計算機控制技術(shù)第四章

計算機控制技術(shù)第四章第一頁，共48頁。

是指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。

抗干擾技術(shù)就是通過對這三要素中的一個或多個采取必要措施來實現(xiàn)的。干擾：與干擾相關(guān)的幾個概念：干擾源：產(chǎn)生干擾信號的原因干擾對象：干擾源通過傳播途徑影響的器件或系統(tǒng)干擾系統(tǒng)的三個要素：干擾源、傳播途徑及干擾對象。傳播途徑：干擾進(jìn)入系統(tǒng)的方式第二頁，共48頁。4.1系統(tǒng)主要干擾分析干擾外部干擾內(nèi)部干擾外部干擾與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)無關(guān)，是由使用條件和外部環(huán)境因素決定的。主要有：天電干擾，如雷電或大氣電離作用引起的干擾電波；天體干擾，如太陽輻射的電磁波；周圍電氣設(shè)備發(fā)出的電磁波的干擾；電源的工頻干擾；氣象條件引起的干擾；地磁場干擾；火花放電、弧光放電、輝光放電等產(chǎn)生的電磁波等。內(nèi)部干擾是由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布局、線路設(shè)計、元器件性質(zhì)變化和漂移等原因造成的主要有：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?shù)牟ǚ瓷?，多點接地造成的電位差引入的干擾，寄生振蕩引起的干擾以及熱噪聲、閃變噪聲、尖峰噪聲等。4.1.1干擾來源第三頁，共48頁。1.電源干擾電源干擾是指來自供電電源的干擾，主要有：浪涌、尖峰、噪聲和斷電。◆浪涌:大功率設(shè)備感性負(fù)載設(shè)備的啟動或停止造成浪涌?！艏夥?大功率開關(guān)的通斷，使電網(wǎng)上出現(xiàn)尖峰脈沖?！粼肼?噪聲隨供電電源侵入系統(tǒng)。◆斷電:斷電、電網(wǎng)調(diào)度高壓切換中的瞬間斷電。

第四頁，共48頁。2.空間干擾◆靜電和電場的干擾系統(tǒng)的部分設(shè)備產(chǎn)生靜電，或部分設(shè)備在某個電場之中?！舸艌龈蓴_系統(tǒng)設(shè)備與某些能夠產(chǎn)生磁場的電氣設(shè)備構(gòu)成電磁感應(yīng)?！綦姶泡椛涓蓴_通信發(fā)射臺；可控硅逆變電源、變頻調(diào)速裝置等發(fā)出的電磁波干擾。第五頁，共48頁。3.設(shè)備干擾設(shè)備干擾是指外部設(shè)備或設(shè)備之間產(chǎn)生的干擾。以上三種干擾，來自交流電源的干擾最為嚴(yán)重，其次為設(shè)備干擾，再其次為來自空間的輻射干擾。第六頁，共48頁?？臻g抗干擾，包括靜電場、高頻電磁場以及磁場引起的干擾，主要的方法解決：◆空間隔離：使敏感設(shè)備或信號線遠(yuǎn)離干擾源（如大型動力設(shè)備及大變壓器等）?！羝帘危簩γ舾须娐芳悠帘魏谢?qū)π盘柤悠帘螌?，注意屏蔽層不能隨意接地，必要時屏蔽層外還要有絕緣層。◆電氣布線：合理的選擇信號線，并在實際施工中正確的敷設(shè)信號線來抑制干擾。第七頁，共48頁。屏蔽主要用來解決電磁干擾，將電力線或磁力線的影響限定在某個范圍之內(nèi)或阻止他們進(jìn)入某個范圍。通?？煞譃椋骸舻皖l磁場屏蔽◆電磁屏蔽◆雙層屏蔽◆電場屏蔽1）屏蔽技術(shù)第八頁，共48頁。屏蔽技術(shù)實現(xiàn)的關(guān)鍵是如何保證屏蔽體的完整性，使其電磁泄漏降低到最小程度。通常采取以下措施◆屏蔽殼體接縫上的永久性縫隙一般采用氬弧焊密封焊接?！魴C殼的通風(fēng)孔一般采用穿孔金屬板或者金屬絲網(wǎng)覆蓋?！舯仨殞鬏斁€進(jìn)行屏蔽，其屏蔽外皮必須伸入到外殼或鏈接器內(nèi)部?！粼陌惭b孔，需要通過導(dǎo)電襯墊與外殼連接。第九頁，共48頁。系統(tǒng)布線設(shè)計的關(guān)鍵是進(jìn)行正確電纜選型、敷設(shè)、抑制干擾和降低成本。1、常用的線纜類型▲雙絞線▲屏蔽電纜▲同軸電纜2、電纜的選擇與敷設(shè)2）電氣布線技術(shù)第十頁，共48頁。典型計算機控制系統(tǒng)的干擾環(huán)境如下圖所示：第十一頁，共48頁。4.1.2干擾傳播途徑干擾信號進(jìn)入到計算機控制系統(tǒng)中的主要耦合方式分為三種：靜電耦合方式

