儀表系統(tǒng)抗干擾技術課件

儀表系統(tǒng)抗干擾技術1

儀表系統(tǒng)抗干擾技術一、概述電磁兼容是一門新興的綜合性學科,主要研究電磁干擾和抗干擾的問題。即怎樣使在同一電磁環(huán)境下工作的各種電子電氣設備、器件或系統(tǒng),都能正常工作,互不干擾,達到兼容狀態(tài)。2（一）電磁兼容性的定義

儀表或系統(tǒng)的電磁兼容性

電磁兼容性（EMC）

EMC(E1ectromagneticCompatibility)

主要是指儀表或系統(tǒng)在共同的電磁環(huán)境中能一起執(zhí)行各自功能的共存狀態(tài)。3即:該儀表或系統(tǒng)不會由于受到處于同一電磁環(huán)境中其他儀表或系統(tǒng)的電磁發(fā)射導致或遭受不允許的降級；也不會使同一電磁環(huán)境中其他儀表或系統(tǒng)，因受其電磁發(fā)射而導致或遭受不允許的降級。4（二）電磁兼容性對系統(tǒng)效能的影響近年來隨著科學技術的迅速發(fā)展,新型電子元器件不斷出現(xiàn),從電子管、半導體、集成電路到大規(guī)模集成電路,從模擬信號到數(shù)字信號,從簡單的電子玩具到復雜的儀表控制裝置、大型計算機和控制裝置,使用的電磁環(huán)境愈來愈復雜。5尤其是飛機、艦艇、導彈、通信系統(tǒng)和衛(wèi)星等武器裝備及電站控制系統(tǒng)等所面臨的電磁環(huán)境更加嚴峻,這些使用場合中的電磁兼容性問題,已經(jīng)成為完成某種功能的突出障礙。6實際情況表明,電磁騷擾現(xiàn)象已造成導彈早爆和啞彈、通信電臺通信距離縮短和噪聲增大、導航誤差,雷達虛警、計算機誤碼、電站控制系統(tǒng)失控等等。因此,EMC技術在工程和使用中占有極其重要的地位。7它的影響范圍主要有:1)對精確度的影響2)對安全性的影響3)對設計準則的影響4)對可靠性的影響5)對質量保證的影響8

（三）儀表及系統(tǒng)電磁兼容性

主要研究內容儀表或系統(tǒng)的電磁兼容性包括的范圍非常廣泛，主要有以下幾個方面內容:91)電磁騷擾源特性和敏感性；2)各類儀表或系統(tǒng)電磁兼容性的指標；3)電磁兼容的測量與試驗技術；4)電磁騷擾的傳輸特性；5)電磁危害效應；6)電磁騷擾抑制技術、降低敏感技術；7)系統(tǒng)電磁兼容性；8)電磁騷擾和敏感性的分析和預測；9)電磁頻譜的利用與管理。10（四）電磁騷擾性質

