第2章c 總線接口與過程通道new

1、第第2 2章章 總線接口與過程通道總線接口與過程通道計算機控制技術計算機控制技術黃國宏黃國宏廣東工業(yè)大學信息工程學院應用電子系廣東工業(yè)大學信息工程學院應用電子系 第第2 2章章 總線接口與過程通道總線接口與過程通道2.5 硬件抗干擾技術硬件抗干擾技術 2.5.1 過程通道抗干擾技術 2.5.2 CPU抗干擾技術 2.5.3 系統(tǒng)供電與接地技術第第2 2章章 總線接口與過程通道總線接口與過程通道干擾干擾：就是有用信號以外的噪聲或造成計算機設備不：就是有用信號以外的噪聲或造成計算機設備不能正常工作的破壞因素。能正常工作的破壞因素?？垢蓴_措施抗干擾措施：硬件措施，軟件措施，軟硬結合的措施。：硬件措施

2、，軟件措施，軟硬結合的措施。干擾的來源干擾的來源：外部干擾和內部干擾。：外部干擾和內部干擾。 1、外部干擾外部干擾 指那些與系統(tǒng)結構無關，而是由外界指那些與系統(tǒng)結構無關，而是由外界環(huán)境因素環(huán)境因素決定決定的。外部干擾主要是的。外部干擾主要是空間電或磁空間電或磁的影響，的影響，環(huán)境溫環(huán)境溫 度度、濕度濕度等等氣象條件氣象條件。第第2 2章章 總線接口與過程通道總線接口與過程通道 2、內部干擾內部干擾 是由是由系統(tǒng)結構系統(tǒng)結構、制造工藝制造工藝等決定的。等決定的。 內部干擾主要是內部干擾主要是分布電容分布電容、分布電感分布電感引起的引起的耦合感耦合感應應，電磁場輻射感應電磁場輻射感應，長線傳輸?shù)牟?/p>

3、反射長線傳輸?shù)牟ǚ瓷洌帱c接地多點接地造成的電位差造成的電位差引起的干擾，引起的干擾，寄生振蕩寄生振蕩引起的干擾，甚引起的干擾，甚至至元器件產生的噪聲元器件產生的噪聲。第第2 2章章 總線接口與過程通道總線接口與過程通道2.6.1 過程通道抗干擾技術過程通道抗干擾技術1.串模干擾及其抑制方法串模干擾及其抑制方法 (1) 串模干擾串模干擾 所謂串模干擾是指疊加在所謂串模干擾是指疊加在被測信號上被測信號上的干擾噪聲。的干擾噪聲。也稱為也稱為常態(tài)干擾常態(tài)干擾。第第2 2章章 總線接口與過程通道總線接口與過程通道（2）串模干擾的抑制方法）串模干擾的抑制方法 如果串模干擾如果串模干擾頻率頻率比被測信號頻

4、率高，則采用輸入低通比被測信號頻率高，則采用輸入低通濾波器來抑制高頻率串模干擾；濾波器來抑制高頻率串模干擾； 如果串模干擾如果串模干擾頻率頻率比被測信號頻率低，則采用高通濾波比被測信號頻率低，則采用高通濾波器來抑制低頻串模干擾；器來抑制低頻串模干擾； 如果串模干擾如果串模干擾頻率頻率落在被測信號頻譜的兩側，則應用帶落在被測信號頻譜的兩側，則應用帶通濾波器。通濾波器。主要從干擾信號的主要從干擾信號的特性特性和和來源來源入手。入手。第第2 2章章 總線接口與過程通道總線接口與過程通道 一般情況下，一般情況下，串模干擾均比被測信號變化快串模干擾均比被測信號變化快，故常，故常用用二級阻容低通濾波網絡二

