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1、计算机抗干扰技术2023/1/27计算机控制技术1本讲稿第一页，共五十三页2023/1/27计算机控制技术2本章主要内容本章主要内容干扰的传播途径与作用方式干扰的传播途径与作用方式 硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术软件抗干扰技术软件抗干扰技术 本讲稿第二页，共五十三页2023/1/27计算机控制技术39.19.1 干扰的传播途径干扰的传播途径与作用方式与作用方式本讲稿第三页，共五十三页2023/1/27计算机控制技术4 是指有用信号以外的噪声或造成计算机设备不能正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。常工作的破坏因素。抗干扰技术抗干扰技术就是通过对这三要素中的一个或多个采取

2、必要措施来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。实现的。干扰：干扰：与干扰相关的几个概念：与干扰相关的几个概念：干扰干扰源：源：产生干扰信号的原因产生干扰信号的原因干扰对象：干扰对象：干扰源通过传播途径影响的器件或系统干扰源通过传播途径影响的器件或系统干扰系统的三个要素：干扰系统的三个要素：干扰源、传播途径及干扰对象。干扰源、传播途径及干扰对象。本讲稿第四页，共五十三页2023/1/27计算机控制技术59.1.1 9.1.1 干扰的来源干扰的来源 计算机控制系统中干扰的计算机控制系统中干扰的来源来源是多方面的是多方面的:干扰干扰外部干扰外部干扰内部干扰内部干扰外部干扰外部干扰外

3、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与系统结构无关，是由使用条件和外部环境因素决定的。因素决定的。主要有主要有主要有主要有：天电干扰，如雷电或大气电离作用引起的干扰电：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；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。磁波等。内部干扰内部干扰内部干扰内部干扰是由系统的结构布局、线

4、路设计、元器件性质变化是由系统的结构布局、线路设计、元器件性质变化和漂移等原因造成的和漂移等原因造成的主要有主要有主要有主要有：分布电容、分布电感引起的耦合感应，电磁场辐射：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、尖峰噪声扰，寄生振荡引起的干扰以及热噪声、闪变噪声、尖峰噪声等。等。本讲稿第五页，共五十三页2023/1/27计算机控制技术69.1.2 干扰的传播途径干扰的传播途径在计算机控制系统的现场，往往有许多强电设备，它们的启动和在计算机控制

5、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。和雷电的干扰，以及高压输电线周围交变磁场的影响等。本讲稿第六页，共五十三页2023/1/27计算机控制技术7电场耦合又称静电耦合，是通过电容耦合窜入其他线路的。电场耦合又称静电耦合，是通过电容耦合窜入其他线路的。干扰传播途径主要有干扰传播途径主要有：电场耦合电场耦合电场耦合电场耦合 磁场耦合磁场耦合磁场耦合磁场耦合 公共阻抗耦合公共阻抗耦合公共阻抗耦合公共阻抗耦合电场耦合电场耦合电场干扰可以

6、通过两根导线之间构成的分布电容窜入系统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本讲稿第七页，共五十三页2023/1/27计算机控制技术8当导体当导体2 2对地电阻对地电阻R R很小时，使很小时，使jR(CjR(C1212+C+C2g2g)1)1)1时，式时，式(9.1)(9.1)可以近似表示为可以近似表示为在这种情况下，干扰电压在这种情况下，干扰电压U Un n由电容由电容C C1212和和C C2g2g的分压关系及的分压关系及U U1 1所确定，所确定，其幅值比前两种情况大得多。其幅值比前两种情况大得多。本讲稿第八页，共五十三页2023/1/27计算机控制技术9在在任任何何载载流流

7、导导体体周周围围都都会会产产生生磁磁场场，当当电电流流变变化化时时会会引引起起交交变变磁磁场场，该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。磁场必然在其周围的闭合回路中产生感应电势引起干扰。其中：其中：为感应磁场交变角频率为感应磁场交变角频率 M M为两根导线之间的互感为两根导线之间的互感 I1I1为导线为导线1 1中的电流中的电流 磁场耦合磁场耦合在在设设备备内内部部，线线圈圈或或变变压压器器的的漏漏磁磁也也会会引引起起干干扰扰；在在设设备备外外部部，平平行行架架设设的的两两根根导导线线也也会产生干扰，由于感应电磁场引起的耦合，可以计算感应电压会产生干扰，由于感应电磁场引起的耦合，

8、可以计算感应电压本讲稿第九页，共五十三页2023/1/27计算机控制技术10公公共共阻阻抗抗耦耦合合干干扰扰是是由由于于电电流流流流过过回回路路间间公公共共阻阻抗抗，使使得得一一个个回回路路的的电电流流所所产产生生的的电电压压降降影影响响到到另一回路。另一回路。公共阻抗耦合公共阻抗耦合公共阻抗耦合公共阻抗耦合在在计计算算机机控控制制系系统统中中，普普遍遍存存在在公公共共耦耦合合阻阻抗抗，例例如如，电电源源引引线线、印印刷刷电电路路板板上上的的地地和和公公共共电电源源线线、汇汇流流排排等等。这这些些汇汇流流条条都都具具有有一一定定的的阻阻抗抗，对对于于多多回回路路来来讲讲，就就是是公共耦合阻抗公

