第三章_測控系統(tǒng)抗干擾技術(shù)

1、2021-10-241第三章第三章 計算機測控系統(tǒng)的計算機測控系統(tǒng)的 抗干擾技術(shù)抗干擾技術(shù)2021-10-242干擾含義干擾含義：有用信號以外的噪聲或造成計算機設(shè)備不能正常有用信號以外的噪聲或造成計算機設(shè)備不能正常 工作的破壞因素。工作的破壞因素。 干擾是在信號輸入、傳輸和輸出過程中出現(xiàn)的一些有害的電氣變化現(xiàn)象。這些變化迫使信號的傳輸值、 指示值或輸出值出現(xiàn)誤差, 出現(xiàn)假像。干擾的危害干擾的危害：干擾對電路的影響, 輕則降低信號的質(zhì)量, 影響 系統(tǒng)的穩(wěn)定性; 重則破壞電路的正常功能, 造成 邏輯關(guān)系混亂, 控制失靈。2021-10-243研究的內(nèi)容：研究的內(nèi)容：干擾源、干擾類型、干擾傳播途徑、

2、干擾源、干擾類型、干擾傳播途徑、 抗干擾措施?？垢蓴_措施。系統(tǒng)抗干擾策略：系統(tǒng)抗干擾策略：軟硬結(jié)合抗干擾。硬件措施應(yīng)當將大部軟硬結(jié)合抗干擾。硬件措施應(yīng)當將大部 分干擾消除，軟件措施消除余下的部分。分干擾消除，軟件措施消除余下的部分?？煽啃裕煽啃裕≧eliability）：系統(tǒng)的可靠程度。與系統(tǒng)的內(nèi)在系統(tǒng)的可靠程度。與系統(tǒng)的內(nèi)在 質(zhì)量、系統(tǒng)的設(shè)計水平、使用環(huán)境、運行維護水平質(zhì)量、系統(tǒng)的設(shè)計水平、使用環(huán)境、運行維護水平 有關(guān)。是衡量系統(tǒng)的主要性能指標。有關(guān)。是衡量系統(tǒng)的主要性能指標。 包括：包括：硬件的可靠性、軟件的可靠性。影響系統(tǒng)硬件可硬件的可靠性、軟件的可靠性。影響系統(tǒng)硬件可靠性的主要因素就

3、是干擾?？啃缘闹饕蛩鼐褪歉蓴_。2021-10-2443.1 干擾源及干擾分類干擾源及干擾分類3.1.1 干擾源干擾源干擾源：干擾的來源或造成干擾的原因。干擾源：干擾的來源或造成干擾的原因。分類：分類： 按干擾源來分，有內(nèi)部干擾和外部干擾。按干擾源來分，有內(nèi)部干擾和外部干擾。1.內(nèi)部干擾內(nèi)部干擾 由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、制造工藝、安裝等內(nèi)在原因引起的干擾。由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、制造工藝、安裝等內(nèi)在原因引起的干擾。 主要原因：主要原因： (1)元器件噪聲；元器件噪聲； (2)分布電容、電感引起的電磁感應(yīng)；分布電容、電感引起的電磁感應(yīng)； (3)長線傳輸中波的反射；長線傳輸中波的反射； (4)多點接地引起的電位差；多點接

4、地引起的電位差； (5)電源系統(tǒng)引入的干擾。電源系統(tǒng)引入的干擾。2021-10-2453.1.1 2.外部干擾外部干擾 由外界環(huán)境因素引起的干擾。由外界環(huán)境因素引起的干擾。 主要原因：主要原因：(1)大功率設(shè)備、輸大功率設(shè)備、輸電線路發(fā)生的電磁場；電線路發(fā)生的電磁場；(2)廣播和通信設(shè)備廣播和通信設(shè)備發(fā)射的無線電波；發(fā)射的無線電波；(3)自然界干擾，包括：天體自然界干擾，包括：天體輻射、雷電、氣溫、濕度等。輻射、雷電、氣溫、濕度等。 *內(nèi)外干擾本質(zhì)相同內(nèi)外干擾本質(zhì)相同,相互關(guān)聯(lián)相互關(guān)聯(lián),相互作用。通常采取相互作用。通常采取消除干消除干擾源、避開干擾源、切斷干擾傳播途徑擾源、避開干擾源、切斷干擾