電磁耦合方式

公共阻抗耦合方式第十二頁，共48頁。靜電耦合又稱電場耦合，是電場通過電容耦合竄入其他線路的。1.靜電耦合電場干擾可以通過兩根導(dǎo)線之間構(gòu)成的分布電容竄入系統(tǒng)第十三頁，共48頁。當(dāng)導(dǎo)體2對地電阻R很小時，使jωR(C12+C2g)<<1時，上式可以近似表示為這表明干擾電壓Un與干擾頻率ω和幅度U1、輸入電阻R、耦合電容C12成正比關(guān)系。當(dāng)導(dǎo)體2對地電阻R很大，使jωR(C12+C2g)>>1時，可以近似表示為在這種情況下，干擾電壓Un由電容C12和C2g的分壓關(guān)系及U1所確定。第十四頁，共48頁。在任何載流導(dǎo)體周圍都會產(chǎn)生磁場，當(dāng)電流變化時會引起交變磁場，該磁場必然在其周圍的閉合回路中產(chǎn)生感應(yīng)電勢引起干擾。其中：

ω為感應(yīng)磁場交變角頻率

M為兩根導(dǎo)線之間的互感

I1為導(dǎo)線1中的電流2.磁場耦合在設(shè)備內(nèi)部，線圈或變壓器的漏磁也會引起干擾；在設(shè)備外部，平行架設(shè)的兩根導(dǎo)線也會產(chǎn)生干擾，由于感應(yīng)電磁場引起的耦合，可以計算感應(yīng)電壓第十五頁，共48頁。公共阻抗耦合干擾是由于電流流過回路間公共阻抗，使得一個回路的電流所產(chǎn)生的電壓降影響到另一回路。3.公共阻抗耦合在計算機控制系統(tǒng)中，普遍存在公共耦合阻抗，例如，電源引線、印刷電路板上的地和公共電源線、匯流排等。這些匯流條都具有一定的阻抗，對于多回路來講，就是公共耦合阻抗。第十六頁，共48頁。公共電源線的阻抗耦合

公共地線的阻抗耦合第十七頁，共48頁。4.1.3過程通道中的干擾按干擾作用方式的不同，可分為串模干擾、共模干擾和長線傳輸干擾。

又稱差模干擾，是指疊加在被測信號上的干擾噪聲，它串聯(lián)在信號源回路中，與被測信號相加輸入系統(tǒng)。串模干擾與被測信號在回路中處于同樣的地位，也稱為常態(tài)干擾或橫向干擾。

