第2章输入输出接口与过程通道(抗干扰)(精品).ppt

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1、2.6 2.6 硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术 2.6.1 2.6.1 过程通道抗干扰技术过程通道抗干扰技术 2.6.2 CPU2.6.2 CPU抗干扰技术抗干扰技术 2.6.3 2.6.3 系统供电与接地技术系统供电与接地技术1n干干扰扰：就就是是有有用用信信号号以以外外的的噪噪声声或或造造成成计计算算机机设设备备不不能能正正常常工工作作的的破破坏坏因因素。素。n抗抗干干扰扰措措施施：硬硬件件措措施施，软软件件措措施施，软硬结合的措施。软硬结合的措施。2n干扰的来源：干扰的来源：外部干扰和内部干扰外部干扰和内部干扰 外外部部干干扰扰：指指那那些些与与系系统统结结构构无无关关，而而是是由由外外界

2、界环环境境因因素素决决定定的的。外外部部干干扰扰主主要要是是空空间间电电或或磁磁的的影响，环境温度、湿度等气象条件。影响，环境温度、湿度等气象条件。内内部部干干扰扰：是是由由系系统统结结构构、制制造造工工艺艺等等决决定定的的。内内部部干干扰扰主主要要是是分分布布电电容容、分分布布电电感感引引起起的的耦耦合合感感应应，电电磁磁场场辐辐射射感感应应，长长线线传传输输的的波波反反射射，多多点点接接地地造造成成的的电电位位差差引引起起的的干干扰扰，寄寄生生振振荡荡引引起起的干扰，甚至元器产生的噪声。的干扰，甚至元器产生的噪声。3 2.6.1 2.6.1 过程通道抗干扰技术过程通道抗干扰技术1.1.串模

3、干扰及其抑制方法串模干扰及其抑制方法(1)1)串模干扰串模干扰 所所谓谓串串模模干干扰扰是是指指叠叠加加在在被被测测信信号号上上的的干干扰扰噪噪声声。也称为常态干扰。也称为常态干扰。4（2 2）串模干扰的抑制方法）串模干扰的抑制方法 采用滤波器采用滤波器 一般情况下，串模干扰均比被测信号变化快常用二级阻容一般情况下，串模干扰均比被测信号变化快常用二级阻容低通滤波网络作为模低通滤波网络作为模/数转换器的输入滤波器。当被测信号变化数转换器的输入滤波器。当被测信号变化较快时，应相应改变网络参数，以适当减小时间常数。较快时，应相应改变网络参数，以适当减小时间常数。如果串模干扰频率比被测信号频率高，则采

4、用输入低通滤波器来抑制高频率串模干扰；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；如果串模干扰频率落在被测信号频谱的两侧，则应用带通滤波器。5 当当尖尖峰峰型型串串模模干干扰扰成成为为主主要要干干扰扰源源时时，用用双双积积分分式式A/DA/D转转换换器器可可以以削削弱弱串串模模干干扰扰的的影影响响。因因为为此此类类转转换换器器是是对对输输入入信信号号的的积积分分值值进进行行测测量量，而而不不是是测测量量信信号号的的瞬瞬时时值值。若若干干扰扰信信号号是是周周期期性性的的而而积积分分时时间间又又为为信信号号周周期期或或信信号号周周期期的的整整数数倍倍，则则积积分分后后干干

5、扰扰值值为为零零，对对测测量量结结果果不产生误差。不产生误差。对对于于串串模模干干扰扰主主要要来来自自电电磁磁感感应应的的情情况况下下，对对被被测测信信号号应应尽尽可可能能早早地地进进行行前前置置放放大大，从从而而达达到到提提高高回回路路中中的的信信号号噪噪声声比比的的目目的的；或或者者尽尽可可能能早早地地完完成成模模/数数转转换换或或采采取取隔隔离离和和屏屏蔽蔽等等措措施。施。6从从选选择择逻逻辑辑器器件件入入手手，利利用用逻逻辑辑器器件件的的特特性性来抑制串模干扰。来抑制串模干扰。采采用用双双绞绞线线作作信信号号引引线线的的目目的的是是减减少少电电磁磁感感应应，并并且且使使各各个个小小环环

