计算机控制系统中的抗干扰技术
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计算机控制技术第三版
❖⒊公共阻抗耦合
❖ 公共阻抗耦合发生在两个电路旳电流流经一种公共阻抗时，一 种电路在该阻抗上旳电压降会影响到另一种电路，从而产生干 扰噪声旳影响。
4.1.3 过程通道中旳干扰 ❖⒈串模干扰
❖ 串模干扰是指叠加在被测信号上旳干扰噪声，即干扰串联在信 号源回路中。
图4.5 串模干扰
❖⒉共模干扰
❖ 共模干扰是指计算机控制系统输入通道中信号放大器两个输入 端上共有旳干扰电压。
❖⒉滤波
❖ 采用滤波器克制串模干扰是一种常用旳措施。 ❖ 根据串模干扰频率与被测信号频率旳分布特征，能够选用低通、
高通、带通等滤波器。 ❖ 假如串模干扰频率比被测信号频率高，则采用低通滤波器来克
制高频串模干扰； ❖ 假如串模干扰频率比被测信号频率低，则采用高通滤波器来克
制低频串模干扰； ❖ 假如串模干扰频率在被测信号频谱旳两侧，则采用带通滤波器。
❖ 直接接地方式：设备旳地线系统与大地之间良好连接。 ❖ 电容接地方式：即经过电容把设备旳地线与大地相连。
❖ ⑶屏蔽接地 ❖ 为了克制变化电场旳干扰，计算机控制装置以及电子设备中广
泛采用屏蔽保护。如变压器旳初、次级间旳屏蔽层，功能器件 或线路旳屏蔽罩等。 ❖ 屏蔽接地指屏蔽用旳导体与大地之间旳良好连接。目旳是为了 充分克制静电感应和电磁感应旳干扰。
这常称为工作接地； ❖ 二是防止操作人员因设备旳绝缘损坏或下降而遭受触电危险和
确保设备旳安全、这称为保护接地。
❖⒈接地分类
❖ ⑴安全接地：分为保护接地、保护接零两种形式。
❖ 保护接地就是将电气设备在正常情况下不带电旳金属外壳与大 地之间用良好旳金属连接。如电脑机箱旳接地。
❖ 保护接零指用电设备外壳接到零线，当一相绝缘损坏与外壳相 连，则由该相、设备外壳、零线形成闭合回路。
计算机控制系统的可靠性与抗干扰技术研究
胡 月明 范 勇 （ 西南科技大学计算机科学学院， 四川 绵阳 ６ １ １） ２００
摘 要
对计算机控制 系统的可靠性作 了定量表示 ， 并从软硬件两方面入 手提 出了提 高系统可靠性的几种措施。抗干扰技 术是 保证控制 系统可靠性的一个关键 。 目前针 对各种干扰施行 的抗 干扰技术单独列出 ， 把 也分别从硬 、 件两方面作 了较为详细 软
可靠 度 Ｒ表 明运 行 ｎ此 不 发生 故 障 的 概 率 。 也 可 表示 为 ：
１１系 统 可 靠 性 的 定量 表示 ．
时间 。如 果 该 值很 小 ， 示 系统 可 维 护 性 好 ， 易 修 复 。 表 容
（） ５ 有效度 Ａ （ｖ ｉ ｂｌ ａｉ） Ａ ａｌ ｉｙ ｒｔ ａ ｉ ｔ ｏ
４ 一
’ Ｆ于 ｉ 一 ｊ ｉ －
可 工 作 时 间
ｊ 丽 ：Ｆ
控 制 系 统 抗 干 扰设 计 和施 工 是 工 程 中 非 常 重 要 的 环 节 仪 表 及控 制 系 统 可 靠 性直 接 影 响 到 生产 装 置安 全 、 定 的运 行 ， 制 稳 控 系 统抗 干 扰 能 力 是关 系到 整个 系统 可 靠 运 行 的 关 键 。 １ 计 算 机 控 制 系 统 的可 靠 性
作 ， 行不久即出现故障 ， 运 有效度降低 。
（ ） 靠 度 Ｒ Ｒ ｌ ｂｌ ａｉ） ６可 （ ｅｉ ｉｙ ｒｔ ａ ｉ ｔ ｏ
Ｒ 『 尸几 ｆ ＝ ｌ 次运行不发 生故障ｆ ｆ
低， 如可靠度 、 维护率 、 失效 率 、 均故障间隔时 间（ Ｂ ）平均 平 ＭＴ Ｆ 、
维护时间 （ Ｔ ）有效度 等。具体解释如下［】 ＭＴ Ｒ 、 １：
假 定 系 统 投 入 运 行 后 ， 作 了 一 段 时 间 ｔ后 出现 了故 障 ， 工 不 得 不停 机 维 修 。经过 一 段 时 间 Ｔ 的 维 修后 ， 障 排 除 ， 统 又 正 １ 故 系 常 运 行 。这 样 ， 时 间 坐 标 轴 上 ， ， ， ， 是 系 统 正 常 工 作 时 在 ｔｔ … ｔ ， 间 ， １ ２… ， ｎ 维 护 时 间 ， 有 ： Ｔ， ， Ｔ 是 Ｔ 则