9、共耦合阻抗。本讲稿第十页，共五十三页2023/1/27计算机控制技术11公共电源线的阻抗耦合公共电源线的阻抗耦合 公共地线的阻抗耦合公共地线的阻抗耦合 本讲稿第十一页，共五十三页2023/1/27计算机控制技术129.1.3 干扰的作用方式干扰的作用方式按干扰作用方式的不同，可分为按干扰作用方式的不同，可分为差模干扰、共模干扰差模干扰、共模干扰和和长长线传输干扰线传输干扰。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

10、样的地位，也称为常态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。或横向干扰。差模干扰：差模干扰：本讲稿第十二页，共五十三页2023/1/27计算机控制技术13差模干扰示意图差模干扰示意图 n主要有分布电容的电场耦合，空间的磁场耦合，长线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，传输的互感，50Hz50Hz工频干扰，以及信号回路中元件参工频干扰，以及信号回路中元件参数变化等。数变化等。产生差模干扰的原因产生差模干扰的原因本讲稿第十三页，共五十三页2023/1/27计算机控制技术14是指系统的两个信号输入端上所共有的干扰电压是指系统的两个信号输入端上所共有的干扰

11、电压,共模干扰也称为共模干扰也称为共态共态干扰干扰或或纵向干扰纵向干扰。计算机的地、信号放大器的地与现场信号源的地一般相隔一段距离，计算机的地、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在两个接地点之间往往存在一个电位差VcVc，该电位差是系统信号输入，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。端上共有的干扰电压，会对系统产生共模干扰。共模干扰示意图共模干扰示意图 共模干扰：共模干扰：本讲稿第十四页，共五十三页2023/1/27计算机控制技术15对于系统的干扰来说，共模干扰大都通过差模干扰的方对于系统的干扰来说，共模干扰大都通过差模

12、干扰的方式表现出来。式表现出来。两种输入方式时共模电压的引入两种输入方式时共模电压的引入 本讲稿第十五页，共五十三页2023/1/27计算机控制技术16图图 (a)(a)所示为信号单端输入情况，所示为信号单端输入情况，ZsZs是信号源内阻，是信号源内阻，ZrZr是系统输入是系统输入阻抗。共模干扰电压阻抗。共模干扰电压UcmUcm和信号源电压和信号源电压UsUs相加共同作用于回路，此时，相加共同作用于回路，此时，共模干扰全部以差模干扰形式作用于电路。由共模干扰全部以差模干扰形式作用于电路。由UcmUcm引起系统输入的引起系统输入的差模电压差模电压Un1Un1为为 因为因为ZrZsZrZs，则，则

13、其中，其中，ZsZs是信号源内阻是信号源内阻(含信号引线电阻含信号引线电阻)，ZrZr是放大器输入阻抗。是放大器输入阻抗。显然，显然，ZrZr越大，或越大，或ZsZs越小，越小，Un1Un1越小，越有利于抑制共模干扰。越小，越有利于抑制共模干扰。本讲稿第十六页，共五十三页2023/1/27计算机控制技术17图图 9.8(b)9.8(b)所示为放大器双端输入情况，所示为放大器双端输入情况，Zs1Zs1、Zs2Zs2为信号为信号源内阻，源内阻，Zc1Zc1、Zc2Zc2为系统输入阻抗。共模电压为系统输入阻抗。共模电压UcmUcm引起系统引起系统输入端的差模干扰电压输入端的差模干扰电压Un2Un2为

14、为若若Zs1=Zs2Zs1=Zs2，Zc1=Zc2Zc1=Zc2，则，则Un2=0Un2=0，系统没有引入共模干扰。，系统没有引入共模干扰。实际上，两个输入端不可能作到完全对称，因此，实际上，两个输入端不可能作到完全对称，因此，Un20Un20，也就是说实际上总是存在一定的共模干扰电压。当也就是说实际上总是存在一定的共模干扰电压。当Zs1Zs1和和Zs2Zs2越小，越小，Zc1Zc1和和Zc2Zc2越大，并且越大，并且Zc1Zc1和和Zc2Zc2越接近时，共模干越接近时，共模干扰电压就越小扰电压就越小 本讲稿第十七页，共五十三页2023/1/27计算机控制技术18由上述分析可知，对于存在共模干

