计算机控制技术课件 第7讲 抗干扰技术
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计算机控制系统中的抗干扰技术特点、作用和应用
• 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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第9章 计算机抗干扰技术
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第9章 计算机抗干扰技术
产生差模干扰的原因
主要有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。
差模干扰示意图
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第9章 计算机抗干扰技术
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,共模干 扰也称为共态干扰或纵向干扰。
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第9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
第9章 计算机抗干扰技术
第9章
计算机控制系统中的抗干扰技术特点、 作用和应用
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第9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
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第9章 计算机抗干扰技术
9.1 干扰的传播途径 与作用方式
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第9章 计算机抗干扰技术
计算机测控系统抗干扰技术
2．磁场耦合
空间的磁场耦合是通过导体间的互感耦合进来的。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。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
如果导线1为承载着10kVA、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。
III．始端阻抗匹配
在传输线始端串入电阻R，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。
(4) 信号线的选择与敷设
在计算机测控系统中，信号线的选择与敷设也是个 不容忽视的问题。如果能合理地选择信号线，并在实际 施工中又能正确地敷设信号线，那么可以抑制干扰；反 之，将会给系统引入干扰，造成不良影响。 I．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几个 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。在不降低抗 干扰能力的条件下，应该尽量选用价钱便宜，敷设方便 的信号线。
3 抗干扰措施
引言 （1） （2） （3） （4） （5） （6）
串模干扰的抑制 共模干扰的抑制 长线传输干扰的抑制 信号线的选择与敷设 电源系统的抗干扰 接地系统的抗干扰
引言
了解了干扰的来源与传播途径，我们就可 以采取相应的抗干扰措施。在抗干扰措施中， 除了按照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考虑外，还要从 布线、电源、接地等方面考虑。
最新7抗干扰技术1h
7抗干扰技术1h来自第七章 传感器的抗干扰技术
抗干扰技术
“干扰”在检测系统中是一种无用信号， 它会在测量结果中产生误差。因此要获得良 好的测量结果，就必须研究干扰来源及抑制 措施。通常把消除或削弱各种干扰影响的全 部技术措施，总称为抗干扰技术或称为防护。
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为了使屏蔽在防护检测装置不受外界电场的电容性或电阻 性漏电影响时充分发挥作用，应将屏蔽线接到大地上。但 是大地各处电位很不一致，如果一个测量系统在两点接地， 因两接地点不易获得同一电位，从而对两点(多点)接地电 路造成干扰。这时地电位是装置输入端共模干扰电压的主 要来源。因此，对一个测量电路只能一点接地。
