第8章抗干擾技術(shù)ppt課件

1、 第八章第八章: 抗干擾技術(shù)抗干擾技術(shù) n1、干擾的來(lái)源與傳播途徑。、干擾的來(lái)源與傳播途徑。n2、硬件抗干擾措施。、硬件抗干擾措施。n3、程序運(yùn)行監(jiān)視系統(tǒng)。、程序運(yùn)行監(jiān)視系統(tǒng)。 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的被控變量分布在生產(chǎn)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的被控變量分布在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的各個(gè)角落，因而計(jì)算機(jī)是處于干擾頻繁現(xiàn)場(chǎng)的各個(gè)角落，因而計(jì)算機(jī)是處于干擾頻繁的惡劣環(huán)境中，干擾是有用信號(hào)以外的噪聲，的惡劣環(huán)境中，干擾是有用信號(hào)以外的噪聲，這些干擾會(huì)影響系統(tǒng)的測(cè)控精度，降低系統(tǒng)的這些干擾會(huì)影響系統(tǒng)的測(cè)控精度，降低系統(tǒng)的可靠性，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)的運(yùn)行混亂，造成生產(chǎn)可靠性，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)的運(yùn)行混亂，造成生產(chǎn)事故。事故。 但干擾是客觀存在的，

2、所以，人們必須但干擾是客觀存在的，所以，人們必須研究干擾，以采取相應(yīng)的抗干擾措施。本章主研究干擾，以采取相應(yīng)的抗干擾措施。本章主要討論干擾的來(lái)源、傳播途經(jīng)及抗干擾的措施。要討論干擾的來(lái)源、傳播途經(jīng)及抗干擾的措施。8.1 干擾的來(lái)源與傳播途徑v8.1.1 干擾的來(lái)源干擾的來(lái)源v8.1.2 干擾的傳播途徑干擾的傳播途徑n干擾的來(lái)源是多方面的，有時(shí)甚至是錯(cuò)綜復(fù)雜的。干擾的來(lái)源是多方面的，有時(shí)甚至是錯(cuò)綜復(fù)雜的。干擾有的來(lái)自外部，有的來(lái)自?xún)?nèi)部。干擾有的來(lái)自外部，有的來(lái)自?xún)?nèi)部。n外部干擾由使用條件和外部環(huán)境因素決定。外部干外部干擾由使用條件和外部環(huán)境因素決定。外部干擾環(huán)境如圖擾環(huán)境如圖8-1所示，有天電干

3、擾，如雷電或大氣電所示，有天電干擾，如雷電或大氣電離作用以及其他氣象引起的干擾電波；天體干擾，離作用以及其他氣象引起的干擾電波；天體干擾，如太陽(yáng)或其他星球輻射的電磁波；電氣設(shè)備的干擾，如太陽(yáng)或其他星球輻射的電磁波；電氣設(shè)備的干擾，如廣播電臺(tái)或通訊發(fā)射臺(tái)發(fā)出的電磁波，動(dòng)力機(jī)械、如廣播電臺(tái)或通訊發(fā)射臺(tái)發(fā)出的電磁波，動(dòng)力機(jī)械、高頻爐、電焊機(jī)等都會(huì)產(chǎn)生干擾；此外，熒光燈、高頻爐、電焊機(jī)等都會(huì)產(chǎn)生干擾；此外，熒光燈、開(kāi)關(guān)、電流斷路器、過(guò)載繼電器、指示燈等具有瞬開(kāi)關(guān)、電流斷路器、過(guò)載繼電器、指示燈等具有瞬變過(guò)程的設(shè)備也會(huì)產(chǎn)生較大的干擾；來(lái)自電源的工變過(guò)程的設(shè)備也會(huì)產(chǎn)生較大的干擾；來(lái)自電源的工頻干擾也可視為

4、外部干擾。頻干擾也可視為外部干擾。 8.1.1 干擾的來(lái)源高壓電纜閃電雷達(dá)、電臺(tái)等天線發(fā)射 微機(jī)控制系統(tǒng)地電位波動(dòng)電機(jī)、電焊機(jī)等大用電設(shè)備引入噪聲交交流流動(dòng)動(dòng)力力線線 圖 8-1 外部干擾環(huán)境n內(nèi)部干擾則是由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布局、制造工藝所引內(nèi)部干擾則是由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布局、制造工藝所引入的。內(nèi)部干擾環(huán)境如圖入的。內(nèi)部干擾環(huán)境如圖8-2所示，有分布電容、所示，有分布電容、分布電感引起的耦合感應(yīng)，電磁場(chǎng)輻射感應(yīng)，長(zhǎng)分布電感引起的耦合感應(yīng)，電磁場(chǎng)輻射感應(yīng)，長(zhǎng)線傳輸造成的波反射；多點(diǎn)接地造成的電位差引線傳輸造成的波反射；多點(diǎn)接地造成的電位差引入的干擾；裝置及設(shè)備中各種寄生振蕩引入的干入的干擾；裝置及設(shè)備中各種

5、寄生振蕩引入的干擾以及熱噪聲、閃變?cè)肼?、尖峰噪聲等引入的干擾以及熱噪聲、閃變?cè)肼暋⒓夥逶肼暤纫氲母蓴_；甚至元器件產(chǎn)生的噪聲等。擾；甚至元器件產(chǎn)生的噪聲等。 8.1.2 干擾的傳播途徑干擾的傳播途徑 干擾傳播的途徑主要有三種：靜電耦合，磁場(chǎng)干擾傳播的途徑主要有三種：靜電耦合，磁場(chǎng)耦合，公共阻抗耦合。耦合，公共阻抗耦合。1靜電耦合靜電耦合圖 8-3 導(dǎo) 線 之 間 的 靜 電 耦 合 導(dǎo) 線 1 導(dǎo) 線 2C12C1gU1C2gRUn8.1.2 干擾的傳播途徑干擾的傳播途徑q靜電耦合是電場(chǎng)通過(guò)電容耦合途徑竄入其它靜電耦合是電場(chǎng)通過(guò)電容耦合途徑竄入其它線路的。兩根并排的導(dǎo)線之間會(huì)構(gòu)成分布電線路的。

6、兩根并排的導(dǎo)線之間會(huì)構(gòu)成分布電容，如印制線路板上印制線路之間、變壓器容，如印制線路板上印制線路之間、變壓器繞線之間都會(huì)構(gòu)成分布電容。繞線之間都會(huì)構(gòu)成分布電容。q圖圖8-38-3給出兩根平行導(dǎo)線之間靜電耦合的示意給出兩根平行導(dǎo)線之間靜電耦合的示意電路，電路，Cl 2Cl 2是兩個(gè)導(dǎo)線之間的分布電容，是兩個(gè)導(dǎo)線之間的分布電容，C1gC1g、C2gC2g是導(dǎo)線對(duì)地的電容，是導(dǎo)線對(duì)地的電容，R R是導(dǎo)線是導(dǎo)線2 2對(duì)地電阻。對(duì)地電阻。如果導(dǎo)線如果導(dǎo)線1 1上有信號(hào)上有信號(hào)U1U1存在，那么它就會(huì)成為存在，那么它就會(huì)成為導(dǎo)線導(dǎo)線2 2的干擾源，在導(dǎo)線的干擾源，在導(dǎo)線2 2上產(chǎn)生干擾電壓上產(chǎn)生干擾電壓Un

7、 Un 。顯然，干擾電壓顯然，干擾電壓UnUn與干擾源與干擾源U1U1、分布電容、分布電容Cl2Cl2、C2gC2g的大小有關(guān)。的大小有關(guān)。 空間的磁場(chǎng)耦合是通過(guò)導(dǎo)體間的互感耦合進(jìn)來(lái)的。在空間的磁場(chǎng)耦合是通過(guò)導(dǎo)體間的互感耦合進(jìn)來(lái)的。在任何載流導(dǎo)體周?chē)臻g中都會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，而交變磁場(chǎng)則對(duì)其任何載流導(dǎo)體周?chē)臻g中都會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，而交變磁場(chǎng)則對(duì)其周?chē)]合電路產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。如設(shè)備內(nèi)部的線圈或變壓器的周?chē)]合電路產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。如設(shè)備內(nèi)部的線圈或變壓器的漏磁會(huì)引起干擾，還有普通的兩根導(dǎo)線平行架設(shè)時(shí)，也會(huì)產(chǎn)漏磁會(huì)引起干擾，還有普通的兩根導(dǎo)線平行架設(shè)時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)干擾，如圖生磁場(chǎng)干擾，如圖8- 48- 4所示。