5、級阻容低通濾波網絡作為作為模模/數(shù)轉換器的輸入濾波數(shù)轉換器的輸入濾波器器。當被測信號變化較快時，應相應改變網絡參數(shù)，以。當被測信號變化較快時，應相應改變網絡參數(shù)，以適當減小時間常數(shù)。適當減小時間常數(shù)。第第2 2章章 總線接口與過程通道總線接口與過程通道 2) 當當尖峰型串模干擾尖峰型串模干擾成為主要干擾源時，用雙積分成為主要干擾源時，用雙積分式式A/D轉換器可以削弱串模干擾的影響。轉換器可以削弱串模干擾的影響。 因為此類轉換器是對輸入信號的積分值進行測量，因為此類轉換器是對輸入信號的積分值進行測量，而不是測量信號的瞬時值。若干擾信號是周期性的而而不是測量信號的瞬時值。若干擾信號是周期性的而積分

6、時間又為信號周期或信號周期的整數(shù)倍，則積分積分時間又為信號周期或信號周期的整數(shù)倍，則積分后干擾值為零，對測量結果不產生誤差。后干擾值為零，對測量結果不產生誤差。第第2 2章章 總線接口與過程通道總線接口與過程通道 3) 對于串模干擾主要來自對于串模干擾主要來自電磁感應電磁感應的情況下，對被測信的情況下，對被測信號應盡可能早地進行前置放大，從而達到提高回路中的號應盡可能早地進行前置放大，從而達到提高回路中的信號噪聲比的目的；信號噪聲比的目的； 或者盡可能早地完成或者盡可能早地完成模模/數(shù)轉換數(shù)轉換或采取或采取隔離隔離和和屏蔽屏蔽等等措施。措施。第第2 2章章 總線接口與過程通道總線接口與過程通道

7、 4) 從選擇邏輯器件邏輯器件入手，利用邏輯器件的特性來抑制串模干擾。5) 采用雙絞線雙絞線作信號引線的目的是減少電磁感應，并且使各個小環(huán)路的感應電勢互相呈反向抵消。選用帶有屏蔽的雙絞線或同軸電纜做信號線，且有良好接地，并對測量儀表進行電磁屏蔽。 第第2 2章章 總線接口與過程通道總線接口與過程通道 2共模干擾及其抑制方法 (1) 共模干擾共模干擾 所謂共模干擾共模干擾是指模模/數(shù)轉換器兩個輸入端上公有的干數(shù)轉換器兩個輸入端上公有的干擾電壓擾電壓。共模干擾也稱為共態(tài)干擾共態(tài)干擾。 被測信號Us的參考接地點參考接地點和計算機輸入信號的參考接計算機輸入信號的參考接地點地點之間往往存在著一定的電位差

8、電位差Ucm 第第2 2章章 總線接口與過程通道總線接口與過程通道共模干擾示意圖共模干擾示意圖 對于模模/數(shù)轉換器的兩個輸入端數(shù)轉換器的兩個輸入端來說，分別有Us+Ucm和Ucm兩個輸入信號。顯然，Ucm是共模干擾電壓。第第2 2章章 總線接口與過程通道總線接口與過程通道 在計算機控制系統(tǒng)中，被測信號被測信號有單端對地輸入單端對地輸入和雙端不對地雙端不對地兩種輸入方式，如下圖所示。 對于存在共模干擾共模干擾的場合，不能采用單端對地輸入單端對地輸入方式方式，因為此時的共模干擾電壓共模干擾電壓將全部成為串模干擾電串模干擾電壓壓，如左圖所示。所以必須采用雙端輸入不對地方式雙端輸入不對地方式，如右圖所

9、示。第第2 2章章 總線接口與過程通道總線接口與過程通道 ZS、ZS1、ZS2為信號源信號源US的內阻抗的內阻抗，ZC、ZC1、ZC2為輸輸入電路的輸入阻抗入電路的輸入阻抗。共模干擾電壓Ucm對兩個輸入端形成兩個電流回路，每個輸入端輸入端A和和B的共模電壓共模電壓和兩個輸入端之間的兩個輸入端之間的共模電壓共模電壓分別為：111ccscmAZZZUU222ccscmBZZZUUcmcsccscBAABUZZZZZZUUU222111第第2 2章章 總線接口與過程通道總線接口與過程通道 如果此時ZS1=ZS2，ZC1=ZC2，那么UAB=0，表示不會引入共模干擾共模干擾，但上述條件實際上無法滿足，

