第10章抗干扰技术概要

“单片机与控制技术” 多媒体课程课件
武汉工程大学电气信息学院系统的抗干扰技术
微机控制系统大多用于工业现场，条件复杂 恶劣，干扰频繁。干扰严重影响控制系统的可靠 性和稳定性。环境的特殊，要求微机控制系统必 须有极高的抗干扰能力。所谓干扰，就是有用信 号以外的噪声或造成微机系统的设备不能正常工 作的破坏因素。干扰的产生往往是多种因素决定， 干扰的抑制是一个复杂的理论和技术问题，实践 性较强。为此，必须分析干扰的来源，研究对于 不同的干扰源采用不同的有效抑制或消除干扰的 措施，重视接地布线和供电方面的抗干扰技术， 重视CPU可靠运行的抗干扰技术和应用软件中对 数字信号的数据处理技术。本章要介绍这些方面 的一些问题。
图10．２．５ 微机系统的抗干扰供电配置
6．选用成型设备 可根据需要直接采用目前市场已大量上市的 高抗干扰的开关稳压电源、干扰抑制器和超大型 隔离变压器稳压电源、各类型不间断电源UPS等。 这类产品价格不高，即省事、又可靠。UPS要注 意后备式和在线式的选用。对供电质量要求较高 的系统，采用在线式UPS。在线式UPS在电网正 常电压时，将交流输入经变压、整流、滤波后， 变成所需要的直流电压送逆变器，经逆变器变换 和交流滤波，变成所需频率和电压的交流电压供 给负载。逆变器具有稳压和稳频双重功能，提高 了供电质量。当交流输入停电时，由蓄电池组向 逆变器供电，保证交流电不中断。
4. 低通滤波器 采用低通滤波器（如图10．２．３所示） 能抑制电网侵入的外部高频干扰。低通滤 波器可让50Hz的工频信号无衰减地通过， 而滤 去高于50 Hz的高次谐波。直流侧可采 用图10．２．４所示双T滤 波器，以消除 50Hz工频干扰。其优点是结构简单，对固 定频率的干扰滤波效果好。可将电容C固定， 调节电阻，在输入50Hz信号的条件下，使 Uo=0来确定电路参数。
图10．２．３ 50Hz 低通滤波器
图10．２．４ 直流侧用双T滤波器
5．采用分散独立功能块供电 在每个系统功能模块上用三端稳压集成 块（如7805、 7905抗干扰微机电源的供电 配置如图10．２．５所示的结构。、 7812、 7912等）组成稳压电源。每个功能块单独 对电压过载进行保护，不会因某块稳压电 源故障而使整个系统破坏，而且也减少了 公共阻抗的相互耦合，大大提高供电的可 靠性，也有利于电源散热。
图10．２．１电源变压器的屏蔽
图10．２．２电源变压器的多层屏蔽
2. 交流稳压器 交流稳压器主要用于克服电网电压波动对系 统的影响；同时，由于交流稳压器中有电磁线圈， 对干扰也有一定的抑制作用。传统的交流稳压器 只能对付电源的慢慢变化，目前已有很多种能对 付电源瞬间变化的净化技术产品，较好地解决了 问题。 3. 隔离变压器 高频噪声通过变压器主要不是靠初次、级线圈 的互感耦合，而是靠初、次级间寄生电容耦合的， 因此，应采用隔离变压器或超隔离变压器，以提 高抗共模干扰的能力。
10．2．1 电源噪声的抑制 实践说明，电源的干扰是微机控制系统的主要 干扰，抑制这种干扰的主要措施有以下几个方面。 1. 电源变压器的屏蔽 对电源变压器设置合理的屏蔽（静电屏蔽和 电磁屏蔽）是一种十分有效而简单的抗干扰措施。 在微机控制和数据采集系统中，常将电源变压器 的原副边分别加以屏蔽，如图10．２．１所示。 屏蔽通常与铁芯同时接地。在要求更高的场合， 可采用层间也加屏蔽的结构，如图10．２．２所 示。
图10．１．２
串模干扰示意图
图10．１．３ 通过分布电容引入串模干扰
图10．１．４是模干扰引入的示意图。 在微机控制系统中，被测信号有单端对地输入和双 端不对地输入两种方式。对于存在共模式干扰的场合， 尽量不采用单端对地输入方式，因为此时的共模干扰电 压将串联叠加，全部变为串模干扰电压。
10．2 硬件方面对几种主要干扰的抑制方法
图10．１．１ 微机控制系统的干扰来源
10．1．2 干扰的分类 按干扰的作用形式分类，干扰一般有串模干扰和共模 干扰两种。 1．串模干扰 串模干扰又称差模干扰，它是串联于信号回路之中的 干扰，如图10．１．２所示。图中Us为信号电压，Un为 串模干扰电压。Un即可来自干扰源，也可由信号源本身 产生。在图10．１．３中，如果邻近的导线（干扰线）中 有交变电流Ia流过，由不得产生的电磁干扰信号就会通过 分布电容C1和C2的耦合，引入放大器的输入端。 产生串模干扰的原因有分布电容的静电耦合、长线传 输的互感、空间电磁场引起的磁场耦合以及50Hz的工频 干扰等。 2．共模干扰 共模干扰是指放大器或模数转换电路的两个输入端上 共有的干扰电压。
10．2．2 过程通道干扰的抑制
过程 通道是输入接口、输出接口与主机或主 机相互之间进行信息传输的路径，在过程通道中 长线传输的干扰是主要因素。随着系统主振频率 越来越高，微机系统过程通道的长线传输越来越 不可避免，防止干扰的问题也就显得越来越重要。 干扰的来源是多方面的，对于共模、串模和长线 传输三类干扰，有不同的抑制方法。共模干扰的 抑制方法主要有三种：变压器隔离、光电隔离和 浮地屏蔽；串模干扰的抑制方法主要也有三种： 用双绞线作信号引线、滤波、信号的差动式收发； 长线传输干扰的抑制主要是消除线路中的波发射； 采用阻抗匹配的方法。
10．１ 干扰的来源及分类
10．1．1 干扰的来源 微机控制系统运行环境的各种干扰主要表现在以下几 个方面： 1．恶劣的供电条 2．严重的噪声环境 此外，还有来自空间的干扰，如太阳及其它天体辐射 的电磁波，广播电台或通讯发射台发出的电磁波，周围电 气设备如电机、变压器、中频炉、可控硅逆变电源等发出 的电干扰和磁干扰，气象条件、空中雷电、甚至地磁场的 变化也会引起干扰。这些空间辐射干扰有时会使微机不能 正常工作。 图10．１．１形象地表示了微机控制系统的噪声环境。 3. 其它 工业环境的温度、湿度、灰尘、腐蚀性气体 及其它损害，均会影响微机控制系统的可靠性。