第五章硬件抗干扰技术优秀PPT.ppt

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1、第五章硬件抗干扰技术第一页，本课件共有74页 计算机控制系统的被控变量分布在生产现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场的各个角落，因而计算机是处于干扰频繁的恶劣环境中，恶劣环境中，干扰是有用信号以外的噪声干扰是有用信号以外的噪声，这，这些干扰会影响系统的测控精度，降低系统的可些干扰会影响系统的测控精度，降低系统的可靠性，甚至导致系统的运行混乱，造成生产事靠性，甚至导致系统的运行混乱，造成生产事故。故。但干扰是客观存在的，所以，人们必须研但干扰是客观存在的，所以，人们必须研究干扰，以采取相应的抗干扰措施。究干扰，以采取相应的抗干扰措施。第二页，本课件共有

2、74页n干扰的来源是多方面的，有时甚至是错综复杂的。干扰的来源是多方面的，有时甚至是错综复杂的。干扰有的来自干扰有的来自外部外部，有的来自，有的来自内部内部。n外部干扰由使用条件和外部环境因素决定。外部干外部干扰由使用条件和外部环境因素决定。外部干扰环境如图扰环境如图1所示，有所示，有天电干扰天电干扰，如雷电或大气电离，如雷电或大气电离作用以及其他气象引起的干扰电波；作用以及其他气象引起的干扰电波；天体干扰天体干扰，如，如太阳或其他星球辐射的电磁波；太阳或其他星球辐射的电磁波；电气设备的干扰电气设备的干扰，如广播电台或通讯发射台发出的电磁波，动力机械、如广播电台或通讯发射台发出的电磁波，动力机

3、械、高频炉、电焊机等都会产生干扰；此外，荧光灯、高频炉、电焊机等都会产生干扰；此外，荧光灯、开关、电流断路器、过载继电器、指示灯等具有瞬开关、电流断路器、过载继电器、指示灯等具有瞬变过程的设备也会产生较大的干扰；来自变过程的设备也会产生较大的干扰；来自电源的工电源的工频干扰频干扰也可视为外部干扰。也可视为外部干扰。4.1 干扰的来源干扰的来源第三页，本课件共有74页第四页，本课件共有74页n内部干扰则是由系统的结构布局、制造工艺所引内部干扰则是由系统的结构布局、制造工艺所引入的。内部干扰环境入的。内部干扰环境如图如图8-2所示所示，有分布电容、，有分布电容、分布电感引起的耦合感应，电磁场辐射感

4、应，长分布电感引起的耦合感应，电磁场辐射感应，长线传输造成的波反射；多点接地造成的电位差引线传输造成的波反射；多点接地造成的电位差引入的干扰；装置及设备中各种寄生振荡引入的干入的干扰；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以及热噪声、闪变噪声、尖峰噪声等引入的干扰；甚至元器件产生的噪声等。扰；甚至元器件产生的噪声等。图图8-28-2内部干扰环境内部干扰环境第五页，本课件共有74页 干扰的传播途径干扰的传播途径 干扰传播的途径主要有三种：干扰传播的途径主要有三种：静电耦合，磁场静电耦合，磁场耦合，公共阻抗耦合。耦合，公共阻抗耦合。1静电耦合静电耦合4.2 干

5、扰的传播途径干扰的传播途径第六页，本课件共有74页q静静电电耦耦合合是是电电场场通通过过电电容容耦耦合合途途径径窜窜入入其其它它线线路路的的。两两根根并并排排的的导导线线之之间间会会构构成成分分布布电电容容，如如印印制制线线路路板板上上印印制制线线路路之之间间、变变压压器器绕绕线线之之间间都都会会构成分布电容。构成分布电容。q图图8-38-3给给出出两两根根平平行行导导线线之之间间静静电电耦耦合合的的示示意意电电路路，Cl Cl 2 2是是两两个个导导线线之之间间的的分分布布电电容容，C1gC1g、C2gC2g是是导导线线对对地地的的电电容容，R R是是导导线线2 2对对地地电电阻阻。如如果果

6、导导线线1 1上上有有信信号号U1U1存存在在，那那么么它它就就会会成成为为导导线线2 2的的干干扰扰源源，在在导导线线2 2上上产产生生干干扰扰电电压压Un Un。显显然然，干干扰扰电电压压UnUn与与干干扰扰源源U1U1、分分布布电电容容Cl2Cl2、C2gC2g的的大大小小有有关。关。第七页，本课件共有74页 空空间间的的磁磁场场耦耦合合是是通通过过导导体体间间的的互互感感耦耦合合进进来来的的。在在任任何何载载流流导导体体周周围围空空间间中中都都会会产产生生磁磁场场，而而交交变变磁磁场场则则对对其其周周围围闭闭合合电电路路产产生生感感应应电电势势。如如设设备备内内部部的的线线圈圈或或变变