6、路路的的感感应应电电势势互互相相呈呈反反向向抵抵消消。选选用用带带有有屏屏蔽蔽的的双双绞绞线线或或同同轴轴电电缆缆做做信信号号线线，且且有有良良好好接接地地，并并对对测测量量仪仪表表进进行电磁屏蔽。行电磁屏蔽。7 2.2.共模干扰及其抑制方法共模干扰及其抑制方法(1)(1)共共模干扰模干扰 所谓共模干扰是指模所谓共模干扰是指模/数转换器两个输入端上公有数转换器两个输入端上公有的干扰电压。共模干扰也称为共态干扰。的干扰电压。共模干扰也称为共态干扰。被测信号被测信号U Us s的参考接地点和计算机输入信号的参的参考接地点和计算机输入信号的参考接地点之间往往存在着一定的电位差考接地点之间往往存在着一

7、定的电位差U Ucmcm 共模干扰示意图共模干扰示意图8单端对地输入和双端不对地输入单端对地输入和双端不对地输入所以必须采用双端所以必须采用双端输入输入不对地方式，如下图所示：不对地方式，如下图所示：对于存在共模干扰的场合，不能采用单端对地输入方式，对于存在共模干扰的场合，不能采用单端对地输入方式，因为此时的共模干扰电压将全部成为串模干扰电压：因为此时的共模干扰电压将全部成为串模干扰电压：9(2)(2)共模干扰的抑制方法共模干扰的抑制方法 变压器隔离变压器隔离 利用变压器把模拟信号电路与数字信号电路隔利用变压器把模拟信号电路与数字信号电路隔离开来，也就是把模拟地与数字地断开，以使共模离开来，也

8、就是把模拟地与数字地断开，以使共模干扰电压干扰电压cmcm不成回路，从而抑制了共模干扰。另不成回路，从而抑制了共模干扰。另外，隔离前和隔离后应分别采用两组互相独立的电外，隔离前和隔离后应分别采用两组互相独立的电源，切断两部分的地线联系。源，切断两部分的地线联系。10 光电隔离光电隔离 光电耦合器是由发光二极管和光敏三极管封装光电耦合器是由发光二极管和光敏三极管封装在一个管壳内组成的，发光二极管两端为信号输入在一个管壳内组成的，发光二极管两端为信号输入端，光敏三极管的集电极和发射极分别作为光电耦端，光敏三极管的集电极和发射极分别作为光电耦合器的输出端，它们之间的信号是靠发光二极管在合器的输出端，

9、它们之间的信号是靠发光二极管在信号电压的控制下发光，传给光敏三极管来完成的。信号电压的控制下发光，传给光敏三极管来完成的。11 浮地屏蔽浮地屏蔽 利利用用屏屏蔽蔽方方法法使使输输入入信信号号的的“模模拟拟地地”浮浮空空，从从而而达到抑制共模干扰的目的。达到抑制共模干扰的目的。12 采用仪表放大器提高共模抑制比采用仪表放大器提高共模抑制比 仪表放大器具有共模抑制能力强、输入阻抗高、仪表放大器具有共模抑制能力强、输入阻抗高、漂移低、增益可调等优点，是一种专门用来分离共漂移低、增益可调等优点，是一种专门用来分离共模干扰与有用信号的器件。模干扰与有用信号的器件。仪表放大器将两个信号的差值放大。抑制共模

10、仪表放大器将两个信号的差值放大。抑制共模分量是使用仪表放大器的唯一原因分量是使用仪表放大器的唯一原因 。AD620AD620（低功耗，低成本，集成仪表放大器），低功耗，低成本，集成仪表放大器），还有还有AD623AD623等等。等等。133.3.长线传输干扰及其抑制方法长线传输干扰及其抑制方法(1)(1)长线传输干扰长线传输干扰 长线的长线的“长长”是相对的；是相对的；信号在长线中传输遇到三个问题：信号在长线中传输遇到三个问题：一、是长线传输易受到外界干扰；一、是长线传输易受到外界干扰；二、是具有信号延时；二、是具有信号延时；三、是高速度变化的信号在长线中传输时，三、是高速度变化的信号在长线中

