第六抗干擾技術(shù)

1、第第6章章 抗干擾技術(shù)抗干擾技術(shù) 1第六章第六章 系統(tǒng)抗干擾技術(shù)系統(tǒng)抗干擾技術(shù) 第第6章章 抗干擾技術(shù)抗干擾技術(shù) 26.1 干擾及產(chǎn)生的因素干擾及產(chǎn)生的因素 6.1.1干擾的定義干擾是指對(duì)系統(tǒng)的正常工作產(chǎn)生不良影響的內(nèi)部或外部因素。從廣義上講，機(jī)電一體化系統(tǒng)的干擾因素包括電磁干擾、溫度干擾、濕度干擾、聲波干擾和振動(dòng)干擾等等。 電磁干擾（Electromagnetic Interference，EMI）是指在工作過(guò)程中受環(huán)境因素的影響，出現(xiàn)的一些與有用信號(hào)無(wú)關(guān)的，并且對(duì)系統(tǒng)性能或信號(hào)傳輸有害的電氣變化現(xiàn)象。 第第6章章 抗干擾技術(shù)抗干擾技術(shù) 36.1.2 形成干擾的三個(gè)要素1、干擾源產(chǎn)生干擾信號(hào)

2、的設(shè)備被稱為干擾源，如變壓器、繼電器、微波設(shè)備、電機(jī)、無(wú)繩電話和高壓電線等都可以產(chǎn)生空中電磁場(chǎng)。 2、傳播途徑傳播途徑是指干擾信號(hào)的傳播路徑。 3、接收載體接收載體是指受影響的器件、設(shè)備或系統(tǒng)，其吸收了干擾信號(hào)，并轉(zhuǎn)化為對(duì)其工作造成影響的電氣參數(shù)。 第第6章章 抗干擾技術(shù)抗干擾技術(shù) 46.1.3 干擾的傳播方式 （1）傳導(dǎo)方式：干擾信號(hào)通過(guò)各種線路傳入。 （2）輻射方式：干擾信號(hào)通過(guò)空間感應(yīng)傳入。 所以，從接收器的角度看，耦合分為兩類：傳導(dǎo)耦合和輻射耦合。前者指電磁能量以電壓V或電流I的形式通過(guò)金屬導(dǎo)線等耦合至接收器；后者則通過(guò)空間以電磁場(chǎng)形式耦合。第第6章章 抗干擾技術(shù)抗干擾技術(shù) 56.1.

3、4 電磁干擾的種類 按干擾源分類，電磁干擾分為以下兩種類型。 1、自然干擾 自然干擾包括雷電干擾、射電干擾、輻射干擾等。自然干擾是不可控制的。 2、人為干擾 人為干擾主要是電氣設(shè)備干擾，包括電源干擾、開(kāi)關(guān)干擾、射頻干擾和放電干擾（火花放電、輝光放電等）。人為干擾是可控制的。 人為干擾又包括系統(tǒng)內(nèi)部干擾和外部干擾。第第6章章 抗干擾技術(shù)抗干擾技術(shù) 6 按干擾的耦合模式（傳入系統(tǒng)的方式）分類，電磁干擾分為以下五種類型。 1、靜電干擾 即電場(chǎng)通過(guò)電容耦合的干擾。 2、磁場(chǎng)耦合干擾 磁場(chǎng)耦合干擾是指大電流周圍磁場(chǎng)對(duì)機(jī)電一體化設(shè)備回路耦合形成的干擾。 3、漏電耦合干擾 漏電耦合干擾是因絕緣電阻降低而由漏

4、電流引起的干擾，多發(fā)生于工作條件比較惡劣的環(huán)境或器件性能退化、器件本身老化的情況下。 第第6章章 抗干擾技術(shù)抗干擾技術(shù) 7 4、共阻抗干擾 共阻抗干擾是指電路各部分公共導(dǎo)線阻抗、地阻抗和電源內(nèi)阻壓降相互耦合形成的干擾，這是機(jī)電一體化系統(tǒng)普遍存在的一種干擾。如圖6-1所示的串聯(lián)接地方式，由于接地電阻的存在，三個(gè)電路的接地電位明顯不同。電路1電路2電路3I1I2I3CI3r3r2I2 I3r1I1 I2 I3BA圖6-1 接地共阻抗干擾第第6章章 抗干擾技術(shù)抗干擾技術(shù) 8 5、電磁輻射干擾 由各種大功率高頻、中頻發(fā)生裝置，各種電火花以及電臺(tái)、電視臺(tái)等產(chǎn)生的高頻電磁波向周圍空間輻射，形成電磁輻射干擾