10、只能做到ZS1接近ZS2，ZC1接近ZC2。因此有UAB0，也就是說實際上總存在一定的共模干擾電壓總存在一定的共模干擾電壓。 顯然，當ZS1和ZS2越小，ZC1和ZC2越大，并且ZC1與ZC2越接近時，共模干擾的影響就越小。一般情況下，共模干擾電壓Ucm總是轉化成一定的串模干擾一定的串模干擾Un出現(xiàn)在兩個輸入端之間。cmcsccscBAABUZZZZZZUUU222111第第2 2章章 總線接口與過程通道總線接口與過程通道 為了衡量一個輸入電路抑制共模干擾的能力，常用共模抑制比共模抑制比CMRR(Common Mode Rejection Ratio)來表示，即Ucm是共模干擾電壓共模干擾電壓

11、，Un是Ucm轉化成的串模干擾電壓轉化成的串模干擾電壓。 顯然，對于單端對地輸入單端對地輸入方式，由于Un=Ucm，所以CMRR=0，說明無共模抑制能力無共模抑制能力。對于雙端不對地雙端不對地輸入輸入方式來說，由Ucm引入的串模干擾Un越小，CMRR就越大，所以抗共模干擾能力越強抗共模干擾能力越強。 )(lg20dBUUCMRRncm第第2 2章章 總線接口與過程通道總線接口與過程通道(2)共模干擾的抑制方法 變壓器隔離變壓器隔離 利用變壓器變壓器把模擬信號電路模擬信號電路與數(shù)字信號電路數(shù)字信號電路隔離開來，也就是把模擬地模擬地與數(shù)字地數(shù)字地斷開，以使共模干擾電壓cm不成回路，從而抑制了共模干

12、擾。 另外，隔離前和隔離后應分別采用兩組互相獨立的電源，切斷兩部分的地線聯(lián)系。第第2 2章章 總線接口與過程通道總線接口與過程通道 在上圖中，被測信號US經放大后，首先通過調制器調制器變換成交流信號交流信號，經隔離變壓器隔離變壓器B傳輸?shù)礁边?，然后用解調器解調器再將它變換為直流信號直流信號US2，再對US2進行A/D變換。第第2 2章章 總線接口與過程通道總線接口與過程通道 光電隔離光電隔離 光電耦合器光電耦合器是由發(fā)光二極管發(fā)光二極管和光敏三極管光敏三極管封裝在一個管殼內組成的，發(fā)光二極管兩端為信號輸入端信號輸入端，光敏光敏三極管的集電極和發(fā)射極三極管的集電極和發(fā)射極分別作為光電耦合器的輸出

13、端光電耦合器的輸出端，它們之間的信號是靠發(fā)光二極管在信號電壓的控制下發(fā)光，傳給光敏三極管來完成的。 第第2 2章章 總線接口與過程通道總線接口與過程通道 浮地屏蔽浮地屏蔽 采用浮地輸入雙層屏蔽放大器浮地輸入雙層屏蔽放大器來抑制共模干擾共模干擾，如圖所示。這是利用屏蔽方法使輸入信號的“模擬地模擬地”浮空，從而達到抑制共模干擾共模干擾的目的。第第2 2章章 總線接口與過程通道總線接口與過程通道 采用儀表放大器提高共模抑制比采用儀表放大器提高共模抑制比 儀表放大器具儀表放大器具有共模抑制能力強、輸入阻抗高、漂移低、增益可調等優(yōu)點，是一種專門用來分離共模干擾與有用信號的器件。 AD620（低功耗，低成

14、本，集成儀表放大器），還有AD623等等.第第2 2章章 總線接口與過程通道總線接口與過程通道3.長線傳輸干擾及其抑制方法長線傳輸干擾及其抑制方法(1) 長線傳輸干擾長線傳輸干擾 長線的“長”是相對的，和電路運算速度有關； 信號在長線中傳輸遇到三個問題： 一是長線傳輸易受到外界干擾; 二是具有信號延時;第第2 2章章 總線接口與過程通道總線接口與過程通道 三是高速度變化的信號在長線中傳輸時，還會出現(xiàn)波反射現(xiàn)象反射現(xiàn)象。 （阻抗不連續(xù)，信號在傳輸線末端末端突然遇到電纜阻抗很小甚至沒有，信號在這個地方就會引起反射反射。這種信號反射的原理，與光從一種媒質進入另一種媒質要引起反射是相似的。消除這種反射