15、扰的场合，不能采用单端输入，由上述分析可知，对于存在共模干扰的场合，不能采用单端输入，应采用双端输入方式，原因是其抗共模干扰能力强。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，常用共模抑制比共模抑制比CMRRCMRR表示，表示，即即 其中，其中，UcmUcm是共模干扰电压，是共模干扰电压，UnUn是由是由UcmUcm转化成的差模干扰电压。转化成的差模干扰电压。显然，单端输入方式的显然，单端输入方式的CMRRCMRR较小，说明它的抗共模抑制能力较差；较小，说明它的抗共模抑制能力较差；而双端输入方式，由而双端输入方式

16、，由UcmUcm引入的差模干扰电压引入的差模干扰电压UnUn较小，较小，CMRRCMRR较大，所较大，所以抗共模干扰能力很强。以抗共模干扰能力很强。本讲稿第十八页，共五十三页2023/1/27计算机控制技术19在计算机控制系统中，现场信号到控制计算机以及控制计算机到现场执在计算机控制系统中，现场信号到控制计算机以及控制计算机到现场执行机构，都经过一段较长的线路进行信号传输，即长线传输。行机构，都经过一段较长的线路进行信号传输，即长线传输。一是高速变化的信号在长线中传输时，会出现波反射现象。一是高速变化的信号在长线中传输时，会出现波反射现象。长线传输干扰长线传输干扰:信号在长线中传输会遇到三个问

17、题：信号在长线中传输会遇到三个问题：二是具有信号延时二是具有信号延时三是长线传输会受到外界干扰三是长线传输会受到外界干扰本讲稿第十九页，共五十三页2023/1/27计算机控制技术209.2 Unit 2硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术本讲稿第二十页，共五十三页2023/1/27计算机控制技术219.2.1电源系统的抗干扰技术电源系统的抗干扰技术电源引入的干扰是计算机控制系统的主要干扰之一；电源引入的干扰是计算机控制系统的主要干扰之一；对计算机控制系统的干扰大部分是由电源耦合产生的。对计算机控制系统的干扰大部分是由电源耦合产生的。供电方式供电方式 尖峰脉冲干扰的抑制尖峰脉冲干扰的抑制 掉电保护掉电保

18、护 直流侧的抗干扰措施直流侧的抗干扰措施 本讲稿第二十一页，共五十三页2023/1/27计算机控制技术22计算机控制系统的供电方式计算机控制系统的供电方式 供电方式供电方式本讲稿第二十二页，共五十三页2023/1/27计算机控制技术23交流滤波器交流滤波器可采用电容滤波器，电感电容滤波器或有原滤波器。滤波器要有良好可采用电容滤波器，电感电容滤波器或有原滤波器。滤波器要有良好的接地，布线接近地面，输入输出引线应相互隔离，不可平行或缠绕在一起。的接地，布线接近地面，输入输出引线应相互隔离，不可平行或缠绕在一起。在电源变压器中设置合理的屏蔽（静电屏蔽和电磁屏蔽）是一种有效的抗干扰措施，在电源变压器中

19、设置合理的屏蔽（静电屏蔽和电磁屏蔽）是一种有效的抗干扰措施，它是在电源变压器的初级和次级之间加它是在电源变压器的初级和次级之间加屏蔽层屏蔽层 。还可采用还可采用开关电源、开关电源、DC-DCDC-DC变换器以及变换器以及UPSUPS供电供电等，来提高电源的稳定性等，来提高电源的稳定性 电源变压器的静电屏蔽电源变压器的静电屏蔽 隔离变压器及其屏蔽隔离变压器及其屏蔽本讲稿第二十三页，共五十三页2023/1/27计算机控制技术24尖峰干扰是一种频繁出现的叠加于电网正弦波上的高能脉冲，幅尖峰干扰是一种频繁出现的叠加于电网正弦波上的高能脉冲，幅度可达几千伏，宽度只有几个毫微秒或几个微妙，因此采用常规度可

20、达几千伏，宽度只有几个毫微秒或几个微妙，因此采用常规的抑制办法是无效的，必须采取综合治理办法。的抑制办法是无效的，必须采取综合治理办法。另外，使系统远离干扰源，对大功率用电设备采取专门措施抑制尖峰另外，使系统远离干扰源，对大功率用电设备采取专门措施抑制尖峰干扰的产生等都是可行的方法。干扰的产生等都是可行的方法。尖峰脉冲干扰的抑制尖峰脉冲干扰的抑制抑制尖峰干扰最常用的方法主要有三种：抑制尖峰干扰最常用的方法主要有三种：在交流电源的输入端并联压敏电阻；在交流电源的输入端并联压敏电阻；采用铁磁共振原理采用铁磁共振原理(如采用超级隔离变压器如采用超级隔离变压器)；在交流电源输入端串入均衡器，即干扰抑制