5、。雷電和宇宙空間也會(huì)有電磁波干擾信號(hào)。第第6章章 抗干擾技術(shù)抗干擾技術(shù) 96.1.5 干擾的存在形式 在電路中，干擾信號(hào)通常以串模干擾和共模干擾形式與有用信號(hào)一同傳輸。 1、串模干擾 串模干擾是指疊加在被測(cè)信號(hào)上的干擾，也稱橫向干擾。產(chǎn)生串模干擾的原因有分布電容的靜電耦合、長(zhǎng)線傳輸?shù)幕ジ小⒖臻g電磁場(chǎng)引起的磁場(chǎng)耦合以及50Hz的工頻干擾等。 第第6章章 抗干擾技術(shù)抗干擾技術(shù) 10圖6-2 串模干擾示意圖 在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，被測(cè)信號(hào)通常是直流（或變化比較緩慢的）信號(hào)，而干擾信號(hào)經(jīng)常是一些雜亂的波形并含有尖峰脈沖，如圖6-2(c)所示。圖6-2中Us表示理想測(cè)試信號(hào)，Ug表示不規(guī)則干擾信號(hào)，Uc表

6、示實(shí)際傳輸?shù)男盘?hào)。 干擾可能來(lái)自信號(hào)源內(nèi)部（圖6-2(a)），也可能來(lái)自于導(dǎo)線的感應(yīng)（圖6-2(b)）。第第6章章 抗干擾技術(shù)抗干擾技術(shù) 11 2、共模干擾 共模干擾是指同時(shí)加載在各個(gè)輸入信號(hào)接口端的共有的信號(hào)干擾。圖6-3所示的電路中，檢測(cè)信號(hào)輸入A/D轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換器的兩個(gè)輸入端上即存在公共的電壓干擾。A/D轉(zhuǎn)換器UsUcm計(jì)算機(jī)AB圖6-3 共模干擾示意圖第第6章章 抗干擾技術(shù)抗干擾技術(shù) 12圖6-3 共模干擾示意圖A/D轉(zhuǎn)換器UsUcm計(jì)算機(jī)AB 由于輸入信號(hào)源與主機(jī)有較長(zhǎng)的距離，輸入信號(hào)Us的參考接地點(diǎn)和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)輸入端參考接地點(diǎn)之間存在電位差Ucm。這個(gè)電位差就在A/D轉(zhuǎn)換

7、器的兩個(gè)輸入端上形成共模干擾。以計(jì)算機(jī)接地點(diǎn)為參考點(diǎn)，加到輸入點(diǎn)A上的信號(hào)為Us+Ucm，加到輸入點(diǎn)B上的信號(hào)為Ucm。 第第6章章 抗干擾技術(shù)抗干擾技術(shù) 136.2 干擾的抑制與防護(hù) 名詞解釋： 電磁兼容性設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)中，考慮所設(shè)計(jì)的設(shè)備或系統(tǒng)在預(yù)定的工作場(chǎng)所運(yùn)行時(shí)，既不受周圍的電磁干擾的影響，又不對(duì)周圍的設(shè)備施加干擾，這種設(shè)計(jì)方法稱之。 第第6章章 抗干擾技術(shù)抗干擾技術(shù) 146.2.1 屏蔽 屏蔽是指利用導(dǎo)電或?qū)Т挪牧现瞥傻暮袪罨驓钇帘误w，將干擾源或干擾對(duì)象包圍起來(lái)，從而割斷或削弱干擾場(chǎng)的空間耦合通道，阻止其電磁能量的傳輸。 按需屏蔽的干擾場(chǎng)的性質(zhì)不同，可分為電場(chǎng)屏蔽、磁場(chǎng)屏蔽和電磁場(chǎng)屏蔽