5、傳播途徑的方法，有效消的方法，有效消除干擾。除干擾。干擾作用方式分類：干擾作用方式分類：串模干擾、共模干擾、串模干擾、共模干擾、長線傳輸干擾長線傳輸干擾2021-10-2463.1.2 串模干擾串模干擾串模干擾：串模干擾：串聯(lián)于有用信號回路之中的干擾，即疊加在有用信號之上。串聯(lián)于有用信號回路之中的干擾，即疊加在有用信號之上。原因原因(1) 內(nèi)部干擾（信號源內(nèi)部疊加的干擾）內(nèi)部干擾（信號源內(nèi)部疊加的干擾） (2) 電磁耦合引起的干擾（長線傳輸、空間電磁場、工頻干擾）電磁耦合引起的干擾（長線傳輸、空間電磁場、工頻干擾） 串模干擾示意圖串模干擾示意圖 電磁耦合引入串模干擾電磁耦合引入串模干擾 UsU

6、n信號信號接收接收端端2021-10-247圖3-1 串模干擾示意圖A/D轉(zhuǎn)換器UsUg信號源A/D轉(zhuǎn)換器UsUg理想被測信號UsOUgOt串模干擾信號UcOtt實測信號(a)(b)(c)2021-10-248串模抑制比：串模抑制比：衡量系統(tǒng)抑制串模干擾的能力。衡量系統(tǒng)抑制串模干擾的能力。定義定義： NMRR = 20lg(Un / Ui) (dB) Un:串模干擾信號的幅值；串模干擾信號的幅值； Ui：Un引起輸出的改變折合到輸入端的偏移量。引起輸出的改變折合到輸入端的偏移量。效果：效果：Ui越小，抗串模干擾的能力越強，即越小，抗串模干擾的能力越強，即NMRR越大。越大。3.1.2串模干擾也

7、稱為差模干擾、橫向干擾、常模干擾或常態(tài)干擾串模干擾也稱為差模干擾、橫向干擾、常模干擾或常態(tài)干擾。2021-10-2493.1.3 共模干擾共模干擾 共模干擾共模干擾：共模干擾是系統(tǒng)共模干擾是系統(tǒng)2個輸入端上共有的干擾電壓。個輸入端上共有的干擾電壓。 也稱對地干擾、共態(tài)干擾。也稱對地干擾、共態(tài)干擾。 原因原因：被測信號的接地點和計算機輸入信號的參考接地點，被測信號的接地點和計算機輸入信號的參考接地點，存在一定的電位差。存在一定的電位差。 共模干擾示意圖共模干擾示意圖 UA=Us+Ucm UB=Ucm Us信號信號接收接收端端 UcmAB2021-10-2410圖圖9.3 串模干擾與共模干擾波形串

8、模干擾與共模干擾波形(a) 直流信號； (b) 串模干擾； (c) 共模干擾； (d) 串模干擾與共模干擾共同作用2021-10-24113.1.3 由于現(xiàn)場與計算機之間相差幾米甚至幾千米，取決于現(xiàn)由于現(xiàn)場與計算機之間相差幾米甚至幾千米，取決于現(xiàn)場情況和計算機的接地情況，場情況和計算機的接地情況，Ucm可以是直流，也可以是交可以是直流，也可以是交流；幅值可以是幾伏甚至幾十伏。流；幅值可以是幾伏甚至幾十伏。 共模干擾的影響共模干擾的影響：共模干擾對放大器的影響，是因轉(zhuǎn)換共模干擾對放大器的影響，是因轉(zhuǎn)換成串模干擾而加到輸入端的。成串模干擾而加到輸入端的。 共模抑制比：共模抑制比：衡量系統(tǒng)抑制共模干