8、所示。 如果導(dǎo)線如果導(dǎo)線1 1為承載著為承載著10kVA10kVA、220V220V的交流輸電線，導(dǎo)線的交流輸電線，導(dǎo)線2 2為與之相距為與之相距1 1米并平行走線米并平行走線1010米的信號(hào)線，兩線之間的互感米的信號(hào)線，兩線之間的互感M M會(huì)使信號(hào)線上感應(yīng)到的干擾電壓會(huì)使信號(hào)線上感應(yīng)到的干擾電壓UnUn高達(dá)幾十毫伏。如果導(dǎo)線高達(dá)幾十毫伏。如果導(dǎo)線2 2是連接熱電偶的信號(hào)線，那么這幾十毫伏的干擾噪聲足以是連接熱電偶的信號(hào)線，那么這幾十毫伏的干擾噪聲足以淹沒(méi)熱電偶傳感器的有用信號(hào)。淹沒(méi)熱電偶傳感器的有用信號(hào)。 2磁場(chǎng)耦合磁場(chǎng)耦合1線導(dǎo)2線導(dǎo)圖 8-4 導(dǎo)線之間的磁場(chǎng)耦合R2R3R1I1U1UnM

9、n公共阻抗耦合發(fā)生在兩個(gè)電路的電流流經(jīng)一個(gè)公共阻抗耦合發(fā)生在兩個(gè)電路的電流流經(jīng)一個(gè)公共阻抗時(shí)，一個(gè)電路在該阻抗上的電壓降會(huì)公共阻抗時(shí)，一個(gè)電路在該阻抗上的電壓降會(huì)影響到另一個(gè)電路，從而產(chǎn)生干擾噪聲的影響。影響到另一個(gè)電路，從而產(chǎn)生干擾噪聲的影響。圖圖8-58-5給出一個(gè)公共電源線的阻抗耦合示意圖。給出一個(gè)公共電源線的阻抗耦合示意圖。3公共阻抗耦合公共阻抗耦合R3R1i2i1R4R2圖 8-5 公共電源線的阻抗耦合A1 A2 在一塊印制電路板上，運(yùn)算放大器A1和A2是兩個(gè)獨(dú)立的回路，但都接入一個(gè)公共電源，電源回流線的等效電阻R1、R2是兩個(gè)回路的公共阻抗。當(dāng)回路電流i1變化時(shí)，在R1和R2上產(chǎn)生

10、的電壓降變化就會(huì)影響到另一個(gè)回路電流i2。反之，也如此。 8.2 硬件抗干擾措施硬件抗干擾措施v引言引言v8.2.1 8.2.1 串模干擾的抑制串模干擾的抑制v8.2.2 8.2.2 共模干擾的抑制共模干擾的抑制v8.2.38.2.3長(zhǎng)線傳輸干擾的抑制長(zhǎng)線傳輸干擾的抑制 v8.2.4 8.2.4 信號(hào)線的選擇與敷設(shè)信號(hào)線的選擇與敷設(shè) v8.2.5 8.2.5 電源系統(tǒng)的抗干擾電源系統(tǒng)的抗干擾 v8.2.6 8.2.6 接地系統(tǒng)的抗干擾接地系統(tǒng)的抗干擾 引言引言 了解了干擾的來(lái)源與傳播途徑，我們就可以采取相應(yīng)的抗干擾措施。在硬件抗干擾措施中，除了按照干擾的三種主要作用方式串模、共模及長(zhǎng)線傳輸干擾

11、來(lái)分別考慮外，還要從布線、電源、接地等方面考慮。 串模干擾是指迭加在被測(cè)信號(hào)上的干擾噪聲，即干擾源串聯(lián)在信號(hào)源回路中。其表現(xiàn)形式與產(chǎn)生原因如圖8-6所示。圖中Us為信號(hào)源，Un為串模干擾電壓，鄰近導(dǎo)線(干擾線)有交變電流Ia流過(guò)，由Ia產(chǎn)生的電磁干擾信號(hào)就會(huì)通過(guò)分布電容C1和C2的耦合，引至計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的輸入端。8.2.1 串模干擾的抑制串模干擾的抑制sUnUU1C2C線擾干) b(因原生產(chǎn)) a (式形現(xiàn)表擾干模串6 - 8圖s計(jì) 算 機(jī) 控 制 系 統(tǒng)計(jì) 算 機(jī) 控 制 系 統(tǒng)aI 對(duì)串模干擾的抑制較為困難，因?yàn)楦蓴_Un直接與信號(hào)Us串聯(lián)。目前常采用雙絞線與濾波器兩種措施。1雙絞線做信號(hào)

12、引線雙絞線做信號(hào)引線雙絞線是由兩根互相絕緣的導(dǎo)線扭絞纏繞組成，雙絞線是由兩根互相絕緣的導(dǎo)線扭絞纏繞組成，為了增強(qiáng)抗干擾能力，可在雙絞線的外面加金為了增強(qiáng)抗干擾能力，可在雙絞線的外面加金屬編織物或護(hù)套形成屏蔽雙絞線，圖屬編織物或護(hù)套形成屏蔽雙絞線，圖8-7給出了給出了帶有屏蔽護(hù)套的多股雙絞線實(shí)物圖。帶有屏蔽護(hù)套的多股雙絞線實(shí)物圖。n采用雙絞線作信號(hào)線的目的，就是因?yàn)橥饨珉姶艌?chǎng)會(huì)在雙絞線相鄰的小環(huán)路上形成相反方向的感應(yīng)電勢(shì)，從而互相抵消減弱干擾作用。雙絞線相鄰的扭絞處之間為雙絞線的節(jié)距，雙絞線不同節(jié)距會(huì)對(duì)串模干擾起到不同的的抑制效果，見(jiàn)表8-1。n雙絞線可用來(lái)傳輸模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接

13、和多點(diǎn)連接應(yīng)用場(chǎng)合，傳輸距離為幾公里，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)2Mbps。節(jié)距(mm)干擾衰減比屏蔽效果1001412375711375011214125141143平行線110n2引入濾波電路引入濾波電路n采用硬件濾波器抑制串模干擾是一種常用的方法。根采用硬件濾波器抑制串模干擾是一種常用的方法。根據(jù)串模干擾頻率與被測(cè)信號(hào)頻率的分布特性，可以選據(jù)串模干擾頻率與被測(cè)信號(hào)頻率的分布特性，可以選用具有低通、高通、帶通等濾波器。其中，如果干擾用具有低通、高通、帶通等濾波器。其中，如果干擾頻率比被測(cè)信號(hào)頻率高，則選用低通濾波器；如果干頻率比被測(cè)信號(hào)頻率高，則選用低通濾波器；如果干擾頻率比被測(cè)信號(hào)頻率低，則選用高

14、通濾波器；如果擾頻率比被測(cè)信號(hào)頻率低，則選用高通濾波器；如果干擾頻率落在被測(cè)信號(hào)頻率的兩側(cè)時(shí)，則需用帶通濾干擾頻率落在被測(cè)信號(hào)頻率的兩側(cè)時(shí)，則需用帶通濾波器。一般采用電阻波器。一般采用電阻R、電容、電容C、電感、電感L等無(wú)源元件構(gòu)等無(wú)源元件構(gòu)成濾波器，圖成濾波器，圖8-8a所示為在模擬量輸入通道中引所示為在模擬量輸入通道中引入的一個(gè)無(wú)源二級(jí)阻容低通濾波器，但它的缺點(diǎn)是對(duì)入的一個(gè)無(wú)源二級(jí)阻容低通濾波器，但它的缺點(diǎn)是對(duì)有用信號(hào)也會(huì)有較大的衰減。為了把增益與頻率特性有用信號(hào)也會(huì)有較大的衰減。為了把增益與頻率特性結(jié)合起來(lái)，對(duì)于小信號(hào)可以采取以反饋放大器為基礎(chǔ)結(jié)合起來(lái)，對(duì)于小信號(hào)可以采取以反饋放大器為基

15、礎(chǔ)的有源濾波器，它不僅可以達(dá)到濾波效果，而且能夠的有源濾波器，它不僅可以達(dá)到濾波效果，而且能夠提高信號(hào)的增益，如圖提高信號(hào)的增益，如圖8-8(b)所示。所示。s U1R2R1C2C無(wú) 源 阻 容 濾 波 器(a )3R4R1C2C0UiU(b )圖 8 -8 濾 波 電 路+1R2R器波濾源有A+計(jì) 控系 統(tǒng)-層蔽屏計(jì) 控系 統(tǒng) 共模干擾是指計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)輸入通道中信共模干擾是指計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)輸入通道中信號(hào)放大器兩個(gè)輸入端上共有的干擾電壓，可以是號(hào)放大器兩個(gè)輸入端上共有的干擾電壓，可以是直流電壓，也可以是交流電壓，其幅值達(dá)幾伏甚直流電壓，也可以是交流電壓，其幅值達(dá)幾伏甚至更高，這取決于現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生