7、压压器器的的漏漏磁磁会会引引起起干干扰扰，还还有有普普通通的的两两根根导导线线平平行行架架设设时时，也也会会产产生生磁场干扰，磁场干扰，如图如图8-48-4所示所示。如果导线如果导线1 1为承载着为承载着10kVA10kVA、220V220V的交流输电线，导线的交流输电线，导线2 2为与之相距为与之相距1 1米并平行走线米并平行走线1010米的信号线，两线之间的互感米的信号线，两线之间的互感M M会使信号线上感应到的干扰电压会使信号线上感应到的干扰电压UnUn高达几十毫伏。如果高达几十毫伏。如果导线导线2 2是连接热电偶的信号线，那么这几十毫伏的干扰噪声是连接热电偶的信号线，那么这几十毫伏的干

8、扰噪声足以淹没热电偶传感器的有用信号。足以淹没热电偶传感器的有用信号。2磁场耦合磁场耦合第八页，本课件共有74页第九页，本课件共有74页n公共阻抗耦合发生在两个电路的电流流经一个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。影响到另一个电路，从而产生干扰噪声的影响。图图8-58-5给出一个公共电源线的阻抗耦合示意图。给出一个公共电源线的阻抗耦合示意图。3公共阻抗耦合公共阻抗耦合第十页，本课件共有74页 在一块印制电路板上，运算放大器在一块印制电路板上，运算放大器A1A1和和A2A

9、2是两个独立是两个独立的回路，但都接入一个公共电源，电源回流线的等效电阻的回路，但都接入一个公共电源，电源回流线的等效电阻R1R1、R2R2是两个回路的公共阻抗。当回路电流是两个回路的公共阻抗。当回路电流i i1 1变化时，在变化时，在R1R1和和R2R2上产生的电压降变化就会影响到另一个回路电流上产生的电压降变化就会影响到另一个回路电流i i2 2。反之，也如此。反之，也如此。第十一页，本课件共有74页4.3 硬件抗干扰措施硬件抗干扰措施v引言引言v4.3.1 4.3.1 串模干扰的抑制串模干扰的抑制v4.3.2 4.3.2 共模干扰的抑制共模干扰的抑制v4.3.3 4.3.3 长线传输干扰

10、的抑制长线传输干扰的抑制 v4.3.4 4.3.4 信号线的选择与敷设信号线的选择与敷设 v4.3.5 4.3.5 电源系统的抗干扰电源系统的抗干扰 v4.3.6 4.3.6 接地系统的抗干扰接地系统的抗干扰 第十二页，本课件共有74页引言引言 了了解解了了干干扰扰的的来来源源与与传传播播途途径径，我我们们就就可可以以采采取取相相应应的的抗抗干干扰扰措措施施。在在硬硬件件抗抗干干扰扰措措施施中中，除除了了按按照照干干扰扰的的三三种种主主要要作作用用方方式式串串模模、共共模模及及长长线线传传输输干干扰扰来来分分别别考考虑虑外外，还还要要从布线、电源、接地等方面考虑。从布线、电源、接地等方面考虑。

11、第十三页，本课件共有74页 串模干扰是指迭加在被测信号上的干扰噪声，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。其表现形式与产即干扰源串联在信号源回路中。其表现形式与产生原因生原因如图如图8-68-6所示所示。图中。图中U Us s为信号源，为信号源，U Un n为串为串模干扰电压，邻近导线模干扰电压，邻近导线(干扰线干扰线)有交变电流有交变电流I Ia a流流过，由过，由I Ia a产生的电磁干扰信号就会通过分布电容产生的电磁干扰信号就会通过分布电容C C1 1和和C C2 2的耦合，引至计算机控制系统的输入端。的耦合，引至计算机控制系统的输入端。4.3.1 串模干扰

12、的抑制串模干扰的抑制第十四页，本课件共有74页 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。第十五页，本课件共有74页1双绞线做信号引线双绞线做信号引线n双绞线是由两根互相绝缘的导线扭绞缠绕组成，为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，物或护套形成屏蔽双绞线，图图8-7给出了带有屏蔽给出了带有屏蔽护套的多股双绞线实物图。护套的多股双绞线实物图。8-7.双交线第十六页，本课件共有74页n采用双绞线作信号线的目的，就是因为外界电磁场会

13、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8-1。n双绞线可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，传输距离为几公里，数据传输速率可达2Mbps。第十七页，本课件共有74页表表8-1 8-1 双绞线节距对串模干扰的抑制效果双绞线节距对串模干扰的抑制效果节距(mm)干扰衰减比屏蔽效果1001412375711375011214125141143平行线110第十八页，本课件共有74页n2引入滤波电路引入滤波电路n采用硬件滤波器抑制串模干扰是一种常用的方法。采