21、器。在交流电源输入端串入均衡器，即干扰抑制器。本讲稿第二十四页，共五十三页2023/1/27计算机控制技术25p过程控制计算机供电不允许中断，一旦中断电源，将影响生产。为此，计过程控制计算机供电不允许中断，一旦中断电源，将影响生产。为此，计算机系统应加装算机系统应加装UPSUPS（不间断电源），或增加电源电压监视电路，及早（不间断电源），或增加电源电压监视电路，及早监测到掉电状态，从而进行应急处理。监测到掉电状态，从而进行应急处理。掉电保护电路掉电保护电路 掉电保护掉电保护p对于没有使用对于没有使用UPSUPS的计算机控制系统，为了防止掉电后的计算机控制系统，为了防止掉电后RAMRAM中的信息

22、丢失，中的信息丢失，经常采用镍电池对经常采用镍电池对RAMRAM进行数据保护。进行数据保护。本讲稿第二十五页，共五十三页2023/1/27计算机控制技术26u对直流电源电压监视可采用对直流电源电压监视可采用集成电路集成电路PP监控电路监控电路实现掉电保护。现在已经有许多集实现掉电保护。现在已经有许多集成电路成电路PP监控电路可供选择，它们具有很多种类和规格，同时也具有多种功能，如有的监控电路可供选择，它们具有很多种类和规格，同时也具有多种功能，如有的PP监控电路除电源监视外，还具有看门狗、上电复位、备用电源切换开关等功能。监控电路除电源监视外，还具有看门狗、上电复位、备用电源切换开关等功能。利

23、用利用MAX915MAX915组成的电源监视电路组成的电源监视电路 本讲稿第二十六页，共五十三页2023/1/27计算机控制技术27电网的高频干扰，由于频带较宽，仅在交流侧采取抗干扰措施，很难保证干电网的高频干扰，由于频带较宽，仅在交流侧采取抗干扰措施，很难保证干扰绝对不进入直流系统，因此须在直流侧采取必要的抗干扰措施。扰绝对不进入直流系统，因此须在直流侧采取必要的抗干扰措施。直流侧的抗干扰措施直流侧的抗干扰措施在每块逻辑电路板的电源和地线的引入处并接一个（在每块逻辑电路板的电源和地线的引入处并接一个（1010100100）FF的大电容和的大电容和一个（一个（0.010.010.10.1）FF

24、的小电容；在各主要的集成电路芯片的电源输入端的小电容；在各主要的集成电路芯片的电源输入端与地之间，或电路板电源布线的一些关键点与地之间，接入一个（与地之间，或电路板电源布线的一些关键点与地之间，接入一个（1 11010）FF的电解电容，同时为滤除高频干扰，可再并联一个的电解电容，同时为滤除高频干扰，可再并联一个0.01F0.01F的小电容。的小电容。去耦法去耦法在每块电路板上装上一个或几块稳压块，以稳定电路板上的电源电压，在每块电路板上装上一个或几块稳压块，以稳定电路板上的电源电压，提高抗干扰能力。提高抗干扰能力。增设稳压块法增设稳压块法本讲稿第二十七页，共五十三页2023/1/27计算机控制

25、技术289.2.2接地系统的抗干扰技术接地系统的抗干扰技术二是为了保证控制系统稳定可靠工作，提供一个基准电位的二是为了保证控制系统稳定可靠工作，提供一个基准电位的接地，即工作接地。接地，即工作接地。接地技术对计算机控制系统是极为重要的，不恰当的接地会对系统产生严接地技术对计算机控制系统是极为重要的，不恰当的接地会对系统产生严重的干扰，而正确的接地却是抑制干扰的有效措施之一。重的干扰，而正确的接地却是抑制干扰的有效措施之一。计算机控制系统中接地的目的通常有两个：计算机控制系统中接地的目的通常有两个：一是为了安全，即安全接地；一是为了安全，即安全接地；本讲稿第二十八页，共五十三页2023/1/27

26、计算机控制技术29地线系统分析地线系统分析在过程计算机控制系统中，一般有以下几种地线：模拟地、数字在过程计算机控制系统中，一般有以下几种地线：模拟地、数字地、安全地、系统地和交流地。地、安全地、系统地和交流地。安全地安全地的目的是使设备机壳与大地等电位，以避免机壳带电影响的目的是使设备机壳与大地等电位，以避免机壳带电影响人身和设备的安全。通常安全地又称为保护地或机壳地，机壳包括人身和设备的安全。通常安全地又称为保护地或机壳地，机壳包括机架、外壳、屏蔽罩等。机架、外壳、屏蔽罩等。模拟地模拟地作为传感器、变送器、放大器、作为传感器、变送器、放大器、A/DA/D和和D/AD/A转换中模拟电路转换中模