16、干擾的環(huán)境條件和計(jì)至更高，這取決于現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生干擾的環(huán)境條件和計(jì)算機(jī)等設(shè)備的接地情況。其表現(xiàn)形式與產(chǎn)生原因算機(jī)等設(shè)備的接地情況。其表現(xiàn)形式與產(chǎn)生原因如圖如圖8-9所示。所示。8.2.2 8.2.2 共模干擾的抑制共模干擾的抑制) a (mcUsUrZ計(jì) 控系 統(tǒng)mcU源號(hào)信U) b (式形現(xiàn)表因原生產(chǎn)圖 8-9 共 模 干 擾Zsr計(jì) 控系 統(tǒng)n在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中一般都用較長(zhǎng)的導(dǎo)線把現(xiàn)場(chǎng)中的傳感在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中一般都用較長(zhǎng)的導(dǎo)線把現(xiàn)場(chǎng)中的傳感器或執(zhí)行器引入至計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的輸入通道或輸出通道中，器或執(zhí)行器引入至計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的輸入通道或輸出通道中，這類(lèi)信號(hào)傳輸線通常長(zhǎng)達(dá)幾十米以至上百米，這樣，現(xiàn)場(chǎng)這類(lèi)信

17、號(hào)傳輸線通常長(zhǎng)達(dá)幾十米以至上百米，這樣，現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的參考接地點(diǎn)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)輸入或輸出通道的參考接信號(hào)的參考接地點(diǎn)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)輸入或輸出通道的參考接地點(diǎn)之間存在一個(gè)電位差地點(diǎn)之間存在一個(gè)電位差UcmUcm。這個(gè)。這個(gè)UcmUcm是加在放大器輸入是加在放大器輸入端上共有的干擾電壓，故稱(chēng)共模干擾電壓。端上共有的干擾電壓，故稱(chēng)共模干擾電壓。n既然共模干擾產(chǎn)生的原因是不同既然共模干擾產(chǎn)生的原因是不同“地地之間存在的電壓，之間存在的電壓，以及模擬信號(hào)系統(tǒng)對(duì)地的漏阻抗。因而，共模干擾電壓的以及模擬信號(hào)系統(tǒng)對(duì)地的漏阻抗。因而，共模干擾電壓的抑制就應(yīng)當(dāng)是有效的隔離兩個(gè)地之間的電聯(lián)系，以及采用抑制就應(yīng)當(dāng)是有效的隔離

18、兩個(gè)地之間的電聯(lián)系，以及采用被測(cè)信號(hào)的雙端差動(dòng)輸入方式。具體的有變壓器隔離、光被測(cè)信號(hào)的雙端差動(dòng)輸入方式。具體的有變壓器隔離、光電隔離與浮地屏蔽等三種措施。電隔離與浮地屏蔽等三種措施。1變壓器隔離變壓器隔離 利用變壓器把現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)源的地與計(jì)算機(jī)的地利用變壓器把現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)源的地與計(jì)算機(jī)的地隔離開(kāi)來(lái)，也就是把隔離開(kāi)來(lái)，也就是把“模擬地與模擬地與“數(shù)字地?cái)鄶?shù)字地?cái)嚅_(kāi)。被測(cè)信號(hào)通過(guò)變壓器耦合獲得通路，而共模開(kāi)。被測(cè)信號(hào)通過(guò)變壓器耦合獲得通路，而共模干擾電壓由于不成回路而得到有效的抑制。干擾電壓由于不成回路而得到有效的抑制。 放 大 器調(diào) 制 器解 調(diào) 器A /D計(jì) 算 機(jī)sUB模 擬 地?cái)?shù) 字 地圖 8-

19、10 變 壓 器 隔 離雙 絞 線s1Us2Un要注意的是，隔離前和隔離后應(yīng)分別采用兩組互要注意的是，隔離前和隔離后應(yīng)分別采用兩組互相獨(dú)立的電源，以切斷兩部分的地線聯(lián)系，如圖相獨(dú)立的電源，以切斷兩部分的地線聯(lián)系，如圖8-108-10所示。被測(cè)信號(hào)所示。被測(cè)信號(hào)USUS經(jīng)雙絞線引到輸入通道中經(jīng)雙絞線引到輸入通道中的放大器，放大后的直流信號(hào)的放大器，放大后的直流信號(hào)US1US1，先通過(guò)調(diào)制器，先通過(guò)調(diào)制器變換成交流信號(hào)，經(jīng)隔離變壓器變換成交流信號(hào)，經(jīng)隔離變壓器B B由原邊傳輸?shù)礁庇稍厒鬏數(shù)礁边叄缓笥媒庹{(diào)器再將它變換為直流信號(hào)邊，然后用解調(diào)器再將它變換為直流信號(hào)US2US2，再，再對(duì)對(duì)US2US

20、2進(jìn)行進(jìn)行A/DA/D轉(zhuǎn)換。這樣，被測(cè)信號(hào)通過(guò)變壓器轉(zhuǎn)換。這樣，被測(cè)信號(hào)通過(guò)變壓器的耦合獲得通路，而共模電壓由于變壓器的隔離的耦合獲得通路，而共模電壓由于變壓器的隔離無(wú)法形成回路而得到有效的抑制。無(wú)法形成回路而得到有效的抑制。 2光電隔離光電耦合隔離器是目前計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中最常用的一種抗干擾方法。光電耦合隔離器的結(jié)構(gòu)原理在4.1 光電耦合隔離技術(shù)中已作過(guò)詳細(xì)介紹。利用光耦隔離器的開(kāi)關(guān)特性，可傳送數(shù)字信號(hào)而隔離電磁干擾，即在數(shù)字信號(hào)通道中進(jìn)行隔離。4.2 數(shù)字量輸入通道與4.3 數(shù)字量輸出通道兩節(jié)中給出了大量應(yīng)用于數(shù)字量輸入輸出通道中的電路實(shí)例，如圖4-4開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)調(diào)理電路中，光耦隔離器不僅

21、把開(kāi)關(guān)狀態(tài)送至主機(jī)數(shù)據(jù)口，而且實(shí)現(xiàn)了外部與計(jì)算機(jī)的完全電隔離；又如圖4-11繼電器輸出驅(qū)動(dòng)電路中，光耦隔離器不僅把CPU的控制數(shù)據(jù)信號(hào)輸出到外部的繼電器，而且實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)與外部的完全電隔離。n其實(shí)在模擬量輸入輸出通道中也主要應(yīng)用這種數(shù)字信其實(shí)在模擬量輸入輸出通道中也主要應(yīng)用這種數(shù)字信號(hào)通道的隔離方法，即在號(hào)通道的隔離方法，即在A/DA/D轉(zhuǎn)換器與轉(zhuǎn)換器與CPUCPU或或CPUCPU與與D/AD/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字信號(hào)之間插入光耦隔離器，以進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)字信號(hào)之間插入光耦隔離器，以進(jìn)行數(shù)據(jù)信號(hào)和控制信號(hào)的耦合傳送，如圖信號(hào)和控制信號(hào)的耦合傳送，如圖8-118-11所示。（所示。（a a是在是在A

22、/DA/D轉(zhuǎn)換器與轉(zhuǎn)換器與CPUCPU接口之間接口之間8 8根數(shù)據(jù)線之間都各插根數(shù)據(jù)線之間都各插接一個(gè)光耦隔離器接一個(gè)光耦隔離器( (圖中只畫(huà)出了一個(gè)圖中只畫(huà)出了一個(gè)) )，不僅照樣無(wú)，不僅照樣無(wú)誤地傳送數(shù)字信號(hào)，而且實(shí)現(xiàn)了誤地傳送數(shù)字信號(hào)，而且實(shí)現(xiàn)了A/DA/D轉(zhuǎn)換器及其模擬轉(zhuǎn)換器及其模擬量輸入通道與計(jì)算機(jī)的完全電隔離；（量輸入通道與計(jì)算機(jī)的完全電隔離；（b b是在是在CPUCPU與與D/AD/A轉(zhuǎn)換器接口之間轉(zhuǎn)換器接口之間8 8根數(shù)據(jù)線之間都各插接一個(gè)光耦根數(shù)據(jù)線之間都各插接一個(gè)光耦隔離器隔離器( (圖中也只畫(huà)出了一個(gè)圖中也只畫(huà)出了一個(gè)) )，不僅照樣無(wú)誤地傳送，不僅照樣無(wú)誤地傳送數(shù)字信號(hào)