14、用硬件滤波器抑制串模干扰是一种常用的方法。根据根据串模干扰频率与被测信号频率的分布特性，可以选用串模干扰频率与被测信号频率的分布特性，可以选用具有低通、高通、带通等滤波器。具有低通、高通、带通等滤波器。其中，如果干扰频其中，如果干扰频率比被测信号频率高，则选用低通滤波器；如果干扰频率比被测信号频率高，则选用低通滤波器；如果干扰频率比被测信号频率低，则选用高通滤波器；如果干扰频率比被测信号频率低，则选用高通滤波器；如果干扰频率落在被测信号频率的两侧时，则需用带通滤波器。一率落在被测信号频率的两侧时，则需用带通滤波器。一般采用电阻般采用电阻R、电容、电容C、电感、电感L等无源元件构成滤波器，等无源

15、元件构成滤波器，图图8-8（a）所示为在模拟量输入通道中引入的一个无源所示为在模拟量输入通道中引入的一个无源二级阻容低通滤波器，但它的缺点是对有用信号也会有二级阻容低通滤波器，但它的缺点是对有用信号也会有较大的衰减。为了把增益与频率特性结合起来，对于小较大的衰减。为了把增益与频率特性结合起来，对于小信号可以采取以反馈放大器为基础的有源滤波器，它不信号可以采取以反馈放大器为基础的有源滤波器，它不仅可以达到滤波效果，而且能够提高信号的增益，仅可以达到滤波效果，而且能够提高信号的增益，如图如图8-8(b)所示。所示。第十九页，本课件共有74页第二十页，本课件共有74页 共模干扰是指计算机控制系统共模

16、干扰是指计算机控制系统输入通道中信输入通道中信号放大器两个输入端上共有的干扰电压号放大器两个输入端上共有的干扰电压，可以是，可以是直流电压，也可以是交流电压，其幅值达几伏甚直流电压，也可以是交流电压，其幅值达几伏甚至更高，这取决于现场产生干扰的环境条件和计至更高，这取决于现场产生干扰的环境条件和计算机等设备的接地情况。其表现形式与产生原因算机等设备的接地情况。其表现形式与产生原因如图如图8-98-9所示所示。4.3.2 4.3.2 共模干扰的抑制共模干扰的抑制第二十一页，本课件共有74页第二十二页，本课件共有74页n在计算机控制系统中一般都用较长的导线把现场中的传感器或在计算机控制系统中一般都

17、用较长的导线把现场中的传感器或执行器引入至计算机系统的输入通道或输出通道中，这类信号执行器引入至计算机系统的输入通道或输出通道中，这类信号传输线通常长达几十米以至上百米，这样，现场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位差U Ucmcm。这个。这个U Ucmcm是加在放大器输入端上共有的干扰电压，故是加在放大器输入端上共有的干扰电压，故称共模干扰电压。称共模干扰电压。n既然共模干扰产生的原因是不同既然共模干扰产生的原因是不同“地地”之间存在的电压，以及

18、之间存在的电压，以及模拟信号系统对地的漏阻抗。因此，共模干扰电压的抑制就模拟信号系统对地的漏阻抗。因此，共模干扰电压的抑制就应当是有效的隔离两个地之间的电联系，以及采用被测信号应当是有效的隔离两个地之间的电联系，以及采用被测信号的双端差动输入方式。具体的的双端差动输入方式。具体的有变压器隔离、光电隔离与有变压器隔离、光电隔离与浮地屏蔽等三种措施。浮地屏蔽等三种措施。第二十三页，本课件共有74页1变压器隔离变压器隔离 利用变压器把现场信号源的地与计算机的地隔离开来，也就是利用变压器把现场信号源的地与计算机的地隔离开来，也就是把把“模拟地模拟地”与与“数字地数字地”断开。被测信号通过变压器耦合获得

19、通断开。被测信号通过变压器耦合获得通路，而共模干扰电压由于不成回路而得到有效的抑制。路，而共模干扰电压由于不成回路而得到有效的抑制。第二十四页，本课件共有74页2光电隔离n光电耦合隔离器是目前计算机控制系统中最常用的一种光电耦合隔离器是目前计算机控制系统中最常用的一种抗干扰方法。光电耦合隔离器的结构原理在抗干扰方法。光电耦合隔离器的结构原理在4.1 4.1 光电耦光电耦合隔离技术中已作过详细介绍。合隔离技术中已作过详细介绍。n利用光耦隔离器的开关特性，可传送数字信号而隔离电磁利用光耦隔离器的开关特性，可传送数字信号而隔离电磁干扰，即在数字信号通道中进行隔离。干扰，即在数字信号通道中进行隔离。4

