計(jì)算機(jī)控制技術(shù)第4章

1、第第4章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)抗干擾技術(shù)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)抗干擾技術(shù) v 4.1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)主要干擾分析v 4.2 過程通道抗干擾技術(shù)v 4.3接地技術(shù)v 4.4 供電技術(shù)4.1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)主要干擾分析計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)主要干擾分析v v 4.1.1 干擾的來源v 4.1.2 干擾的傳播途徑v 4.1.3 過程通道中的干擾4.1.1 干擾的來源干擾的來源 干擾的來源是多方面的，有時(shí)甚至是錯(cuò)綜復(fù)雜的，對于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)來說，干擾既可能來自系統(tǒng)外部，也可能來自系統(tǒng)內(nèi)部。 外部干擾與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)無關(guān)，僅由使用條件和外部環(huán)境因素決定。內(nèi)部干擾則是由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布局、制造工藝產(chǎn)生的。 外部干擾主要來自空間電場或磁

2、場的影響，如電氣設(shè)備和輸電線發(fā)出的電磁場，太陽或其他星球輻射的電磁波，通信廣播發(fā)射的無線電波，雷電，火花放電、弧光放電等放電現(xiàn)象等。 內(nèi)部干擾主要有分布電容、分布電感引起的耦合感應(yīng)，電磁場輻射感應(yīng)，長線傳輸造成的波反射，多點(diǎn)接地造成的電位差引起的干擾，裝置及設(shè)備中各種寄生振蕩引起的干擾，熱噪聲、閃變噪聲、尖峰噪聲等引起的干擾以及元器件產(chǎn)生的噪聲等。圖4.1 外部干擾環(huán)境4.1.2 干擾的傳播途徑干擾的傳播途徑v 干擾傳播的途徑主要有三種，即靜電耦合，磁場耦合與公共阻抗耦合。 v靜電耦合靜電耦合v 靜電耦合是電場通過電容耦合途徑竄入其他線路的。兩根并排的導(dǎo)線之間會構(gòu)成分布電容，如印制線路板上印制

3、線路之間、變壓器繞線之間都會構(gòu)成分布電容。 v磁場耦合磁場耦合 v 空間的磁場耦合是通過導(dǎo)體間的互感耦合進(jìn)來的。在任何載流導(dǎo)體周圍空間中都會產(chǎn)生磁場，而交變磁場則對其周圍閉合電路產(chǎn)生感應(yīng)電勢。如設(shè)備內(nèi)部的線圈或變壓器的漏磁會引起干擾，還有普通的兩根導(dǎo)線平行架設(shè)時(shí)，也會產(chǎn)生磁場干擾。 v公共阻抗耦合公共阻抗耦合v 公共阻抗耦合發(fā)生在兩個(gè)電路的電流流經(jīng)一個(gè)公共阻抗時(shí)，一個(gè)電路在該阻抗上的電壓降會影響到另一個(gè)電路，從而產(chǎn)生干擾噪聲的影響。 4.1.3 過程通道中的干擾過程通道中的干擾v串模干擾串模干擾v 串模干擾是指疊加在被測信號上的干擾噪聲，即干擾串聯(lián)在信號源回路中。 圖4.5 串模干擾v共模干擾

4、共模干擾v 共模干擾是指計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)輸入通道中信號放大器兩個(gè)輸入端上共有的干擾電壓。 圖4.6 共模干擾v長線傳輸干擾長線傳輸干擾v 由生產(chǎn)現(xiàn)場到計(jì)算機(jī)的連線往往長達(dá)數(shù)百米，甚至幾千米。v 信號在長線中傳輸除了會受到外界干擾和引起信號延遲外，還可能會產(chǎn)生波反射現(xiàn)象。v 當(dāng)信號在長線中傳輸時(shí)，由于傳輸線的分布電容和分布電感的影響，信號會在傳輸線內(nèi)部產(chǎn)生正向前進(jìn)的電壓波和電流波，稱為入射波。v 如果傳輸線的終端阻抗與傳輸線的阻抗不匹配，入射波到達(dá)終端時(shí)會引起反射；同樣，反射波到達(dá)傳輸線始端時(shí)，如果始端阻抗不匹配，又會引起新的反射，使信號波形嚴(yán)重畸變。 4.2 過程通道抗干擾技術(shù)過程通道抗干擾技術(shù)