23、，而且實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)與數(shù)字信號(hào)，而且實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)與D/AD/A轉(zhuǎn)換器及其模擬轉(zhuǎn)換器及其模擬量輸出通道的完全電隔離。量輸出通道的完全電隔離。 A/D轉(zhuǎn)換器D1D2+5V+5VD3D4D5D6D7D0 D/A轉(zhuǎn)換器+5V+5V(b)在CPU與D/A轉(zhuǎn)換器之間(a)在A/D轉(zhuǎn)換器與CPU之間圖8-11 光耦隔離器的數(shù)字信號(hào)隔離CPUD1D2D3D4D5D6D7D0D1D2D3D4D5D6D7D0D1D2D3D4D5D6D7D0CPUn利用光耦隔離器的線性放大區(qū)，也可傳送模擬信號(hào)而隔離電磁干擾，即在模擬信號(hào)通道中進(jìn)行隔離。例如在現(xiàn)場(chǎng)傳感器與A/D轉(zhuǎn)換器或D/A轉(zhuǎn)換器與現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行器之間的模擬信號(hào)的線性傳送，

24、如圖8-12 所示。 A/D計(jì)算機(jī)數(shù)字地（a） 在傳感器與A/D轉(zhuǎn)換器之間VCC放大器sU模擬地雙絞線D/A計(jì)算機(jī)數(shù)字地圖8-12 光耦隔離器的模擬信號(hào)隔離VCC放大器模擬地雙絞線LR（b） 在D/A轉(zhuǎn)換器與執(zhí)行器之間執(zhí)行器傳感器n在圖8-12a輸入通道的現(xiàn)場(chǎng)傳感器與A/D轉(zhuǎn)換器之間，光電耦合器一方面把放大器輸出的模擬信號(hào)線性地光耦(或放大)到A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端， 另一方面又切斷了現(xiàn)場(chǎng)模擬地與計(jì)算機(jī)數(shù)字地之間的聯(lián)系，起到了很好的抗共模干擾作用。在圖8-12b輸出通道的D/A轉(zhuǎn)換器與執(zhí)行器之間，光電耦合器一方面把放大器輸出的模擬信號(hào)線性地光耦(或放大)輸出到現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行器，另一方面又切斷了計(jì)算機(jī)數(shù)

25、字地與現(xiàn)場(chǎng)模擬地之間的聯(lián)系，起到了很好的抗共模干擾作用。n光耦的這兩種隔離方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。模擬信號(hào)隔離方法的優(yōu)點(diǎn)是使用少量的光耦，成本低；缺點(diǎn)是調(diào)試?yán)щy，如果光耦挑選得不合適，會(huì)影響系統(tǒng)的精度。而數(shù)字信號(hào)隔離方法的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)試簡(jiǎn)單，不影響系統(tǒng)的精度；缺點(diǎn)是使用較多的光耦器件，成本較高。但因光耦的價(jià)格越來(lái)越低廉，因而，目前在實(shí)際工程中主要使用光耦隔離器的數(shù)字信號(hào)隔離方法。 浮地屏蔽是利用屏蔽層使輸入信號(hào)的浮地屏蔽是利用屏蔽層使輸入信號(hào)的“模擬模擬地地浮空，使共模輸入阻抗大為提高，共模電壓浮空，使共模輸入阻抗大為提高，共模電壓在輸入回路中引起的共模電流大為減少，從而抑在輸入回路中引起的共模電流大為減

26、少，從而抑制了共模干擾的來(lái)源，使共模干擾降至很低，圖制了共模干擾的來(lái)源，使共模干擾降至很低，圖8-138-13給出了一種浮地輸入雙層屏蔽放大電路。給出了一種浮地輸入雙層屏蔽放大電路。 3 3浮地屏蔽浮地屏蔽圖 8 -1 3 浮 地 輸 入 雙 層 屏 蔽 放 大 電 路信 號(hào) 源c mU外 屏 蔽 層內(nèi) 屏 蔽 層計(jì)算機(jī)sUsU1sZ2sZ3sZ2cZc1cZ3Z(a) 原 理 框 圖(b ) 等 效 電 路1I2I3IAc mU計(jì)算機(jī)屏 蔽 層n 計(jì)算機(jī)部分采用內(nèi)外兩層屏蔽，且內(nèi)屏蔽層對(duì)外屏蔽計(jì)算機(jī)部分采用內(nèi)外兩層屏蔽，且內(nèi)屏蔽層對(duì)外屏蔽層層( (機(jī)殼地機(jī)殼地) )是浮地的，而內(nèi)層與信號(hào)源及

27、信號(hào)線屏蔽層是是浮地的，而內(nèi)層與信號(hào)源及信號(hào)線屏蔽層是在信號(hào)端單點(diǎn)接地的，被測(cè)信號(hào)到控制系統(tǒng)中的放大器是在信號(hào)端單點(diǎn)接地的，被測(cè)信號(hào)到控制系統(tǒng)中的放大器是采用雙端差動(dòng)輸入方式。圖中，采用雙端差動(dòng)輸入方式。圖中，Zs1Zs1、Zs2Zs2為信號(hào)源內(nèi)阻及為信號(hào)源內(nèi)阻及信號(hào)引線電阻，信號(hào)引線電阻，Zs3Zs3為信號(hào)線的屏蔽電阻，它們至多只有為信號(hào)線的屏蔽電阻，它們至多只有十幾歐姆左右，十幾歐姆左右，Zc1Zc1、Zc2Zc2為放大器輸入端對(duì)內(nèi)屏蔽層的漏為放大器輸入端對(duì)內(nèi)屏蔽層的漏阻抗，阻抗，Zc3Zc3為內(nèi)屏蔽層與外屏蔽層之間的漏阻抗。工程設(shè)為內(nèi)屏蔽層與外屏蔽層之間的漏阻抗。工程設(shè)計(jì)中計(jì)中Zc1Zc

28、1、Zc2Zc2、Zc3Zc3應(yīng)達(dá)到數(shù)十兆歐姆以上，這樣模擬地應(yīng)達(dá)到數(shù)十兆歐姆以上，這樣模擬地與數(shù)字地之間的共模電壓與數(shù)字地之間的共模電壓UcmUcm在進(jìn)入到放大器以前將會(huì)被在進(jìn)入到放大器以前將會(huì)被衰減到很小很小。這是因?yàn)槭紫仍谒p到很小很小。這是因?yàn)槭紫仍赨cmUcm、 Zs3Zs3、Zc3Zc3構(gòu)成的構(gòu)成的回路中，回路中，Zc3Zc3Zs3Zs3，因此干擾電流，因此干擾電流I3I3在在Zs3Zs3上的分壓上的分壓US3US3就小得多；同理，就小得多；同理，US3US3分別在分別在Zs2Zs2與與Zs1Zs1上的分壓上的分壓US2US2與與US1US1又被衰減很多，而且是同時(shí)加到運(yùn)算放大器的

29、差動(dòng)輸入端，又被衰減很多，而且是同時(shí)加到運(yùn)算放大器的差動(dòng)輸入端，也即被也即被2 2次衰減到很小很小的干擾信號(hào)再次相減，余下的次衰減到很小很小的干擾信號(hào)再次相減，余下的進(jìn)入到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)的共模電壓在理論上幾乎為零。因而，進(jìn)入到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)的共模電壓在理論上幾乎為零。因而，這種浮地屏蔽系統(tǒng)對(duì)抑制共模干擾是很有效的。這種浮地屏蔽系統(tǒng)對(duì)抑制共模干擾是很有效的。 由生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)到計(jì)算機(jī)的連線往往長(zhǎng)達(dá)幾十米，甚至數(shù)百米。即使在中央控制室內(nèi)，各種連線也有幾米到十幾米。對(duì)于采用高速集成電路的計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，長(zhǎng)線的“長(zhǎng)是一個(gè)相對(duì)的概念，是否“長(zhǎng)線取決于集成電路的運(yùn)算速度。例如，對(duì)于納秒級(jí)的數(shù)字電路來(lái)說(shuō)，l 米左右的連線

30、就應(yīng)當(dāng)作長(zhǎng)錢(qián)來(lái)看待；而對(duì)于10微妙級(jí)的電路，幾米長(zhǎng)的連線才需要當(dāng)作長(zhǎng)線處理。 信號(hào)在長(zhǎng)線中傳輸除了會(huì)受到外界干擾和引起信號(hào)延遲外，還可能會(huì)產(chǎn)生波反射現(xiàn)象。當(dāng)信號(hào)在長(zhǎng)線中傳輸時(shí)，由于傳輸線的分布電容和分布電感的影響，信號(hào)會(huì)在傳輸線內(nèi)部產(chǎn)生正向前進(jìn)的電壓波和電流波，稱(chēng)為入射波。8.2.38.2.3長(zhǎng)線傳輸干擾的抑制長(zhǎng)線傳輸干擾的抑制1波阻抗的測(cè)量波阻抗的測(cè)量為了進(jìn)行阻抗匹配，必須事先知道信號(hào)傳輸線的為了進(jìn)行阻抗匹配，必須事先知道信號(hào)傳輸線的波阻抗波阻抗RP，波阻抗，波阻抗RP的測(cè)量如圖的測(cè)量如圖8-14所示。所示。圖中的信號(hào)傳輸線為雙絞線，在傳輸線始端通圖中的信號(hào)傳輸線為雙絞線，在傳輸線始端通過(guò)與