– 中间屏蔽层接仪表金属外壳；
– 二次侧绕组屏蔽层接电源负端。
图7-18 双层屏蔽的电源变压器
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7.2.4 其他抑制干扰的措施
• 为了切断共模干扰的电流回路，可采用各种隔离器件，如 光耦合器、耦合变压器等。对于脉冲电路中的噪声抑制， 可以采用稳压管或二极管组成的脉冲干扰隔离门，阻断幅 值较小的干扰脉冲。对于幅值和宽度都大于正常脉冲信号 的干扰，则需采取相关量法来解决。相关量法的基本思路 是，找出脉冲信号相关量，相关量与脉冲信号同时作用到 与门上，仅当两输入皆有信号时，才能使与门打开送出脉 冲信号，这样就抑制了干扰脉冲。
另一方面，电压跟随器的输入阻抗
Cs1
与导体B的对地阻抗Zi相并联，为减 A
Cs2
D
B
小其并联作用，则要求跟随器有无 En 穷大的输入阻抗。实际上，这些要
Zi
求只能在一定程度上得到满足。驱
R
动屏蔽属于有源屏蔽，只有当线性
集成电路出现以后，驱动屏蔽才有
抗干扰技术
“干扰”在检测系统中是一种无用信号， 它会在测量结果中产生误差。因此要获得良 好的测量结果，就必须研究干扰来源及抑制 措施。通常把消除或削弱各种干扰影响的全 部技术措施，总称为抗干扰技术或称为防护。
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为了使屏蔽在防护检测装置不受外界电场的电容性或电阻 性漏电影响时充分发挥作用，应将屏蔽线接到大地上。但 是大地各处电位很不一致，如果一个测量系统在两点接地， 因两接地点不易获得同一电位，从而对两点(多点)接地电 路造成干扰。这时地电位是装置输入端共模干扰电压的主 要来源。因此，对一个测量电路只能一点接地。
– 中间屏蔽层接仪表金属外壳；
– 二次侧绕组屏蔽层接电源负端。
图7-18 双层屏蔽的电源变压器
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7.2.4 其他抑制干扰的措施
• 为了切断共模干扰的电流回路，可采用各种隔离器件，如 光耦合器、耦合变压器等。对于脉冲电路中的噪声抑制， 可以采用稳压管或二极管组成的脉冲干扰隔离门，阻断幅 值较小的干扰脉冲。对于幅值和宽度都大于正常脉冲信号 的干扰，则需采取相关量法来解决。相关量法的基本思路 是，找出脉冲信号相关量，相关量与脉冲信号同时作用到 与门上，仅当两输入皆有信号时，才能使与门打开送出脉 冲信号，这样就抑制了干扰脉冲。
另一方面，电压跟随器的输入阻抗
Cs1
与导体B的对地阻抗Zi相并联，为减 A
Cs2
D
B
小其并联作用，则要求跟随器有无 En 穷大的输入阻抗。实际上，这些要
Zi
求只能在一定程度上得到满足。驱
R
动屏蔽属于有源屏蔽，只有当线性
集成电路出现以后，驱动屏蔽才有
计算机控制技术课件第7章
又称起止同步，这是在计算机通信中常用的同步方式。 在异步方式中，并不要求在传送信号的每一数据位时收 发两端都同步。
异步传输
同步传输与异步传输
异步传输
异步方式实现起来简单容易，频率的漂移不会积累，对 线路和收发器要求较低。
往往因同步的需要，另外传输一个或多个同步字符或帧 头，因而会增加网络开销，使线路效率受到一定的影响。
信号发送端的调制器将待传输的数字信号转换成模拟信 号，接收方用解调器检测此模拟信号，再把它转换成数 字信号。将调制器和解调器合二为一的装置称为调制解 调器，又称MODEM。
载波传输
基本原理： 载波 S(t) = A cos (t+)
S(t)的参量包括： 幅度A、频率 、相位 用数字信号对载波的三个参量进行调制。
将一条宽带信道划分为多条逻辑信道（只是在宽带信道 中划分，还是一条数据线），实现多路复用，因此信道 的容量大大增加。
宽带传输的距离比基带远。
第4 节 数据编码
数据的编码
数据通信系统中采用最为广泛的编码是美国标准信息交换码 （American standard code for information interchange， ASCII），这是一种7位编码，其128种不同组合分别对应一 定的数字、字母、符号或特殊功能。
计算机控制系统中的数据通信指计算机与计算机之 前间、计算机与仪器设备之间的数据交换。
第1 节 通信系统的性能指标
通信系统的性能指标
信息传输的有效性和可靠性是通信系统最主要的质量指标。 有效性是指所传输信息的内容有多少；而可靠性是指接收信