27、拟电路的零电位。模拟信号有精度要求，有时信号比较小，而且与生的零电位。模拟信号有精度要求，有时信号比较小，而且与生产现场相连。产现场相连。数字地数字地作为控制系统中各种数字电路的零电位，应该与模拟地分开，作为控制系统中各种数字电路的零电位，应该与模拟地分开，避免模拟信号受数字脉冲的干扰。避免模拟信号受数字脉冲的干扰。系统地系统地是以上几种地的最终回流点，直接与大地相连是以上几种地的最终回流点，直接与大地相连 。交流地交流地是计算机交流供电电源地，即为动力线地，它的地电位很不是计算机交流供电电源地，即为动力线地，它的地电位很不稳定。稳定。本讲稿第二十九页，共五十三页2023/1/27计算机控制技

28、术30在过程控制计算机中，对上述各种地的处理一般是采用在过程控制计算机中，对上述各种地的处理一般是采用分别回流法单点接地。分别回流法单点接地。单点接地与多点接地单点接地与多点接地 分别回流法接地示意图分别回流法接地示意图本讲稿第三十页，共五十三页2023/1/27计算机控制技术31输入系统的接地输入系统的接地在输入通道中，为防止干扰，传感器、变送器、和信号放大器通常采用屏在输入通道中，为防止干扰，传感器、变送器、和信号放大器通常采用屏蔽罩进行屏蔽，而信号线往往采用屏蔽信号线。屏蔽层的接地也应采取单蔽罩进行屏蔽，而信号线往往采用屏蔽信号线。屏蔽层的接地也应采取单点接地方式，关键是确定接地位置。点

29、接地方式，关键是确定接地位置。输入信号源有输入信号源有接地接地和和浮地浮地两种情况。两种情况。信号源端接地，而接收端浮地，则信号源端接地，而接收端浮地，则屏蔽层应在信号源端接地屏蔽层应在信号源端接地 信号源浮地，接收端接地，则屏蔽信号源浮地，接收端接地，则屏蔽层应在接收端接地层应在接收端接地 本讲稿第三十一页，共五十三页2023/1/27计算机控制技术32主机系统的接地主机系统的接地为了提高计算机的抗干扰能力，将为了提高计算机的抗干扰能力，将主机外壳作为屏蔽主机外壳作为屏蔽。而把机内器件架与外壳绝。而把机内器件架与外壳绝缘，绝缘电阻大于缘，绝缘电阻大于50M50M，即，即机内信号地浮地机内信号

30、地浮地。主机与外部设备地连接后，采用主机与外部设备地连接后，采用一点接地一点接地。如图所示。为避免多点接地，各机柜用。如图所示。为避免多点接地，各机柜用绝缘板垫起来。这种接地方式安全可靠，有一定的抗干扰能力。在计算机网络系统绝缘板垫起来。这种接地方式安全可靠，有一定的抗干扰能力。在计算机网络系统中，对于近距离的几台计算机，可采用多机的一点接地方式；中，对于近距离的几台计算机，可采用多机的一点接地方式；对于远距离的多台计算机之间的数据通信，通过对于远距离的多台计算机之间的数据通信，通过隔离的办法隔离的办法分开，如采用分开，如采用变压变压器隔离技术、光电隔离技术和无线电通信技术器隔离技术、光电隔离

31、技术和无线电通信技术等。等。本讲稿第三十二页，共五十三页2023/1/27计算机控制技术339.2.39.2.39.2.39.2.3过程通道的抗干扰技术过程通道的抗干扰技术过程通道的抗干扰技术过程通道的抗干扰技术过程通道是计算机控制系统的现场数据采集输入和输出通道，它包括了现场信号过程通道是计算机控制系统的现场数据采集输入和输出通道，它包括了现场信号源、信号线、转换设备、源、信号线、转换设备、I/OI/O接口电路，主机和执行机构等。接口电路，主机和执行机构等。过程通道涉及内容多，分布广，受干扰的可能性大，其抗干扰问题非常重要。过程通道涉及内容多，分布广，受干扰的可能性大，其抗干扰问题非常重要。

32、过程通道干扰的来源是多方面的，主要有过程通道干扰的来源是多方面的，主要有共模干扰共模干扰、差模干扰差模干扰和和长线干扰长线干扰。1 1、共模干扰的抑制、共模干扰的抑制共共模模干干扰扰产产生生的的原原因因主主要要是是不不同同的的地地之之间间存存在在共共模模电电压压，以以及及模模拟拟信信号号系系统统对对地地的的漏漏阻阻抗抗。共共模模干干扰扰的的抑抑制制措措施施主主要要有有三三种种：变变压压器器隔隔离离、光光电电隔隔离离、浮浮地屏蔽地屏蔽。本讲稿第三十三页，共五十三页2023/1/27计算机控制技术34变压器隔离变压器隔离u变压器隔离变压器隔离是利用隔离变压器将模拟信号电路与数字信号电路隔离开，也就