20、.2 4.2 数字量输入通数字量输入通道与道与4.3 4.3 数字量输出通道两节中给出了大量应用于数字量数字量输出通道两节中给出了大量应用于数字量输入输出通道中的电路实例，输入输出通道中的电路实例，如图如图4-44-4开关量输入信号调开关量输入信号调理电路中，理电路中，光耦隔离器不仅把开关状态送至主机数据口，而光耦隔离器不仅把开关状态送至主机数据口，而且实现了外部与计算机的完全电隔离且实现了外部与计算机的完全电隔离；又；又如图如图 4-114-11继电器输继电器输出驱动电路中，光耦隔离器不仅把出驱动电路中，光耦隔离器不仅把CPUCPU的控制数据信号输出的控制数据信号输出到外部的继电器，而且实现

21、了计算机与外部的完全电隔到外部的继电器，而且实现了计算机与外部的完全电隔离。离。第二十五页，本课件共有74页第二十六页，本课件共有74页n利用光耦隔离器的线性放大区，也可传送模拟信号而隔离电磁干扰，即在模拟信号通道中进行隔离。例如在现场传感器与A/D转换器或D/A转换器与现场执行器之间的模拟信号的线性传送，如图8-12 所示。第二十七页，本课件共有74页第二十八页，本课件共有74页 浮地屏蔽是利用屏蔽层使输入信号的浮地屏蔽是利用屏蔽层使输入信号的“模拟模拟地地”浮空，使共模输入阻抗大为提高，共模电压浮空，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，从而抑在输入回路中引起

22、的共模电流大为减少，从而抑制了共模干扰的来源，使共模干扰降至很低，制了共模干扰的来源，使共模干扰降至很低，图图8-138-13给出了一种浮地输入双层屏蔽放大电路给出了一种浮地输入双层屏蔽放大电路。3 3浮地屏蔽浮地屏蔽第二十九页，本课件共有74页第三十页，本课件共有74页n 计算机部分采用内外两层屏蔽，且计算机部分采用内外两层屏蔽，且内屏内屏蔽层对外屏蔽层蔽层对外屏蔽层(机壳地机壳地)是浮地的，而内层是浮地的，而内层与信号源及信号线屏蔽层是在信号端单点接与信号源及信号线屏蔽层是在信号端单点接地的，被测信号到控制系统中的放大器是采地的，被测信号到控制系统中的放大器是采用双端差动输入方式。用双端差

23、动输入方式。这样模拟地与数字地这样模拟地与数字地之间的共模电压之间的共模电压U Ucmcm在进入到放大器以前将会在进入到放大器以前将会被衰减到很小很小。余下的进入到计算机系统被衰减到很小很小。余下的进入到计算机系统内的共模电压在理论上几乎为零。因此，这种内的共模电压在理论上几乎为零。因此，这种浮地屏蔽系统对抑制共模干扰是很有效的。浮地屏蔽系统对抑制共模干扰是很有效的。第三十一页，本课件共有74页 由生产现场到计算机的连线往往长达几十米，甚至数百米。即使在中央控制室内，各种连线也有几米到十几米。对于采用高速集成电路的计算机来说，长线的“长”是一个相对的概念，是否“长线”取决于集成电路的运算速度。

24、例如，对于纳秒级的数字电路来说，l 米左右的连线就应当作长钱来看待；而对于10微妙级的电路，几米长的连线才需要当作长线处理。信号在长线中传输除了会受到外界干扰和引起信号延迟外，还可能会产生波反射现象。当信号在长线中传输时，由于传输线的分布电容和分布电感的影响，信号会在传输线内部产生正向前进的电压波和电流波，称为入射波。4.3.34.3.3长线传输干扰的抑制长线传输干扰的抑制第三十二页，本课件共有74页1波阻抗的测量波阻抗的测量n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。图中的信号传输线为双绞线，在传输线始端通过与非门加入标准信号，用示波器观察门A的

25、输出波形，调节传输线终端的可变电阻R，当门A输出的波形不畸变时，即是传输线的波阻抗与终端阻抗完全匹配，反射波完全消失，这时的R值就是该传输线的波阻抗，即RPR。第三十三页，本课件共有74页n为了避免外界干扰的影响，在计算机中常常采为了避免外界干扰的影响，在计算机中常常采用双绞线和同轴电缆作信号线。双绞线的波阻用双绞线和同轴电缆作信号线。双绞线的波阻抗一般在抗一般在100200之间，绞花愈密，波阻抗之间，绞花愈密，波阻抗愈低。同轴电缆的波阻抗约愈低。同轴电缆的波阻抗约50100范围。范围。第三十四页，本课件共有74页2终端阻抗匹配终端阻抗匹配n最简单的终端阻抗匹配方法如图8-15（a）所示。如果