電磁騷擾的概念:電磁騷擾(EMI:E1ectromagneticInterfere)是指任何能中斷、阻礙、降低或限制通信電子設備有效性能的電磁能量。電磁騷擾本質上是不需要傳導電流和電壓，或者是不需要電場或磁場。11在時域,電磁騷擾有瞬態(tài)的、沖擊態(tài)的或穩(wěn)態(tài)的三種狀態(tài)。在頻域,電磁騷擾頻譜占有從電源頻率(50Hz、60Hz)至微波頻段很寬的頻率范圍。電磁騷擾信號按其頻譜寬窄分為窄帶和寬帶兩種,寬帶信號又可分為相干和不相干信號。12電磁騷擾源還可按起因分為自然騷擾源和人為騷擾源。對電磁騷擾和騷擾源分類便于認識騷擾源,確定接收器敏感性,標識騷擾源和接收器之間的耦合路徑和有助于控制方法的決策。13（五）系統(tǒng)內部和系統(tǒng)間的電磁騷擾電磁騷擾有可能發(fā)生在系統(tǒng)內部各部分之間,也可能存在與系統(tǒng)與外部環(huán)境之間,其中系統(tǒng)內電磁騷擾比系統(tǒng)間電磁騷擾容易預測和控制。141.系統(tǒng)間電磁騷擾系統(tǒng)間電磁騷擾存在于系統(tǒng)與外部電磁環(huán)境之間，產(chǎn)生系統(tǒng)間電磁環(huán)境的因素主要有:自然無線電躁聲環(huán)境、信號環(huán)境和人為躁聲環(huán)境。152.系統(tǒng)內電磁騷擾系統(tǒng)內電磁環(huán)境主要由系統(tǒng)各部分產(chǎn)生的信號環(huán)境和人為噪聲環(huán)境所組成。在很多儀表和系統(tǒng)中,系統(tǒng)的一部分對另一部分來說,很可能是“敵對’’環(huán)境。16系統(tǒng)內騷擾耦合通道主要有:①天線一天線②天線一線纜③機殼一機殼④線一線(屬于輻射耦合)⑤和共阻抗(為傳導耦合)。17二、抗干擾技術（一）干擾現(xiàn)象（二）干擾傳播途徑（三）抗干擾措施18（一）干擾現(xiàn)象1.定義和種類①干擾的定義：由外部躁聲和無用電磁波在接收中所造成的騷擾。在儀表或控制系統(tǒng)中所稱的“躁聲”是對有用信號以外的所有電子信號的一個總稱。19②干擾（即躁聲）種類:躁聲種類有很多種，分類方法也不同，一般按起因分為自然騷擾源和人為騷擾源。人為躁聲:火花放電躁聲、脈沖式躁聲、開關式躁聲和電波躁聲等等。（如生產(chǎn)裝置電氣設備啟停和大功率設備使用時所產(chǎn)生的躁聲。）自然躁聲:大氣躁聲、太陽系躁聲和宇宙躁聲。202.干擾現(xiàn)象在儀表或系統(tǒng)中，除了有用信號外，其他信號均可以認為是干擾信號。譬如：①絕緣泄露電流，導致絕緣性能下降；②分布電容電流，影響有用信號；③受磁力線感應產(chǎn)生感應電流，耦合在有效信號中；④強電器件之間的放電電流，損壞儀表器件。21（二）干擾傳播途徑干擾可能來自于空間（如電磁輻射）,也可能是其他信號的耦合（如靜電耦合、電磁耦合、公共阻抗耦合等）,或是設備之間產(chǎn)生了互感。221.干擾形成的三要素：騷擾源、耦合通道和接收器。①騷擾源的發(fā)射可以是傳導電壓或電流，也可以是通過空間傳播的電場或磁場。②接收器響應一般有線性響應與非線性響應兩種情況。③源和接收器之間的耦合方式分成兩大類：?輻射耦合?傳導耦合23對于上述構成騷擾的三要素,三者只要消除其一,干擾現(xiàn)象就不會發(fā)生,所以電磁兼容性設計就是從分析騷擾源,騷擾傳遞途徑以及被騷擾對象出發(fā)。根據(jù)工程上要求,采取有效措施,抑制騷擾源、消除騷擾的耦合和提高儀表或系統(tǒng)的抗騷擾能力。24例如:儀表或系統(tǒng)傳遞干擾的途徑25

上圖中各符號所表示:①-電源線的傳導騷擾②-信號線的傳導騷擾③-儀表或系統(tǒng)的直接向外輻射或接受騷擾④-電源線作為天線向外輻射或接受騷擾⑤-信號線作為天線向外輻射或接受騷擾⑥-儀表或系統(tǒng)內部的騷擾⑦-地線混入的騷擾262.干擾傳播的主要途徑①共阻抗耦合②電感性耦合③電容性耦合