第6章抗干扰技术答案(仅供参考)
一、填空1.经常采用的软件抗干扰技术包括：数字滤波技术、数字信号的软件抗干扰技术、指令冗余技术、软件陷阱技术等。
2.采用积分式A/D转换器是抑制串模干扰的方法之一。
3.采用差分放大器作为信号前置放大是抑制串模干扰的方法之一。
4.通常把叠加在被测信号上的干扰信号称为串模干扰。
5.计算机控制系统中，按干扰的作用方式，可分为串模干扰和共模干扰两种，而数字滤波只能抑制串模干扰。
6.采用双绞线作信号引线是为了抑制串模干扰，采用终端匹配是为了抑制长线传输干扰。
二、选择题1、下列抗干扰措施中属于软件抗干扰技术的有（B、E、F），属于硬件抗干扰技术的有（A、C、D）。
A.采用双积分A/D转换器B.采用中位值滤波C.采用光耦滤波D.采用LC滤波E.采用限幅滤波F.重复书写指令G.串行通讯方式三、判断1.下图所示干扰源为共模干扰。
错，串模。
2.如果串模干扰频率比被测信号频率高，则采用输入低通滤波器来抑制高频率串模干扰。
对3.如果串模干扰频率比被测信号频率低，则采用高通滤波器来抑制低频串模干扰。
对4.对于串模干扰主要来自电磁感应的情况下，对被测信号应尽可能早地进行前置放大，从而达到提高回路中的信号噪声比的目的。
对5.下图所示干扰源为共模干扰。
对6.所谓软件陷阱，就是一条引导指令，强行将扑获的程序引向一个指定的地址，在那里有一段专门对程序出错进行处理的程序。
对7.所谓指令冗余，就是在关键地方人为插入一些单字节指令，或将有效单字节指令重复书写，提高弹飞程序纳入正轨的机会。
对四、简答1.干扰的作用途径是什么？答：(1) 静电耦合 (2) 磁场耦合 (3) 公共阻抗耦合2.什么是共模干扰和串模干扰？如何抑制？答：共模干扰：是指系统的两个信号输入端上所共有的干扰电压，也称为共态干扰。
共模干扰主要是由电源的地、放大器的地以及信号源的地之间的传输线上电压降造成得。
抑制共模干扰的方法：变压器隔离；光电隔离；浮地屏蔽等。
串模干扰：指叠加在被测信号上的干扰噪声，它串联在信号源回路中，与被测信号相加输入系统，也称为常态干扰。
第三章计算机抗干扰技术
3.3 软件抗干扰措施
（5）输入输出数字信号的抗干扰措施 a.输入的数字信号，可以通过重复检查 的方法 b.反复向这些端口定期重写控制字、输 出状态字，来维持既定的输出端口状 态。 (重复输出同一数据)
3.3 软件抗干扰措施
2 提高软件自身的可靠性 （1）采取措施，减少软件设计中的错 误。 模块化设计、进行软件评审和对软件进 行测试等； （2）采用能提高可测试性的设计
3.1 干扰信号的类型及其传输形式
1.2按干扰与信号的关系分类 （1）串模干扰信号 串模干扰信号是指串联于有用信号源回路之中的干扰， 也称横向干扰或正态干扰。 当串模干扰的幅值与有用信号相接近时，系统就无法 正常工作，数据会严重失真，甚至是错误的。 产生串模干扰的原因主要是当两个电路之间存在分布 电容或磁坏链现象时，一个回路中的信号就可能在另 一个回路中产生感应电动势，形成串模干扰信号。另 外信号回路中元件参数的变化也是一种串模干扰信号。 （2）共模干扰信号
3.2 抗干扰技术
3、隔离技术 变压器隔离 继电器隔离 光电隔离
3.2 抗干扰技术
4、串模干扰的抑制 串模干扰 主要来自于电源(多为50Hz的工频干扰及其 高次谐波)、长线传输中的分布电感和分布 电容以及传感器固有噪声等。
3.2 抗干扰技术
抗串模干扰的技术措施有 ： (1)合理选用信号线。 (2)在信号电路中加装滤波器。 (3)选择合适的A／D转换器。 (4)采用调制解调技术。 (5)用光电耦合器隔离干扰。 (6)配备高质量的稳压电源 。
3.2 抗干扰技术