9、擾轉(zhuǎn)化為串模干擾的衡量系統(tǒng)抑制共模干擾轉(zhuǎn)化為串模干擾的能力。能力。 定義：定義： CMRR = 20lg(Ucm/Un) (dB) Un:是共模干擾信號是共模干擾信號Ucm轉(zhuǎn)換成串模干擾的電壓幅值；轉(zhuǎn)換成串模干擾的電壓幅值； 效果：效果：Un越小，抗共模干擾的能力越強，即越小，抗共模干擾的能力越強，即CMRR越大。越大。 CMRR與信號的輸入方式有關(guān)，分單端輸入和差動輸入與信號的輸入方式有關(guān)，分單端輸入和差動輸入2種種形式。形式。2021-10-24121.單端輸入：一個單端輸入：一個輸入信號，地端為輸入信號，地端為參考電壓；參考電壓；2.差動輸入：差動輸入：2個個輸入信號，輸入信號，1個是個

10、是高電平，一個是低高電平，一個是低電平，以電平，以2個信號個信號的差值來決定信的差值來決定信號的幅值。號的幅值。3.1.3Us信號信號接收接收器器UcmZ iA單端對地輸入單端對地輸入ZsIcZs1Us信號信號接收接收器器UcmZc1A差動輸入差動輸入Ic1Zs2Ic2Zc2A2021-10-24133.1.4 干擾傳播的途徑干擾傳播的途徑1電路傳播的干擾：任何電路在傳遞與處理有效信號的同電路傳播的干擾：任何電路在傳遞與處理有效信號的同時，也會對進入電路中的干擾信號進行傳遞。時，也會對進入電路中的干擾信號進行傳遞。 (1)漏電阻漏電阻: 理論上與干擾源斷開的電路，由于漏電阻會形成理論上與干擾源

11、斷開的電路，由于漏電阻會形成回路，導致干擾的引入?；芈?，導致干擾的引入。 (2) 公共阻抗公共阻抗 公共電源線的阻抗耦合公共電源線的阻抗耦合有效信號有效信號高壓線高壓線漏電阻漏電阻匯流條匯流條Rp1Rp2RpnRn1Rn2Rnni1i2ini1i1+i2njjij1回流條回流條2021-10-2414 模擬信號和數(shù)字信號分開接地模擬信號和數(shù)字信號分開接地: : （a）未分開接地）未分開接地 （b）未分開接地）未分開接地 （c）分開接地）分開接地（3）信號輸入）信號輸入/輸出回路輸出回路（4）電源回路）電源回路3.1.4模擬模擬系統(tǒng)系統(tǒng)數(shù)字數(shù)字系統(tǒng)系統(tǒng)模擬模擬系統(tǒng)系統(tǒng)數(shù)字數(shù)字系統(tǒng)系統(tǒng)模擬模擬系統(tǒng)

12、系統(tǒng)數(shù)字數(shù)字系統(tǒng)系統(tǒng)2021-10-24153.1.42、電磁場傳播的干擾電磁場傳播的干擾 靜電耦合：靜電耦合：靜電場干擾通過分布電容耦合進入系統(tǒng)靜電場干擾通過分布電容耦合進入系統(tǒng) 兩根平行導線之間的、印刷線路之間、變壓器線兩根平行導線之間的、印刷線路之間、變壓器線匝之間、繞組之間都可能構(gòu)成分布電容。匝之間、繞組之間都可能構(gòu)成分布電容。 (2)電磁耦合：電磁耦合：電磁耦合干擾通過電感引入感應(yīng)電勢電磁耦合干擾通過電感引入感應(yīng)電勢 兩條平行導線間會產(chǎn)生磁場耦合兩條平行導線間會產(chǎn)生磁場耦合 (3) 輻射電磁場耦合：輻射電磁場耦合：具有天線效應(yīng)的電源線和長信號線具有天線效應(yīng)的電源線和長信號線會對空間電