15、的方法，就必須在電纜的末端跨接一個與電纜的特性阻抗同樣大小的終端電阻，使電纜的阻抗連續(xù)。）第第2 2章章 總線接口與過程通道總線接口與過程通道(2)長線傳輸干擾的抑制方法 采用終端阻抗匹配或始端阻抗匹配，可以消除長線傳輸中的波反射或者把它抑制到最低限度。 為了避免外界干擾的影響，在計算機中常常采用雙雙絞線絞線（雙絞線是由兩條導線按一定扭距相互絞合在一起的類似于電話線的傳輸媒體，每根線加絕緣層并有顏色來標記）和同軸電纜同軸電纜（同軸電纜可分為兩類：粗纜和細纜，這種電纜在實際應用中很廣，比如有線電視網，就是使用同軸電纜。第第2 2章章 總線接口與過程通道總線接口與過程通道不論是粗纜還是細纜，其中央

16、都是一根銅線，外面包有絕緣層）作信號線。 雙絞線的波阻抗一般在100至200之間，絞花越密，波阻抗越低。第第2 2章章 總線接口與過程通道總線接口與過程通道2.5.2 CPU抗干擾技術計算機控制系統(tǒng)的CPU抗干擾措施常常采用 Watchdog(俗稱看門狗) 電源監(jiān)控(掉電檢測及保護) 復位 第第2 2章章 總線接口與過程通道總線接口與過程通道2.5.3 系統(tǒng)供電與接地技術 1供電技術供電技術2接地技術接地技術 第第2 2章章 總線接口與過程通道總線接口與過程通道1供電技術供電技術 (1) 供電系統(tǒng)的一般保護措施 交流穩(wěn)壓器交流穩(wěn)壓器用來保證220V AC供電，交流電網頻率為50HZ，其中混雜了

17、部分高頻干擾信號高頻干擾信號。為此采用低低通濾波器通濾波器讓50HZ的基波通過，而濾除高頻干擾信號。最后由直流穩(wěn)壓電源給計算機供電. 第第2 2章章 總線接口與過程通道總線接口與過程通道 (2) 電源異常的保護措施電源異常的保護措施 計算機控制系統(tǒng)的供電不允許中斷，一旦中斷將會影響生產。為此，可采用不間斷電源UPS 。第第2 2章章 總線接口與過程通道總線接口與過程通道 UPS自身逆變器自身逆變器的輸入直流總線和外接電池組均與用戶原有的48V通信電源無任何直接的電氣連接，所以不會對程控機產生任何傳導干擾。 輸入電壓偏高或偏低時，即轉為電池放電 。通過改進控制器控制器的工作，可以減輕電池組放電的

18、頻率，減少電池損壞。第第2 2章章 總線接口與過程通道總線接口與過程通道2接地技術接地技術(1) 地線系統(tǒng)分析地線系統(tǒng)分析 在計算機控制系統(tǒng)中，一般有以下幾種地線：模擬模擬地地、數(shù)字地數(shù)字地、安全地安全地、系統(tǒng)地系統(tǒng)地、交流地交流地。 模擬地模擬地作為傳感器、變送器、放大器、A/D和D/A轉換器中模擬電路的零電位模擬電路的零電位。數(shù)字地數(shù)字地作為計算機中各種數(shù)字電路的零電位，應該與模擬地分開，避免模擬信號受數(shù)字脈沖的干擾。第第2 2章章 總線接口與過程通道總線接口與過程通道 安全地安全地的目的是使設備機殼與大地等電位，以避免機殼帶電而影響人身及設備安全人身及設備安全。通常安全地安全地又稱為保護地保護地或機殼地機殼地，機殼包括機架、外殼、屏蔽罩等。 系統(tǒng)地系