5、v 4.2.1 串模干擾的抑制v 4.2.2 共模干擾的抑制v 4.2.3 長線傳輸干擾的抑制4.2.1 串模干擾的抑制串模干擾的抑制v 對串模干擾的抑制較為困難，因?yàn)楦蓴_Un直接與信號Us串聯(lián)。串模干擾的抑制方法應(yīng)從干擾信號的特性和來源入手，采取相應(yīng)的措施，目前常用的措施有用雙紋線和濾波器兩種。v用雙絞線作信號線用雙絞線作信號線v 串模干擾主要來自空間電磁場，采用雙絞線作信號的目的就是減少電磁感應(yīng)，并使各個(gè)小環(huán)路的感應(yīng)電勢互相呈反向抵消。 v濾波濾波v 采用濾波器抑制串模干擾是一種常用的方法。v 根據(jù)串模干擾頻率與被測信號頻率的分布特性，可以選用低通、高通、帶通等濾波器。v 如果串模干擾頻率

6、比被測信號頻率高，則采用低通濾波器來抑制高頻串模干擾；v 如果串模干擾頻率比被測信號頻率低，則采用高通濾波器來抑制低頻串模干擾；v 如果串模干擾頻率在被測信號頻譜的兩側(cè)，則采用帶通濾波器。圖4.7 濾波電路4.2.2共模干擾的抑制共模干擾的抑制v 共模干擾產(chǎn)生的原因：v 不同“地”之間存在的電壓；v 模擬信號系統(tǒng)對地的漏阻抗引起的電壓。v 共模干擾電壓的抑制：有效隔離兩個(gè)地之間的電聯(lián)系。 v變壓器隔離變壓器隔離v 利用變壓器把現(xiàn)場信號源的地與計(jì)算機(jī)的地隔離開來，也就是把“模擬地”與“數(shù)字地”斷開的方法稱為變壓器隔離。 v光電隔離v 光電隔離是目前計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中最常用的一種抗干擾方法，它使用光

7、電耦合器來完成隔離任務(wù)。v浮地屏蔽v 浮地屏蔽是利用屏蔽層使輸入信號的“模擬地”浮空，使共模輸入阻抗大為提高，共模電壓在輸入回路中引起的共模電流大為減少，從而抑制共模干擾的來源，使共模干擾降至很低的方法。 圖4.9 浮地輸入雙層屏蔽放大電路4.2.3長線傳輸干擾的抑制長線傳輸干擾的抑制v終端阻抗匹配v 終端匹配方法如圖4.10(a)、4.10（(b)所示。圖4.10 兩種終端阻抗匹配電路RRP 1212RRRR Rv始端阻抗匹配v 在傳輸線始端串入電阻，也能基本上消除反射，達(dá)到改善波形的目的。如圖4.11所示。v 始端電阻 RRp一Rscv 式中，Rsc為門A輸出低電平時(shí)的輸出阻抗。圖4.11

8、 始端阻抗匹配4.3 接地技術(shù)接地技術(shù)v 4.3.1 地線系統(tǒng)分析v 4.3.2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)輸入環(huán)節(jié)的接地v 4.3.3 主機(jī)系統(tǒng)的接地4.3.1地線系統(tǒng)分析地線系統(tǒng)分析v 廣義的接地包含兩個(gè)方面，即接實(shí)地和接虛地。v 接實(shí)地指的是與大地連接。v 接虛地指的是與電位基準(zhǔn)點(diǎn)近接，若這個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)與大地電氣絕緣，則稱為浮地連接。v 接地的目的：v 一是保證控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，防止地環(huán)路引起的干擾，這常稱為工作接地；v 二是避免操作人員因設(shè)備的絕緣損壞或下降而遭受觸電危險(xiǎn)和保證設(shè)備的安全、這稱為保護(hù)接地。v接地分類接地分類v 安全接地：分為保護(hù)接地、保護(hù)接零兩種形式。v 保護(hù)接地就是將電氣設(shè)備在