31、非門(mén)加入標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，用示波器觀察門(mén)過(guò)與非門(mén)加入標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，用示波器觀察門(mén)A的的輸出波形，調(diào)節(jié)傳輸線終端的可變電阻輸出波形，調(diào)節(jié)傳輸線終端的可變電阻R，當(dāng)，當(dāng)門(mén)門(mén)A輸出的波形不畸變時(shí)，即是傳輸線的波阻輸出的波形不畸變時(shí)，即是傳輸線的波阻抗與終端阻抗完全匹配，反射波完全消失，這抗與終端阻抗完全匹配，反射波完全消失，這時(shí)的時(shí)的R值就是該傳輸線的波阻抗，即值就是該傳輸線的波阻抗，即RPR。n為了避免外界干擾的影響，在計(jì)算機(jī)中常常采為了避免外界干擾的影響，在計(jì)算機(jī)中常常采用雙絞線和同軸電纜作信號(hào)線。雙絞線的波阻用雙絞線和同軸電纜作信號(hào)線。雙絞線的波阻抗一般在抗一般在100200之間，絞花愈密，波阻之間，絞花

32、愈密，波阻抗愈低。同軸電纜的波阻抗約抗愈低。同軸電纜的波阻抗約50100范圍。范圍。雙絞線示波器信號(hào)ARRP圖 8-14 傳輸線波阻抗的測(cè)量2終端阻抗匹配終端阻抗匹配最簡(jiǎn)單的終端阻抗匹配方法如圖最簡(jiǎn)單的終端阻抗匹配方法如圖8-15a所示。所示。如果傳輸線的波阻抗是如果傳輸線的波阻抗是RP，那么當(dāng)，那么當(dāng)RRP時(shí)，時(shí)，便實(shí)現(xiàn)了終端匹配，消除了波反射。此時(shí)終端便實(shí)現(xiàn)了終端匹配，消除了波反射。此時(shí)終端波形和始端波形的形狀一致，只是時(shí)間上遲后。波形和始端波形的形狀一致，只是時(shí)間上遲后。由于終端電阻變低，則加大負(fù)載，使波形的高由于終端電阻變低，則加大負(fù)載，使波形的高電平下降，從而降低了高電平的抗干擾能力

33、，電平下降，從而降低了高電平的抗干擾能力，但對(duì)波形的低電平?jīng)]有影響。但對(duì)波形的低電平?jīng)]有影響。為了克服上述匹配方法的缺點(diǎn)，可采用圖為了克服上述匹配方法的缺點(diǎn)，可采用圖8-15b所示的終端匹配方法。所示的終端匹配方法。雙絞線ARPBR2雙絞線ARPBRR1EC(a)(b)圖 8-15 終端阻抗匹配 適當(dāng)調(diào)整適當(dāng)調(diào)整R1R1和和R2R2的阻值，可使的阻值，可使R=RPR=RP。這種匹。這種匹配方法也能消除波反射，優(yōu)點(diǎn)是波形的高電平下配方法也能消除波反射，優(yōu)點(diǎn)是波形的高電平下降較少，缺點(diǎn)是低電平抬高，從而降低了低電平降較少，缺點(diǎn)是低電平抬高，從而降低了低電平的抗干擾能力為了同時(shí)兼顧高電平和低電平兩種

34、的抗干擾能力為了同時(shí)兼顧高電平和低電平兩種情況，可選取情況，可選取R1=R2=2RPR1=R2=2RP，此時(shí)等效電阻，此時(shí)等效電阻R=RPR=RP。實(shí)。實(shí)踐中寧可使高電平降低得稍多一些，而讓低電平踐中寧可使高電平降低得稍多一些，而讓低電平抬高得少一些，可通過(guò)適當(dāng)選取電阻抬高得少一些，可通過(guò)適當(dāng)選取電阻R1R1和和R2R2，并，并使使R1R1R2R2來(lái)達(dá)到此目的，當(dāng)然還要保證等效電阻來(lái)達(dá)到此目的，當(dāng)然還要保證等效電阻R=RPR=RP。3始端阻抗匹配始端阻抗匹配在傳輸線始端串入電阻在傳輸線始端串入電阻R，如圖，如圖8-16所所示，也能基本上消除反射，達(dá)到改善示，也能基本上消除反射，達(dá)到改善波形的目

35、的。一般選擇始端匹配電阻波形的目的。一般選擇始端匹配電阻R為為RRPRSC （8-3）其中，其中，RSC為門(mén)為門(mén)A輸出低電平時(shí)的輸出輸出低電平時(shí)的輸出阻抗。阻抗。雙 絞 線ARPBR圖 8-16 始 端 阻 抗 匹 配n這種匹配方法的優(yōu)點(diǎn)是波形的高電平不變，缺這種匹配方法的優(yōu)點(diǎn)是波形的高電平不變，缺點(diǎn)是波形低電平會(huì)抬高。其原因是終端門(mén)點(diǎn)是波形低電平會(huì)抬高。其原因是終端門(mén)B B的的輸入電流在始端匹配電阻輸入電流在始端匹配電阻R R上的壓降所造成的。上的壓降所造成的。顯然，終端所帶負(fù)載門(mén)個(gè)數(shù)越多，則低電平抬顯然，終端所帶負(fù)載門(mén)個(gè)數(shù)越多，則低電平抬高得越顯著。高得越顯著。8.2.4 信號(hào)線的選擇與敷

36、設(shè)信號(hào)線的選擇與敷設(shè) 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，信號(hào)線的選擇在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，信號(hào)線的選擇與敷設(shè)也是個(gè)不容忽視的問(wèn)題。如果能與敷設(shè)也是個(gè)不容忽視的問(wèn)題。如果能合理地選擇信號(hào)線，并在實(shí)際施工中又合理地選擇信號(hào)線，并在實(shí)際施工中又能正確地敷設(shè)信號(hào)線，那么可以抑制干能正確地敷設(shè)信號(hào)線，那么可以抑制干擾；反之，將會(huì)給系統(tǒng)引入干擾，造成擾；反之，將會(huì)給系統(tǒng)引入干擾，造成不良影響。不良影響。1信號(hào)線的選擇信號(hào)線的選擇對(duì)信號(hào)線的選擇，一般應(yīng)從抗干擾和經(jīng)對(duì)信號(hào)線的選擇，一般應(yīng)從抗干擾和經(jīng)濟(jì)實(shí)用這幾個(gè)方面考慮，而抗干擾能力濟(jì)實(shí)用這幾個(gè)方面考慮，而抗干擾能力則應(yīng)放在首位。不同的使用現(xiàn)場(chǎng)，干擾則應(yīng)放在首位。不同的使用現(xiàn)

37、場(chǎng)，干擾情況不同，應(yīng)選擇不同的信號(hào)線。在不情況不同，應(yīng)選擇不同的信號(hào)線。在不降低抗干擾能力的條件下，應(yīng)該盡量選降低抗干擾能力的條件下，應(yīng)該盡量選用價(jià)錢(qián)便宜，敷設(shè)方便的信號(hào)線。用價(jià)錢(qián)便宜，敷設(shè)方便的信號(hào)線。n（1信號(hào)線類(lèi)型的選擇信號(hào)線類(lèi)型的選擇n在精度要求高、干擾嚴(yán)重的場(chǎng)合，應(yīng)當(dāng)采用屏蔽信號(hào)在精度要求高、干擾嚴(yán)重的場(chǎng)合，應(yīng)當(dāng)采用屏蔽信號(hào)線。表線。表8-2列出幾種常用的屏蔽信號(hào)線的結(jié)構(gòu)類(lèi)型及列出幾種常用的屏蔽信號(hào)線的結(jié)構(gòu)類(lèi)型及其對(duì)干擾的抑制效果。其對(duì)干擾的抑制效果。屏蔽結(jié)構(gòu)干擾衰減比屏蔽效果（dB）備注銅網(wǎng)（密度85%） 103：140.3電纜的可撓性好，適合近距離使用銅帶迭卷（密度90%）376