1.串模干擾：第十八頁，共48頁。串模干擾示意圖主要有分布電容的電場耦合，空間的磁場耦合，長線傳輸?shù)幕ジ校?0Hz工頻干擾，以及信號回路中元件參數(shù)變化等。產(chǎn)生串模干擾的原因第十九頁，共48頁。是指系統(tǒng)的兩個信號輸入端上所共有的干擾電壓,共模干擾也稱為共態(tài)干擾或縱向干擾。計算機的地、信號放大器的地與現(xiàn)場信號源的地一般相隔一段距離，在兩個接地點之間往往存在一個電位差Vc，該電位差是系統(tǒng)信號輸入端上共有的干擾電壓，會對系統(tǒng)產(chǎn)生共模干擾。共模干擾示意圖2.共模干擾：第二十頁，共48頁。對于系統(tǒng)的干擾來說，共模干擾大都通過串模干擾的方式表現(xiàn)出來。兩種輸入方式時共模電壓的引入（a）信號單端輸入（b）信號雙端輸入第二十一頁，共48頁。圖(a)所示為信號單端輸入情況，Zs是信號源內(nèi)阻，Zr是系統(tǒng)輸入阻抗。共模干擾電壓Ucm和信號源電壓Us相加共同作用于回路，此時，共模干擾全部以差模干擾形式作用于電路。由Ucm引起系統(tǒng)輸入的差模電壓Un1為因為Zr>>Zs，則其中，Zs是信號源內(nèi)阻(含信號引線電阻)，Zr是放大器輸入阻抗。顯然，Zr越大，或Zs越小，Un1越小，越有利于抑制共模干擾。第二十二頁，共48頁。圖(b)所示為放大器雙端輸入情況，Zs1、Zs2為信號源內(nèi)阻，Zc1、Zc2為系統(tǒng)輸入阻抗。共模電壓Ucm引起系統(tǒng)輸入端的差模干擾電壓Un2為若Zs1=Zs2，Zc1=Zc2，則Un2=0，系統(tǒng)沒有引入共模干擾。實際上，兩個輸入端不可能作到完全對稱，因此，Un2≠0，也就是說實際上總是存在一定的共模干擾電壓。當(dāng)Zs1和Zs2越小，Zc1和Zc2越大，并且Zc1和Zc2越接近時，共模干擾電壓就越小第二十三頁，共48頁。由上述分析可知，對于存在共模干擾的場合，不能采用單端輸入，應(yīng)采用雙端輸入方式，原因是其抗共模干擾能力強。為了衡量一個放大器抑制共模干擾的能力，常用共模抑制比CMRR表示，即其中，Ucm是共模干擾電壓，Un是由Ucm轉(zhuǎn)化成的差模干擾電壓。顯然，單端輸入方式的CMRR較小，說明它的抗共模抑制能力較差；而雙端輸入方式，由Ucm引入的差模干擾電壓Un較小，CMRR較大，所以抗共模干擾能力很強。第二十四頁，共48頁。在計算機控制系統(tǒng)中，現(xiàn)場信號到控制計算機以及控制計算機到現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)，都經(jīng)過一段較長的線路進(jìn)行信號傳輸，即長線傳輸。

一是高速變化的信號在長線中傳輸時，會出現(xiàn)波反射現(xiàn)象。3.長線傳輸干擾:信號在長線中傳輸會遇到三個問題：二是具有信號延時三是長線傳輸會受到外界干擾第二十五頁，共48頁。4.2過程通道抗干擾技術(shù)過程通道是計算機控制系統(tǒng)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集輸入和輸出通道，它包括了現(xiàn)場信號源、信號線、轉(zhuǎn)換設(shè)備、I/O接口電路，主機和執(zhí)行機構(gòu)等。過程通道涉及內(nèi)容多，分布廣，受干擾的可能性大，其抗干擾問題非常重要。過程通道干擾的來源是多方面的，主要有共模干擾、差模干擾和長線干擾。1、共模干擾的抑制