9、正常情況下不帶電的金屬外殼與大地之間用良好的金屬連接。如電腦機(jī)箱的接地。v 保護(hù)接零指用電設(shè)備外殼接到零線，當(dāng)一相絕緣損壞與外殼相連，則由該相、設(shè)備外殼、零線形成閉合回路。 v 工作接地：是為電路正常工作而提供的一個(gè)基準(zhǔn)電位。這個(gè)基準(zhǔn)電位一般設(shè)定為零。該基準(zhǔn)電位可以設(shè)為電路系統(tǒng)中的某一點(diǎn)、某一段或某一塊等，一般是控制回路直流電源的負(fù)端。v 工作接地有三種方式：浮地方式、直接接地方式、電容接地方式。v 浮地方式：設(shè)備的整個(gè)地線系統(tǒng)和大地之間無導(dǎo)體連接，以懸浮的“地”作為系統(tǒng)的參考電平。 v 直接接地方式：設(shè)備的地線系統(tǒng)與大地之間良好連接。 v 電容接地方式：即通過電容把設(shè)備的地線與大地相連。 v

10、 屏蔽接地v 為了抑制變化電場的干擾，計(jì)算機(jī)控制裝置以及電子設(shè)備中廣泛采用屏蔽保護(hù)。如變壓器的初、次級間的屏蔽層，功能器件或線路的屏蔽罩等。v 屏蔽接地指屏蔽用的導(dǎo)體與大地之間的良好連接。目的是為了充分抑制靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)的干擾。v接地技術(shù)v 浮地屏蔽接地v 計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)中，常采用數(shù)字電子裝置和模擬電子裝置的工作基準(zhǔn)地浮空，而設(shè)備外殼或機(jī)箱采用屏蔽接地。 v 一點(diǎn)接地v 一點(diǎn)接地技術(shù)又有串聯(lián)一點(diǎn)接地和并聯(lián)一點(diǎn)接地兩種形式 。圖4.12一點(diǎn)接地的兩種方法v 多點(diǎn)接地v 將地線用匯流排代替，所有的地線均接至匯流排上。這樣連接時(shí)，地線長度較短，減少了地線感抗。尤其在高頻電路中，地線越長，其中的感

11、抗分量越大，而采用一點(diǎn)接地技術(shù)的地線長度較長，所以高頻電路中，宜采用多點(diǎn)接地技術(shù)。v 屏蔽接地v 低頻電路電纜的屏蔽層接地：電纜的屏蔽層接地應(yīng)采用單點(diǎn)接地的方式，屏蔽層接地點(diǎn)應(yīng)當(dāng)與電路的接地點(diǎn)一致。對于多層屏蔽電纜，每個(gè)屏蔽層應(yīng)在一點(diǎn)接地，但各屏蔽層應(yīng)相互絕緣。v 高頻電路電纜的屏蔽層接地：高頻電路電纜的屏蔽層接地應(yīng)采用多點(diǎn)接地的方式。高頻電路的信號在傳遞中會產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁輻射，數(shù)字信號的傳輸會嚴(yán)重地衰減，如果沒有良好的屏蔽，會使數(shù)字信號產(chǎn)生錯(cuò)誤。 v 系統(tǒng)的屏蔽層接地：當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)需要抵抗外界電磁干擾，或需要防止系統(tǒng)對外界產(chǎn)生電磁干擾時(shí)，應(yīng)將整個(gè)系統(tǒng)屏蔽起來，并將屏蔽體接到系統(tǒng)地上。例如電腦的

12、機(jī)箱等。 v 設(shè)備接地v 50Hz電源零線應(yīng)接到安全接地螺栓處，對于獨(dú)立的設(shè)備，安全接地螺栓設(shè)在設(shè)備金屬外殼上，并有良好電氣連接；為防止機(jī)殼帶電，危及人身安全，絕對不允許用電源零線作地線代替機(jī)殼地線。 v 為防止高電壓、大電流和強(qiáng)功率電路（如繼電器電路等）對低電壓電路（如高頻電路等）的干擾，一定要將它們分開接地，并保證接地點(diǎn)之間的距離。前者為功率地（強(qiáng)電地），后者為信號地（弱電地），信號地分為數(shù)字地和模擬地，數(shù)字地與模擬地要分開接地，最好采用單獨(dú)電源供電并分別接地，信號地線應(yīng)與功率地線和機(jī)殼地線相絕緣。4.3.2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)輸入環(huán)節(jié)的接地計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)輸入環(huán)節(jié)的接地v 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的輸