38、：151.5帶有焊藥，易接地，通用性好鋁聚酯樹(shù)脂帶迭卷6610：176.4應(yīng)使用電纜溝，抗干擾效果最好n有屏蔽層的塑料電纜是按抗干擾原理設(shè)計(jì)的，幾十對(duì)信號(hào)在同一電纜中也不會(huì)互相干擾。屏蔽雙絞線與屏蔽電纜相比性能稍差，但波阻抗高、體積小、可撓性好、裝配焊接方便，特別適用于互補(bǔ)信號(hào)的傳輸。雙絞線之間的串模干擾小、價(jià)格低廉，是計(jì)算機(jī)控制實(shí)時(shí)系統(tǒng)常用的傳輸介質(zhì)。n（2信號(hào)線粗細(xì)的選擇n從信號(hào)線價(jià)格、強(qiáng)度及施工方便等因素出發(fā)，信號(hào)線的截面積在2mm2以下為宜，一般采用1.5 mm2和1.0 mm2兩種。采用多股線電纜較好，其優(yōu)點(diǎn)是可撓性好，適宜于電纜溝有拐角和狹窄的地方。2信號(hào)線的敷設(shè) 選擇了合適的信號(hào)

39、線，還必須合理地進(jìn)行敷設(shè)。否則，不僅達(dá)不到抗干擾的效果，反而會(huì)引進(jìn)干擾。信號(hào)線的敷設(shè)要注意以下事項(xiàng)：（1模擬信號(hào)線與數(shù)字信號(hào)線不能合用同一根電纜，要絕對(duì)避免信號(hào)線與電源線合用同一根電纜。（2屏蔽信號(hào)線的屏蔽層要一端接地，同時(shí)要避免多點(diǎn)接地。n（3信號(hào)線的敷設(shè)要盡量遠(yuǎn)離干擾源，如避免敷設(shè)在大容量變壓器、電動(dòng)機(jī)等電器設(shè)備的附近。如果有條件，將信號(hào)線單獨(dú)穿管配線，在電纜溝內(nèi)從上到下依次架設(shè)信號(hào)電纜、直流電源電纜、交流低壓電纜、交流高壓電纜。表號(hào)線和交流電力線之間的最少間距，供布線時(shí)參考。電力線容量信號(hào)線和電力線之間的最少間距（cm）電壓（V）電流（A）125101225050184402002450

40、0080048n（4信號(hào)電纜與電源電纜必須分開(kāi)，并盡量避免平行敷設(shè)。如果現(xiàn)場(chǎng)條件有限，信號(hào)電纜與電源電纜不得不敷設(shè)在一起時(shí)，則應(yīng)滿(mǎn)足以下條件：n 電纜溝內(nèi)要設(shè)置隔板，且使隔板與大地連接，如圖8-17a所示。n 電纜溝內(nèi)用電纜架或在溝底自由敷設(shè)時(shí)，信號(hào)電纜與電源電纜間距一般應(yīng)在15cm以上，如圖8-17b）（c所示；如果電源電纜無(wú)屏蔽，且為交流電壓220VAC、電流10A時(shí)，兩者間距應(yīng)在60 cm以上。n 電源電纜使用屏蔽罩，如圖8-17d所示。圖 8-17 信號(hào)線的敷設(shè)信號(hào)電纜電源電纜隔板(a)信號(hào)電纜電源電纜15cm(b)信號(hào)電纜電源電纜15cm(c)電源電纜信號(hào)電纜屏蔽罩(d)n8.2.5

41、 8.2.5 電源系統(tǒng)的抗干擾電源系統(tǒng)的抗干擾n 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)一般是由交流電網(wǎng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)一般是由交流電網(wǎng)供電，電網(wǎng)電壓與頻率的波動(dòng)將直接影供電，電網(wǎng)電壓與頻率的波動(dòng)將直接影響到控制系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。實(shí)踐響到控制系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。實(shí)踐表明，電源的干擾是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的表明，電源的干擾是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的一個(gè)主要干擾，抑制這種干擾的主要措一個(gè)主要干擾，抑制這種干擾的主要措施有以下幾個(gè)方面。施有以下幾個(gè)方面。n理想的交流電應(yīng)該是50HZ的正弦波。但事實(shí)上，由于負(fù)載的變動(dòng)如電動(dòng)機(jī)、電焊機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)等電器設(shè)備的啟停，甚至日光燈的開(kāi)關(guān)都可能造成電源電壓的波動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使電源正弦波上出現(xiàn)尖峰脈沖，

42、如圖8-18所示。這種尖峰脈沖，幅值可達(dá)幾十甚至幾千伏，持續(xù)時(shí)間也可達(dá)幾毫秒之久，容易造成計(jì)算機(jī)的“死機(jī)”，甚至?xí)p壞硬件，對(duì)系統(tǒng)威脅極大。在硬件上可以用以下方法加以解決。1交流電源系統(tǒng)uot圖 8-18 交流電源正弦波上的尖峰脈沖n (1 )選用供電比較穩(wěn)定的進(jìn)線電源n 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的電源進(jìn)線要盡量選用比較穩(wěn)定的交流電源線，至少不要將控制系統(tǒng)接到負(fù)載變化大、晶閘管設(shè)備多或者有高頻設(shè)備的電源上。n（2利用干擾抑制器消除尖峰干擾n 干擾抑制器使用簡(jiǎn)單，利用干擾抑制器消除尖峰干擾的電路如圖8-19示。干擾抑制器是一種無(wú)源四端網(wǎng)絡(luò)，目前已有產(chǎn)品出售。 220V圖 9-19 利 用 干 擾 抑 制

43、器 的 電 源 系 統(tǒng) 干 擾抑 制 器 計(jì) 算 機(jī)控 制 系 統(tǒng)n（3采用交流穩(wěn)壓器穩(wěn)定電網(wǎng)電壓n計(jì)算機(jī)控制的交流供電系統(tǒng)一般如圖8-20所示。圖中交流穩(wěn)壓器是為了抑制電網(wǎng)電壓的波動(dòng)，提高計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，交流穩(wěn)壓器能把輸出波形畸變控制在5以?xún)?nèi)，還可以對(duì)負(fù)載短路起限流保護(hù)作用。低通濾波器是為了濾除電網(wǎng)中混雜的高頻干擾信號(hào)，保證50HZ基波通過(guò)。 22 0V圖 9-2 0 一 般 交 流 供 電 系 統(tǒng) 交 流穩(wěn) 壓 器 低 通濾 波 器 計(jì) 算 機(jī)控 制 系 統(tǒng) 直 流穩(wěn) 壓 器n（4利用UPS保證不中斷供電n電網(wǎng)瞬間斷電或電壓突然下降等掉電事件會(huì)使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)陷入混亂狀態(tài)，是可能產(chǎn)生嚴(yán)

44、重事故的惡性干擾。對(duì)于要求更高的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，可以采用不間斷電源即UPS向系統(tǒng)供電，如圖8-21所示。正常情況下由交流電網(wǎng)通過(guò)交流穩(wěn)壓器、切換開(kāi)關(guān)、直流穩(wěn)壓器供電至計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；同時(shí)交流電網(wǎng)也給電池組充電。所有的UPS設(shè)備都裝有一個(gè)或一組電池和傳感器，并且也包括交流穩(wěn)壓設(shè)備。如果交流供電中斷，系統(tǒng)中的斷電傳感器檢測(cè)到斷電后就會(huì)將供電通路在極短的時(shí)間內(nèi)3ms切換到電池組，從而保證流入計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的電流不因停電而中斷。這里，逆變器能把電池直流電壓逆變到正常電壓頻率和幅度的交流電壓，具有穩(wěn)壓和穩(wěn)頻的雙重功能，提高了供電質(zhì)量。 220V電 池充 電 器 電 池 組逆 變 器控 制 器交 流穩(wěn) 壓 器

45、計(jì) 算 機(jī)切 換直 流穩(wěn) 壓 器圖 9-21 不 間 斷 電 源 U P S 供 電 系 統(tǒng)n（5掉電保護(hù)電路掉電保護(hù)電路n對(duì)于沒(méi)有使用對(duì)于沒(méi)有使用UPS的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，為了防止掉電的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，為了防止掉電后后RAM中的信息丟失，可以采用鎳電池對(duì)中的信息丟失，可以采用鎳電池對(duì)RAM數(shù)據(jù)進(jìn)數(shù)據(jù)進(jìn)行掉電保護(hù)。圖行掉電保護(hù)。圖8-22是一種某計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是一種某計(jì)算機(jī)系統(tǒng)64KB存儲(chǔ)板存儲(chǔ)板所使用的掉電保護(hù)電路。系統(tǒng)電源正常工作時(shí)，由外所使用的掉電保護(hù)電路。系統(tǒng)電源正常工作時(shí)，由外部電源部電源+5V供電，供電，A點(diǎn)電平高于備用電池點(diǎn)電平高于備用電池3V電壓，電壓，VD2截止，存儲(chǔ)器由主電源（截