共模干擾產(chǎn)生的原因主要是不同的地之間存在共模電壓，以及模擬信號系統(tǒng)對地的漏阻抗。共模干擾的抑制措施主要有三種：變壓器隔離、光電隔離、浮地屏蔽。第二十六頁，共48頁。變壓器隔離變壓器隔離是利用隔離變壓器將模擬信號電路與數(shù)字信號電路隔離開，也就是把模擬地與數(shù)字地斷開，以使共模干擾電壓不能構(gòu)成回路，從而達(dá)到抑制共模干擾的目的。另外，隔離后的兩電路應(yīng)分別采用兩組互相獨立的電源供電，切斷兩部分的地線聯(lián)系.這種隔離適用于無直流分量信號的通路。對于直流信號，也可通過調(diào)制器變換成交流信號，經(jīng)隔離變壓器后，用解調(diào)器再變換成直流信號。第二十七頁，共48頁。光電隔離光電耦合器是由發(fā)光二極管和光敏三極管（或達(dá)林頓管、或晶閘管等）封裝在一個管殼內(nèi)組成,實現(xiàn)以光為媒介的電信號傳輸。發(fā)光二極管動態(tài)電阻非常小，而干擾源的內(nèi)阻一般很大，能夠傳送到光電耦合器輸入端的干擾信號很小。由于光電耦合器是用光傳送信號，兩端電路無直接電氣聯(lián)系，因此，切斷了兩端電路之間地線的聯(lián)系，抑制了共模干擾。光電耦合器的發(fā)光二極管只有在通過一定電流時才能發(fā)光，由于許多干擾信號雖幅值較高，但能量較小，不足以使發(fā)光二極管發(fā)光，從而可以有效地抑制干擾信號。

特點第二十八頁，共48頁。浮地屏蔽浮地屏蔽是指信號放大器采用雙層屏蔽，輸入為浮地雙端輸入，如圖示。這種屏蔽方法使輸入信號浮空，達(dá)到了抑制共模干擾的目的。第二十九頁，共48頁。（2）根據(jù)差模干擾頻率與被測信號頻率的分布特性，采用相應(yīng)的濾波器，如低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器等。濾波器是一個選頻電路，其功能是讓指定頻段的信號通過，將其余頻段的信號衰減，濾除。在工業(yè)控制中，串模信號往往比被測儀器變化快。串模干擾信號和有效信號相串聯(lián)，疊加在一起作為輸入信號，因此，對串模干擾的抑制較為困難。對差模干擾應(yīng)根據(jù)干擾信號的特性和來源，分別采用不同的措施來抑制。（1）對于來自空間電磁耦合所產(chǎn)生的差模干擾，可采用雙絞線作為信號線，其目的是減少電磁感應(yīng)，并使各個小環(huán)路的感應(yīng)電勢互相呈反向抵消。也可采用金屬屏蔽線或屏蔽雙絞線。2、串模干擾的抑制第三十頁，共48頁。同軸電纜對于電場干擾有較強的抑制作用，工作頻率較高。雙絞線對于磁場干擾有較好的抑制作用，絞距越短，效果越好。在電場干擾較強時須采用屏蔽雙絞線。采用同軸電纜或雙絞線作為傳輸線在使用雙絞線時，盡可能采用平衡式傳輸線路。所謂平衡式傳輸線路，是雙絞線的兩根線不接地傳輸信號。因為這種傳輸方式具有較好的抗差模干擾能力，外部干擾在雙絞線中的兩條線中產(chǎn)生對稱的感應(yīng)電動勢，相互抵消。同時，對于來自地線的干擾信號也受到抑制。3、長線傳輸干擾的抑制第三十一頁，共48頁。（1）終端阻抗匹配為了消除長線的反射現(xiàn)象，可采用終端或始端阻抗匹配的方法。同軸電纜的波阻抗一般在50～100Ω之間，雙絞線的波阻抗約為100～200Ω。進(jìn)行阻抗匹配，首先，需要通過測試或由已知的技術(shù)數(shù)據(jù)掌握傳輸線的波阻抗Rp的大小。終端阻抗匹配第三十二頁，共48頁。（2）始端阻抗匹配始端阻抗匹配是在長線的始端串入電阻R，通過適當(dāng)?shù)倪x擇R，以消除波反射