（2）浮地系统和接地系统 接地系统——是指设备的整个地线系统和大 地通过导体直接连接。 优点：对人员比较安全，也有利于抗干扰 。 缺点：可能会导致器件被击穿 。
抗干扰(六讲)
RST ST
为复位输出(低电平有效 产生条件同 为复位输出 低电平有效).产生条件同 低电平有效 产生条件同RST. 为选通输入watchdog定时器输入 定时器输入. 为选通输入 定时器输入
Vcc 为+5V电源 +5V电源 GND 为数字地 N.C. 悬空
2.MAX1232的主要功能 的主要功能 (1)电源监控 电源监控 (2)按钮复位输入 按钮复位输入 (3)监控定时器 监控定时器
1.MAX1232的结构原理 1.MAX1232的结构原理(续) 的结构原理( 当电源过压、欠压时，MAX1232将提供至少 将提供至少250ms宽 当电源过压、欠压时， 将提供至少 宽 度的复位脉冲， 度的复位脉冲，其中的容许极限能用数字式的方法来选 的容限， 择5%或10%的容限，这个复位埋藏也可以由无锁的手 或 的容限 动复位输入； 动复位输入；MAX1232有一个可编程的监控定时器监 有一个可编程的监控定时器监 督软件的执行， 可编程为150ms、600ms或 督软件的执行，该Watchdog可编程为 可编程为 、 或 1.2s的超时设置。下面给出了 的超时设置。 的内部结构图。 的超时设置 下面给出了MAX1232的内部结构图。 的内部结构图
2.7.3 CPU抗干扰技术 抗干扰技术
• 计算机控制系统的CPU抗干扰措施常常采用监 计算机控制系统的CPU抗干扰措施常常采用监 控定时器即看门狗（Watchdog）、 ）、电源监控 控定时器即看门狗（Watchdog）、电源监控 掉电检测及保护）、复位等方法。 ）、复位等方法 （掉电检测及保护）、复位等方法。这些方法 可用微处理器监控电路MAX1232来实现 来实现。 可用微处理器监控电路MAX1232来实现。 1.MAX1232的结构原理 1.MAX1232的结构原理 MAX1232微处理器监控电路给微处理器提供辅助功能以 微处理器监控电路给微处理器提供辅助功能以 及电源供电监控功能。 及电源供电监控功能。MAX1232通过监控微处理器系统 通过监控微处理器系统 电源供电及监控软件的执行，来增强电路的可靠性， 电源供电及监控软件的执行，来增强电路的可靠性，它 提供一个反弹的（无锁的）手动复位输入。 提供一个反弹的（无锁的）手动复位输入。
计算机控制系统的软件抗干扰技术
干 扰 效 应 。
计算机控制系统不仅是保 障整个计算机运行安全，还需
（３）针 对 电路 板 干扰 源 ，可 以利 用 电容 器 与抑 制 电压 元 件 。
要对传递过程中的各种信号进行转换并对其进行其他的处理， 电容器可 以有 效的减 少干 扰 电流对计算机控制系统 的影响 ，
形成计算机语言 。因此计算机控制系统不仅具有控制 的能力， 在 电路板芯片电源与大地之间放置 电容器可以减少 电路之间
用 ，那就是外界的干扰对计算机控制系统会造成一定的危害，
２计 算 机 控 制 系 统 的软 件 抗 干 扰 建 议
使得计算被病毒侵害，从而可能会泄漏用户 的信息甚至公司
针对 第 二 部 分 对 计 算机 控 制 系 统 的干 扰 源 的介 绍 以及 分
与 国家 的 机 密 ，造 成 不 可 估 量 的损 失 。
判 断输入输 出接 口以及通信通道 的稳定性 以及可靠性 。并且
１计算机控制系统的干扰 因素
在进行程序运行期间需要对系统进行抚慰处理 ，中断响应，减
计算机控制系统在整个计算机运行过程具有重要的作用 ， 少错误操作 ，保 证系统 的安全性；最 后，增强信 息传递过程 中
它维持计算机 的高效运行并保障运 行的安全性与稳定性，因 的冗余信息量 ，提 高系统 的发现错误并改正错误 能力 。
的 目的 。计算机控制 系统 中包含硬件与软件，本文 只介绍相 的多余 电波进行过滤 ，从而减少其对系统的影响。
