第五章硬件抗干擾技術(shù)

第五章硬件抗干擾技術(shù)第一頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四計(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)的可靠性，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)的運(yùn)行混亂，造成生產(chǎn)事故。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。引言第二頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四干擾的來源是多方面的，有時(shí)甚至是錯(cuò)綜復(fù)雜的。干擾有的來自外部，有的來自內(nèi)部。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1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，如太陽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、高頻爐、電焊機(jī)等都會(huì)產(chǎn)生干擾；此外，熒光燈、開關(guān)、電流斷路器、過載繼電器、指示燈等具有瞬變過程的設(shè)備也會(huì)產(chǎn)生較大的干擾；來自電源的工頻干擾也可視為外部干擾。

4.1干擾的來源

第三頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四第四頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四內(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8-2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)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擾以及熱噪聲、閃變?cè)肼?、尖峰噪聲等引入的干擾；甚至元器件產(chǎn)生的噪聲等。

圖8-2內(nèi)部干擾環(huán)境第五頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四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)耦合，公共阻抗耦合。1．靜電耦合4.2干擾的傳播途徑第六頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四靜電耦合是電場(chǎng)通過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。圖8-3給出兩根平行導(dǎo)線之間靜電耦合的示意電路，Cl2是兩個(gè)導(dǎo)線之間的分布電容，C1g、C2g是導(dǎo)線對(duì)地的電容，R是導(dǎo)線2對(duì)地電阻。如果導(dǎo)線1上有信號(hào)U1存在，那么它就會(huì)成為導(dǎo)線2的干擾源，在導(dǎo)線2上產(chǎn)生干擾電壓Un。顯然，干擾電壓Un與干擾源U1、分布電容Cl2、C2g的大小有關(guān)。第七頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四空間的磁場(chǎng)耦合是通過導(dǎo)體間的互感耦合進(jìn)來的。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，如圖8-4所示。如果導(dǎo)線1為承載著10kVA、220V的交流輸電線，導(dǎo)線2為與之相距1米并平行走線10米的信號(hào)線，兩線之間的互感M會(huì)使信號(hào)線上感應(yīng)到的干擾電壓Un高達(dá)幾十毫伏。如果導(dǎo)線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淹沒熱電偶傳感器的有用信號(hào)。

2．磁場(chǎng)耦合第八頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四第九頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四公共阻抗耦合發(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。圖8-5給出一個(gè)公共電源線的阻抗耦合示意圖。3．公共阻抗耦合第十頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四

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。第十一頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四4.3硬件抗干擾措施引言4.3.1串模干擾的抑制4.3.2共模干擾的抑制4.3.3長(zhǎng)線傳輸干擾的抑制4.3.4信號(hào)線的選擇與敷設(shè)4.3.5電源系統(tǒng)的抗干擾4.3.6接地系統(tǒng)的抗干擾

第十二頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四引言

了解了干擾的來源與傳播途徑，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)線傳輸干擾來分別考慮外，還要從布線、電源、接地等方面考慮。第十三頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四

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，由Ia產(chǎn)生的電磁干擾信號(hào)就會(huì)通過分布電容C1和C2的耦合，引至計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的輸入端。4.3.1串模干擾的抑制第十四頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四對(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。第十五頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四1．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，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8-7給出了帶有屏蔽護(hù)套的多股雙絞線實(shí)物圖。8-7.雙交線第十六頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四采用雙絞線作信號(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，見表8-1。雙絞線可用來傳輸模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接和多點(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。第十七頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四表8-1雙絞線節(jié)距對(duì)串模干擾的抑制效果節(jié)距(mm)干擾衰減比屏蔽效果1001412375711375011214125141143平行線110第十八頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四2．引入濾波電路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)，則需用帶通濾波器。一般采用電阻R、電容C、電感L等無源元件構(gòu)成濾波器，圖8-8（a）所示為在模擬量輸入通道中引入的一個(gè)無源二級(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結(jié)合起來，對(duì)于小信號(hào)可以采取以反饋放大器為基礎(chǔ)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8-8(b)所示。第十九頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四第二十頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四

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)生原因如圖8-9所示。4.3.2共模干擾的抑制第二十一頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四第二十二頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四在計(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，這類信號(hào)傳輸線通常長(zhǎng)達(dá)幾十米以至上百米，這樣，現(xiàn)場(chǎng)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Ucm。這個(gè)Ucm是加在放大器輸入端上共有的干擾電壓，故稱共模干擾電壓。既然共模干擾產(chǎn)生的原因是不同“地”之間存在的電壓，以及模擬信號(hào)系統(tǒng)對(duì)地的漏阻抗。因此，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。第二十三頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四1．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)的地隔離開來，也就是把“模擬地”與“數(shù)字地”斷開。被測(cè)信號(hào)通過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。

