計(jì)算機(jī)控制技術(shù)第4章

1、第第4章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)抗干擾技術(shù)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)抗干擾技術(shù) v 4.1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)主要干擾分析v 4.2 過(guò)程通道抗干擾技術(shù)v 4.3接地技術(shù)v 4.4 供電技術(shù)4.1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)主要干擾分析計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)主要干擾分析v v 4.1.1 干擾的來(lái)源v 4.1.2 干擾的傳播途徑v 4.1.3 過(guò)程通道中的干擾4.1.1 干擾的來(lái)源干擾的來(lái)源 干擾的來(lái)源是多方面的，有時(shí)甚至是錯(cuò)綜復(fù)雜的，對(duì)于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，干擾既可能來(lái)自系統(tǒng)外部，也可能來(lái)自系統(tǒng)內(nèi)部。 外部干擾與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)，僅由使用條件和外部環(huán)境因素決定。內(nèi)部干擾則是由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布局、制造工藝產(chǎn)生的。 外部干擾主要來(lái)自空間電場(chǎng)或磁

2、場(chǎng)的影響，如電氣設(shè)備和輸電線發(fā)出的電磁場(chǎng)，太陽(yáng)或其他星球輻射的電磁波，通信廣播發(fā)射的無(wú)線電波，雷電，火花放電、弧光放電等放電現(xiàn)象等。 內(nèi)部干擾主要有分布電容、分布電感引起的耦合感應(yīng)，電磁場(chǎng)輻射感應(yīng)，長(zhǎng)線傳輸造成的波反射，多點(diǎn)接地造成的電位差引起的干擾，裝置及設(shè)備中各種寄生振蕩引起的干擾，熱噪聲、閃變?cè)肼暋⒓夥逶肼暤纫鸬母蓴_以及元器件產(chǎn)生的噪聲等。圖4.1 外部干擾環(huán)境4.1.2 干擾的傳播途徑干擾的傳播途徑v 干擾傳播的途徑主要有三種，即靜電耦合，磁場(chǎng)耦合與公共阻抗耦合。 v靜電耦合靜電耦合v 靜電耦合是電場(chǎng)通過(guò)電容耦合途徑竄入其他線路的。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

3、線路之間、變壓器繞線之間都會(huì)構(gòu)成分布電容。 v磁場(chǎng)耦合磁場(chǎng)耦合 v 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)體周圍空間中都會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，而交變磁場(chǎng)則對(duì)其周圍閉合電路產(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)生磁場(chǎng)干擾。 v公共阻抗耦合公共阻抗耦合v 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)影響到另一個(gè)電路，從而產(chǎn)生干擾噪聲的影響。 4.1.3 過(guò)程通道中的干擾過(guò)程通道中的干擾v串模干擾串模干擾v 串模干擾是指疊加在被測(cè)信號(hào)上的干擾噪聲，即干擾串聯(lián)在信號(hào)源回路中。 圖4.5 串模干擾v共模干擾

4、共模干擾v 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。 圖4.6 共模干擾v長(zhǎng)線傳輸干擾長(zhǎng)線傳輸干擾v 由生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)到計(jì)算機(jī)的連線往往長(zhǎng)達(dá)數(shù)百米，甚至幾千米。v 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。v 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，稱為入射波。v 如果傳輸線的終端阻抗與傳輸線的阻抗不匹配，入射波到達(dá)終端時(shí)會(huì)引起反射；同樣，反射波到達(dá)傳輸線始端時(shí)，如果始端阻抗不匹配，又會(huì)引起新的反射，使信號(hào)波形嚴(yán)重畸變。 4.2 過(guò)程通道抗干擾技術(shù)過(guò)程通道抗干擾技術(shù)