8、。 電場(chǎng)屏蔽是為了消除或抑制由于電場(chǎng)耦合引起的干擾。常用材料：銅或鋁等導(dǎo)電性好的金屬材料，應(yīng)盡量嚴(yán)密并保持良好的接地。第第6章章 抗干擾技術(shù)抗干擾技術(shù) 15 磁場(chǎng)屏蔽是為了消除或抑制由于磁場(chǎng)耦合引起的干擾。 （1）靜磁場(chǎng)或低頻交變磁場(chǎng)：可用高導(dǎo)磁率的材料，并保持磁路暢通。 （2）高頻交變磁場(chǎng)：應(yīng)選用良導(dǎo)體材料，如銅、鋁。 第第6章章 抗干擾技術(shù)抗干擾技術(shù) 16圖6-4 變壓器的屏蔽 如圖6-4所示的變壓器，在變壓器繞組線包的外面包一層銅皮作為漏磁短路環(huán)。第第6章章 抗干擾技術(shù)抗干擾技術(shù) 17圖6-5 同軸電纜示意圖12431芯線；2絕緣體；3外層導(dǎo)線；4絕緣外皮 在如圖6-5所示的同軸電纜中，

9、為防止信號(hào)在傳輸過(guò)程中受到電磁干擾，在電纜線中設(shè)置了屏蔽層。 第第6章章 抗干擾技術(shù)抗干擾技術(shù) 18 6.2.2 隔離 目的：不發(fā)生電的聯(lián)系，切斷干擾的耦合通道。 常將強(qiáng)電部分與弱電部分、交流與直流部分隔離，此外還有以下幾種隔離方法。 1、光電隔離 光電隔離是以光作為媒介在隔離的兩端之間進(jìn)行信號(hào)傳輸?shù)?，所用的器件是光電耦合器。圖6-6所示為一般光電耦合器組成的輸入/輸出線路。圖6-6光電隔離原理第第6章章 抗干擾技術(shù)抗干擾技術(shù) 19 在光電耦合器中，輸入與輸出之間無(wú)電氣上的聯(lián)系，從而能有效地防止干擾從過(guò)程通道進(jìn)入主機(jī)。光耦的抗干擾能力很強(qiáng)，主要有以下三方面的原因： （1）光耦的輸入阻抗很低，一

10、般在1001000，而干擾源的內(nèi)阻一般都很大，通常為105106，根據(jù)分壓原理可知，這時(shí)能饋送到光耦輸入端的噪聲很小。即使有時(shí)干擾電壓的幅值很高，但所提供的能量卻很小，只能形成微弱的電流，而光耦輸入部分的發(fā)光二極管，只有通過(guò)一定強(qiáng)度的電流時(shí)才能發(fā)光，輸出部分的光敏三極管只在一定的光強(qiáng)下才能工作，因此電壓幅值很高的干擾，會(huì)由于沒(méi)有足夠的能量使發(fā)光二極管發(fā)光而被抑制掉；第第6章章 抗干擾技術(shù)抗干擾技術(shù) 20 （2）光耦的輸入回路和輸出回路之間是光耦合的，而且又是在密封的條件下進(jìn)行的，故不會(huì)受到外界光的干擾； （3）光耦的輸入回路和輸出回路之間的分布電容極小，絕緣電阻阻抗很大，因此回路一邊的各種噪聲

11、很難通過(guò)光耦饋送到另一邊去。但是在使用光耦時(shí)應(yīng)注意，它的輸入部分和輸出部分必須分別采用獨(dú)立的電源供電，如果兩端共用一個(gè)電源，則光耦的隔離作用將失去意義。 第第6章章 抗干擾技術(shù)抗干擾技術(shù) 21第第6章章 抗干擾技術(shù)抗干擾技術(shù) 22 2、變壓器隔離 對(duì)于交流信號(hào)的傳輸，一般使用變壓器隔離干擾信號(hào)的辦法。隔離變壓器也是常用的隔離部件，用來(lái)阻斷交流信號(hào)中的直流干擾和抑制低頻干擾信號(hào)的強(qiáng)度，如圖6-7所示的變壓器耦合隔離電路。 圖6-7 變壓器隔離原理第第6章章 抗干擾技術(shù)抗干擾技術(shù) 23圖6-8 多層隔離變壓器S1S2三層屏蔽密封體一次側(cè)二次側(cè) 圖6-8所示為一種帶多層屏蔽的隔離變壓器。當(dāng)含有直流或