27①共阻抗耦合當騷擾源和被騷擾儀表或系統(tǒng)的電流流經(jīng)一個公共阻抗時,騷擾源中的任何變化都會在公共線路阻抗上產(chǎn)生相應的電壓降,會影響被騷擾儀表或系統(tǒng)。2829圖所示的是公共阻抗耦合的示意圖,Z1和Z2分別表示兩個儀表(電路)的等效電阻,它們的公共地線連接端G上產(chǎn)生的電壓可等效為Z1和Rc對電源V的分壓以及Z2和Rc對電源v的分壓。若Z1≠Z2,Z1與Z2彼此產(chǎn)生干擾。若G端作為輸出的公共點,對輸出信號也有影響。30②電感性耦合電感性耦合又稱電磁耦合或磁場耦合。它是由于二個電路之間存有互感，使一個電路的電流變化通過磁交連影響到另一電路。例如:圖中電源線中的電流產(chǎn)生的磁場與信號線回路通過磁交連耦合引起騷擾。3132③電容性耦合電容性耦合又稱靜電耦合,它是由兩個電路之間存在分布電容,使一個電路的電荷影響另一個電路,印制電路上各線之間,變壓器一、二次側之間都有分布電容存在,騷擾可能通過這電容進人儀表或系統(tǒng)中去。

3334如圖所示,由于測量系統(tǒng)的信號線與動力線有一段相平行,信號線路與動力線之間存在寄生電容,動力線產(chǎn)生的騷擾就會通過寄生電容耦合到測量系統(tǒng)的信號線上形成騷擾。35（三）抗干擾措施1、儀表或系統(tǒng)板級層次的抗干擾措施2、儀表或系統(tǒng)級層次的抗干擾措施3、軟件抗干擾措施4.儀表或系統(tǒng)應用中的抗干擾措施361.儀表或系統(tǒng)板級層次的抗干擾措施

（1）元件的選擇和電路設計構成電路的基本單元是元器件,選擇合適的元器件和電路設計是抑制干擾的基本保證。①電阻②電容③電感④二極管⑤集成電路37（2）印刷電路板的布線技術