11、传输时，还会出现波反射现象。还会出现波反射现象。14(2)(2)长线传输干扰的抑制方法长线传输干扰的抑制方法 采采用用终终端端阻阻抗抗匹匹配配或或始始端端阻阻抗抗匹匹配配，可可以以消消除除长长线线传传输输中中的的波波反反射射或或者者把把它它抑抑制制到到最最低低限度。限度。终端匹配：终端并联电阻终端匹配：终端并联电阻 始端匹配：始端匹配：始端串联电阻始端串联电阻 为为了了避避免免外外界界干干扰扰的的影影响响，在在计计算算机机中中常常常常采采用用双双绞绞线线（双双绞绞线线是是由由两两条条导导线线按按一一定定扭扭距距相相互互绞绞合合在在一一起起的的类类似似于于电电话话线线的的传传输输媒媒体体，每每根

12、根线线加加绝绝缘缘层层并并有有颜颜色色来来标标记记）和和同同轴轴电电缆缆（同同轴轴电电缆缆可可分分为为两两类类：粗粗缆缆和和细细缆缆，这这种种电电缆缆在在实实际际应应用用中中很很广广，比比如如有有线线电电视视网网，就就是是使使用用同同轴轴电电缆缆。不论是粗缆还是细缆，其中央都是一根铜线，外面包有绝缘层）作信号线。不论是粗缆还是细缆，其中央都是一根铜线，外面包有绝缘层）作信号线。双绞线的波阻抗一般在双绞线的波阻抗一般在100100至至200200之间，绞花越密，波阻抗越低。之间，绞花越密，波阻抗越低。152.6.2 CPU2.6.2 CPU抗干扰技术抗干扰技术 计算机控制系统的计算机控制系统的C

13、PUCPU抗干扰措施常常采用抗干扰措施常常采用 Watchdog(Watchdog(俗称看门狗俗称看门狗)电源监控电源监控(掉电检测及保护掉电检测及保护)复位复位 162 2MAX1232MAX1232的主要功能的主要功能nMAX1232MAX1232是是微微处处理理器器监监控控电电路路，另另外外常常用用的的集成电路还有集成电路还有X5045X5045、IMP813IMP813等。等。n其主要功能：其主要功能：(1)(1)电源监控电源监控(2)(2)按钮复位输入按钮复位输入 (3)(3)监控定时器监控定时器(Watchdog)(Watchdog)17MAX1232MAX1232的结构原理图的结

14、构原理图 MAX1232引脚图MAX1232内部原理图18(1)(1)电源监控电源监控 电压检测器监控电压检测器监控V Vcccc 每每当当V Vcccc低低于于所所选选择择的的容容限限时时(5%(5%容容限限时时的的电电压压典典型型时时为为4.62V4.62V，10%10%容容限限时时的的电电压压典典型型时时为为4.37V)4.37V)就就输输出出并保持复位信号。并保持复位信号。选择选择5%5%的容许极限时，的容许极限时，TOLTOL端接地；端接地；选择选择10%10%的容许极限时，的容许极限时，TOLTOL端接端接V Vcccc。当当V Vcccc恢恢复复到到容容许许极极限限内内，复复位位

15、输输出出信信号号至至少少保保持持250ms250ms的宽度，才允许电源供电并使微处理器稳定工作。的宽度，才允许电源供电并使微处理器稳定工作。19(2)(2)按钮复位输入按钮复位输入 MAX1232MAX1232的的PBRSTPBRST端端靠靠手手动动强强制制复复位位输输出出，该该端端保保持持t tPBDPBD是是按按钮钮复复位位延延迟迟时时间间，当当PBRSTPBRST升升高高到到大大于于一一定定的的电电压压值值后后，复复位位输输出出保保持持至至少少250ms250ms的的宽宽度度。一个机械按钮或一个有效的逻辑信号都能驱动一个机械按钮或一个有效的逻辑信号都能驱动PBRST PBRST，无锁按钮