5、v 4.2.1 串模干擾的抑制v 4.2.2 共模干擾的抑制v 4.2.3 長(zhǎng)線傳輸干擾的抑制4.2.1 串模干擾的抑制串模干擾的抑制v 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)。串模干擾的抑制方法應(yīng)從干擾信號(hào)的特性和來(lái)源入手，采取相應(yīng)的措施，目前常用的措施有用雙紋線和濾波器兩種。v用雙絞線作信號(hào)線用雙絞線作信號(hào)線v 串模干擾主要來(lái)自空間電磁場(chǎng)，采用雙絞線作信號(hào)的目的就是減少電磁感應(yīng)，并使各個(gè)小環(huán)路的感應(yīng)電勢(shì)互相呈反向抵消。 v濾波濾波v 采用濾波器抑制串模干擾是一種常用的方法。v 根據(jù)串模干擾頻率與被測(cè)信號(hào)頻率的分布特性，可以選用低通、高通、帶通等濾波器。v 如果串模干擾頻率

6、比被測(cè)信號(hào)頻率高，則采用低通濾波器來(lái)抑制高頻串模干擾；v 如果串模干擾頻率比被測(cè)信號(hào)頻率低，則采用高通濾波器來(lái)抑制低頻串模干擾；v 如果串模干擾頻率在被測(cè)信號(hào)頻譜的兩側(cè)，則采用帶通濾波器。圖4.7 濾波電路4.2.2共模干擾的抑制共模干擾的抑制v 共模干擾產(chǎn)生的原因：v 不同“地”之間存在的電壓；v 模擬信號(hào)系統(tǒng)對(duì)地的漏阻抗引起的電壓。v 共模干擾電壓的抑制：有效隔離兩個(gè)地之間的電聯(lián)系。 v變壓器隔離變壓器隔離v 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“模擬地”與“數(shù)字地”斷開(kāi)的方法稱為變壓器隔離。 v光電隔離v 光電隔離是目前計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中最常用的一種抗干擾方法，它使用光

7、電耦合器來(lái)完成隔離任務(wù)。v浮地屏蔽v 浮地屏蔽是利用屏蔽層使輸入信號(hào)的“模擬地”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，從而抑制共模干擾的來(lái)源，使共模干擾降至很低的方法。 圖4.9 浮地輸入雙層屏蔽放大電路4.2.3長(zhǎng)線傳輸干擾的抑制長(zhǎng)線傳輸干擾的抑制v終端阻抗匹配v 終端匹配方法如圖4.10(a)、4.10（(b)所示。圖4.10 兩種終端阻抗匹配電路RRP 1212RRRR Rv始端阻抗匹配v 在傳輸線始端串入電阻，也能基本上消除反射，達(dá)到改善波形的目的。如圖4.11所示。v 始端電阻 RRp一Rscv 式中，Rsc為門A輸出低電平時(shí)的輸出阻抗。圖4.11

8、 始端阻抗匹配4.3 接地技術(shù)接地技術(shù)v 4.3.1 地線系統(tǒng)分析v 4.3.2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)輸入環(huán)節(jié)的接地v 4.3.3 主機(jī)系統(tǒng)的接地4.3.1地線系統(tǒng)分析地線系統(tǒng)分析v 廣義的接地包含兩個(gè)方面，即接實(shí)地和接虛地。v 接實(shí)地指的是與大地連接。v 接虛地指的是與電位基準(zhǔn)點(diǎn)近接，若這個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)與大地電氣絕緣，則稱為浮地連接。v 接地的目的：v 一是保證控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，防止地環(huán)路引起的干擾，這常稱為工作接地；v 二是避免操作人員因設(shè)備的絕緣損壞或下降而遭受觸電危險(xiǎn)和保證設(shè)備的安全、這稱為保護(hù)接地。v接地分類接地分類v 安全接地：分為保護(hù)接地、保護(hù)接零兩種形式。v 保護(hù)接地就是將電氣設(shè)備在