①分割②接地技術③布局布線技術38（3）單片機電源抗干擾技術

①采用交流濾波和快速響應式交流變壓器②采用隔離變壓器③采用低通濾波器④采用分級供電方式⑤其他措施392.儀表或系統(tǒng)級層次的抗干擾措施①屏蔽技術屏蔽一般分為三種:靜電屏蔽、磁屏蔽和電磁屏蔽。原則上，屏蔽體要單點接地，在儀表內部選擇一個專用的屏蔽接地端子，所有屏蔽體都單獨引線到該端子上，而用于連接屏蔽體的線纜必須具有絕緣護套。40儀表機箱可以作為屏蔽體,可以采用金屬材料制作箱體。采用塑料機箱時,可在塑料機箱內壁噴涂金屬屏蔽層。41②隔離技術儀表中采用的隔離技術分兩類:空間隔離和器件性隔離。屏蔽技術是對儀表實施一種包裹性措施，以排除靜電、磁場和電磁輻射的干擾。而空間隔離是把屏蔽體內部構成互擾的各環(huán)節(jié)孤立起來或間隔一段距離，抑制干擾。42器件性隔離一般有隔離放大器、信號隔離變壓器和光電耦合器,這些是通過電—磁、電—光—電的轉換達到有效信號與干擾信號的隔離。43③接地技術儀表中所謂的地，是一個公共基準電位點，可以理解為一個等電位點或等電位面．該公共基準點應用于不同的場合，就有不同的名稱，如大地、系統(tǒng)（基準）地、模擬（信號）地和數(shù)字（信號）地等。接地的目的:安全性和抑制干擾。接地分為:保護接地、屏蔽體接地和信號接地。44④濾波技術根據(jù)干擾的頻率與被測信號頻率的分布特性，選用低通、高通或帶通濾波器。濾波器有兩種:由電阻、電容和電感構成的無源濾波器；基于反饋式運算放大器的有源濾波器。一般干擾的頻率比測量信號大，常采用有源或無源低通濾波器。453.軟件抗干擾措施（1）數(shù)字濾波盡管許多硬件抗干擾措施被采用,但外界的干擾信號總是或多或少地進人系統(tǒng)中,一種補救的方法就是采用數(shù)字濾波技術,如程序判斷濾波、中位濾波、算術平均濾波和加權平均濾波等。46（2）指令冗余干擾信號還未作用到CPU本身,CPU還能正確地執(zhí)行各種數(shù)字濾波程序。如果干擾信號已經(jīng)通過某種途徑作用到了CPU上,CPU就不能按正常狀態(tài)執(zhí)行程序,從而引起混亂。這就是通常所說的程序“跑飛"。47程序“跑飛"后往往將一些操作數(shù)當作指令碼來執(zhí)行,從而引起整個程序的混亂。采用指令冗余是使“跑飛"的程序恢復正常的一種措施。所謂指令冗余,就是在一些關鍵的地方人為地插入一些單字節(jié)的空操作指令NOP。當程序“跑飛"到某條單字節(jié)指令上時,就不會發(fā)生將操作數(shù)當成指令來執(zhí)行的錯誤。48（3）軟件陷阱采用指令冗余使“跑飛"的程序恢復正常是有條件的,首先“跑飛”的程序必須落到程序區(qū),其次必須執(zhí)行到所設置的冗余指令。49如果“跑飛"的程序落到非程序區(qū)(如EPROM中未用完的空間或某些數(shù)據(jù)表格等),或在執(zhí)行到冗余指令之前已經(jīng)形成了一個死循環(huán),則指令冗余措施就不能使“跑飛"的程序恢復正常了。50這時可以采用另一種軟件抗干擾措施,即所謂軟件陷阱。軟件陷阱是一條引導指令,強行將捕獲的“跑飛”程序引向一個指定的地址,在那里有一段專門處理錯誤的程序。51（4）程序監(jiān)視定時器如果“跑飛”的程序落到一個臨時構成的死循環(huán)中時，冗余指令和軟件陷阱都將無能為力。為了防止死循環(huán)，經(jīng)常使用程序監(jiān)視定時器又稱“看門狗”(WATCHDOG:“看門狗”)用于監(jiān)視程序正常運行。52程序監(jiān)視定時器有如下特征:①本身能獨立工作，基本上不依賴于CPU，CPU只在一個固定的時間間隔內與之打一次交道，表明整個系統(tǒng)目前尚屬正常。②當CPU落入死循環(huán)之后，能及時發(fā)現(xiàn)并使整個系統(tǒng)復位。534.儀表及控制系統(tǒng)應用中的抗干擾措施（1）干擾源

①來自空間的輻射干擾

②來自系統(tǒng)外引線的干擾54①來自空間的輻射干擾空間的輻射電磁干擾(EMI)主要是由電力網(wǎng)絡和電氣設備的暫態(tài)過程、雷電、無線電廣播、電視、雷達和通信產(chǎn)生的,通常稱為輻射干擾,其分布極為復雜。55它們對工業(yè)計算機系統(tǒng)的影響主要通過兩條路徑:一是直接對計算機內部的輻射，由電路感應產(chǎn)生干擾；二是對計算機外圍設備及通信網(wǎng)絡的輻射，由外圍設備和通信線路的感應引入干擾。56空間電磁場對工業(yè)計算機系統(tǒng)的干擾如圖:57輻射干擾與現(xiàn)場設備布置及設備所產(chǎn)生的電磁場大小,特別是頻率有關,一般通過設置電纜和計算機局部屏蔽及高壓泄放元件(限幅器等)進行保護。58②來自系統(tǒng)外引線的干擾主要通過電源和信號線引入，通常稱為傳輸干擾，在我國工業(yè)現(xiàn)場較嚴重。