16、输入至少忽略了无锁按钮输入至少忽略了1ms1ms的输入抖动，的输入抖动，并且被保证能识别出并且被保证能识别出20ms20ms或更大的脉冲宽度。该或更大的脉冲宽度。该PBRSTPBRST在芯片内部被上拉到大约在芯片内部被上拉到大约100A100A的的V Vcccc上，因上，因而不需要附加的上拉电阻。而不需要附加的上拉电阻。20(3)(3)监控定时器监控定时器(Watchdog)(Watchdog)用于因干扰引起的系统用于因干扰引起的系统“飞程序飞程序”等出错的检等出错的检测和自动恢复。测和自动恢复。微处理器用一根微处理器用一根I/OI/O线来驱动输入线来驱动输入STST，微处理器微处理器必须在一

17、定时间内触发必须在一定时间内触发STST端端(其时间取决于其时间取决于TD)TD)，以以便来检测正常的软件执行。如果一个硬件或软件的便来检测正常的软件执行。如果一个硬件或软件的失误导致没被触发，在一个最小超时间间隔内，失误导致没被触发，在一个最小超时间间隔内，STST的触发只能被脉冲的下降沿作用，这时的触发只能被脉冲的下降沿作用，这时MAX1232MAX1232的复的复位输出至少保持位输出至少保持250ms250ms的宽度。的宽度。21监控电路MAX1232的典型应用222.6.3 2.6.3 系统供电与接地技术系统供电与接地技术 1 1供电技术供电技术 从交流电网输入、直流输出的全过程，包括

18、：从交流电网输入、直流输出的全过程，包括：1 1、输入滤波器、输入滤波器 2 2、整流与滤波、整流与滤波 3 3、逆变、逆变 4 4、输出整流与滤波、输出整流与滤波23 1 1、输入滤波器：、输入滤波器：其作用是将电网存在的其作用是将电网存在的杂波过滤，同时也阻碍本机产生的杂波反杂波过滤，同时也阻碍本机产生的杂波反馈到公共电网。馈到公共电网。2 2、整流与滤波：、整流与滤波：将电网交流电源直接整将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电，以供下一级变换。流为较平滑的直流电，以供下一级变换。3 3、逆变：、逆变：将整流后的直流电变为高频交将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分，频

19、流电，这是高频开关电源的核心部分，频率越高，体积、重量与输出功率之比越小。率越高，体积、重量与输出功率之比越小。4 4、输出整流与滤波：、输出整流与滤波：根据负载需要，提根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。供稳定可靠的直流电源。24电源异常的保护措施电源异常的保护措施 计算机控制系统的供电不允许中断，一旦中断将计算机控制系统的供电不允许中断，一旦中断将会影响生产。为此，可采用不间断电源会影响生产。为此，可采用不间断电源UPS UPS。252 2接地技术接地技术(1)(1)地线系统分析地线系统分析 对地线使用下面对地线使用下面的定义：的定义：地线是信号电地线是信号电流流回信号源的地阻抗路径。流

20、流回信号源的地阻抗路径。26n n 模模拟拟地地作作为为传传感感器器、变变送送器器、放放大大器器、A/DA/D和和D/AD/A转换器中模拟电路的零电位。转换器中模拟电路的零电位。n 数数字字地地作作为为计计算算机机中中各各种种数数字字电电路路的的零零电电位位，应应该该与与模模拟拟地地分分开开，避避免免模模拟拟信信号号受受数数字字脉脉冲冲的的干扰。干扰。n 安安全全地地的的目目的的是是使使设设备备机机壳壳与与大大地地等等电电位位，以避免机壳带电而影响人身及设备安全。以避免机壳带电而影响人身及设备安全。n 系系统统地地就就是是上上述述几几种种地地的的最最终终回回流流点点，直直接接与大地相连。与大地

