02-4 计控系统抗干扰技术

2.1 计算机控制系统过程通道的抗 干扰技术
干扰－指有用信号以外的噪声或造成计算机设备不能 正常工作的破坏因素的总称。 一、干扰来源及种类 1、外部干扰：由控制系统的外部环境因素决定。 如： 1）天电干扰，如雷电或大气电离作用以及其他气象引 起的干扰电波； 2）电气设备的干扰，如动力机械、高频炉、电焊机等 都会产生的电磁干扰； 3）开关、电流断路器、过载继电器等具有瞬变过程的 设备也会产生较大的干扰；
二、干扰的传播途径
干扰传播的途径主要有三种：静电耦合，磁场 耦合，公共阻抗耦合。 1．静电耦合
导线1 C12 C2g 导线2 Un
C1g
U1
R
图 8-3 导线之间的静电耦合
1）静电耦合是电场通过电容耦合途径窜入
其它线路。
2）两根并排的导线之间就会构成分布电容，
如印制线路板上印制线路之间、变压器绕线 之间都会构成分布电容。
数字地 （b） 在D/A转换器与执行器之间
模拟地
3）浮地屏蔽
浮地屏蔽是利用屏蔽层使输入信号的“模 拟地”浮空，使共模输入阻抗大为提高，共模 电压在输入回路中引起的共模电流大为减少， 从而抑制了共模干扰，图8-13给出了一种浮地 输入双层屏蔽放大电路。
外屏蔽层 内屏蔽层 信号源 Us 屏蔽层 A 计 算 机 Us Z s1 Z s2 Z s3 Ucm (a) 原理框图 图8-13 浮地输入双层屏蔽放大电路 Ucm (b) 等效电路 I1 I2 I3 Z c2 Z c1 Z c3 计 算 机
(a)在A/D转换器与CPU之间
+5V
+5V
D0 CPU D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D1 D/A D2 D3 转换器 D4 D5 D6 D7
(b)在CPU与D/A转换器之间
VCC
Us 传 感 器 放大器 双绞线 A/D 计算机
模拟地 （a） 在传感器与A/D转换器之间
数字地
VCC 双绞线 计算机 D/A 放大器 执 行 器 RL
引至计算机控制系统的输入端。
I a 干扰线
Un 计算机控制系统 C1
Us
Us
C2
计算机控制系统
( a ) 表现形式 图 8 - 6 串模干 扰
( b) 产生原因
对串模干扰的抑制较为困难，因为干扰Un直 接与信号Us串联。目前常采用双绞线与滤波器两 种措施。
1．双绞线做信号引线 双绞线是由两根互相绝缘的导线扭绞缠绕组成， 为了增强抗干扰能力，可在双绞线的外面加金 属编织物或护套形成屏蔽双绞线。
（2）信号线粗细的选择 从信号线价格、强度及施工方便等因素出发， mm 2 信号线的截面积在2 以下为宜，一般采用 2 2 mm mm 1.5 和1.0 两种。采用多股线电缆较好， 其优点是可挠性好，适宜于电缆沟有拐角和 狭窄的地方。

2．信号线的铺设 信号线的铺设要注意以下事项： （1）模拟信号线与数字信号线不能合用同 一根电缆，要绝对避免信号线与电源线合用 同一根电缆。 （2）屏蔽信号线的屏蔽层要一端接地，同 时要避免多点接地。
第二章 计算机控制系统的 抗干扰与可靠性技术部分
Anti-Disturbing and Reliability Techniques of Computer Control Systems


1、干扰的来源与传播途径。 2、硬件抗干扰措施。
计算机控制系统的被控变量分布在生 产现场的各个角落，因而计算机是处于干 扰频繁的恶劣环境中。 干扰是有用信号以外的噪声，这些干 扰会影响系统的测控精度，降低系统的可 靠性，甚至会导致系统的运行混乱，造成 生产事故。 因为干扰是客观存在的，所以我们必 须研究干扰，以采取相应的抗干扰措施。

导线1
导线2
R1 I1
Un
R3
M
U1
R2
图 8-4 导线之间的磁场耦合
3．公共阻抗耦合
1）公共阻抗耦合发生在两个电路的电流流 经一个公共阻抗时，一个电路在该阻抗上 的电压降会影响到另一个电路，从而产生 干扰噪声的影响。 2）图8-5给出一个公共电源线的阻抗耦合 示意图。

R3
R1
i2 A2 A1
2．磁场耦合
1）空间的磁场耦合是通过导体间的互感耦合进来的。 2）在任何载流导体周围空间中都会产生磁场，而交
变磁场则对其周围闭合电路产生感应电势。 3）如设备内部的线圈或变压器的漏磁会引起干扰， 还有普通的两根导线平行架设时，也会产生磁场干扰， 如图8- 4所示。
如果导线1为承载着10A、220V的交流输电线， 导线2为与之相距1米并平行走线10米的信号线，两 线之间的互感M会使信号线上感应到的干扰电压Un 高达几十毫伏。如果导线2是连接热电偶的信号线， 那么这几十毫伏的干扰噪声足以淹没热电偶传感器 的有用信号。
3．始端阻抗匹配