系統(tǒng)外引線的干擾有以下幾種途徑:?來自電源的干擾?來自信號線引入的干擾?來自接地系統(tǒng)混亂時的干擾59?來自電源的干擾ⅰ供電電網(wǎng)干擾工業(yè)計算機系統(tǒng)的正常供電電源均由電網(wǎng)供電,因電網(wǎng)覆蓋范圍廣,它將遭受所有電磁波的干擾而在線路上感應電壓和電流,特別是電網(wǎng)內部的變化,如開關操作浪涌、大型電力設備起停、電網(wǎng)短路暫態(tài)沖擊等,都將通過輸電線路傳至電源原邊。計算機電源通常采用隔離電源,但其結構及制造工藝等因素使其隔離性能并不理想。實際上,由于分布參數(shù)特別是分布電容的存在,絕對隔離是不可能的,因電源引入的干擾造成工業(yè)計算機系統(tǒng)故障很多,這已為事實所證明。60ⅱ供電線路引入的干擾空中的電磁波,以及開關、電動機等電氣設備產(chǎn)生的電火花激發(fā)的交變磁場,通過電源線把高頻信號引入供電儀表而造成干擾。另外,若供電線路設計不合理,由于負荷變化,使電源電壓波動造成對供電儀表干擾。61?來自信號線引入的干擾

主要有兩種途徑:一是通過傳感器供電電源或共用信號儀表的供電電源即配電器串人的電網(wǎng)干擾，這往往被忽視；二是信號線受空間電磁輻射感應的干擾。這都是很嚴重的。62由信號引入的干擾會引起I／O接口工作異常和測量精度嚴重降低。嚴重時將引起元器件損傷。對于隔離性能差的系統(tǒng),還將導致信號間互相干擾,引起共地系統(tǒng)總線回流,造成邏輯數(shù)據(jù)變化、“沖程’’和死機。工業(yè)計算機系統(tǒng)因信號引人干擾造成I／O模件損壞相當嚴重,由此引起系統(tǒng)故障的情況也很多。63?來自接地系統(tǒng)混亂時的干擾

工業(yè)計算機系統(tǒng)的地線包括模擬地、邏輯地、屏蔽地、交流地和保護地等,必須正確處理好,否則計算機系統(tǒng)將無法正常工作。64計算機系統(tǒng)的幾種接地形式圖:65ⅰ信號接地時屏蔽層在非信號側接地的混亂情

況示意圖66在電纜屏蔽層必須一點接地情況下,當信號源接地時,屏蔽層也應在信號側接地,否則不但起不到對信號屏蔽空間電磁干擾作用,反而導致屏蔽體產(chǎn)生環(huán)流,加大對信號的干擾。當信號接地時,屏蔽層在非信號側接地,因兩側地電位差Ui和電纜分布參數(shù)的存在,導致干擾環(huán)流Ii,干擾測量信號；67ⅱ屏蔽層兩端接地的混亂情況示意圖68若屏蔽層兩端都接地,因兩端地電位差Ui的存在,將在屏蔽體上感應干擾電流Ii,對信號產(chǎn)生干擾。694.儀表及控制系統(tǒng)應用中的抗干擾措施（2）抗干擾措施