9、正常情況下不帶電的金屬外殼與大地之間用良好的金屬連接。如電腦機(jī)箱的接地。v 保護(hù)接零指用電設(shè)備外殼接到零線，當(dāng)一相絕緣損壞與外殼相連，則由該相、設(shè)備外殼、零線形成閉合回路。 v 工作接地：是為電路正常工作而提供的一個(gè)基準(zhǔn)電位。這個(gè)基準(zhǔn)電位一般設(shè)定為零。該基準(zhǔn)電位可以設(shè)為電路系統(tǒng)中的某一點(diǎn)、某一段或某一塊等，一般是控制回路直流電源的負(fù)端。v 工作接地有三種方式：浮地方式、直接接地方式、電容接地方式。v 浮地方式：設(shè)備的整個(gè)地線系統(tǒng)和大地之間無(wú)導(dǎo)體連接，以懸浮的“地”作為系統(tǒng)的參考電平。 v 直接接地方式：設(shè)備的地線系統(tǒng)與大地之間良好連接。 v 電容接地方式：即通過(guò)電容把設(shè)備的地線與大地相連。 v

10、 屏蔽接地v 為了抑制變化電場(chǎng)的干擾，計(jì)算機(jī)控制裝置以及電子設(shè)備中廣泛采用屏蔽保護(hù)。如變壓器的初、次級(jí)間的屏蔽層，功能器件或線路的屏蔽罩等。v 屏蔽接地指屏蔽用的導(dǎo)體與大地之間的良好連接。目的是為了充分抑制靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)的干擾。v接地技術(shù)v 浮地屏蔽接地v 計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中，常采用數(shù)字電子裝置和模擬電子裝置的工作基準(zhǔn)地浮空，而設(shè)備外殼或機(jī)箱采用屏蔽接地。 v 一點(diǎn)接地v 一點(diǎn)接地技術(shù)又有串聯(lián)一點(diǎn)接地和并聯(lián)一點(diǎn)接地兩種形式 。圖4.12一點(diǎn)接地的兩種方法v 多點(diǎn)接地v 將地線用匯流排代替，所有的地線均接至匯流排上。這樣連接時(shí)，地線長(zhǎng)度較短，減少了地線感抗。尤其在高頻電路中，地線越長(zhǎng)，其中的感

11、抗分量越大，而采用一點(diǎn)接地技術(shù)的地線長(zhǎng)度較長(zhǎng)，所以高頻電路中，宜采用多點(diǎn)接地技術(shù)。v 屏蔽接地v 低頻電路電纜的屏蔽層接地：電纜的屏蔽層接地應(yīng)采用單點(diǎn)接地的方式，屏蔽層接地點(diǎn)應(yīng)當(dāng)與電路的接地點(diǎn)一致。對(duì)于多層屏蔽電纜，每個(gè)屏蔽層應(yīng)在一點(diǎn)接地，但各屏蔽層應(yīng)相互絕緣。v 高頻電路電纜的屏蔽層接地：高頻電路電纜的屏蔽層接地應(yīng)采用多點(diǎn)接地的方式。高頻電路的信號(hào)在傳遞中會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁輻射，數(shù)字信號(hào)的傳輸會(huì)嚴(yán)重地衰減，如果沒(méi)有良好的屏蔽，會(huì)使數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生錯(cuò)誤。 v 系統(tǒng)的屏蔽層接地：當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)需要抵抗外界電磁干擾，或需要防止系統(tǒng)對(duì)外界產(chǎn)生電磁干擾時(shí)，應(yīng)將整個(gè)系統(tǒng)屏蔽起來(lái)，并將屏蔽體接到系統(tǒng)地上。例如電腦的

12、機(jī)箱等。 v 設(shè)備接地v 50Hz電源零線應(yīng)接到安全接地螺栓處，對(duì)于獨(dú)立的設(shè)備，安全接地螺栓設(shè)在設(shè)備金屬外殼上，并有良好電氣連接；為防止機(jī)殼帶電，危及人身安全，絕對(duì)不允許用電源零線作地線代替機(jī)殼地線。 v 為防止高電壓、大電流和強(qiáng)功率電路（如繼電器電路等）對(duì)低電壓電路（如高頻電路等）的干擾，一定要將它們分開(kāi)接地，并保證接地點(diǎn)之間的距離。前者為功率地（強(qiáng)電地），后者為信號(hào)地（弱電地），信號(hào)地分為數(shù)字地和模擬地，數(shù)字地與模擬地要分開(kāi)接地，最好采用單獨(dú)電源供電并分別接地，信號(hào)地線應(yīng)與功率地線和機(jī)殼地線相絕緣。4.3.2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)輸入環(huán)節(jié)的接地計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)輸入環(huán)節(jié)的接地v 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的輸