息的可靠程度。 通信有效性实际上反映了通信系统资源的利用率。通信过程
常用技术
I. 幅移键控ASK(Amplitude Shift Keying)，调幅 II. 频移键控FSK(Frequency Shift Keying)，调频 III.相移键控PSK(Phase Shift Keying) ，调相
异步传输
同步传输与异步传输
异步传输
异步方式实现起来简单容易，频率的漂移不会积累，对 线路和收发器要求较低。
往往因同步的需要，另外传输一个或多个同步字符或帧 头，因而会增加网络开销，使线路效率受到一定的影响。
信号发送端的调制器将待传输的数字信号转换成模拟信 号，接收方用解调器检测此模拟信号，再把它转换成数 字信号。将调制器和解调器合二为一的装置称为调制解 调器，又称MODEM。
载波传输
基本原理： 载波 S(t) = A cos (t+)
S(t)的参量包括： 幅度A、频率 、相位 用数字信号对载波的三个参量进行调制。
将一条宽带信道划分为多条逻辑信道（只是在宽带信道 中划分，还是一条数据线），实现多路复用，因此信道 的容量大大增加。
宽带传输的距离比基带远。
第4 节 数据编码
数据的编码
数据通信系统中采用最为广泛的编码是美国标准信息交换码 （American standard code for information interchange， ASCII），这是一种7位编码，其128种不同组合分别对应一 定的数字、字母、符号或特殊功能。
计算机控制系统中的数据通信指计算机与计算机之 前间、计算机与仪器设备之间的数据交换。
第1 节 通信系统的性能指标
通信系统的性能指标
信息传输的有效性和可靠性是通信系统最主要的质量指标。 有效性是指所传输信息的内容有多少；而可靠性是指接收信
息的可靠程度。 通信有效性实际上反映了通信系统资源的利用率。通信过程
常用技术
I. 幅移键控ASK(Amplitude Shift Keying)，调幅 II. 频移键控FSK(Frequency Shift Keying)，调频 III.相移键控PSK(Phase Shift Keying) ，调相
第九章计算机控制系统设计与实现课件
NOP NOP JMP ERR
软件陷阱安排在以下4种地方： （a）未使用的中断向量区； (b)未使用的大片ROM空间；
(c)表格；
(d)程序区。
(2). 设置监视跟踪定时器
也称为看门狗定时器(Watchdog)，可以使陷入“死机” 的系统产生复位，重新启动程序运行。
9.2系统设计的原则与步骤
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12
（5）直流稳压系统
包括整流器、滤波器、直流稳压器和高频滤波 器等几部分。
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简易直流稳压电源结构为：
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b、电源系统的异常保护
（1）不间断电源UPS 在正常情况下，由交流电网向微机系统供电，并
同时给UPS的电池组充电。一旦交流电网出现断电， 则不间断电源UPS自动切换到逆变器供电，逆变器将 电池组的直流电压逆变成为与工频电网同频的交流电 压，此电压送给直流稳压器后继续保持对系统的供电。
9.1 抗干扰技术 9.2 系统设计的原则与步骤
1
9.1 抗干扰技术
2
硬件抗干扰：效率高，但要增加成本和体积 软件抗干扰：投资低，但要降低系统的工作效率
3
外部干扰：空间电或磁的影响，环境温度、湿度等气 象条件
内部干扰：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起的干扰，寄生振荡 引起的干扰，甚至元器件产生的噪声也属 于内部干扰
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(2). 测量元件的选择 实际中被测量有温度、流量、压力、液位、成分、位移
、重量、速度等，所以相应的传感器种类也很多，而且规 格各异，因此，必须正确合理地选择测量元件。
（集成化传感器）
(3). 执行机构的选择 常用的执行机构有电动执行机构、气动薄膜调节阀、伺
计算机控制系统的抗干扰技术和措施
对于磁场屏蔽，应采用高导磁材料使磁路闭合， 且应接 大地。
对于电磁场干扰，因采用低阻金属材料制成屏蔽体， 屏 蔽体以接大地为宜。
对于高增益放大器来说，一般要用金属罩屏蔽起来。 为 了消除放大器与屏蔽层之间的寄生电容影响， 应将屏蔽体与 放大器的公共端连接起来。