关 出厂 时就 已确 定 了，包
（２）针 对 信 号 电压 干 扰 源 ，可 以利 用磁 珠 以及 双 绞 线 等 方
含计算机的语言 、操作系统 以及 自带的 内部程 序。计算机控 式进行一定的防护 。磁珠的作用主要是降低输 出线中产生的
计算机控制系统抑制干扰的技术分析
计算机控制系统抑制干扰的技术分析
计算机控制系统是由计算机硬件和软件组成的，用于控制和监测各种工业应用。
在实
际应用中，计算机控制系统常常面临各种干扰，如电磁干扰、噪声干扰等，这些干扰可能
会对系统的稳定性和性能产生负面影响。
抑制干扰是计算机控制系统设计中一个重要的技
术问题。
抑制干扰的技术分析主要包括以下几个方面：
1. 信号传输线路的设计：计算机控制系统中的信号传输线路需要考虑干扰抑制的技
术措施。
在设计电缆布线时要避免和干扰源靠近，采用屏蔽线缆以阻断外界干扰，对于长
距离传输的信号需要采用差分信号传输来提高抗干扰能力。
2. 电磁干扰的抑制：电磁干扰是计算机控制系统中常见的一种干扰源。
为了抑制电
磁干扰，可以采用物理屏蔽措施，如在敏感设备周围设置屏蔽罩，减少外界电磁场对系统
的干扰；也可以采用滤波技术，通过滤波器对输入信号进行滤波，去除掉不需要的高频成分。
4. 地线设计：地线是计算机控制系统中常用的抗干扰措施之一。
合理的地线设计可
以有效地减少系统受到的干扰。
在设计中，可以采用单点接地原则，将各个设备的地线连
接到一个共同的地点，减少地线回路的面积。
还可以采用分立地线设计，将高频和低频信
号的地线分开，减少信号间的相互干扰。
计算机控制系统抑制干扰的技术分析主要包括信号传输线路的设计、电磁干扰的抑制、噪声干扰的抑制和地线设计等方面。
通过合理的设计和抑制措施，可以有效地减少干扰对
计算机控制系统的影响，提高系统的稳定性和性能。
计算机控制系统的干扰及抗干扰措施探讨
号 的频 带不 同 ， 可 以通 过 在 导线 上增 加滤 波 器 的方 法
切 断高 频干 扰 噪 声 的传播 ， 有 时 也可 加 隔离 光 耦来 解 采 用 积 分 型 Ａ ／ Ｏ； 当 干扰 主 要来 自感应 时 ， 对 被 测 信 提高Ｓ ／ Ｎ比 ； 对低 频 干扰 ， 采 用 数 字 决。 电源 噪声 的危 害最 大 ， 要特 别注 意处理 。 所谓辐 射 号尽 早前 置 放大 ， 干扰 是 指走 平 行 线路 ， 通 过 空 间辐 射感 应传 导到 干扰 滤波 ； 数字 信 号传送 时， 采用 负逻 辑 。
计算 机控 制 系统 在 工程 中的应 用 越来 越 多 ， 由于 混 乱 ， 引发计 算机 失控 ， 死机 。 周 围环 境 比较 复 杂 ， 容 易 形成 各 种 干 扰源 ， 如 果 不 采
取恰 当 的 防 范措 施 ， 源自 种干 扰 就 会 影 响 系 统 ， 造 成 系
统 控制 失 灵 、 运 行 不稳 定 等现 象 。因此 研 究计算 机 控
Ｌ 堡 垒 ｌ
ＵＪ ｌ ＡＮ ＣＯ Ｍ ＰＵＴＥＲ
计算机控制 系统 的干扰及 抗干扰措 施探讨
姜 碉
（ 西 南民族 大 学计算机科 学技 术 学 院 四川 成 都 ６ １ ０ ０ ４ １ ）
【 摘 要】 ： 本文分析了计算机控制 系统中的干扰来源和影响， 以及干扰表现方式 ； 按照抗干扰的基
本原 则 ， 探 讨 了如何 对 不 同类型 的干扰 采取相 应 的抗 干扰措 施 ， 提 高 系统 对环境 的 适应 能力 ， 使 实现正
常 的控 制得 到保证 。
【 关键词 】 ： 计算机控制 系统 干扰 抗干扰
１前言
混 乱； 对 于 系 统 内 核本 身 ， 会 使三 总 线 上 的 数 字信 号 ２ ． ４干 扰 的基本 类 型 １ １ 按特 征 分
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第10章 计算机抗干扰技术