26、传输线的波阻抗是RP，那么当RRP时，便实现了终端匹配，消除了波反射。此时终端波形和始端波形的形状一致，只是时间上迟后。由于终端电阻变低，则加大负载，使波形的高电平下降，从而降低了高电平的抗干扰能力，但对波形的低电平没有影响。n为了克服上述匹配方法的缺点，可采用图8-15（b）所示的终端匹配方法。第三十五页，本课件共有74页第三十六页，本课件共有74页 适当调整适当调整R1R1和和R2R2的阻值，可使的阻值，可使R=RPR=RP。这种匹配方。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为了

27、点是低电平抬高，从而降低了低电平的抗干扰能力为了同时兼顾高电平和低电平两种情况，同时兼顾高电平和低电平两种情况，可选取可选取R1=R2=2RPR1=R2=2RP，此时等效电阻，此时等效电阻R=RPR=RP。实践中宁可使高电平降低得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，可通过适稍多一些，而让低电平抬高得少一些，可通过适当选取电阻当选取电阻R1R1和和R2R2，并使，并使R1R1R2R2来达到此目的，来达到此目的，当然还要保证等效电阻当然还要保证等效电阻R=RPR=RP。第三十七页，本课件共有74页3始端阻抗匹配始端阻抗匹配n在传输线始端串入电阻在传输线始端串入电阻R R，如图

28、，如图8-168-16所示，也能基本上所示，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消除反射，达到改善波形的目的。一般选择始端匹配电阻R R为为nR RRPRPRSC RSC （8-38-3）n其中，其中，RSCRSC为门为门A A输出低电平时的输出阻抗。输出低电平时的输出阻抗。第三十八页，本课件共有74页4.3.4 信号线的选择与敷设信号线的选择与敷设 在计算机控制系统中，信号线的选择与敷设也是个在计算机控制系统中，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

29、制干扰；反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。之，将会给系统引入干扰，造成不良影响。n1 1信号线的选择信号线的选择n对信号线的选择，一般应从抗干扰和经济实用这几个方对信号线的选择，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。面考虑，而抗干扰能力则应放在首位。不同的使用现场，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。条件下，应该尽量选用价钱便宜，敷设方便的信号线。第三十九页，本课件共有74页n（

30、1）信号线类型的选择）信号线类型的选择n在精度要求高、干扰严重的场合，应当采用屏蔽信号线。表8-2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。屏蔽结构干扰衰减比屏蔽效果（dB）备注铜网（密度85%）103：140.3电缆的可挠性好，适合近距离使用铜带迭卷（密度90%）376：151.5带有焊药，易接地，通用性好铝聚酯树脂带迭卷6610：176.4应使用电缆沟，抗干扰效果最好表8-2 屏蔽信号线性能及其效果第四十页，本课件共有74页n有屏蔽层的塑料电缆是按抗干扰原理设计的，几十对信号在同一电缆中也不会互相干扰。屏蔽双绞线与屏蔽电缆相比性能稍差，但波阻抗高、体积小、可挠性好、装配焊接方

31、便，特别适用于互补信号的传输。双绞线之间的串模干扰小、价格低廉，是计算机控制实时系统常用的传输介质。n（2）信号线粗细的选择）信号线粗细的选择n从信号线价格、强度及施工方便等因素出发，信号线的截面积在2mm2以下为宜，一般采用1.5 mm2和1.0 mm2两种。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。第四十一页，本课件共有74页2信号线的敷设 选择了合适的信号线，还必须合理地进行敷设。否则，不仅达不到抗干扰的效果，反而会引进干扰。信号线的敷设要注意以下事项：n（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。n（2）屏蔽信号线

32、的屏蔽层要一端接地，同时要避免多点接地。第四十二页，本课件共有74页n（3）信号线的敷设要尽量远离干扰源，如避免敷设在大容量变压器、电动机等电器设备的附近。如果有条件，将信号线单独穿管配线，在电缆沟内从上到下依次架设信号电缆、直流电源电缆、交流低压电缆、交流高压电缆。表号线和交流电力线之间的最少间距，供布线时参考。第四十三页，本课件共有74页表表-信号线和电力线之间的最少间距信号线和电力线之间的最少间距电力线容量信号线和电力线之间的最少间距（cm）电压（V）电流（A）1251012250501844020024500080048第四十四页，本课件共有74页n（4）信号电缆与电源电缆必须分开，并