13、入環(huán)節(jié)中，傳感器、變送器、放大器通常采用屏蔽罩，而信號(hào)的傳送往往采用屏蔽線。屏蔽層的接地也采用單點(diǎn)接地的原則。輸人信號(hào)源的地有接地和浮地兩種情況，相應(yīng)的接地電路也有兩種情況。 圖4.13輸入環(huán)節(jié)的接地方式4.3.3 主機(jī)系統(tǒng)的接地主機(jī)系統(tǒng)的接地v (1)主機(jī)一點(diǎn)接地v 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的主機(jī)架內(nèi)采用分別回流法接地方式。主機(jī)與外部設(shè)各地的連接采用一點(diǎn)連接。 圖4.14主機(jī)一點(diǎn)接地v (2)主機(jī)外殼接地，機(jī)芯浮空v 為了提高計(jì)算機(jī)的抗干擾能力，將主機(jī)外殼當(dāng)作屏蔽罩接地，而機(jī)芯內(nèi)器件架空與外殼絕緣隔離，絕緣電阻大于50M，即機(jī)內(nèi)信號(hào)地浮空。 圖4.15 主機(jī)外殼接地機(jī)芯浮空(3)多機(jī)系統(tǒng)的接地4.4

14、供電技術(shù)供電技術(shù)v 4.4.1 交流電源環(huán)節(jié)抗干擾技術(shù)v 4.4.2 直流電源環(huán)節(jié)抗干擾技術(shù)v 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)常用的供電結(jié)構(gòu)如圖4.16所示。 v 供電系統(tǒng)分為交流電源環(huán)節(jié)和直流電源環(huán)節(jié)。 圖4.16計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)常用的供電結(jié)構(gòu)4.4.1 交流電源環(huán)節(jié)抗干擾技術(shù)交流電源環(huán)節(jié)抗干擾技術(shù)v1選用供電較為穩(wěn)定的交流電源選用供電較為穩(wěn)定的交流電源v 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、功率器件多或者有高頻設(shè)備的電源上。v2利用干擾抑制器消除尖峰干擾利用干擾抑制器消除尖峰干擾v 干擾抑制器是一種四端網(wǎng)絡(luò)、使用簡(jiǎn)單。v3采用交流穩(wěn)壓器和低通濾波器穩(wěn)定電

15、網(wǎng)電壓采用交流穩(wěn)壓器和低通濾波器穩(wěn)定電網(wǎng)電壓v 采用交流穩(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以內(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)。v4利用不間斷電源保證不間斷供電利用不間斷電源保證不間斷供電4.4.2 直流電源環(huán)節(jié)抗干擾技術(shù)直流電源環(huán)節(jié)抗干擾技術(shù)v1交流電源變壓器的屏蔽交流電源變壓器的屏蔽v 將電源變壓器的原級(jí)、副級(jí)分別加以屏蔽，原級(jí)的屏蔽層與鐵芯同時(shí)接地。在要求更高的場(chǎng)合，可采用層間也加屏蔽的結(jié)構(gòu)。v2采用開(kāi)關(guān)電源采用開(kāi)關(guān)電源v 直流開(kāi)關(guān)電源即采用功率器件獲得直流電的電源，為脈寬調(diào)制型電源，通常脈沖頻率可達(dá)20kHz，具有體積小、重量輕、效率高、電網(wǎng)電壓變化大，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)間長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。并關(guān)電源原級(jí)、副級(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)的隔離能力。v3