測控系統(tǒng)抗干擾技術

關于測控系統(tǒng)抗干擾技術30.10.20221第1頁，共41頁，2022年，5月20日，6點4分，星期五30.10.20222干擾含義：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。

干擾是在信號輸入、傳輸和輸出過程中出現的一些有害的電氣變化現象。這些變化迫使信號的傳輸值、指示值或輸出值出現誤差,出現假像。干擾的危害：干擾對電路的影響,輕則降低信號的質量,影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性;重則破壞電路的正常功能,造成邏輯關系混亂,控制失靈。第2頁，共41頁，2022年，5月20日，6點4分，星期五30.10.20223研究的內容：干擾源、干擾類型、干擾傳播途徑、抗干擾措施。系統(tǒng)抗干擾策略：軟硬結合抗干擾。硬件措施應當將大部分干擾消除，軟件措施消除余下的部分?？煽啃裕≧eliability）：系統(tǒng)的可靠程度。與系統(tǒng)的內在質量、系統(tǒng)的設計水平、使用環(huán)境、運行維護水平有關。是衡量系統(tǒng)的主要性能指標。包括：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是干擾。第3頁，共41頁，2022年，5月20日，6點4分，星期五30.10.202243.1干擾源及干擾分類

3.1.1干擾源干擾源：干擾的來源或造成干擾的原因。分類：按干擾源來分，有內部干擾和外部干擾。1.內部干擾

由系統(tǒng)結構、制造工藝、安裝等內在原因引起的干擾。主要原因：

(1)元器件噪聲；

(2)分布電容、電感引起的電磁感應；

(3)長線傳輸中波的反射；

(4)多點接地引起的電位差；

(5)電源系統(tǒng)引入的干擾。第4頁，共41頁，2022年，5月20日，6點4分，星期五30.10.202253.1.12.外部干擾

由外界環(huán)境因素引起的干擾。主要原因：(1)大功率設備、輸電線路發(fā)生的電磁場；(2)廣播和通信設備發(fā)射的無線電波；(3)自然界干擾，包括：天體輻射、雷電、氣溫、濕度等。*內外干擾本質相同,相互關聯(lián),相互作用。通常采取消除干擾源、避開干擾源、切斷干擾傳播途徑的方法，有效消除干擾。干擾作用方式分類：串模干擾、共模干擾、長線傳輸干擾第5頁，共41頁，2022年，5月20日，6點4分，星期五30.10.202263.1.2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。原因(1)

內部干擾（信號源內部疊加的干擾）

(2)電磁耦合引起的干擾（長線傳輸、空間電磁場、工頻干擾）

串模干擾示意圖電磁耦合引入串模干擾UsUn信號接收端第6頁，共41頁，2022年，5月20日，6點4分，星期五30.10.20227圖3-1串模干擾示意圖第7頁，共41頁，2022年，5月20日，6點4分，星期五30.10.20228串模抑制比：衡量系統(tǒng)抑制串模干擾的能力。定義：NMRR=20lg(Un/△Ui)(dB)Un: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。效果：△Ui越小，抗串模干擾的能力越強，即NMRR越大。3.1.2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。第8頁，共41頁，2022年，5月20日，6點4分，星期五30.10.202293.1.3共模干擾

共模干擾：共模干擾是系統(tǒng)2個輸入端上共有的干擾電壓。也稱對地干擾、共態(tài)干擾。

原因：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。

共模干擾示意圖

UA=Us+Ucm

UB=Ucm

Us信號接收端UcmAB第9頁，共41頁，2022年，5月20日，6點4分，星期五30.10.202210圖9.3串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第10頁，共41頁，2022年，5月20日，6點4分，星期五30.10.2022113.1.3

由于現場與計算機之間相差幾米甚至幾千米，取決于現場情況和計算機的接地情況，Ucm可以是直流，也可以是交流；幅值可以是幾伏甚至幾十伏。共模干擾的影響：共模干擾對放大器的影響，是因轉換成串模干擾而加到輸入端的。