图A 公共电源线的阻抗耦合
图B 公共地线的阻抗耦合
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第10章 计算机抗干扰技术
10.1.3 干扰的作用方式
• 按干扰作用方式的不同，可分为差模干扰、共模干扰和长线 传输干扰。
• 差模干扰：又称串模干扰，是指叠加在被测信号上的干扰噪 声，它串联在信号源回路中，与被测信号相加输入系统。差 模干扰与被测信号在回路中处于同样的地位，也称为常态干 扰或横向干扰。
• 其中，Ucm是共模干扰电压，Un是由Ucm转化成的差模 干扰电压。单端输入方式的CMRR较小，说明它的抗共模 抑制能力较差；而双端输入方式，由Ucm引入的差模干扰 电压Un较小，CMRR较大，所以抗共模干扰能力很强
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第10章 计算机抗干扰技术
• 在计算机控制系统的现场，往往有许多强电设备，它们的启动和工作
过程中将产生干扰电磁场，另外还有来自空间传播的电磁波和雷电的
干扰，以及高压输电线周围交变磁场的影响等。
高压电线
雷电
过程控制系统
雷达、电台等 天线发射装置
引 入 噪 声
地电位波动
交流动力线
电机、电焊机等 大用电设备
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6
第10章 计算机抗干扰技术
• 产生差模干扰的原因：分布电容的电场耦合，空间的磁场耦 合，长线传输的互感，50Hz工频干扰，以及信号回路中元件 参数变化等
I
差模干扰示意图
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第10章 计算机抗干扰技术
10.1.3 干扰的作用方式
• 共模干扰：是指系统的信号输入端上对接地端干扰电压, 共模干扰也称为共态干扰或纵向干扰。
干扰传播途径主要有： • 电场耦合
• 磁场耦合
电场耦合
• 公共阻抗耦合
– 电场耦合又称静电耦合，是通过电容耦合窜入其他线路的。
– 电场干扰可以通过两根导线之间构成的分布电容窜入系统
பைடு நூலகம்
Ra=1/jωc12
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Rb=R/(1+1/jωc2g)
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第10章 计算机抗干扰技术
磁场耦合
– 在任何载流导体周围都会产生磁场，当电流变化时会引起交变磁 场，该磁场必然在其周围的闭合回路中产生感应电势引起干扰。
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第10章 计算机抗干扰技术
10.1 干扰的传播途径 与作用方式
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第10章 计算机抗干扰技术
与干扰相关的几个概念：
干扰系统的三个要素：干扰源、传播途径及干扰对象。
干 扰： 是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。
干扰源： 产生干扰信号的源头 干扰对象：干扰源通过传播途径影响的器件或系统
抗干扰技术就是通过对这三要素中的一个或多个采取必要 措施来实现的。
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第10章 计算机抗干扰技术
10.1.1 干扰的来源
计算机控制系统中干扰的来源是多方面的:
干扰
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外部干扰
外部干扰与系统结构无关，是由使用条件和外部 环境因素决定的。