12、低頻干擾的交流信號(hào)從一次側(cè)端輸入時(shí)，根據(jù)變壓器原理，二次側(cè)輸出的信號(hào)濾掉了直流干擾，且低頻干擾信號(hào)幅值也被大大衰減，從而達(dá)到了抑制干擾的目的。 第第6章章 抗干擾技術(shù)抗干擾技術(shù) 24 另外，在變壓器的一次側(cè)和二次側(cè)線圈外設(shè)有靜電隔離層S1和S2，其目的是防止一次和二次繞組之間的相互耦合干擾。變壓器外的三層屏蔽密封體的內(nèi)、外兩層用鐵，起磁屏蔽的作用；中間層用銅，與鐵心相連并直接接地，起靜電屏蔽作用。 3、繼電器隔離 繼電器線圈和觸點(diǎn)僅有機(jī)械上的聯(lián)系，而沒(méi)有直接的電的聯(lián)系，因此可利用繼電器線圈接收電信號(hào)，而利用其觸點(diǎn)控制和傳輸電信號(hào)，從而可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)電和弱電的隔離，如圖6-9所示。同時(shí)，繼電器觸點(diǎn)較多

13、，且其觸點(diǎn)能承受較大的負(fù)載電流，因此應(yīng)用非常廣泛。 第第6章章 抗干擾技術(shù)抗干擾技術(shù) 25圖6-9 繼電器隔離弱 電電 路強(qiáng) 電電 路繼 電 器第第6章章 抗干擾技術(shù)抗干擾技術(shù) 266.2.3 濾波 濾波是抑制干擾傳導(dǎo)的一種重要方法。由于干擾源發(fā)出的電磁干擾的頻譜往往比要接收的信號(hào)的頻譜寬得多，因而當(dāng)接收器接收有用信號(hào)時(shí)，也會(huì)接收到那些不希望有的干擾。220 V圖6-10 低通濾波器 圖6-10所示為計(jì)算機(jī)電源采用的一種LC低通濾波器的接線圖。含有瞬間高頻干擾的220V工頻電源通過(guò)截止頻率為50Hz的濾波器，其高頻信號(hào)被衰減，只有50Hz的工頻信號(hào)通過(guò)濾波器到達(dá)電源變壓器，保證正常供電。第第6

14、章章 抗干擾技術(shù)抗干擾技術(shù) 27 圖6-11(a)所示為觸點(diǎn)抖動(dòng)抑制電路，對(duì)抑制各類觸點(diǎn)或開(kāi)關(guān)在閉合或斷開(kāi)瞬間因觸點(diǎn)抖動(dòng)所引起的干擾是十分有效的。圖6-11(b)所示電路是交流信號(hào)抑制電路，主要用于抑制電感性負(fù)載在切斷電源瞬間所產(chǎn)生的反電勢(shì)。這種阻容吸收電路可以將電感線圈的磁場(chǎng)釋放出來(lái)的能量轉(zhuǎn)化為電容器電場(chǎng)的能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，以降低能量的消散速度。圖6-11(c)所示電路是輸入信號(hào)的阻容濾波電路，類似的這種線路既可作為直流電源的輸入濾波器，也可作為模擬電路輸入信號(hào)的阻容濾波器。圖6-11 干擾濾波電路第第6章章 抗干擾技術(shù)抗干擾技術(shù) 28 圖6-12所示為一種雙T型帶阻濾波器，可用來(lái)消除工頻（電源

15、）串模干擾。圖中輸入信號(hào)U1經(jīng)過(guò)兩條通路送到輸出端。 C1C2R1R2C3R3U1U2圖6-12 雙T型帶阻濾波器第第6章章 抗干擾技術(shù)抗干擾技術(shù) 29 6.2.4 正確接地 定義：將電路、設(shè)備機(jī)殼等與作為零電位的一個(gè)公共參考點(diǎn)（或面）實(shí)現(xiàn)低阻抗的連接，稱之為接地。 目的： （1）為了安全，防止漏電時(shí)造成觸電，稱為安全接地，通常為大地。 （2）為了給系統(tǒng)提供一個(gè)基準(zhǔn)電位，或?yàn)榱艘种聘蓴_，如屏蔽接地等，稱為工作接地?？梢允谴蟮兀部梢允窍到y(tǒng)中其它電位參考點(diǎn)，如電源的某個(gè)極。 接地是電磁兼容性設(shè)計(jì)的一個(gè)重要內(nèi)容。 第第6章章 抗干擾技術(shù)抗干擾技術(shù) 30圖6-13 并聯(lián)一點(diǎn)接地電路1Ar3r2電路2