如果信号电路采用一点接地方式， 则低频电缆的屏蔽层 也应一点接地。
5. 印刷电路板的地线安排
在安排印刷板地线时，首先要尽可能加宽地线，以降低 地线阻抗。其次，要充分利用地线的屏蔽作用。 在印刷板边 缘用较粗的印刷地线环包整块板子，并作为地线干线，自板 边向板中延伸，用其隔离信号线，这样既可减少信号间串扰， 也便于板中元器件就近接地。
6. 屏蔽地
对于电场屏蔽来说， 由于主要是解决分布电容问题， 因 此应接大地。
2. 电磁屏蔽
电磁屏蔽主要用来防止高频电磁场对电路的影响。电磁屏 蔽包括对电磁感应干扰及电磁辐射干扰的屏蔽。它是采用低电 阻的金属材料作为屏蔽层。电磁屏蔽就是利用屏蔽罩在高频磁 场的作用下，会产生反方向的涡流磁场与原磁场抵消而削弱高 频磁场的干扰；又因屏蔽罩接地，也可实现电场屏蔽。由于电 磁屏蔽是利用了屏蔽罩上的感生涡流，因而屏蔽罩的厚度对于 屏蔽效果影响不大，而屏蔽罩是否连续却直接影响到感生涡流 的大小，也即影响到屏蔽效果的好坏。如果在金属体上垂直于 电流方向上开缝，就没有屏蔽效应。原则上屏蔽体越严密越好。 因此，电磁屏蔽层的接缝应注意良好的焊接与密封， 通风孔 与操作孔因尽量开小。
3. 磁场屏蔽
对于低频磁场干扰，用上述电磁屏蔽方法往往难以奏效， 一般采用高导磁率材料作屏蔽体，利用其磁阻较小的特点， 给干扰磁通提供一个低磁阻通路，使其限制在屏蔽体内。为 了有效地进行磁场屏蔽，必须采用诸如玻莫合金之类材料， 同时要有一定的厚度，或者采用相互具有一定间隔的两个或 多个同心磁屏蔽罩， 效果更好。
对于电磁场干扰，因采用低阻金属材料制成屏蔽体， 屏 蔽体以接大地为宜。
对于高增益放大器来说，一般要用金属罩屏蔽起来。 为 了消除放大器与屏蔽层之间的寄生电容影响， 应将屏蔽体与 放大器的公共端连接起来。
如果信号电路采用一点接地方式， 则低频电缆的屏蔽层 也应一点接地。
5. 印刷电路板的地线安排
在安排印刷板地线时，首先要尽可能加宽地线，以降低 地线阻抗。其次，要充分利用地线的屏蔽作用。 在印刷板边 缘用较粗的印刷地线环包整块板子，并作为地线干线，自板 边向板中延伸，用其隔离信号线，这样既可减少信号间串扰， 也便于板中元器件就近接地。
6. 屏蔽地
对于电场屏蔽来说， 由于主要是解决分布电容问题， 因 此应接大地。
2. 电磁屏蔽
电磁屏蔽主要用来防止高频电磁场对电路的影响。电磁屏 蔽包括对电磁感应干扰及电磁辐射干扰的屏蔽。它是采用低电 阻的金属材料作为屏蔽层。电磁屏蔽就是利用屏蔽罩在高频磁 场的作用下，会产生反方向的涡流磁场与原磁场抵消而削弱高 频磁场的干扰；又因屏蔽罩接地，也可实现电场屏蔽。由于电 磁屏蔽是利用了屏蔽罩上的感生涡流，因而屏蔽罩的厚度对于 屏蔽效果影响不大，而屏蔽罩是否连续却直接影响到感生涡流 的大小，也即影响到屏蔽效果的好坏。如果在金属体上垂直于 电流方向上开缝，就没有屏蔽效应。原则上屏蔽体越严密越好。 因此，电磁屏蔽层的接缝应注意良好的焊接与密封， 通风孔 与操作孔因尽量开小。
3. 磁场屏蔽
对于低频磁场干扰，用上述电磁屏蔽方法往往难以奏效， 一般采用高导磁率材料作屏蔽体，利用其磁阻较小的特点， 给干扰磁通提供一个低磁阻通路，使其限制在屏蔽体内。为 了有效地进行磁场屏蔽，必须采用诸如玻莫合金之类材料， 同时要有一定的厚度，或者采用相互具有一定间隔的两个或 多个同心磁屏蔽罩， 效果更好。
第六章 计算机控制系统抗干扰技术
二、硬件抗干扰技术
1. 电源系统抗干扰----交流电源
① 采用电子稳压电源 用于克服电网电压波动对控制系统的影响，工业上也常用不间断电源 （UPS）和交流净化稳压电源。 ② 采用低通滤波器 抑制电网侵入的外部高频干扰。可疑让低于50Hz的工频几乎无衰减 通过，滤除高于50Hz的高次谐波。
L L
C3 L C2
3.软硬件结合实现看门狗技术 硬件看门狗技术能有效监视程序是否陷 入死循环，但对中断关闭故障无能为力； 软件看门狗技术对高级中断服务程序陷 入死循环无能为力，但能监视全部中断 关闭的故障。
二、填码技术
单片机应用系统的用户应用程序一般由循环结构的主程序和中断服务子 程序组成。将软件陷阱程序段插入到用户应用程序中，即在用户应用程 序存储器不用区域写入代码“0000020000H”。
1. 数字滤波器的优点 （1）无需增加任何硬件设备。 （2）系统可靠性高，不存在阻抗匹配问题。 （3）可多通道共享，从而降低成本。 （4）可以对频率很低（如0.01HZ）的信号进行滤波。 （5）使用灵活、方便，可根据需要选择不同的滤波方法，或改变滤波器的参数 在计算机控制系统中得到广泛的应用