21、相连。n 交流地交流地是计算机交流供电电源地，即动力线是计算机交流供电电源地，即动力线地，它的地电位很不稳定。地，它的地电位很不稳定。27n n接地理论接地理论分析，低频电路应单点接地，高频电路应就近多点接地。分析，低频电路应单点接地，高频电路应就近多点接地。n n当频率小于当频率小于1MHz1MHz时，可以采用单点接地方式；时，可以采用单点接地方式；n n当频率高于当频率高于10MHz10MHz时，可以采用多点接地方式。在时，可以采用多点接地方式。在1 1至至10MHz10MHz之间，之间，如果用单点接地时，其地线长度不得超过波长的如果用单点接地时，其地线长度不得超过波长的1/201/20，

22、否则应使，否则应使用多点接地。用多点接地。n n单点接地的目的是避免形成地环路，地环路产生的电流会引入到单点接地的目的是避免形成地环路，地环路产生的电流会引入到信号回路内引起干扰。信号回路内引起干扰。n n地环路产生的原因地环路产生的原因：地环路干扰发生在通过较长电缆连接的相距：地环路干扰发生在通过较长电缆连接的相距较远的设备之间，其产生的内在原因是设备之间的地线电位差，较远的设备之间，其产生的内在原因是设备之间的地线电位差，地线电压导致了地环路电流，由于电路的非平衡性，地环路电流地线电压导致了地环路电流，由于电路的非平衡性，地环路电流导致对电路造成影响的差模干扰电压。导致对电路造成影响的差模

23、干扰电压。n n回流法单点接地回流法单点接地：模拟地、数字地、安全地：模拟地、数字地、安全地(机壳地机壳地)的分别回流的分别回流法。回流线往往采用汇流条而不采用一般的导线。汇流条是由多法。回流线往往采用汇流条而不采用一般的导线。汇流条是由多层铜导体构成，截面呈矩形，各层之间有绝缘层。采用多层汇流层铜导体构成，截面呈矩形，各层之间有绝缘层。采用多层汇流条以减少自感，可减少干扰的窜入途径。安全地条以减少自感，可减少干扰的窜入途径。安全地(机壳地机壳地)始终与始终与信号地信号地(模拟地、数字地模拟地、数字地)是浮离开的。这些地之间只在最后汇聚是浮离开的。这些地之间只在最后汇聚一点，并且常常通过铜接地

24、板交汇，然后用线径不小于一点，并且常常通过铜接地板交汇，然后用线径不小于300mm2300mm2的的多股铜软线焊接在接地极上后深埋地下。多股铜软线焊接在接地极上后深埋地下。28 (2)(2)低频接地技术低频接地技术 一点接地方式一点接地方式 信号地线的接地方式应采用一点接地，而不采用信号地线的接地方式应采用一点接地，而不采用多点接地。一点接地主要有两种接法：即串联接地和多点接地。一点接地主要有两种接法：即串联接地和并联接地并联接地 。从防止噪声角度看，如图所示的串联接地方式是最不适用的，由于地电阻从防止噪声角度看，如图所示的串联接地方式是最不适用的，由于地电阻r r1 1、r r2 2和和r

25、r3 3是串联的，所以各电路间相互发生干扰是串联的，所以各电路间相互发生干扰 。并联接地方式在低频时是最适用的，因为各电路的地电位只与本电路的地电流和地并联接地方式在低频时是最适用的，因为各电路的地电位只与本电路的地电流和地线阻抗有关，不会因地电流而引起各电路间的耦合。这种方式的缺点是需要连很多线阻抗有关，不会因地电流而引起各电路间的耦合。这种方式的缺点是需要连很多根地线，用起来比较麻烦。根地线，用起来比较麻烦。29实用的低频接地实用的低频接地 一般在低频时用串联一点接地的综合接法，即在符一般在低频时用串联一点接地的综合接法，即在符合噪声标准和简单易行的条件下统筹兼顾。合噪声标准和简单易行的条

26、件下统筹兼顾。可用分组接可用分组接法，即低电平电路经一组共同地线接地，高电平电路经法，即低电平电路经一组共同地线接地，高电平电路经另一组共同地线接地。另一组共同地线接地。一条是低电平电路地线；一条是继电器、电动机等一条是低电平电路地线；一条是继电器、电动机等的地线的地线(称为称为“噪声噪声”地线地线)；一条是设备机壳地线；一条是设备机壳地线(称称为为“金属件金属件”地线地线)。这三条地线应在一点连接接地。这三条地线应在一点连接接地。30(3)(3)通道馈线（电缆）的接地技术通道馈线（电缆）的接地技术 电路一点地基准电路一点地基准:电电路路一一点点地地基基准准:一一个个实实际际的的模模拟拟量量输