16、電路3r1I1I2I3BC 1、單點(diǎn)接地 圖6-13所示是并聯(lián)一點(diǎn)接地方式。這種方式在低頻時(shí)是最適用的，因?yàn)楦麟娐返牡仉娢恢慌c本電路的地電流和地線阻抗有關(guān)，不會(huì)因地電流而引起各電路間的耦合。這種方式的缺點(diǎn)是需要連很多根地線，用起來(lái)比較麻煩。 第第6章章 抗干擾技術(shù)抗干擾技術(shù) 31 2、多點(diǎn)接地 單點(diǎn)接地所需地線較多，一般適用于低頻信號(hào)。若電路工作頻率較高，電感分量較大，各地線間的互感耦合會(huì)增加干擾，因此常用多點(diǎn)接地。如圖6-14所示，各接地點(diǎn)就近接于接地匯流排或底座、外殼等金屬構(gòu)件上。 電路1電路2電路3R1R2R3L1L2L3圖6-14 多點(diǎn)接地第第6章章 抗干擾技術(shù)抗干擾技術(shù) 32 3、地

17、線的設(shè)計(jì) 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮各種地線的布局和接地方法。圖6-15所示是一臺(tái)數(shù)控機(jī)床的接地方法。 機(jī)械地強(qiáng)電柜地功率地信號(hào)地公共點(diǎn)大地圖6-15 數(shù)控機(jī)床的接地方法。第第6章章 抗干擾技術(shù)抗干擾技術(shù) 336.2.5 軟件抗干擾設(shè)計(jì) 1、軟件濾波 用軟件來(lái)識(shí)別有用信號(hào)和干擾信號(hào)并濾除干擾信號(hào)。 可采用各種有針對(duì)性的軟件濾波方法，如程序判斷濾波法、中值濾波法、算術(shù)平均濾波法、防脈沖干擾平均值濾波法等。第第6章章 抗干擾技術(shù)抗干擾技術(shù) 34 2、軟件“陷阱” 從軟件的運(yùn)行來(lái)看，瞬時(shí)電磁干擾可能會(huì)使CPU偏離預(yù)定的程序指針，進(jìn)入未使用的RAM區(qū)和ROM區(qū)，引起一些莫名其妙的現(xiàn)象，其中死循環(huán)和

18、程序“飛掉”是常見(jiàn)的。為了有效地排除這種干擾故障，常采用軟件“陷阱”法。這種方法的基本指導(dǎo)思想是，把系統(tǒng)存儲(chǔ)器（RAM和ROM）中沒(méi)有使用的單元用某一種重新啟動(dòng)的代碼指令填滿，作為軟件“陷阱”，以捕獲“飛掉”的程序。一般當(dāng)CPU執(zhí)行該條指令時(shí)，程序就自動(dòng)轉(zhuǎn)到某一起始地址，從這一起始地址開(kāi)始存放一段使程序重新恢復(fù)運(yùn)行的熱啟動(dòng)程序，該熱啟動(dòng)程序掃描現(xiàn)場(chǎng)的各種狀態(tài)，并根據(jù)這些狀態(tài)判斷程序應(yīng)該轉(zhuǎn)到系統(tǒng)程序的哪個(gè)入口，使系統(tǒng)重新投入正常運(yùn)行。 第第6章章 抗干擾技術(shù)抗干擾技術(shù) 35 3、軟件“看門狗” “看門狗”（WATCHDOG）是工業(yè)控制機(jī)普遍采用的一種軟件抗干擾措施。 WATCHDOG實(shí)質(zhì)上是一個(gè)可由CPU復(fù)位的定時(shí)器，當(dāng)侵入的干擾使計(jì)算機(jī)程序“掉飛”時(shí)，WATCHDOG能夠幫助系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)正常運(yùn)行。