共模抑制比：衡量系統(tǒng)抑制共模干擾轉化為串模干擾的能力。定義：

CMRR=20lg(Ucm/Un)(dB)Un:是共模干擾信號Ucm轉換成串模干擾的電壓幅值；效果：Un越小，抗共模干擾的能力越強，即CMRR越大。

CMRR與信號的輸入方式有關，分單端輸入和差動輸入2種形式。第11頁，共41頁，2022年，5月20日，6點4分，星期五30.10.2022121.單端輸入：一個輸入信號，地端為參考電壓；2.差動輸入：2個輸入信號，1個是高電平，一個是低電平，以2個信號的差值來決定信號的幅值。3.1.3Us信號接收器UcmZiA單端對地輸入ZsIcZs1Us信號接收器UcmZc1A差動輸入Ic1Zs2Ic2Zc2A第12頁，共41頁，2022年，5月20日，6點4分，星期五30.10.2022133.1.4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時，也會對進入電路中的干擾信號進行傳遞。

(1)漏電阻:

理論上與干擾源斷開的電路，由于漏電阻會形成回路，導致干擾的引入。

(2)公共阻抗公共電源線的阻抗耦合有效信號高壓線漏電阻匯流條………Rp1Rp2RpnRn1Rn2Rnni1i2ini1i1+i2回流條第13頁，共41頁，2022年，5月20日，6點4分，星期五30.10.202214

模擬信號和數字信號分開接地:

（a）未分開接地（b）未分開接地（c）分開接地（3）信號輸入/輸出回路（4）電源回路3.1.4模擬系統(tǒng)數字系統(tǒng)模擬系統(tǒng)數字系統(tǒng)模擬系統(tǒng)數字系統(tǒng)第14頁，共41頁，2022年，5月20日，6點4分，星期五30.10.2022153.1.42、電磁場傳播的干擾靜電耦合：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、變壓器線匝之間、繞組之間都可能構成分布電容。

(2)電磁耦合：電磁耦合干擾通過電感引入感應電勢

兩條平行導線間會產生磁場耦合

(3)輻射電磁場耦合：具有天線效應的電源線和長信號線會對空間電磁場產生接收作用，感應出干擾信號。第15頁，共41頁，2022年，5月20日，6點4分，星期五30.10.2022163.2干擾抑制1．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、把產生干擾的大功率設備移開、避免信號電纜與電源電纜平行敷設、在各種強電觸點開關上采取消弧措施等等。2．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；(3)隔離技術，切斷信號傳輸中電的聯(lián)系；(4)屏蔽、浮置技術，防止電磁場干擾；(5)濾波技術，阻止干擾信號進入系統(tǒng)。3．提高設備本身抗干擾的性能使用高質量元器件、優(yōu)化設計線路板等第16頁，共41頁，2022年，5月20日，6點4分，星期五30.10.2022173.2.1串模干擾的抑制

1．濾波技術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A/D轉換器

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

減少電磁感應產生的干擾4．選用高抗干擾性的元器件：高邏輯電平、V/F轉換器5．供電技術與阻抗匹配技術第17頁，共41頁，2022年，5月20日，6點4分，星期五30.10.2022183.2.2共模干擾的抑制

1．差動輸入2．隔離技術切斷電量通道，把信號側與輸入側隔離開來，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：對信號進行調制和解調3．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、放大器浮地的方式，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

第18頁，共41頁，2022年，5月20日，6點4分，星期五30.10.202219圖3-11變壓器隔離電路圖3-12光電隔離

第19頁，共41頁，2022年，5月20日，6點4分，星期五30.10.202220圖3-13三線采樣、雙層屏蔽、放大器浮地原理圖第20頁，共41頁，2022年，5月20日，6點4分，星期五30.10.2022213.2.3長線傳輸干擾的抑制

終端（始端）阻抗匹配技術：針對傳輸線的阻抗（雙絞線的波阻抗一般在100～200之間，同軸電纜的波阻抗在50～100之間）。設計適宜的終端（始端）阻抗匹配電路。第21頁，共41頁，2022年，5月20日，6點4分，星期五30.10.2022223.3其它抗干擾技術3.3.1地線與接地技術計算機控制系統(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字地、模擬地、功率地第22頁，共41頁，2022年，5月20日，6點4分，星期五30.10.202223接地的應用原則