33、尽量避免平行敷设。如果现场条件有限，信号电缆与电源电缆不得不敷设在一起时，则应满足以下条件：电缆沟内要设置隔板，且使隔板与大地连电缆沟内要设置隔板，且使隔板与大地连接，如图接，如图8-17（a）所示。）所示。电缆沟内用电缆架或在沟底自由敷设时，电缆沟内用电缆架或在沟底自由敷设时，信号电缆与电源电缆间距一般应在信号电缆与电源电缆间距一般应在15cm以上，以上，如图如图8-17（b）（）（c）所示；如果电源电缆无屏）所示；如果电源电缆无屏蔽，且为交流电压蔽，且为交流电压220VAC、电流、电流10A时，两者时，两者间距应在间距应在60 cm以上。以上。电源电缆使用屏蔽罩，如图电源电缆使用屏蔽罩，如

34、图8-17（d）所示。）所示。第四十五页，本课件共有74页第四十六页，本课件共有74页n4.3.5 4.3.5 电源系统的抗干扰电源系统的抗干扰 计算机控制系统一般是由交流电网供电，电网电压与频率的波动将直接影响到控制系统的可靠性与稳定性。实践表明，电源的干扰是计算机控制系统的一个主要干扰，抑制这种干扰的主要措施有以下几个方面。第四十七页，本课件共有74页n理想的交流电应该是50HZ的正弦波。但事实上，由于负载的变动如电动机、电焊机、鼓风机等电器设备的启停，甚至日光灯的开关都可能造成电源电压的波动，严重时会使电源正弦波上出现尖峰脉冲，如图8-18所示。这种尖峰脉冲，幅值可达几十甚至几千伏，持续

35、时间也可达几毫秒之久，容易造成计算机的“死机”，甚至会损坏硬件，对系统威胁极大。在硬件上可以用以下方法加以解决。1交流电源系统第四十八页，本课件共有74页第四十九页，本课件共有74页n(1)选用供电比较稳定的进线电源选用供电比较稳定的进线电源 计算机控制系统的电源进线要尽量选用比较稳定的计算机控制系统的电源进线要尽量选用比较稳定的交流电源线，至少不要将控制系统接到负载变化大、交流电源线，至少不要将控制系统接到负载变化大、晶闸管设备多或者有高频设备的电源上。晶闸管设备多或者有高频设备的电源上。n（2）利用干扰抑制器消除尖峰干扰）利用干扰抑制器消除尖峰干扰 干扰抑制器使用简单，利用干扰抑制器消除尖

36、峰干扰干扰抑制器使用简单，利用干扰抑制器消除尖峰干扰的电路的电路如图如图8-19示示。干扰抑制器是一种无源四端网。干扰抑制器是一种无源四端网络，目前已有产品出售。络，目前已有产品出售。图8-19利用干扰抑制器的电源系统第五十页，本课件共有74页n（3）采用交流稳压器稳定电网电压n计算机控制的交流供电系统一般如图8-20所示。图中交流稳压器是为了抑制电网电压的波动，提高计算机控制系统的稳定性，交流稳压器能把输出波形畸变控制在5以内，还可以对负载短路起限流保护作用。低通滤波器是为了滤除电网中混杂的高频干扰信号，保证50HZ基波通过。图8-20一般交流供电系统第五十一页，本课件共有74页n（4）利用

37、UPS保证不中断供电n电网瞬间断电或电压突然下降等掉电事件会使计算机系统陷入混乱状态，是可能产生严重事故的恶性干扰。对于要求更高的计算机控制系统，可以采用不间断电源即UPS向系统供电，如图8-21所示。正常情况下由交流电网通过交流稳压器、切换开关、直流稳压器供电至计算机系统；同时交流电网也给电池组充电。所有的UPS设备都装有一个或一组电池和传感器，并且也包括交流稳压设备。如果交流供电中断，系统中的断电传感器检测到断电后就会将供电通路在极短的时间内（3ms）切换到电池组，从而保证流入计算机控制系统的电流不因停电而中断。这里，逆变器能把电池直流电压逆变到正常电压频率和幅度的交流电压，具有稳压和稳频

38、的双重功能，提高了供电质量。第五十二页，本课件共有74页图图8-218-21不间断电源供电系统不间断电源供电系统第五十三页，本课件共有74页n（5）掉电保护电路）掉电保护电路n对于没有使用对于没有使用UPS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RAM中的信息丢失，可以采用镍电池对中的信息丢失，可以采用镍电池对RAM数据进行数据进行掉电保护。掉电保护。图图8-22是一种某计算机系统是一种某计算机系统64KB存储板所存储板所使用的掉电保护电路。系统电源正常工作时，由外部电使用的掉电保护电路。系统电源正常工作时，由外部电源源+5V供电，供电，A点电平高于备用电池（点电平高于