46、止，存儲(chǔ)器由主電源（5V供電。系統(tǒng)掉電供電。系統(tǒng)掉電時(shí)，時(shí)，A點(diǎn)電位低于備用電池電壓，點(diǎn)電位低于備用電池電壓，VD1截止，截止，VD2導(dǎo)通，導(dǎo)通，由備用電池向由備用電池向RAM供電。當(dāng)系統(tǒng)恢復(fù)供電時(shí)，供電。當(dāng)系統(tǒng)恢復(fù)供電時(shí)，VD1重重新導(dǎo)通，新導(dǎo)通，VD2截止，又恢復(fù)主電源供電。截止，又恢復(fù)主電源供電。+5VAVD1VD23.6V220FVCCR A M(8K8)GNDVCCR A M(8K8)GND62646264圖 8-22 掉電保護(hù)電路0.1F0.1Fn對(duì)于沒(méi)有采用鎳電池進(jìn)行掉電保護(hù)的一些控制系統(tǒng)，至少應(yīng)設(shè)置對(duì)于沒(méi)有采用鎳電池進(jìn)行掉電保護(hù)的一些控制系統(tǒng)，至少應(yīng)設(shè)置電源監(jiān)控電路即硬件掉電檢

47、測(cè)電路。在掉電電壓下降到電源監(jiān)控電路即硬件掉電檢測(cè)電路。在掉電電壓下降到CPU最低最低工作電壓之前應(yīng)能提出中斷申請(qǐng)?zhí)崆皶r(shí)間為幾百微妙到數(shù)毫工作電壓之前應(yīng)能提出中斷申請(qǐng)?zhí)崆皶r(shí)間為幾百微妙到數(shù)毫秒），使系統(tǒng)能及時(shí)對(duì)掉電作出保護(hù)反應(yīng)秒），使系統(tǒng)能及時(shí)對(duì)掉電作出保護(hù)反應(yīng)在掉電中斷子程序在掉電中斷子程序中，首先進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)，把當(dāng)時(shí)的重要參數(shù)、中間結(jié)果以及輸入中，首先進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)，把當(dāng)時(shí)的重要參數(shù)、中間結(jié)果以及輸入輸出狀態(tài)作出妥善處理，并在片內(nèi)輸出狀態(tài)作出妥善處理，并在片內(nèi)RAM中設(shè)置掉電標(biāo)志。當(dāng)電源中設(shè)置掉電標(biāo)志。當(dāng)電源恢復(fù)正常時(shí)，恢復(fù)正常時(shí)，CPU重新復(fù)位，復(fù)位后應(yīng)首先檢查是否有掉電標(biāo)記。重新復(fù)位，復(fù)

48、位后應(yīng)首先檢查是否有掉電標(biāo)記。如果沒(méi)有，按一般開(kāi)機(jī)程序執(zhí)行，即首先系統(tǒng)初始化；如果有掉如果沒(méi)有，按一般開(kāi)機(jī)程序執(zhí)行，即首先系統(tǒng)初始化；如果有掉電標(biāo)記，則說(shuō)明本次復(fù)位是掉電保護(hù)之后的復(fù)位，不應(yīng)將系統(tǒng)初電標(biāo)記，則說(shuō)明本次復(fù)位是掉電保護(hù)之后的復(fù)位，不應(yīng)將系統(tǒng)初始化，而應(yīng)按掉電中斷子程序相反的方式恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，以一種合理始化，而應(yīng)按掉電中斷子程序相反的方式恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，以一種合理的安全方式使系統(tǒng)繼續(xù)工作。這種監(jiān)控電路有許多，其中一種簡(jiǎn)的安全方式使系統(tǒng)繼續(xù)工作。這種監(jiān)控電路有許多，其中一種簡(jiǎn)便實(shí)用的應(yīng)用電路見(jiàn)后面的圖便實(shí)用的應(yīng)用電路見(jiàn)后面的圖8-31 X5045與與CPU的接口電路。上的接口電路。上電時(shí)，電壓超

49、過(guò)電時(shí)，電壓超過(guò)4.5V后，經(jīng)過(guò)約后，經(jīng)過(guò)約200ms的穩(wěn)定時(shí)間后的穩(wěn)定時(shí)間后RESET 信號(hào)信號(hào)由高電平變?yōu)榈碗娖?；掉電時(shí)，當(dāng)電源電壓低于由高電平變?yōu)榈碗娖?；掉電時(shí)，當(dāng)電源電壓低于4.5V時(shí)，時(shí)，RESET 信號(hào)立即變?yōu)楦唠娖?，使信?hào)立即變?yōu)楦唠娖?，使CPU響應(yīng)中斷申請(qǐng)并轉(zhuǎn)入掉電中斷子程響應(yīng)中斷申請(qǐng)并轉(zhuǎn)入掉電中斷子程序，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)。序，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)。n 2直流電源系統(tǒng)n在自行研制的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，無(wú)論是模擬電路還是數(shù)字電路，都需要低壓直流供電。為了進(jìn)一步抑制來(lái)自于電源方面的干擾，一般在直流電源側(cè)也要采用相應(yīng)的抗干擾措施。n（1交流電源變壓器的屏蔽n把高壓交流變成低壓直流的簡(jiǎn)單方法是用交流

50、電源變壓器。因而，對(duì)電源變壓器設(shè)置合理的靜電屏蔽和電磁屏蔽，就是一種十分有效的抗干擾措施，通常將電源變壓器的一、二次繞組分別加以屏蔽，一次繞組屏蔽層與鐵心同時(shí)接地，如圖8-23a所示。在要求更高的場(chǎng)合，可采用層間也加屏蔽的結(jié)構(gòu)，如圖8-23b所示。一次繞組二次繞組二次繞組一次繞組圖 8-23 電 源 變 壓 器 的 屏 蔽（a）（b）n（2采用直流開(kāi)關(guān)電源采用直流開(kāi)關(guān)電源n直流開(kāi)關(guān)電源是一種脈寬調(diào)制型電源，由于脈沖頻直流開(kāi)關(guān)電源是一種脈寬調(diào)制型電源，由于脈沖頻率高達(dá)率高達(dá)20kHZ，所以甩掉了傳統(tǒng)的工頻變壓器，具，所以甩掉了傳統(tǒng)的工頻變壓器，具有體積小、重量輕、效率高（有體積小、重量輕、效率高

51、（70）、電網(wǎng)電）、電網(wǎng)電壓范圍大壓范圍大（2010）220V、電網(wǎng)電壓、電網(wǎng)電壓變化時(shí)不會(huì)輸出過(guò)電壓或欠電壓、輸出電壓保持時(shí)變化時(shí)不會(huì)輸出過(guò)電壓或欠電壓、輸出電壓保持時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。開(kāi)關(guān)電源初、次級(jí)之間具有較好的隔間長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。開(kāi)關(guān)電源初、次級(jí)之間具有較好的隔離，對(duì)于交流電網(wǎng)上的高頻脈沖干擾有較強(qiáng)的隔離離，對(duì)于交流電網(wǎng)上的高頻脈沖干擾有較強(qiáng)的隔離能力。能力。n現(xiàn)在已有許多直流開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品，一般都有幾個(gè)獨(dú)現(xiàn)在已有許多直流開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品，一般都有幾個(gè)獨(dú)立的電源，如立的電源，如5V，12V，24V等。等。n（3采用DC-DC變換器n如果系統(tǒng)供電電網(wǎng)波動(dòng)較大，或者對(duì)直流電源的精度要求較高，就可以采用DC-

52、DC變換器，它們可以將一種電壓的直流電源，變換成另一種電壓的直流電源。它們有升壓型或降壓型，或升壓/降壓型。DC-DC變換器具有體積小、性能價(jià)格比高、輸入電壓范圍大、輸出電壓穩(wěn)定有的還可調(diào)）、環(huán)境溫度范圍廣等一系列優(yōu)點(diǎn)。n顯然，采用DC-DC變換器可以方便地實(shí)現(xiàn)電池供電，從而制造便攜式或手持式計(jì)算機(jī)測(cè)控裝置。n（4每塊電路板的直流電源n當(dāng)一臺(tái)計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)有幾塊功能電路板時(shí)，為了防止板與板之間的相互干擾，可以對(duì)每塊板的直流電源采取分散獨(dú)立供電環(huán)境。在每塊板上裝一塊或幾塊三端穩(wěn)壓集成塊7805、7805、7812，7812等組成穩(wěn)壓電源，每個(gè)功能板單獨(dú)對(duì)電壓過(guò)載進(jìn)行保護(hù)，不會(huì)因?yàn)槟硞€(gè)穩(wěn)壓塊出現(xiàn)故