33、是是利用隔离变压器将模拟信号电路与数字信号电路隔离开，也就是把模拟地与数字地断开，以使共模干扰电压不能构成回路，从而达到抑制共模把模拟地与数字地断开，以使共模干扰电压不能构成回路，从而达到抑制共模干扰的目的。另外，隔离后的两电路应分别采用两组互相干扰的目的。另外，隔离后的两电路应分别采用两组互相独立的电源供电独立的电源供电，切，切断两部分的地线联系。断两部分的地线联系。这种隔离适用于这种隔离适用于无直流分量信号的通路无直流分量信号的通路。对于直流信号，也可通过调制器变。对于直流信号，也可通过调制器变换成交流信号，经隔离变压器后，用解调器再变换成直流信号。换成交流信号，经隔离变压器后，用解调器再

34、变换成直流信号。本讲稿第三十四页，共五十三页2023/1/27计算机控制技术35光电隔离光电隔离光电耦合器光电耦合器是由发光二极管和光敏三极管（或达林顿管、或晶闸管等）封装在一个管壳内组是由发光二极管和光敏三极管（或达林顿管、或晶闸管等）封装在一个管壳内组成成,实现实现以光为媒介的电信号以光为媒介的电信号传输传输。发光二极管动态电阻非常小，而干扰源的内阻一般很大，发光二极管动态电阻非常小，而干扰源的内阻一般很大，能够传送到光电耦合器输入端的干能够传送到光电耦合器输入端的干扰信号很小扰信号很小。由于光电耦合器是用光传送信号，两端电路无直接电气联系，因此，切断了两端电路之间地线的由于光电耦合器是用

35、光传送信号，两端电路无直接电气联系，因此，切断了两端电路之间地线的联系，联系，抑制了共模干扰抑制了共模干扰。光电耦合器的发光二极管只有在通过一定电流时才能发光，由于许多干扰信号虽幅值较高，但能量较小，光电耦合器的发光二极管只有在通过一定电流时才能发光，由于许多干扰信号虽幅值较高，但能量较小，不足以使发光二极管发光不足以使发光二极管发光，从而可以有效地抑制干扰信号。，从而可以有效地抑制干扰信号。特特特特 点点点点 本讲稿第三十五页，共五十三页2023/1/27计算机控制技术36浮地屏蔽浮地屏蔽浮地屏蔽浮地屏蔽是指信号放大器采用双层屏蔽，输入为浮地双端输入，如图示。这种屏蔽方是指信号放大器采用双层

36、屏蔽，输入为浮地双端输入，如图示。这种屏蔽方法使输入信号浮空，达到了抑制共模干扰的目的。法使输入信号浮空，达到了抑制共模干扰的目的。本讲稿第三十六页，共五十三页2023/1/27计算机控制技术372 2、差模干扰的抑制、差模干扰的抑制（2 2）根据差模干扰频率与被测信号频率的分布特性，采用相应的）根据差模干扰频率与被测信号频率的分布特性，采用相应的滤波器滤波器，如，如低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器等。滤波器是一个选频电路，其功能是让指定低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器等。滤波器是一个选频电路，其功能是让指定频段的信号通过，将其余频段的信号衰减，滤除。在工业控制中，串模信号往往比被频段的信

37、号通过，将其余频段的信号衰减，滤除。在工业控制中，串模信号往往比被测仪器变化快。测仪器变化快。差模干扰信号差模干扰信号和有效信号相串联，叠加在一起作为输入信号，因此，对差模干和有效信号相串联，叠加在一起作为输入信号，因此，对差模干扰的抑制较为困难。对差模干扰应根据干扰信号的特性和来源，分别采用不同的扰的抑制较为困难。对差模干扰应根据干扰信号的特性和来源，分别采用不同的措施来抑制。措施来抑制。（1 1）对于来自空间电磁耦合所产生的差模干扰，可采用）对于来自空间电磁耦合所产生的差模干扰，可采用双绞线双绞线作为信号线，其目的是作为信号线，其目的是减少电磁感应，并使各个小环路的感应电势互相呈反向抵消。

38、也可采用金属屏蔽线或减少电磁感应，并使各个小环路的感应电势互相呈反向抵消。也可采用金属屏蔽线或屏蔽双绞线。屏蔽双绞线。本讲稿第三十七页，共五十三页2023/1/27计算机控制技术38（4 4）当被测信号与干扰信号的）当被测信号与干扰信号的频谱相互交错频谱相互交错时，通常的滤波电路很时，通常的滤波电路很难将其分开，可采用难将其分开，可采用调制解调器调制解调器技术。技术。（3 3）当）当对称性交变对称性交变的差模干扰电压或的差模干扰电压或尖峰型尖峰型差模干扰成为主要干扰时，差模干扰成为主要干扰时，选用选用积分式或双积分式积分式或双积分式A/DA/D转换器转换器可以消弱差模干扰的影响。可以消弱差模干