39、备用电池（3V）电压，）电压，VD2截止，存储器由主电源（截止，存储器由主电源（5V）供电。系统掉电时，）供电。系统掉电时，A点电位低于备用电池电压，点电位低于备用电池电压，VD1截止，截止，VD2导通，由备导通，由备用电池向用电池向RAM供电。当系统恢复供电时，供电。当系统恢复供电时，VD1重新导重新导通，通，VD2截止，又恢复主电源供电。截止，又恢复主电源供电。第五十四页，本课件共有74页第五十五页，本课件共有74页n 2直流电源系统直流电源系统n在自行研制的计算机控制系统中，无论是模拟电路还是数在自行研制的计算机控制系统中，无论是模拟电路还是数字电路，都需要低压直流供电。为了进一步抑制来

40、自于电字电路，都需要低压直流供电。为了进一步抑制来自于电源方面的干扰，一般在直流电源侧也要采用相应的抗干扰源方面的干扰，一般在直流电源侧也要采用相应的抗干扰措施。措施。n（1）交流电源变压器的屏蔽）交流电源变压器的屏蔽n把高压交流变成低压直流的简单方法是用交流电源变压把高压交流变成低压直流的简单方法是用交流电源变压器。因此，对电源变压器设置合理的静电屏蔽和电磁屏器。因此，对电源变压器设置合理的静电屏蔽和电磁屏蔽，就是一种十分有效的抗干扰措施，通常将电源变压蔽，就是一种十分有效的抗干扰措施，通常将电源变压器的一、二次绕组分别加以屏蔽，一次绕组屏蔽层与铁器的一、二次绕组分别加以屏蔽，一次绕组屏蔽层

41、与铁心同时接地，心同时接地，如图如图8-23（a）所示）所示。在要求更高的场合，。在要求更高的场合，可采用层间也加屏蔽的结构，可采用层间也加屏蔽的结构，如图如图8-23（b）所示）所示。第五十六页，本课件共有74页第五十七页，本课件共有74页n（2）采用直流开关电源）采用直流开关电源n直流开关电源是一种脉宽调制型电源，由于脉冲频直流开关电源是一种脉宽调制型电源，由于脉冲频率高达率高达20kHZ，所以甩掉了传统的工频变压器，具所以甩掉了传统的工频变压器，具有体积小、重量轻、效率高（有体积小、重量轻、效率高（70）、电网电压）、电网电压范围大范围大（2010）220V、电网电压变化、电网电压变化时

42、不会输出过电压或欠电压、输出电压保持时间长时不会输出过电压或欠电压、输出电压保持时间长等优点。开关电源初、次级之间具有较好的隔离等优点。开关电源初、次级之间具有较好的隔离，对于交流电网上的高频脉冲干扰有较强的隔离能力。对于交流电网上的高频脉冲干扰有较强的隔离能力。n现在已有许多直流开关电源产品，一般都有几个独现在已有许多直流开关电源产品，一般都有几个独立的电源，如立的电源，如5V，12V，24V等。等。第五十八页，本课件共有74页n（3）采用DC-DC变换器n如果系统供电电网波动较大，或者对直流电源的精度要求较高，就可以采用DC-DC变换器，它们可以将一种电压的直流电源，变换成另一种电压的直流

43、电源。它们有升压型或降压型，或升压/降压型。DC-DC变换器具有体积小、性能价格比高、输入电压范围大、输出电压稳定（有的还可调）、环境温度范围广等一系列优点。n显然，采用DC-DC变换器可以方便地实现电池供电，从而制造便携式或手持式计算机测控装置。第五十九页，本课件共有74页n（4）每块电路板的直流电源n当一台计算机测控系统有几块功能电路板时，为了防止板与板之间的相互干扰，可以对每块板的直流电源采取分散独立供电环境。在每块板上装一块或几块三端稳压集成块（7805、7805、7812，7812等）组成稳压电源，每个功能板单独对电压过载进行保护，不会因为某个稳压块出现故障而使整个系统遭到破坏，而且

44、也减少了公共阻抗的相互耦合，大大提高供电的可靠性，也有利于电源散热。第六十页，本课件共有74页n（5）集成电路块的VCC加旁路电容n集成电路的开关高速动作时会产生噪声，因此无论电源装置提供的电压多么稳定，VCC和GND端也会产生噪声。为了降低集成电路的开关噪声，在印制线路板上的每一块IC上都接入高频特性好的旁路电容，将开关电流经过的线路局限在板内一个极小的范围内。旁路电容可用0.010.1F的陶瓷电容器，旁路电容器的引线要短而且紧靠需要旁路的集成器件的VCC或GND端，否则会毫无意义。第六十一页，本课件共有74页4.3.6 4.3.6 接地系统的抗干扰接地系统的抗干扰 广义的接地包含两方面的意