27、输入入通通道道，总总可可以以简简化化成成由由信信号号源源、输输入入馈馈线线和和输输入入放放大大器器3 3部部分分组组成成。如如图图所所示示的的将将信信号号源源与与输输入入放放大大器器分分别别接接地地的的方方式式是是不不正正确的。确的。这种接地方式之所以错误，是因为它不仅会遭致磁场耦合的影响，而且还会因A和B两点地电位不等而引起环流噪声干扰。忽略导线电阻，误认为A和B两点都是地球地电位应该相等，是造成这种接地错误的根本原因。为了克服双端接地的缺点，应将输入回路改为单端接地方式。当单端接地点位于信号源端时，放大器电源不接地；当单端接地点位于放大器端时，信号源不接地。31电缆屏蔽层的接地电缆屏蔽层的

28、接地:当信号电路是一点接地时，低频电缆的屏蔽当信号电路是一点接地时，低频电缆的屏蔽层也应一点接地。如欲将屏蔽一点接地，则应选层也应一点接地。如欲将屏蔽一点接地，则应选择较好的接地点。择较好的接地点。当一个电路有一个不接地的信号源与一个接当一个电路有一个不接地的信号源与一个接地的地的(即使不是接大地即使不是接大地)放大器相连时，输入线的放大器相连时，输入线的屏蔽应接至放大器的公共端；当接地信号源与不屏蔽应接至放大器的公共端；当接地信号源与不接地放大器相连时，即使信号源端接的不是大地，接地放大器相连时，即使信号源端接的不是大地，输入线的屏蔽层也应接到信号源的公共端。这种输入线的屏蔽层也应接到信号源

29、的公共端。这种单端接地方式如课本单端接地方式如课本6161页图所示。页图所示。32(4)(4)主机外壳接地但机芯浮空主机外壳接地但机芯浮空 为为了了提提高高计计算算机机的的抗抗干干扰扰能能力力，将将主主机机外外壳壳作作为为屏屏蔽蔽罩罩接接地地。而而把把机机内内器器件件架架与与外外壳壳绝绝缘缘，绝绝缘缘电电阻阻大大于于50M50M，即即机机内内信信号号地地浮浮空空这这种种方方法法安安全全可可靠靠，抗抗干干扰扰能能力力强强，但但制制造造工工艺艺复杂，一旦绝缘电阻降低就会引入干扰。复杂，一旦绝缘电阻降低就会引入干扰。33(5)(5)多机系统的接地多机系统的接地 在计算机网络系统中，多台计算机之间相互

30、在计算机网络系统中，多台计算机之间相互通信，资源共享。如果接地不合理，将使整个网通信，资源共享。如果接地不合理，将使整个网络系统无法正常工作。近距离的几台计算机安装络系统无法正常工作。近距离的几台计算机安装在同一机房内，可采用多机一点接地方法。对于在同一机房内，可采用多机一点接地方法。对于远距离的计算机网络，多台计算机之间的数据通远距离的计算机网络，多台计算机之间的数据通信，通过隔离的办法把地分开。例如：采用变压信，通过隔离的办法把地分开。例如：采用变压器隔离技术、光电隔离技术和无线电通信技术。器隔离技术、光电隔离技术和无线电通信技术。34课堂习题一课堂习题一n1、什么是计算机控制系统？它由哪几部分、什么是计算机控制系统？它由哪几部分组成？组成？n2、计算机控制系统的典型形式有哪些？各、计算机控制系统的典型形式有哪些？各有哪些优缺点？有哪些优缺点？n3、请画出模拟量输入通道的简单组成结构、请画出模拟量输入通道的简单组成结构图，并简要说明。图，并简要说明。n4、什么是串模、共模干扰？简要说明如何、什么是串模、共模干扰？简要说明如何抑制？抑制？35