主要有：天电干扰，如雷电或大气电离作用引起 的干扰电波；天体干扰，如太阳辐射的电磁波； 周围电气设备发出的电磁波的干扰；电源的工频 干扰；气象条件引起的干扰；地磁场干扰；火化 放电、弧光放电、辉光放电等产生的电磁波等。
内部干扰是由系统的结构布局、线路设计、元器件 内部干扰 性质变化和漂移等原因造成的
主要有：分布电容、分布电感引起的耦合感应，电 磁场辐射感应，长线传输的波反射，多点接地造成 的电位差引入的干扰，寄生振荡引起的干扰以及热 噪声、闪变噪声、尖峰噪声等。
5
第10章 计算机抗干扰技术
10.1.2 干扰的传播途径
• 由Ucm引起系统输入的差模电压为：
共模抑制比
Un1
Zs
Zs Zr
Ucm
Zs Us ~ Ic
Zr A
Un2Zs1Z sc1Zc1Zs2Zsc2Zc2Ucm Zs1
Us ~ Ic1
A
Zs2
Ucm
~
Ic2
~ Ucm Zc2
Zc1
(a) 单端输入
(b) 双端输入
两种输入方式的共模电压的引入
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– 在设备内部，线圈或变压器的漏磁也会引起干扰；在设备外部， 平行架设的两根导线也会产生干扰，由于感应电磁场引起的耦合， 可以计算感应电压
Un jM1I
其中： • ω为感应磁场交变角频率 • M为两根导线之间的互感
• I1为导线1中的电流
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第10章 计算机抗干扰技术
磁场耦合
– 设某信号线与电压为220VAC、负荷为10KVA 输电线的距离为1m，并且平行走线10m，两 线之间的互感为4.2μH(亨利 )，按公式计算出 信号线上感应的干扰电压Un为
Un=ωMI1=2π×50×4.2×（10-6）× 10000/220=59.98(mV)
可见，这样大的干扰，足以淹没小信号。
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第10章 计算机抗干扰技术
•公共阻抗耦合
– 公共阻抗耦合干扰是由于电流流过回路间公共阻 抗，使得一个回路的电流所产生的电压降影响到 另一回路。
– 在计算机控制系统中，普遍存在公共耦合阻抗，例如， 电源引线、印刷电路板上的地和公共电源线、汇流排等。 这些汇流条都具有一定的阻抗，对于多回路来讲，就是 公共耦合阻抗。
• 产生共模干扰的原因：系统（或信号放大器）的地与现场 信号源的地一般相隔一段距离，在两个接地点之间往往存 在一个电位差Vc，该电位差是系统信号输入端上共有的 干扰电压，会对系统产生共模干扰。
共模干扰示意图
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第10章 计算机抗干扰技术
• 对于系统干扰来说，共模干扰大都通过差模干扰方式表现出来
第10章 计算机抗干扰技术
第十章
计算机控制系统中的抗干扰技术
Anti-Disturbance Technology in Computer Control System
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第10章 计算机抗干扰技术
本章主要内容
• 干扰的传播途径与作用方式 • 硬件抗干扰技术 • 软件抗干扰技术(已讲)
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第10章 计算机抗干扰技术
• 对于存在共模干扰的场合，不能采用单端输入方式，应采 用双端输入方式，原因是其抗共模干扰能力强
• 为了衡量一个放大器抑制共模干扰的能力，常用共模抑制
比CMRR（Common-Mode Rejection Ratio ）
表示，即
CMRR 20lgUcm(DB ) Un