53、障而使整個(gè)系統(tǒng)遭到破壞，而且也減少了公共阻抗的相互耦合，大大提高供電的可靠性，也有利于電源散熱。n（5集成電路塊的VCC加旁路電容n集成電路的開(kāi)關(guān)高速動(dòng)作時(shí)會(huì)產(chǎn)生噪聲，因此無(wú)論電源裝置提供的電壓多么穩(wěn)定，VCC和GND端也會(huì)產(chǎn)生噪聲。為了降低集成電路的開(kāi)關(guān)噪聲，在印制線路板上的每一塊IC上都接入高頻特性好的旁路電容，將開(kāi)關(guān)電流經(jīng)過(guò)的線路局限在板內(nèi)一個(gè)極小的范圍內(nèi)。旁路電容可用0.010.1F的陶瓷電容器，旁路電容器的引線要短而且緊靠需要旁路的集成器件的VCC或GND端，否則會(huì)毫無(wú)意義。8.2.6 8.2.6 接地系統(tǒng)的抗干擾接地系統(tǒng)的抗干擾 廣義的接地包含兩方面的意思，即廣義的接地包含兩方面的

54、意思，即接實(shí)地和接虛地。接實(shí)地指的是與大地接實(shí)地和接虛地。接實(shí)地指的是與大地連接；接虛地指的是與電位基準(zhǔn)點(diǎn)連接，連接；接虛地指的是與電位基準(zhǔn)點(diǎn)連接，當(dāng)這個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)與大地電氣絕緣，則稱(chēng)為當(dāng)這個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)與大地電氣絕緣，則稱(chēng)為浮地連接。正確合理的接地技術(shù)對(duì)計(jì)算浮地連接。正確合理的接地技術(shù)對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)極為重要，接地的目的有兩機(jī)控制系統(tǒng)極為重要，接地的目的有兩個(gè)：一是為了保證控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地個(gè)：一是為了保證控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，防止地環(huán)路引起的干擾，常稱(chēng)為運(yùn)行，防止地環(huán)路引起的干擾，常稱(chēng)為工作接地；二是為了避免操作人員因設(shè)工作接地；二是為了避免操作人員因設(shè)備的絕緣損壞或下降遭受觸電危險(xiǎn)和保備的絕緣損

55、壞或下降遭受觸電危險(xiǎn)和保證設(shè)備的安全，這稱(chēng)為保護(hù)接地。本節(jié)證設(shè)備的安全，這稱(chēng)為保護(hù)接地。本節(jié)主要討論工作接地技術(shù)。主要討論工作接地技術(shù)。n在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，大致有以下幾種地線：模擬地、數(shù)字地、信號(hào)地、系統(tǒng)地、交流地和保護(hù)地。n模擬地作為傳感器、變送器、放大器、A/D和D/A轉(zhuǎn)換器中模擬電路的零電位。模擬信號(hào)有精度要求，它的信號(hào)比較小，而且與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)連接。有時(shí)為區(qū)別遠(yuǎn)距離傳感器的弱信號(hào)地與主機(jī)的模擬地關(guān)系，把傳感器的地又叫信號(hào)地。n數(shù)字地作為計(jì)算機(jī)各種數(shù)字電路的零電位，應(yīng)該與模擬地分開(kāi)，避免模擬信號(hào)受數(shù)字脈沖的干擾。n系統(tǒng)地是上述幾種地的最終回流點(diǎn)，直接與大地相連作為基準(zhǔn)零電位。n交流地是計(jì)算

56、機(jī)交流供電的動(dòng)力線地或稱(chēng)零線，它的零電位很不穩(wěn)定。在交流地上任意兩點(diǎn)之間往往就有幾伏乃至幾十伏的電位差存在。另外，交流地也容易帶來(lái)各種干擾。因而，交流地絕不允許與上述幾種地相連，而且交流電源變壓器的絕緣性能要好，絕對(duì)避免漏電現(xiàn)象。n保護(hù)地也叫安全地、機(jī)殼地或屏蔽地，目的是使設(shè)備機(jī)殼與大地等電位，以避免機(jī)殼帶電影響人身及設(shè)備安全。n以上這些地線如何處理，是接地還是浮地？是一點(diǎn)接地還是多點(diǎn)接地？這些是實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、裝置、調(diào)試中的重要問(wèn)題。1單點(diǎn)接地與多點(diǎn)接地單點(diǎn)接地與多點(diǎn)接地根據(jù)接地理論分析，低頻電路應(yīng)單點(diǎn)接地，這主根據(jù)接地理論分析，低頻電路應(yīng)單點(diǎn)接地，這主要是避免形成產(chǎn)生干擾的地環(huán)路；高頻電

57、路應(yīng)要是避免形成產(chǎn)生干擾的地環(huán)路；高頻電路應(yīng)該就近多點(diǎn)接地，這主要是避免該就近多點(diǎn)接地，這主要是避免“長(zhǎng)線傳輸長(zhǎng)線傳輸引入的干擾。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)頻率低于引入的干擾。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)頻率低于1MHZ時(shí)，時(shí)，采用單點(diǎn)接地方式為好；當(dāng)頻率高于采用單點(diǎn)接地方式為好；當(dāng)頻率高于10MHZ時(shí)，采用多點(diǎn)接地方式為好；而在時(shí)，采用多點(diǎn)接地方式為好；而在110MHZ之間，如果采用單點(diǎn)接地，其地線長(zhǎng)度不得超之間，如果采用單點(diǎn)接地，其地線長(zhǎng)度不得超過(guò)波長(zhǎng)的過(guò)波長(zhǎng)的1/20，否則應(yīng)采用多點(diǎn)接地方式。在，否則應(yīng)采用多點(diǎn)接地方式。在工業(yè)控制系統(tǒng)中，信號(hào)頻率大多小于工業(yè)控制系統(tǒng)中，信號(hào)頻率大多小于1MHZ，所以通常采用單點(diǎn)接地方

58、式，如圖所以通常采用單點(diǎn)接地方式，如圖-24所示。所示。輸 入 放 大 器圖 8-24 單 點(diǎn) 接 地 方 式輸 入信 號(hào)_+輸 出采 樣 /保 持 放 大V+V保 持電 容V+V數(shù) 字 地模 擬 輸 出狀 態(tài)模 擬 地?cái)?shù) 字 地VC C數(shù) 字輸 出V+VA /D 轉(zhuǎn) 換 器模 擬 輸 入地 噪 聲模 擬 地2分別回流法單點(diǎn)接地分別回流法單點(diǎn)接地在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，各種地一般應(yīng)采用分別回流在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，各種地一般應(yīng)采用分別回流法單點(diǎn)接地。模擬地、數(shù)字地、安全地的分別回法單點(diǎn)接地。模擬地、數(shù)字地、安全地的分別回流法如圖流法如圖8-25所示。匯流條由多層銅導(dǎo)體構(gòu)成，所示。匯流條由多層銅導(dǎo)體構(gòu)

59、成，截面呈矩形，各層之間有絕緣層。采用多層匯流截面呈矩形，各層之間有絕緣層。采用多層匯流條以減少自感，可減少干擾的竄入途徑。在稍考條以減少自感，可減少干擾的竄入途徑。在稍考究的系統(tǒng)中，分別使用橫向匯流條及縱向匯流條，究的系統(tǒng)中，分別使用橫向匯流條及縱向匯流條，機(jī)柜內(nèi)各層機(jī)架之間分別設(shè)置匯流條，以最大限機(jī)柜內(nèi)各層機(jī)架之間分別設(shè)置匯流條，以最大限度減小公共阻抗的影響。在空間將數(shù)字地匯流條度減小公共阻抗的影響。在空間將數(shù)字地匯流條與模擬地匯流條間隔開(kāi)，以避免通過(guò)匯流條間電與模擬地匯流條間隔開(kāi)，以避免通過(guò)匯流條間電容產(chǎn)生耦合。安全地機(jī)殼地始終與模擬地和容產(chǎn)生耦合。安全地機(jī)殼地始終與模擬地和數(shù)字地隔離開(kāi)

60、。這些地之間只是在最后才匯聚一數(shù)字地隔離開(kāi)。這些地之間只是在最后才匯聚一點(diǎn)，而且常常通過(guò)銅接地板交匯，然后用線徑不點(diǎn)，而且常常通過(guò)銅接地板交匯，然后用線徑不小于小于30mm2的多股軟銅線焊接在接地板上深埋地的多股軟銅線焊接在接地板上深埋地下。下。模 擬 地橫 匯 流 條模 擬 地縱 匯 流 條數(shù) 字 地橫 匯 流 條數(shù) 字 地縱 匯 流 條接 地 板系 統(tǒng) 地安 全 地（ 機(jī) 殼 地 ）圖 9-25 分 別 回 流 法 單 點(diǎn) 接 地 方 式大 地3輸入系統(tǒng)的接地輸入系統(tǒng)的接地在計(jì)算機(jī)控制輸入系統(tǒng)中，傳感器、變送器在計(jì)算機(jī)控制輸入系統(tǒng)中，傳感器、變送器和放大器通常采用屏蔽罩，而信號(hào)的傳送和放大