39、扰的影响。本讲稿第三十八页，共五十三页2023/1/27计算机控制技术393 3、长线传输干扰的抑制、长线传输干扰的抑制同轴电缆对于电场干扰有较强的抑制作用，工作频率较高。双绞线同轴电缆对于电场干扰有较强的抑制作用，工作频率较高。双绞线对于磁场干扰有较好的抑制作用，绞距越短，效果越好。在电场干对于磁场干扰有较好的抑制作用，绞距越短，效果越好。在电场干扰较强时须采用屏蔽双绞线。扰较强时须采用屏蔽双绞线。采用同轴电缆或双绞线作为传输线采用同轴电缆或双绞线作为传输线在使用双绞线时，尽可能采用平衡式传输线路。所谓平衡式在使用双绞线时，尽可能采用平衡式传输线路。所谓平衡式传输线路，是双绞线的两根线不接地

40、传输信号。因为这种传传输线路，是双绞线的两根线不接地传输信号。因为这种传输方式具有较好的抗差模干扰能力，外部干扰在双绞线中的输方式具有较好的抗差模干扰能力，外部干扰在双绞线中的两条线中产生对称的感应电动势，相互抵消。同时，对于来两条线中产生对称的感应电动势，相互抵消。同时，对于来自地线的干扰信号也受到抑制。自地线的干扰信号也受到抑制。本讲稿第三十九页，共五十三页2023/1/27计算机控制技术40终端阻抗匹配终端阻抗匹配为了消除长线的反射现象，可采用终端或始端阻抗匹配的方法。为了消除长线的反射现象，可采用终端或始端阻抗匹配的方法。同轴电缆的波阻抗一般在同轴电缆的波阻抗一般在5050100100

41、之间，双绞线的波阻抗约为之间，双绞线的波阻抗约为100100200200。进行阻。进行阻抗匹配，首先，需要通过测试或由已知的技术数据掌握传输线的抗匹配，首先，需要通过测试或由已知的技术数据掌握传输线的波阻抗波阻抗RpRp的大小。的大小。终端阻抗匹配终端阻抗匹配 本讲稿第四十页，共五十三页2023/1/27计算机控制技术41始端阻抗匹配始端阻抗匹配始端阻抗匹配始端阻抗匹配是在长线的始端串入电阻是在长线的始端串入电阻R R，通过适当的选择，通过适当的选择R R，以消除，以消除波反射波反射 这种匹配方法的这种匹配方法的优点优点是波形的高电平不变，缺点是波形的低电平会抬是波形的高电平不变，缺点是波形的

42、低电平会抬高。其原因是终端门高。其原因是终端门B B的输入电流的输入电流IsrIsr在始端匹配电阻在始端匹配电阻R R上的压降所造成上的压降所造成的的 本讲稿第四十一页，共五十三页2023/1/27计算机控制技术429.3 Unit 3软件抗干扰技术软件抗干扰技术本讲稿第四十二页，共五十三页2023/1/27计算机控制技术439.3.19.3.1数字信号的软件抗干扰措施数字信号的软件抗干扰措施1 1、数字滤波、数字滤波数字滤波是一种软件算法，它实现从采样信号中提取出有效信号数值，滤除干扰信号的数字滤波是一种软件算法，它实现从采样信号中提取出有效信号数值，滤除干扰信号的功能。功能。数字滤波与模拟

43、滤波相比，具有很多数字滤波与模拟滤波相比，具有很多优点优点。数字滤波可以数字滤波可以实现对频率很低（如实现对频率很低（如0.01Hz0.01Hz）信号的滤波）信号的滤波，克服了模拟滤波器的不足；，克服了模拟滤波器的不足；首先，由于采用了程序实现滤波，首先，由于采用了程序实现滤波，无需硬件器件无需硬件器件，不受外界的影响，也无参数变化等，不受外界的影响，也无参数变化等问题，所以可靠性高，稳定性好；问题，所以可靠性高，稳定性好；当然，数字滤波不足之处在于滤波速度比硬件滤波要当然，数字滤波不足之处在于滤波速度比硬件滤波要慢慢，但鉴于数字滤波器具，但鉴于数字滤波器具有的上述优点，在计算机控制系统中得到

44、了广泛的应用。有的上述优点，在计算机控制系统中得到了广泛的应用。数字滤波还可以根据信号和干扰的不同，采用不同的滤波方法和滤波参数，具有数字滤波还可以根据信号和干扰的不同，采用不同的滤波方法和滤波参数，具有灵活、灵活、方便、功能强方便、功能强等优点。等优点。本讲稿第四十三页，共五十三页2023/1/27计算机控制技术442 2、输入数字信号的抗干扰、输入数字信号的抗干扰数字信号是用高低电平表示的两态信号，即数字信号是用高低电平表示的两态信号，即“0 0”、“1 1”。在数字信号的输入中，。在数字信号的输入中，由于操作或外界等的干扰，会引起状态变化，造成误判。由于操作或外界等的干扰，会引起状态变化