在传输线始端串入电阻R，如图8-16所示，也能基 本上消除反射，达到改善波形的目的。一般选择 始端匹配电阻R为R＝RP－RSC。 其中，RSC为门A输出低电平时的输出阻抗。
R A
双绞线 B RP
图 8-16 始端阻抗匹配
补充：信号线的选择与铺设
在计算机控制系统中，信号线的选择与铺 设也是个不容忽视的问题。如果能合理地选 择信号线，并在实际施工中又能正确地铺设 信号线，那么可以抑制干扰。 1．信号线的选择 对信号线的选择，一般应从抗干扰和经济实 用这两个方面考虑，而抗干扰能力则应放在 首位。不同的使用现场，干扰情况不同，应 选择不同的信号线。
引言 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.4 2.2.5

串模干扰的抑制 共模干扰的抑制 长线传输干扰的抑制 电源系统的抗干扰 接地系统的抗干扰
引言
了解了干扰的来源，我们就可以采取相 应的抗干扰措施。主要根据干扰的三种主要 作用方式——串模、共模及长线传输干扰来 分别采取相应的抗干扰措施。
双绞线 A RP R (a) EC R1 双绞线 A RP R2 (b) 图 8-15 终端阻抗匹配 B B
1）图a终端阻抗匹配 适当调整R的阻值，可使R=RP。这种匹配方法也能消 除波反射，优点是波形的高电平下降较少，缺点是低 电平抬高，从而降低了低电平的抗干扰能力。 2）图b终端阻抗匹配
为了同时兼顾高电平和低电平两种情况，可选取 R1=R2=2RP，此时等效电阻R=RP。实践中宁可使高电 平降低得稍多一些，而让低电平抬高得少一些，可通 过适当选取电阻R1和R2，并使R1＞R2来达到此目的， 等效电阻R=RP。
2.2.1串模干扰的抑制

1、串模干扰(又称横向干扰或正态干扰)
串模干扰是指迭加在被测信号上的干扰噪声，即
干扰源串联在信号源回路中。
Vn
Vs
A
放大器
串模干扰示意图
2.串模干扰的产生原因
Us为信号源，Un为串模干扰电压，邻近导线 (干扰线)有交变电流Ia流过，由Ia产生的电 磁干扰信号就会通过分布电容C1和C2的耦合，
1)双绞线的抗干扰作用 因为外界电磁场会在双绞线相邻的小环路 上形成相反方向的感应电势，从而互相抵 消减弱干扰作用。 双绞线相邻的扭绞处之间为双绞线的节距， 双绞线不同节距会对串模干扰起到不同的 的抑制效果，见表2-1。 双绞线用来传输模拟信号和数字信号，用 于点对点连接和多点连接应用场合，数据 传输速率可达2Mbps。
2.2.3 长线传输干扰及其抑制
1.长线干扰产生原因 易受到外界干扰 具有信号延时 会引起波反射现象 2.消除波反射或将它抑制到最低限度 终端阻抗匹配或始端阻抗匹配

1．波阻抗的测量

为了进行阻抗匹配，必须事先知道信号传输线的 波阻抗RP，波阻抗RP的测量如图8-14所示。
双绞线 信号 A RP 示波器 R
大器两个输入端上共有的干扰电压。
信号源 Vs
Zr
A
Vc
共模干扰示意图 (a)


2.共模干扰的产生原因：
一般都用较长的信号导线把现场的传感器或执行器引入计算机系
统的输入或输出通道中，这类传输线通常长达几十米以至上百米， 这样，现场信号的参考接地点与计算机系统输入或输出通道的参
考接地点之间存在一个电位差Ucm。这个Ucm是加在放大器输入端

高压电缆
闪电 微机控制系统
雷达、电台 等天线发射
地电
交流动力线 图 8-1 外部干扰环境
2、内部干扰：由系统结构、制造工 艺决定。

如： 1）分布电容、分布电感引起的耦合感应，电磁场 辐射感应； 2）长线传输造成的波反射； 3）多点接地造成的电位差引入的干扰； 4）装置及设备中各种寄生振荡引入的干扰以及热 噪声、闪变噪声、尖峰噪声等引入的干扰；
C2 R1 C1 R2 C2 计控 系统 R1 R2 + A Ui C1 R4 R3 (a) 无源阻容滤波器 图 8-8 滤波电路 (b) 有 源 滤 波器 U0 计控 系统
+
Us
屏蔽层
2.2.2 对共模干扰的抑制

1、共模干扰（也称纵向干扰或共态干扰）
共模干扰是指计算机控制系统输入通道中信号放
Us 放大器 双绞线 U s1 调制器 B 解调器 U s2 A/D 计算机
模拟地 数字地 要注意的是，隔离前和隔离后应分别采用两组互相独立的电 图 8-10 变压器隔离 源，以切断两部分的地线联系。
+5V
+5V
2）光电隔离
D0 D0 D1 A/D D2 D3 转换器 D4 D5 D6 D7 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 CPU

（1）信号线类型的选择 在精度要求高、干扰严重的场合，应当采用屏蔽 信号线。下表列出几种常用的屏蔽信号线的结构 类型及其对干扰的抑制效果。
屏蔽结构 铜网（密度 85%） 铜带迭卷（密 度90%） 铝聚酯树脂带 迭卷 干扰衰减 屏蔽效果 （dB） 比 103：1 376：1 6610：1 40.3 51.5 76.4 备注 电缆的可挠性好， 适合近距离使用 带有焊药，易接 地，通用性好 应使用电缆沟， 抗干扰效果最好