45、思，即接实地和接虚地。接实地指的是与大地连接；接虚地指的是与电位基准点连接，当这个基准点与大地电气绝缘，则称为浮地连接。正确合理的接地技术对计算机控制系统极为重要，接地的目的有两个：一是为了保证控制系统稳定可靠地运行，防止地环路引起的干扰，常称为工作接地；二是为了避免操作人员因设备的绝缘损坏或下降遭受触电危险和保证设备的安全，这称为保护接地。本节主要讨论工作接地技术。第六十二页，本课件共有74页n在计算机控制系统中，大致有以下几种地线：模拟地、数字地、信号地、系统地、交流地和保护地。n模拟地作为传感器、变送器、放大器、A/D和D/A转换器中模拟电路的零电位。模拟信号有精度要求，它的信号比较小，

46、而且与生产现场连接。有时为区别远距离传感器的弱信号地与主机的模拟地关系，把传感器的地又叫信号地。n数字地作为计算机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。n系统地是上述几种地的最终回流点，直接与大地相连作为基准零电位。第六十三页，本课件共有74页n交流地是计算机交流供电的动力线地或称零线，它的零电位很不稳定。在交流地上任意两点之间往往就有几伏乃至几十伏的电位差存在。另外，交流地也容易带来各种干扰。因此，交流地绝不允许与上述几种地相连，而且交流电源变压器的绝缘性能要好，绝对避免漏电现象。n保护地也叫安全地、机壳地或屏蔽地，目的是使设备机壳与大地等电位，以避免机壳带电

47、影响人身及设备安全。n以上这些地线如何处理，是接地还是浮地？是一点接地还是多点接地？这些是实时控制系统设计、安装、调试中的重要问题。第六十四页，本课件共有74页1单点接地与多点接地单点接地与多点接地n根据接地理论分析，低频电路应单点接地，这主要是避免形成产生干扰的地环路；高频电路应该就近多点接地，这主要是避免“长线传输”引入的干扰。一般来说，当频率低于1MHZ时，采用单点接地方式为好；当频率高于10MHZ时，采用多点接地方式为好；而在110MHZ之间，如果采用单点接地，其地线长度不得超过波长的1/20，否则应采用多点接地方式。在工业控制系统中，信号频率大多小于1MHZ，所以通常采用单点接地方式

48、，如图-24所示。第六十五页，本课件共有74页第六十六页，本课件共有74页2输入系统的接地输入系统的接地n在计算机控制输入系统中，传感器、变送器和放大器通常采用屏蔽罩，而信号的传送往往使用屏蔽线。对于屏蔽层的接地要慎重，也应遵守单点接地原则。输入信号源有接地和浮地两种情况，接地电路也有两种情况。在图8-26（a）中，信号源端接地，而接收端放大器浮地，则屏蔽层应在信号源端接地（A点）。而图8-26（b）却相反，信号源浮地，接收端接地，则屏蔽层应在接收端接地（B点）。这样单点接地是为了避免在屏蔽层与地之间的回路电流，从而通过屏蔽层与信号线间的电容产生对信号线的干扰。一般输入信号比较小，而模拟信号又

49、容易接受干扰。因此，对输入系统的接地和屏蔽应格外重视。第六十七页，本课件共有74页图8-26输入系统接地方式第六十八页，本课件共有74页3 3印制线路板的地线分布印制线路板的地线分布n设计印制线路板应遵守下列原则，以免系统内部地线产生干扰。n（1）TTL，CMOS器件的地线要呈辐射状，不能形成环形。n（2）印制线路板上的地线要根据通过的电流大小决定其宽度，不要小于3mm，在可能的情况下，地线越宽越好。n（3）旁路电容的地线不能长，应尽量缩短。n（4）大电流的零电位地线应尽量宽，而且必须和小信号的地分开。第六十九页，本课件共有74页4 4主机系统的接地主机系统的接地n计算机本身接地，同样是为了防

50、止干扰，提高可靠性。下面介绍三种主机接地方式。n（l）全机一点接地n计算机控制系统的主机架内采用图8-25所示的分别回流法接地方式。主机地与外部设备地的连接采用一点接地，如图8-28所示。为了避免多点接地，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，一般接地电阻选为410左右。接地电阻越小越好，但接地电阻越小，接地极的施工就越困难。第七十页，本课件共有74页图8-28全机一点接地第七十一页，本课件共有74页n（2）主机外壳接地，机芯浮空n为了提高计算机系统的抗干扰能力，将主机外壳作为屏蔽罩接地，而把机内器件架与外壳绝缘，绝缘电阻大于50M，即机内信号地浮空，如图8-29所示