入其他线路的。两根导线之间、电路板上各引线之间、变压器线匝之间和绕组之间都会构成电容。既然有分布电容存在,就可以对ω频率的干扰信号提供1/jωC的电抗通道,电场干扰就可以取道窜入。

图3。2给出两根平行倒替之间电容耦合的表示方法及等效电路。图中C12是导体1和导体2之间的分布电容的综合,C1g 和C2g是导体1和导体2分贝对地的总电容,R是导体2对地电阻。如果导体1上有干扰源V1存在,导体2为接受干扰的导体,则导体2上出现的干扰电压V n为

(3.1.1)

图3.2 两平行导体间的电容耦合

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当导体2对地电阻R很小,使jωR(C12+ C 2g)远小于1时,式(3.1.1)可近似表示为

V n=jωRC12V1 (3.1.2)

这表明干扰电压V n与干扰源频率ω和幅值V1、输入阻抗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+ C 2g)远大于1时,式(3.1.1)可以近似表示为

(3.1.3)

在这种情况下,干扰电压V n由电容C12和C2g的分压关系及V1所确定,其幅值比前种情况大得多。

2. 磁场耦合

空间磁场耦合是通过导体间互感耦合近来的。在任何载流导体周围空间中都会产生磁场,而交变磁场会对其周围闭合电路产生感应电势。在设备内部,线圈或变压器的漏磁会引起干扰;在设备外部,当两根导体线平行架设时,也会产生干扰,如图5.3所示。这是由于感应磁场引起的耦合,其感应电压V n为

V n=jωMI1 (3.1.4)其中,ω为感应线磁场交变角频率,M为两根导线之间的互感,I1为导线1中的电流。

图3.3 两平行导体间的磁场耦合

为了使读者对干扰电压有个量的概念,现举例说明。设某信号线与电压为220VΑС、负荷为10kVA输电线的距离为1m,并平行走线10m ,两线之间互感为4.2μH,按式(3.1.4)计算出信号线上感应的干扰电压V n为

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电磁场辐射也会造成干扰的耦合.当高频电流流过导体时,在该导体周围产生向空间传播的电磁波.此时整个空间充满了从长波到微波范围的电磁波,一般称为无线电波干扰.这些干扰极易通过电源线和长信号线耦合到计算机中.另外,长信号线具有天线效应,即能辐射干扰波或接受干扰波.当作为接受天线时,它与电磁波的极化面有密切的关系.例如,在大功率的广播发射台周围,当垂直极化波的电场强度为100 mV时,长度为10cm的垂直导体产生5 mV的感应电动势,这是一个客观的数字.

3. 公共阻抗耦合

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.例如,在计算机中,总是通过汇流条将电源引入,又将返回信号引入地线.汇流条不可能是理想的(R b=0,L b=0,C b=∞),实际上它也有一定的电阻和电感.当流过较大的数字信号电流时,它的作用有如一根天线。同时,各汇流条之间具有电容,数字脉冲可以通过这个电容耦合过来。印刷电路板上的“地”,实质上就是公共回流线,由于它仍然有一定的带内阻,各电路之间就通过它产生信号偶合,如图3.4所示。在一块印刷线路板上各电路有公共电源线,各独立电路回流通过公共回流线电阻Rpi和Rni(i=1,2,…,n)产生压降

它们分别耦合进各级电路形成干扰。对于有N个机柜的计算机系统也有这样的问题。

图3.4 公共电源线的阻抗耦合

如果系统的模拟喜好和数字信号不是分开接地的,如图3.5(a)和(b)所示,则数字

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信号就会耦合到模拟信号中去。图3.5中模拟信号和数字信号是分开接地的,两种信号分别流入大地,这样就可以避免干扰,因为大地是一个无限吸收体。

图3.5 公共地线的阻抗耦合

3.1.2 串模干扰

所谓串模干扰,就是串联于信号源回路之中的干扰,也称横向干扰或正态干扰。其表现形式如图3.6(a)所示,其中V s为信号源,V n为叠加在V s上的串模干扰。在图3.6(b)中,如果临近的导线(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,引入放大器的输入端。

产生串模干扰的原因有分布电容的静电耦合、长线传输的互感、空间电磁场引起的磁场耦合以及50Hz的工频干扰等。

图3.6 串模干扰

3.1.3共模干扰

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