13、磁場產(chǎn)生接收作用，感應(yīng)出干擾信號。會對空間電磁場產(chǎn)生接收作用，感應(yīng)出干擾信號。 2021-10-24163.2 干擾抑制干擾抑制1消除或抑制干擾源消除或抑制干擾源 消除和抑制干擾源是行之有效的抗干擾措施之一，如：選擇熱噪聲小的元器件、把產(chǎn)生干擾的大功率設(shè)備移開、避免信號電纜與電源電纜平行敷設(shè)、在各種強電觸點開關(guān)上采取消弧措施等等。2切斷引入干擾的途徑切斷引入干擾的途徑(1) 提高絕緣性能，消除或抑制漏電阻；(2) 正確的接地技術(shù)；(3) 隔離技術(shù)，切斷信號傳輸中電的聯(lián)系；(4) 屏蔽、浮置技術(shù)，防止電磁場干擾； (5) 濾波技術(shù)，阻止干擾信號進入系統(tǒng)。3提高設(shè)備本身抗干擾的性能提高設(shè)備本身抗干

14、擾的性能 使用高質(zhì)量元器件、優(yōu)化設(shè)計線路板等2021-10-24173.2.1 串模干擾的抑制串模干擾的抑制1濾波技術(shù)濾波技術(shù) 濾波是抗串模干擾的通常做法，在有效信號和干擾信號特性顯著不同時，則濾波效果十分有效。 濾波器的形式： - 低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器等； - 模擬濾波器、數(shù)字濾波器； 模擬濾波器又分： - 無源濾波器和有源濾波器（濾波+放大）2使用雙積分式使用雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 克服工頻干擾以及對稱干擾的影響。3使用雙絞屏蔽信號傳輸線使用雙絞屏蔽信號傳輸線 減少電磁感應(yīng)產(chǎn)生的干擾 4選用高抗干擾性的元器件選用高抗干擾性的元器件：高邏輯電平高邏輯電平 、V/F轉(zhuǎn)換器5供

15、電技術(shù)與阻抗匹配技術(shù)供電技術(shù)與阻抗匹配技術(shù)2021-10-24183.2.2 共模干擾的抑制共模干擾的抑制1差動輸入差動輸入2隔離技術(shù)隔離技術(shù) 切斷電量通道，把信號側(cè)與輸入側(cè)隔離開來，使共模電切斷電量通道，把信號側(cè)與輸入側(cè)隔離開來，使共模電壓形不成電流電路，以光耦合或磁耦合作用將有效信號傳遞壓形不成電流電路，以光耦合或磁耦合作用將有效信號傳遞至輸入端。至輸入端。 光電隔離 ：傳輸脈沖信號，也可傳遞模擬信號 變壓器隔離：對信號進行調(diào)制和解調(diào)3浮地與屏蔽浮地與屏蔽 浮地：使模擬地浮空，提高整個回路對于共模干擾電壓的阻抗屏蔽：屏蔽外部電磁場對模擬放大部分的干擾 模擬量輸入通道采用三線采樣、雙層屏蔽、

16、放大器浮地模擬量輸入通道采用三線采樣、雙層屏蔽、放大器浮地的方式的方式 ，電路原理框圖如圖3-13所示 。三線采樣保證在非采樣期間切斷Ucm形成電流回路，雙層屏蔽和浮地大大提高了CMRR 2021-10-2419圖圖3-11 變壓器隔離電路變壓器隔離電路圖圖3-12 光電隔離光電隔離 2021-10-2420圖3-13 三線采樣、雙層屏蔽、放大器浮地原理圖2021-10-24213.2.3 長線傳輸干擾的抑制長線傳輸干擾的抑制 終端（始端）阻抗匹配技術(shù)終端（始端）阻抗匹配技術(shù)： 針對傳輸線的阻抗（雙絞線的波阻抗一般在100200之間，同軸電纜的波阻抗在50100之間）。設(shè)計適宜的終端（始端）阻