這種匹配方法的優(yōu)點是波形的高電平不變，缺點是波形的低電平會抬高。其原因是終端門B的輸入電流Isr在始端匹配電阻R上的壓降所造成的第三十三頁，共48頁。4.3接地技術(shù)二是為了保證控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠工作，提供一個基準(zhǔn)電位的接地，即工作接地。接地技術(shù)對計算機控制系統(tǒng)是極為重要的，不恰當(dāng)?shù)慕拥貢ο到y(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾，而正確的接地卻是抑制干擾的有效措施之一。計算機控制系統(tǒng)中接地的目的通常有兩個：一是為了安全，即安全接地；第三十四頁，共48頁。1.地線系統(tǒng)分析1）傳統(tǒng)接地分類安全地的目的是使設(shè)備機殼與大地等電位，以避免機殼帶電影響人身和設(shè)備的安全。通常安全地又稱為保護(hù)地或機殼地，機殼包括機架、外殼、屏蔽罩等。模擬地作為傳感器、變送器、放大器、A/D和D/A轉(zhuǎn)換中模擬電路的零電位。模擬信號有精度要求，有時信號比較小，而且與生產(chǎn)現(xiàn)場相連。數(shù)字地作為控制系統(tǒng)中各種數(shù)字電路的零電位，應(yīng)該與模擬地分開，避免模擬信號受數(shù)字脈沖的干擾。系統(tǒng)地是以上幾種地的最終回流點，直接與大地相連。交流地是計算機交流供電電源地，即為動力線地，它的地電位很不穩(wěn)定。第三十五頁，共48頁。2）新的接地分類安全接地的目的是使設(shè)備機殼與大地等電位，以避免機殼帶電影響人身和設(shè)備的安全。通常安全地又稱為保護(hù)地或機殼地，機殼包括機架、外殼、屏蔽罩等。工作接地屏蔽接地第三十六頁，共48頁。3）接地技術(shù)(1)主機外殼接地但機芯浮空為了提高計算機的抗干擾能力，將主機外殼作為屏蔽罩接地。而把機內(nèi)器件架與外殼絕緣，絕緣電阻大于50MΩ，即機內(nèi)信號地浮空。這種方法安全可靠，抗干擾能力強，但制造工藝復(fù)雜，一旦絕緣電阻降低就會引入干擾。第三十七頁，共48頁。(2)一點接地方式兩種接法：即串聯(lián)接地(或稱共同接地)和并聯(lián)接地(或稱分別接地)。各自的優(yōu)缺點：從防止噪聲角度看，如圖所示的串聯(lián)接地方式是最不適用的，由于地電阻r1、r2和r3是串聯(lián)的，所以各電路間相互發(fā)生干擾。并聯(lián)接地方式在低頻時是最適用的，因為各電路的地電位只與本電路的地電流和地線阻抗有關(guān)，不會因地電流而引起各電路間的耦合。這種方式的缺點是需要連很多根地線，用起來比較麻煩。第三十八頁，共48頁。(3)多點接地將地線用匯流排代替，所有的地線都接至匯流排。(4)屏蔽接地即屏蔽層接地(5)設(shè)備接地注意強電和弱電分開，防止互相產(chǎn)生干擾。第三十九頁，共48頁。2.輸入系統(tǒng)的接地在輸入通道中，為防止干擾，傳感器、變送器、和信號放大器通常采用屏蔽罩進(jìn)行屏蔽，而信號線往往采用屏蔽信號線。屏蔽層的接地也應(yīng)采取單點接地方式，關(guān)鍵是確定接地位置。輸入信號源有接地和浮地兩種情況。信號源端接地，而接收端浮地，則屏蔽層應(yīng)在信號源端接地信號源浮地，接收端接地，則屏蔽層應(yīng)在接收端接地第四十頁，共48頁。3.主機系統(tǒng)的接地為了提高計算機的抗干擾能力，將主機外殼作為屏蔽。而把機內(nèi)器件架與外殼絕緣，絕緣電阻大于50MΩ，即機內(nèi)信號地浮地。主機與外部設(shè)備地連接后，采用一點接地。如圖所示。為避免多點接地，各機柜用絕緣板墊起來。這種接地方式安全可靠，有一定的抗干擾能力。在計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，對于近距離的幾臺計算機，可采用多機的一點接地方式；對于遠(yuǎn)距離的多臺計算機之間的數(shù)據(jù)通信，通過地線隔離的辦法分開，如采用變壓器隔離技術(shù)、光電隔離技術(shù)和無線電通信技術(shù)等。第四十一頁，共48頁。4.4供電技術(shù)電源引入的干擾是計算機控制系統(tǒng)的主要干擾之一；對計算機控制系統(tǒng)的干擾大部分是由電源耦合產(chǎn)生的