45、，造成误判。对于数字信号来说，干扰信号多呈毛刺状，作用时间短。利用这一特点，在采集某对于数字信号来说，干扰信号多呈毛刺状，作用时间短。利用这一特点，在采集某一数字信号时，可多次重复采集，直到连续两次或两次以上采集结果完全一致方为一数字信号时，可多次重复采集，直到连续两次或两次以上采集结果完全一致方为有效。若多次采集后，信号总是变化不定，可停止采集，给出报警信号。有效。若多次采集后，信号总是变化不定，可停止采集，给出报警信号。对数字信号的采集不能采用多次平均方法，而是比较两次或两次采集结果是否相同。对数字信号的采集不能采用多次平均方法，而是比较两次或两次采集结果是否相同。本讲稿第四十四页，共五十

46、三页2023/1/27计算机控制技术453 3、输出数字信号的抗干扰、输出数字信号的抗干扰u由于干扰，可能使计算机输出的正确数字信号，在输出设备中得到的却是由于干扰，可能使计算机输出的正确数字信号，在输出设备中得到的却是错误信号。错误信号。输出设备有输出设备有电位控制型电位控制型和和同步锁相型同步锁相型两种，前者有良好的抗两种，前者有良好的抗“毛刺毛刺”干扰能力，后者不耐干扰，当锁存线上出现干扰时，会盲目锁存当干扰能力，后者不耐干扰，当锁存线上出现干扰时，会盲目锁存当前的数据。前的数据。输出设备的惯性输出设备的惯性（响应速度）与干扰的耐受能力也有很大关系。惯性大的（响应速度）与干扰的耐受能力也

47、有很大关系。惯性大的输出设备（各类电磁机构）对输出设备（各类电磁机构）对“毛刺毛刺”干扰有一定耐受能力；惯性小的输干扰有一定耐受能力；惯性小的输出设备（如通信口、显示设备等）耐受能力就小一些。出设备（如通信口、显示设备等）耐受能力就小一些。本讲稿第四十五页，共五十三页2023/1/27计算机控制技术46在软件上可以采取以下一些方法提高抗干扰能力：在软件上可以采取以下一些方法提高抗干扰能力：（1 1）重复输出同一数据重复输出同一数据。在满足实时控制的要求前提下，重复周期尽可能短些。在满足实时控制的要求前提下，重复周期尽可能短些。外部设备接受到一个被干扰的错误信号后，还来不及作出有效的反应，一个正

48、确的输外部设备接受到一个被干扰的错误信号后，还来不及作出有效的反应，一个正确的输出信息又来到，就可及时防止错误动作的产生。出信息又来到，就可及时防止错误动作的产生。（2 2）对于不能重复输出同一信号的输出装置，例如带自环型分配器和功）对于不能重复输出同一信号的输出装置，例如带自环型分配器和功率驱动器的步进电机，可在软硬件上采取一些措施。率驱动器的步进电机，可在软硬件上采取一些措施。（3 3）计算机进行数字信号输出时，应将有关可编程输出芯片的状态也一并重复设置。）计算机进行数字信号输出时，应将有关可编程输出芯片的状态也一并重复设置。（4 4）采用）采用抗干扰编码抗干扰编码。按一定规约，将需传输的

49、数据进行编码，在智能。按一定规约，将需传输的数据进行编码，在智能接收端，再按规约进行解码，并完成检错或纠错功能。接收端，再按规约进行解码，并完成检错或纠错功能。本讲稿第四十六页，共五十三页2023/1/27计算机控制技术479.3.2 CPU及程序的抗干扰技术及程序的抗干扰技术CPUCPU是计算机的核心。当是计算机的核心。当CPUCPU受到干扰不能按正常状态执行程序时，就会引起计受到干扰不能按正常状态执行程序时，就会引起计算机控制的算机控制的混乱混乱，所以需要采取措施，使，所以需要采取措施，使CPUCPU在受到干扰的情况下，尽可能无扰地在受到干扰的情况下，尽可能无扰地恢复系统正常工作。恢复系统

50、正常工作。尤其是在尤其是在单片机系统单片机系统中，应当充分考虑系统的抗干扰性能。中，应当充分考虑系统的抗干扰性能。复位复位掉电保护掉电保护指令冗余指令冗余软件陷阱软件陷阱WatchdogWatchdog技术技术下面是几种常见的针对CPU的抗干扰措施：本讲稿第四十七页，共五十三页2023/1/27计算机控制技术48复位复位对于失控的对于失控的CPUCPU，最简单的方法是使其复位，程序自动从头开始执行。，最简单的方法是使其复位，程序自动从头开始执行。为完成复位功能，在硬件电路上应设置复位电路。为完成复位功能，在硬件电路上应设置复位电路。上电复位是指计算机在开机上电时自动复位，此时所有硬件上电复位是