17、抗匹配電路。 2021-10-24223.3 其它抗干擾技術(shù)其它抗干擾技術(shù)3.3.1地線與接地技術(shù)計算機控制系統(tǒng)中的地線有計算機控制系統(tǒng)中的地線有: : 安全地： 機殼地或屏蔽地，特征是不作為電流回流的地線。接地電阻要求小于5 電源或信號參考電位：電源或信號的參考地電位 數(shù)字地、 模擬地、 功率地2021-10-2423接地的應(yīng)用原則接地的應(yīng)用原則 (1) 一般高頻電路應(yīng)就近多點接地, 低頻電路應(yīng)一點接地。在高頻電路中, 地線上具有電感, 因而增加了地線阻抗, 而且地線變成了天線, 向外輻射噪聲信號, 因此, 要多點就近接地。在低頻電路中, 接地電路若形成環(huán)路, 對系統(tǒng)影響很大, 因此應(yīng)一點接

18、地。 2021-10-24243.3.1單點接地單點接地電路電路1電路電路2電路電路3串聯(lián)一點接地串聯(lián)一點接地并聯(lián)一點接地并聯(lián)一點接地電路電路1電路電路2電路電路3信號地線信號地線噪聲地線噪聲地線金屬件接地金屬件接地實用低頻接地實用低頻接地2021-10-2425 (2) 交流地、功率地與信號地不能公用。 流過交流地和功率地的電流較大, 會造成數(shù)毫伏、甚至幾伏電壓, 這會嚴重地干擾低電平信號的電路, 因此信號地與交流地、功率地分開。 (3) 數(shù)字地與模擬地應(yīng)分開, 最后單點相連。 數(shù)字地模擬地安全地(機殼地)系統(tǒng)地接地板橫匯流條縱匯流條橫匯流條縱匯流條模擬地數(shù)字地圖3.17(a) 回流法接地示

19、例分別回流法分別回流法：電路中把模擬地和數(shù)字地分開，采用匯流條分別走線，最終在一點把兩個地接在一起。 2021-10-24263.3.1信號屏蔽層接地：單點接地信號屏蔽層接地：單點接地機柜接地：機柜接地： 機柜內(nèi)安裝的內(nèi)部機件外殼應(yīng)保證與機柜有很好的接觸，機柜應(yīng)當與大地一點相連。 內(nèi)部電路應(yīng)當浮空，與機柜的絕緣電阻應(yīng)大于50M。2021-10-24271、供電技術(shù)供電技術(shù) 圖圖 一般供電結(jié)構(gòu)一般供電結(jié)構(gòu)交流交流穩(wěn)壓器穩(wěn)壓器低低 通通濾波器濾波器計算機計算機直直 流流 穩(wěn)壓器穩(wěn)壓器220V AC3.3.2 電源及供電技術(shù)電源及供電技術(shù)2021-10-24283.3.2 電源及供電技術(shù)電源及供電技

20、術(shù)2. 抗電源干擾技術(shù)抗電源干擾技術(shù)(1)交流電源系統(tǒng)的抗干擾交流電源系統(tǒng)的抗干擾 消除電源中高頻干擾，常采用帶屏蔽的變壓器隔離和濾波技術(shù) (2) 直流電源系統(tǒng)的抗干擾直流電源系統(tǒng)的抗干擾采用逆變式開關(guān)電源(DC/DC變換器): 防止工頻干擾 采用退耦電容器 ：以消除電源內(nèi)阻所產(chǎn)生的干擾 分組供電。 把變壓器隔離，光電隔離輸入與輸出部分的電源分開，單獨供電。（3）電源保護）電源保護 配置不間斷電源裝置（UPS）。在正常情況下，來自電網(wǎng)的220VAC給系統(tǒng)供電，同時，也對電池組充電。當交流供電中斷后，控制器立即將開關(guān)切至逆變器的輸出端，電池組為逆變器供電，輸出交流220V電壓，對系統(tǒng)供電。 設(shè)置