1. 数字滤波器的优点 （1）无需增加任何硬件设备。 （2）系统可靠性高，不存在阻抗匹配问题。 （3）可多通道共享，从而降低成本。 （4）可以对频率很低（如0.01HZ）的信号进行滤波。 （5）使用灵活、方便，可根据需要选择不同的滤波方法，或改变滤波器的参数 在计算机控制系统中得到广泛的应用
二、干扰的种类
1.按特性分类 ①直流干扰：以直流电压或直流电流的形式出现， 一般由热电效应和电化学效应引起。 ②交流干扰：由交流电感应引起。是最易出现的一 种。 ③随机干扰：一般是瞬变的，为尖峰或脉冲形式， 多由电感负载的间断工作引起。这种干扰的时间 短，幅度大，会给系统带来很大的危害。
1. 电源系统抗干扰----交流电源
① 采用电子稳压电源 用于克服电网电压波动对控制系统的影响，工业上也常用不间断电源 （UPS）和交流净化稳压电源。 ② 采用低通滤波器 抑制电网侵入的外部高频干扰。可疑让低于50Hz的工频几乎无衰减 通过，滤除高于50Hz的高次谐波。
L L
C3 L C2
3.软硬件结合实现看门狗技术 硬件看门狗技术能有效监视程序是否陷 入死循环，但对中断关闭故障无能为力； 软件看门狗技术对高级中断服务程序陷 入死循环无能为力，但能监视全部中断 关闭的故障。
二、填码技术
单片机应用系统的用户应用程序一般由循环结构的主程序和中断服务子 程序组成。将软件陷阱程序段插入到用户应用程序中，即在用户应用程 序存储器不用区域写入代码“0000020000H”。
1. 数字滤波器的优点 （1）无需增加任何硬件设备。 （2）系统可靠性高，不存在阻抗匹配问题。 （3）可多通道共享，从而降低成本。 （4）可以对频率很低（如0.01HZ）的信号进行滤波。 （5）使用灵活、方便，可根据需要选择不同的滤波方法，或改变滤波器的参数 在计算机控制系统中得到广泛的应用
1. 数字滤波器的优点 （1）无需增加任何硬件设备。 （2）系统可靠性高，不存在阻抗匹配问题。 （3）可多通道共享，从而降低成本。 （4）可以对频率很低（如0.01HZ）的信号进行滤波。 （5）使用灵活、方便，可根据需要选择不同的滤波方法，或改变滤波器的参数 在计算机控制系统中得到广泛的应用
二、干扰的种类
1.按特性分类 ①直流干扰：以直流电压或直流电流的形式出现， 一般由热电效应和电化学效应引起。 ②交流干扰：由交流电感应引起。是最易出现的一 种。 ③随机干扰：一般是瞬变的，为尖峰或脉冲形式， 多由电感负载的间断工作引起。这种干扰的时间 短，幅度大，会给系统带来很大的危害。
7.2抗干扰的措施
第 7 章 抗干扰技术
电磁干扰是指在工作过程中受环境因素的影响，
出现的一些与有用信号无关的，并且对系统性能或
信号传输有害的电气变化现象。这些有害的电气变
化现象使得信号的数据发生瞬态变化，增大误差， 出现假象，甚至使整个系统出现异常信号而引起故 障。例如传感器的导线受空中磁场影响产生的感应 电势会大于测量的传感器输出信号，使系统判断失
第 7 章 抗干扰技术
图 7-9 低通滤波器
第 7 章 抗干扰技术
在机电一体化系统中，常用低通滤波器抑制由交流电网
侵入的高频干扰。图7-9所示为计算机电源采用的一种LC低 通滤波器的接线图。含有瞬间高频干扰的220 V工频电源通 过截止频率为50 Hz的滤波器，其高频信号被衰减，只有50 Hz的工频信号通过滤波器到达电源变压器，保证正常供电。
第 7 章 抗干扰技术
图7-7 多层隔离变压器
第 7 章 抗干扰技术
图7-7所示为一种带多层屏蔽的隔离变压器。当含有直流
或低频干扰的交流信号从一次侧端输入时，根据变压器原理， 二次侧输出的信号滤掉了直流干扰，且低频干扰信号幅值也 被大大衰减，从而达到了抑制干扰的目的。另外，在变压器 的一次侧和二次侧线圈外设有静电隔离层S1和S2，其目的是 防止一次和二次绕组之间的相互耦合干扰。变压器外的三层 屏蔽密封体的内、外两层用铁，起磁屏蔽的作用； 中间层用 铜，与铁心相连并直接接地，起静电屏蔽作用。这三层屏蔽 层是为了防止外界电磁场通过变压器对电路形成干扰而设置 的，这种隔离变压器具有很强的抗干扰能力。
输的耦合干扰等等。
第 7 章 抗干扰技术
2. 磁场耦合干扰
磁场耦合干扰是指大电流周围磁场对机电一体化设备回 路耦合形成的干扰。动力线、电动机、发电机、电源变压器 和继电器等都会产生这种磁场。产生磁场干扰的设备往往同 时伴随着电场的干扰，因此又统称为电磁干扰。 3. 漏电耦合干扰 漏电耦合干扰是因绝缘电阻降低而由漏电流引起的干扰， 多发生于工作条件比较恶劣的环境或器件性能退化、器件本 身老化的情况下。