(1)一般高頻電路應就近多點接地,低頻電路應一點接地。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,因此應一點接地。第23頁，共41頁，2022年，5月20日，6點4分，星期五30.10.2022243.3.1單點接地電路1電路2電路3串聯(lián)一點接地并聯(lián)一點接地電路1電路2電路3信號地線噪聲地線金屬件接地實用低頻接地第24頁，共41頁，2022年，5月20日，6點4分，星期五30.10.202225

(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)數字地與模擬地應分開,最后單點相連。數字地模擬地安全地(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字地圖3.17(a)回流法接地示例分別回流法：電路中把模擬地和數字地分開，采用匯流條分別走線，最終在一點把兩個地接在一起。第25頁，共41頁，2022年，5月20日，6點4分，星期五30.10.2022263.3.1信號屏蔽層接地：單點接地機柜接地：機柜內安裝的內部機件外殼應保證與機柜有很好的接觸，機柜應當與大地一點相連。內部電路應當浮空，與機柜的絕緣電阻應大于50M。第26頁，共41頁，2022年，5月20日，6點4分，星期五30.10.2022271、供電技術圖一般供電結構交流穩(wěn)壓器低通濾波器計算機直流穩(wěn)壓器220VAC3.3.2電源及供電技術第27頁，共41頁，2022年，5月20日，6點4分，星期五30.10.2022283.3.2電源及供電技術2.抗電源干擾技術(1)．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(2)直流電源系統(tǒng)的抗干擾采用逆變式開關電源(DC/DC變換器):防止工頻干擾采用退耦電容器：以消除電源內阻所產生的干擾分組供電。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）電源保護配置不間斷電源裝置（UPS）。在正常情況下，來自電網的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。設置雙回路供電系統(tǒng)、掉電中斷等第28頁，共41頁，2022年，5月20日，6點4分，星期五30.10.2022293.3.2軟件抗干擾技術1、數字濾波數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。數字濾波算法種類很多，常用的如：算術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)督對整個計算機系統(tǒng)工作狀態(tài)的監(jiān)督，如診斷程序等。第29頁，共41頁，2022年，5月20日，6點4分，星期五30.10.202230計算機控制系統(tǒng)工作特點：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：性能指標、可靠性（兩方面都重要）

3.4系統(tǒng)的可靠性第30頁，共41頁，2022年，5月20日，6點4分，星期五30.10.2022313.4.1系統(tǒng)可靠性指標

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)定的時間內完成規(guī)定任務的能力。是個定性的概念。

有兩層含義：①

在規(guī)定時間內無故障運行；②

故障后維修方便。

第31頁，共41頁，2022年，5月20日，6點4分，星期五30.10.202232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。

可定義以下可靠性指標：

第32頁，共41頁，2022年，5月20日，6點4分，星期五30.10.202233可靠性指標：(1)．可靠度R(t)

可靠度的定義：產品在規(guī)定的條件和規(guī)定的時間內完成規(guī)定功能的概率。設t為運行時間，N0為相同的控制系統(tǒng)數(足夠大),NS為該段時間內未發(fā)生故障的控制系統(tǒng)數,則:(2)．失效率λ(t)

失效率的定義：單位時間內發(fā)生故障的次數。第33頁，共41頁，2022年，5月20日，6點4分，星期五30.10.202234可靠性指標：圖3-21電子產品的失效率曲線

早期故障期：元器件質量原因，通過投運前考機、調試排除

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

第34頁，共41頁，2022年，5月20日，6點4分，星期五30.10.202235（3）平均無故障時間MTBF(MeanTimeBetweenFailure)

平均維護時間MTTR(MeanTimeToRepair)

(4)．利用率A

要獲得盡可能大的可利用率，應當使MTBF盡可能大，使MTTR盡可能地小。

第35頁，共41頁，2022年，5月20日，6點4分，星期五30.10.2022363.4.2系統(tǒng)可靠性分析一、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。

123n……式中Rs(t)——系統(tǒng)的可靠度；

Ri(t)——第i個單元的可靠度第36頁，共41頁，2022年，5月20日，6點4分，星期五30.10.202237系統(tǒng)可靠性模型(串聯(lián)模型)若各單元的壽