21、雙回路供電系統(tǒng)、掉電中斷等2021-10-24293.3.2 軟件抗干擾技術(shù)軟件抗干擾技術(shù)1、數(shù)字濾波數(shù)字濾波 數(shù)字濾波是通過一定的算法程序，進一步消除信號中的低頻或高頻干擾。數(shù)字濾波算法種類很多，常用的如：算術(shù)平均濾波可消除周期性干擾信號；中值濾波可去掉脈沖性的干擾；一階滯后濾波相當于RC濾波器。 2、信號監(jiān)督信號監(jiān)督 充分利用計算機的判斷能力，對系統(tǒng)輸入與輸出信號進行判別與監(jiān)督。如上下限監(jiān)督、多測點表決方式輸入 、接入標準驗證信號等。 3、系統(tǒng)監(jiān)督系統(tǒng)監(jiān)督 對整個計算機系統(tǒng)工作狀態(tài)的監(jiān)督 ，如診斷程序等。2021-10-2430計算機控制系統(tǒng)工作特點：計算機控制系統(tǒng)工作特點： 環(huán)境惡劣、干

22、擾嚴重、對可靠性要求高環(huán)境惡劣、干擾嚴重、對可靠性要求高對計算機控制系統(tǒng)的評價：對計算機控制系統(tǒng)的評價： 性能指標、可靠性性能指標、可靠性 （兩方面都重要）（兩方面都重要） 3.4 系統(tǒng)的可靠性系統(tǒng)的可靠性2021-10-24313.4.1 系統(tǒng)可靠性指標系統(tǒng)可靠性指標 什么是計算機控制系統(tǒng)的可靠性什么是計算機控制系統(tǒng)的可靠性？ 在規(guī)定的條件下、在規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定任務(wù)的能在規(guī)定的條件下、在規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定任務(wù)的能力。是個定性的概念。力。是個定性的概念。 有兩層含義：有兩層含義： 在規(guī)定時間內(nèi)無故障運行；在規(guī)定時間內(nèi)無故障運行； 故障后維修方便。故障后維修方便。 2021-10-2432

23、可靠性的定量描述：可靠性的定量描述： 如下圖，系統(tǒng)運行時間 后發(fā)生故障，需維修時間 。 ktkT, 2 , 1 k可定義以下可靠性指標可定義以下可靠性指標： 2021-10-2433可靠性指標可靠性指標：(1)可靠度可靠度R(t) 可靠度的定義：可靠度的定義：產(chǎn)品在規(guī)定的條件和規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定功能的概率。設(shè)t為運行時間，N0為相同的控制系統(tǒng)數(shù)(足夠大) ,NS為該段時間內(nèi)未發(fā)生故障的控制系統(tǒng)數(shù),則: 0)(NNtRS(2)失效率失效率(t) 失效率的定義：失效率的定義：單位時間內(nèi)發(fā)生故障的次數(shù)。 niitn1總工作時間失效次數(shù)2021-10-2434可靠性指標可靠性指標：圖3-21電子產(chǎn)品

24、的失效率曲線 早期故障期：元器件質(zhì)量原因，通過投運前考機、調(diào)試排除 偶然故障期：系統(tǒng)穩(wěn)定期 失效故障期：部分器件壽命到期 2021-10-2435（3）平均無故障時間）平均無故障時間 MTBF(Mean Time Between Failure) 1MTBF平均維護時間MTTR(Mean Time To Repair) 維護次數(shù)總維護時間MTTR (4)利用率利用率A MTBFAMTBFMTTR 要獲得盡可能大的可利用率，應(yīng)當使MTBF盡可能大，使MTTR盡可能地小。 2021-10-24363.4.2 系統(tǒng)可靠性分析系統(tǒng)可靠性分析一、一、串聯(lián)模型串聯(lián)模型 組成系統(tǒng)的所有單元中任一單元的故障就會導致整個系統(tǒng)故障的系統(tǒng)稱串聯(lián)系統(tǒng)。它屬于非貯備可靠性模型，其邏輯框圖如圖所示。 123nniistRtR1)()(式中 Rs (t)系統(tǒng)的可靠度； Ri (t)第i個單元的可靠度2021-10-2437系統(tǒng)可靠性模型(串聯(lián)模型)n若各單元的壽命分布均為指數(shù)分布，即 式中 s系統(tǒng)的故障率； i各單元的故障率。 tiietR)(ttn