第二十四頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四2．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)中已作過詳細(xì)介紹。利用光耦隔離器的開關(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開關(guān)量輸入信號(hào)調(diào)理電路中，光耦隔離器不僅把開關(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。第二十五頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四第二十六頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四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，如圖8-12所示。第二十七頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四第二十八頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四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，從而抑制了共模干擾的來源，使共模干擾降至很低，圖8-13給出了一種浮地輸入雙層屏蔽放大電路。3．浮地屏蔽第二十九頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四第三十頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四

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(機(jī)殼地)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)中的放大器是采用雙端差動(dòng)輸入方式。這樣模擬地與數(shù)字地之間的共模電壓Ucm在進(jìn)入到放大器以前將會(huì)被衰減到很小很小。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。因此，這種浮地屏蔽系統(tǒng)對(duì)抑制共模干擾是很有效的。第三十一頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四

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)來說，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)字電路來說，l米左右的連線就應(yīng)當(dāng)作長(zhǎng)錢來看待；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，稱為入射波。4.3.3長(zhǎng)線傳輸干擾的抑制第三十二頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四1．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)傳輸線的波阻抗RP，波阻抗RP的測(cè)量如圖8-14所示。圖中的信號(hào)傳輸線為雙絞線，在傳輸線始端通過與非門加入標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，用示波器觀察門A的輸出波形，調(diào)節(jié)傳輸線終端的可變電阻R，當(dāng)門A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，這時(shí)的R值就是該傳輸線的波阻抗，即RP＝R。第三十三頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四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。雙絞線的波阻抗一般在100～200Ω之間，絞花愈密，波阻抗愈低。同軸電纜的波阻抗約50～100Ω范圍。第三十四頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四2．終端阻抗匹配最簡(jiǎn)單的終端阻抗匹配方法如圖8-15（a）所示。如果傳輸線的波阻抗是RP，那么當(dāng)R＝RP時(shí)，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。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，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8-15（b）所示的終端匹配方法。第三十五頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四第三十六頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四適當(dāng)調(diào)整R1和R2的阻值，可使R=RP。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情況，可選取R1=R2=2RP，此時(shí)等效電阻R=RP。實(shí)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，可通過適當(dāng)選取電阻R1和R2，并使R1＞R2來達(dá)到此目的，當(dāng)然還要保證等效電阻R=RP。第三十七頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四3．始端阻抗匹配在傳輸線始端串入電阻R，如圖8-16所示，也能基本上消除反射，達(dá)到改善波形的目的。一般選擇始端匹配電阻R為R＝RP－RSC（8-3）其中，RSC為門A輸出低電平時(shí)的輸出阻抗。第三十八頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四4.3.4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)線的選擇與敷設(shè)也是個(gè)不容忽視的問題。如果能合理地選擇信號(hào)線，并在實(shí)際施工中又能正確地敷設(shè)信號(hào)線，那么可以抑制干擾；反之，將會(huì)給系統(tǒng)引入干擾，造成不良影響。1．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)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)該盡量選用價(jià)錢便宜，敷設(shè)方便的信號(hào)線。第三十九頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四（1）信號(hào)線類型的選擇在精度要求高、干擾嚴(yán)重的場(chǎng)合，應(yīng)當(dāng)采用屏蔽信號(hào)線。表8-2列出幾種常用的屏蔽信號(hào)線的結(jié)構(gòu)類型及其對(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%）376：151.5帶有焊藥，易接地，通用性好鋁聚酯樹脂帶迭卷6610：176.4應(yīng)使用電纜溝，抗干擾效果最好表8-2屏蔽信號(hào)線性能及其效果第四十頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四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)。（2）信號(hào)線粗細(xì)的選擇從信號(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1.5mm2和1.0mm2兩種。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。第四十一頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四2．信號(hào)線的敷設(shè)選擇了合適的信號(hào)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。第四十二頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四（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８－３號(hào)線和交流電力線之間的最少間距，供布線時(shí)參考。第四十三頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四表８-３信號(hào)線和電力線之間的最少間距電力線容量信號(hào)線和電力線之間的最少間距（cm）電壓（V）電流（A）1251012250501844020024500080048第四十四頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四（4）信號(hào)電纜與電源電纜必須分開，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)滿足以下條件：①電纜溝內(nèi)要設(shè)置隔板，且使隔板與大地連接，如圖8-17（a）所示。②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8-17（b）（c）所示；如果電源電纜無屏蔽，且為交流電壓220VAC、電流10A時(shí)，兩者間距應(yīng)在60cm以上。③電源電纜使用屏蔽罩，如圖8-17（d）所示。第四十五頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四第四十六頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四4.3.5電源系統(tǒng)的抗干擾計(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。第四十七頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四理想的交流電應(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，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)第四十八頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四第四十九頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四