13、入環(huán)節(jié)中，傳感器、變送器、放大器通常采用屏蔽罩，而信號的傳送往往采用屏蔽線。屏蔽層的接地也采用單點(diǎn)接地的原則。輸人信號源的地有接地和浮地兩種情況，相應(yīng)的接地電路也有兩種情況。 圖4.13輸入環(huán)節(jié)的接地方式4.3.3 主機(jī)系統(tǒng)的接地主機(jī)系統(tǒng)的接地v (1)主機(jī)一點(diǎn)接地v 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的主機(jī)架內(nèi)采用分別回流法接地方式。主機(jī)與外部設(shè)各地的連接采用一點(diǎn)連接。 圖4.14主機(jī)一點(diǎn)接地v (2)主機(jī)外殼接地，機(jī)芯浮空v 為了提高計(jì)算機(jī)的抗干擾能力，將主機(jī)外殼當(dāng)作屏蔽罩接地，而機(jī)芯內(nèi)器件架空與外殼絕緣隔離，絕緣電阻大于50M，即機(jī)內(nèi)信號地浮空。 圖4.15 主機(jī)外殼接地機(jī)芯浮空(3)多機(jī)系統(tǒng)的接地4.4

14、供電技術(shù)供電技術(shù)v 4.4.1 交流電源環(huán)節(jié)抗干擾技術(shù)v 4.4.2 直流電源環(huán)節(jié)抗干擾技術(shù)v 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)常用的供電結(jié)構(gòu)如圖4.16所示。 v 供電系統(tǒng)分為交流電源環(huán)節(jié)和直流電源環(huán)節(jié)。 圖4.16計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)常用的供電結(jié)構(gòu)4.4.1 交流電源環(huán)節(jié)抗干擾技術(shù)交流電源環(huán)節(jié)抗干擾技術(shù)v1選用供電較為穩(wěn)定的交流電源選用供電較為穩(wěn)定的交流電源v 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的電源進(jìn)線要盡量選用比較穩(wěn)定的交流電源線，至少不要將控制系統(tǒng)接到負(fù)載變化大、功率器件多或者有高頻設(shè)備的電源上。v2利用干擾抑制器消除尖峰干擾利用干擾抑制器消除尖峰干擾v 干擾抑制器是一種四端網(wǎng)絡(luò)、使用簡單。v3采用交流穩(wěn)壓器和低通濾波器穩(wěn)定電

15、網(wǎng)電壓采用交流穩(wěn)壓器和低通濾波器穩(wěn)定電網(wǎng)電壓v 采用交流穩(wěn)壓器是為了抑制電網(wǎng)電壓的波動，提高計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，交流穩(wěn)壓器能把輸出波形畸變控制在5以內(nèi)，還可以對負(fù)載短路起限流保護(hù)作用。低通濾波器是為了濾除電網(wǎng)中混雜的高頻干擾信號，保證50Hz基波通過。v4利用不間斷電源保證不間斷供電利用不間斷電源保證不間斷供電4.4.2 直流電源環(huán)節(jié)抗干擾技術(shù)直流電源環(huán)節(jié)抗干擾技術(shù)v1交流電源變壓器的屏蔽交流電源變壓器的屏蔽v 將電源變壓器的原級、副級分別加以屏蔽，原級的屏蔽層與鐵芯同時(shí)接地。在要求更高的場合，可采用層間也加屏蔽的結(jié)構(gòu)。v2采用開關(guān)電源采用開關(guān)電源v 直流開關(guān)電源即采用功率器件獲得直流電的電源，為脈寬調(diào)制型電源，通常脈沖頻率可達(dá)20kHz，具有體積小、重量輕、效率高、電網(wǎng)電壓變化大，電網(wǎng)電壓變化時(shí)不會輸出過電壓或欠電壓，輸出電壓保持時(shí)間長等優(yōu)點(diǎn)。并關(guān)電源原級、副級之間具有較好的隔離，對于交流電網(wǎng)上的高頻脈沖干擾有較強(qiáng)的隔離能力。v3