①隔離②屏蔽③絞線④對電源引入干擾的抑制⑤雷擊保護?接地?設備選型?儀表電線電纜選用70①隔離“隔離”包括兩種含義:一為可靠的絕緣，另一是合理配線?？煽拷^緣，即保證導線之間不會產(chǎn)生漏電流，所以要求導線絕緣材料的耐壓等級、絕緣電阻必須符合規(guī)定。合理配線，即要求信號線盡量避開干擾源。71合理配線要從以下幾方面考慮:?當動力線和信號線平行敷設時,兩者必須保持一定的間距,兩者交叉時要盡可能垂直?導線穿管敷設時,電源線和信號線應在不同的導線管內。?不同信號幅值的信號線不宜穿在同一導線管內。?在采用金屬匯線槽敷設時,不同信號幅值導線、電纜與電源線需用金屬隔板隔開。?同一多芯電纜內不宜有不同信號幅值的信號線等。72②屏蔽屏蔽是用金屬導體把被屏蔽的元件、組合件、電路及信號線包圍起來。這種方法對抑制電容性噪聲耦合特別有效?，F(xiàn)以兩導線為例,說明屏蔽抑制干擾的原理。7374?導線1為干擾源,對地電壓為el,導線2加上屏蔽層,它和屏蔽層間的分布電容為C2s,而屏蔽層對地及導線1之間的分布電容分別為C2G,C1s,從圖中得出屏蔽層上的干擾電壓為ec=（C1s/（C1s+C2s））el75由于C2s存在,導線2上的干擾電壓值也是ec。如果把屏蔽層接地,則ec＝0。因此,導線2上的噪聲電壓同樣也減少到零,當然這是理想狀況,實際上不可能是零,但是通過屏蔽接地大大抑制了干擾。這種方法的實質就是使導線1和導線2之間的耦合電容變?yōu)榱?以切斷耦合通道。76?導線管磁屏蔽非磁性屏蔽體對磁場無屏蔽效果。若把導線穿入鋼制導線管內或者敷設在鋼制加蓋的匯線槽內,由于鋼磁阻很小,如下圖所示,使進入導線內部的磁力線大大降低,起到一定程度的磁屏蔽作用。7778③絞線用雙絞線代替兩根平行導線是抑制磁場干擾的一種行之有效的方法。其原理如圖下所示:7980圖中“.”號表示信號線周圍干擾的磁力線方向，導線中箭頭是感應電動勢的方向，可以看出同一根導線相鄰的兩絞扭環(huán)所產(chǎn)生的感應電動勢方向相反，相互抵消。導線絞扭得越緊，則絞扭環(huán)面積S越小，S中穿過的磁力線越少，若S=0，則穿過磁力線趨近于零。當然實際上不會是零，但可以縮小到很小。所以對于低電平的信號線，周圍環(huán)境有磁場干擾源存在，采用這種類型的導線能起到很好的抑制作用。81④對電源引入干擾的抑制通過電源線引入的噪聲可用濾波電路抑制,需要時,對于儀表電源可以加隔離變壓器,以隔斷和電力系統(tǒng)的電的聯(lián)系。82⑤雷擊保護架空信號電纜可能直接遭受雷擊,但是多數(shù)情況是在信號電纜附近受到雷擊,通過分布電容和電感耦合到信號線,使信號回路內產(chǎn)生很高的沖擊電壓,以致?lián)p壞設備和危及人身安全。如果信號線穿在接地的金屬導線管內或者敷設在接地的封閉的金屬匯線槽內,可得到良好的屏蔽,這種情況一般就不會發(fā)生。83但是敷設到罐區(qū)、碼頭或者遙遠設備的架空電纜,遭受雷擊的可能性是存在的。為了保護設備和人身安全,可以裝上保護設備,但在雷擊區(qū),由于雷擊損壞儀表的現(xiàn)象增多,設計者應根據(jù)具體情況決定是否要采取保護措施。如多芯電纜的備用芯線應在一端接地,以防止雷擊時像天線那樣感應出高壓。84?接地

全面考慮及設計完善的接地系統(tǒng)是工業(yè)計算機系統(tǒng)抗電磁干擾的重要措施之一。85ⅰ全系統(tǒng)采用統(tǒng)一的接地網(wǎng)

由于工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的限制,與辦公用獨立的單機系統(tǒng)不同,工業(yè)計算機系統(tǒng)與大量的過程信號相連接,而過程信號又往往在現(xiàn)場接地(如熱電偶熱端接地等),不可能設置完全隔離的獨立的接地系統(tǒng)。86因此,