(1)選用供電比較穩(wěn)定的進(jìn)線電源計(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。（2）利用干擾抑制器消除尖峰干擾干擾抑制器使用簡(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源四端網(wǎng)絡(luò)，目前已有產(chǎn)品出售。圖8-19利用干擾抑制器的電源系統(tǒng)第五十頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四（3）采用交流穩(wěn)壓器穩(wěn)定電網(wǎng)電壓計(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。圖8-20一般交流供電系統(tǒng)第五十一頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四（4）利用UPS保證不中斷供電電網(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)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)通過交流穩(wěn)壓器、切換開關(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。第五十二頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四圖8-21不間斷電源ＵＰＳ供電系統(tǒng)第五十三頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四（5）掉電保護(hù)電路對(duì)于沒有使用UPS的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，為了防止掉電后RAM中的信息丟失，可以采用鎳電池對(duì)RAM數(shù)據(jù)進(jìn)行掉電保護(hù)。圖8-22是一種某計(jì)算機(jī)系統(tǒng)64KB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)，由外部電源+5V供電，A點(diǎn)電平高于備用電池（3V）電壓，VD2截止，存儲(chǔ)器由主電源（＋5V）供電。系統(tǒng)掉電時(shí)，A點(diǎn)電位低于備用電池電壓，VD1截止，VD2導(dǎo)通，由備用電池向RAM供電。當(dāng)系統(tǒng)恢復(fù)供電時(shí)，VD1重新導(dǎo)通，VD2截止，又恢復(fù)主電源供電。第五十四頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四第五十五頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四

2．直流電源系統(tǒng)在自行研制的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，無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。（1）交流電源變壓器的屏蔽把高壓交流變成低壓直流的簡(jiǎn)單方法是用交流電源變壓器。因此，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8-23（a）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8-23（b）所示。第五十六頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四第五十七頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四（2）采用直流開關(guān)電源直流開關(guān)電源是一種脈寬調(diào)制型電源，由于脈沖頻率高達(dá)20kHZ，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（＞70％）、電網(wǎng)電壓范圍大[（－20％～10％）×220V]、電網(wǎng)電壓變化時(shí)不會(huì)輸出過電壓或欠電壓、輸出電壓保持時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。開關(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)的隔離能力?，F(xiàn)在已有許多直流開關(guān)電源產(chǎn)品，一般都有幾個(gè)獨(dú)立的電源，如±5V，±12V，±24V等。第五十八頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四（3）采用DC-DC變換器如果系統(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-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)。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。第五十九頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四（4）每塊電路板的直流電源當(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)電壓過載進(jìn)行保護(hù)，不會(huì)因?yàn)槟硞€(gè)穩(wěn)壓塊出現(xiàn)故障而使整個(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。第六十頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四（5）集成電路塊的VCC加旁路電容集成電路的開關(guān)高速動(dòng)作時(shí)會(huì)產(chǎn)生噪聲，因此無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，將開關(guān)電流經(jīng)過的線路局限在板內(nèi)一個(gè)極小的范圍內(nèi)。旁路電容可用0.01～0.1μF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)毫無意義。第六十一頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四4.3.6接地系統(tǒng)的抗干擾

廣義的接地包含兩方面的意思，即接實(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，當(dāng)這個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)與大地電氣絕緣，則稱為浮地連接。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，常稱為工作接地；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)和保證設(shè)備的安全，這稱為保護(hù)接地。本節(jié)主要討論工作接地技術(shù)。第六十二頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四在計(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。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。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，避免模擬信號(hào)受數(shù)字脈沖的干擾。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。第六十三頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四交流地是計(jì)算機(jī)交流供電的動(dòng)力線地或稱零線，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，交流地也容易帶來各種干擾。因此，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。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。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)、安裝、調(diào)試中的重要問題。第六十四頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四1．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“長(zhǎng)線傳輸”引入的干擾。一般來說，當(dāng)頻率低于1MHZ時(shí)，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1~10MHZ之間，如果采用單點(diǎn)接地，其地線長(zhǎng)度不得超