計算機控制技術第4章講述研究4.1計算機控制系統(tǒng)主要干擾分析

4.1.1干擾的來源4.1.2干擾的傳播途徑4.1.3過程通道中的干擾4.1.1干擾的來源干擾的來源是多方面的，有時甚至是錯綜復雜的，對于計算機控制系統(tǒng)來說，干擾既可能來自系統(tǒng)外部，也可能來自系統(tǒng)內部。外部干擾與系統(tǒng)結構無關，僅由使用條件和外部環(huán)境因素決定。內部干擾則是由系統(tǒng)的結構布局、制造工藝產生的。外部干擾主要來自空間電場或磁場的影響，如電氣設備和輸電線發(fā)出的電磁場，太陽或其他星球輻射的電磁波，通信廣播發(fā)射的無線電波，雷電，火花放電、弧光放電等放電現(xiàn)象等。

內部干擾主要有分布電容、分布電感引起的耦合感應，電磁場輻射感應，長線傳輸造成的波反射，多點接地造成的電位差引起的干擾，裝置及設備中各種寄生振蕩引起的干擾，熱噪聲、閃變噪聲、尖峰噪聲等引起的干擾以及元器件產生的噪聲等。圖4.1外部干擾環(huán)境4.1.2干擾的傳播途徑干擾傳播的途徑主要有三種，即靜電耦合，磁場耦合與公共阻抗耦合。

⒈靜電耦合靜電耦合是電場通過電容耦合途徑竄入其他線路的。兩根并排的導線之間會構成分布電容，如印制線路板上印制線路之間、變壓器繞線之間都會構成分布電容。⒉磁場耦合

空間的磁場耦合是通過導體間的互感耦合進來的。在任何載流導體周圍空間中都會產生磁場，而交變磁場則對其周圍閉合電路產生感應電勢。如設備內部的線圈或變壓器的漏磁會引起干擾，還有普通的兩根導線平行架設時，也會產生磁場干擾。⒊公共阻抗耦合公共阻抗耦合發(fā)生在兩個電路的電流流經一個公共阻抗時，一個電路在該阻抗上的電壓降會影響到另一個電路，從而產生干擾噪聲的影響。4.1.3過程通道中的干擾⒈串模干擾串模干擾是指疊加在被測信號上的干擾噪聲，即干擾串聯(lián)在信號源回路中。

圖4.5串模干擾⒉共模干擾共模干擾是指計算機控制系統(tǒng)輸入通道中信號放大器兩個輸入端上共有的干擾電壓。

圖4.6共模干擾⒊長線傳輸干擾由生產現(xiàn)場到計算機的連線往往長達數(shù)百米，甚至幾千米。信號在長線中傳輸除了會受到外界干擾和引起信號延遲外，還可能會產生波反射現(xiàn)象。當信號在長線中傳輸時，由于傳輸線的分布電容和分布電感的影響，信號會在傳輸線內部產生正向前進的電壓波和電流波，稱為入射波。如果傳輸線的終端阻抗與傳輸線的阻抗不匹配，入射波到達終端時會引起反射；同樣，反射波到達傳輸線始端時，如果始端阻抗不匹配，又會引起新的反射，使信號波形嚴重畸變。4.2過程通道抗干擾技術4.2.1串模干擾的抑制4.2.2共模干擾的抑制4.2.3長線傳輸干擾的抑制4.2.1串模干擾的抑制對串模干擾的抑制較為困難，因為干擾Un直接與信號Us串聯(lián)。串模干擾的抑制方法應從干擾信號的特性和來源入手，采取相應的措施，目前常用的措施有用雙紋線和濾波器兩種。⒈用雙絞線作信號線串模干擾主要來自空間電磁場，采用雙絞線作信號的目的就是減少電磁感應，并使各個小環(huán)路的感應電勢互相呈反向抵消。

⒉濾波采用濾波器抑制串模干擾是一種常用的方法。根據串模干擾頻率與被測信號頻率的分布特性，可以選用低通、高通、帶通等濾波器。如果串模干擾頻率比被測信號頻率高，則采用低通濾波器來抑制高頻串模干擾；如果串模干擾頻率比被測信號頻率低，則采用高通濾波器來抑制低頻串模干擾；如果串模干擾頻率在被測信號頻譜的兩側，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產生的原因：不同“地”之間存在的電壓；模擬信號系統(tǒng)對地的漏阻抗引起的電壓。共模干擾電壓的抑制：有效隔離兩個地之間的電聯(lián)系。

⒈變壓器隔離利用變壓器把現(xiàn)場信號源的地與計算機的地隔離開來，也就是把“模擬地”與“數(shù)字地”斷開的方法稱為變壓器隔離。⒉光電隔離光電隔離是目前計算機控制系統(tǒng)中最常用的一種抗干擾方法，它使用光電耦合器來完成隔離任務。⒊浮地屏蔽浮地屏蔽是利用屏蔽層使輸入信號的“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長線傳輸干擾的抑制⒈終端阻抗匹配終端匹配方法如圖4.10(a)、4.10（(b)所示。圖4.10兩種終端阻抗匹配電路R＝RP⒉始端阻抗匹配在傳輸線始端串入電阻，也能基本上消除反射，達到改善波形的目的。如圖4.11所示。始端電阻R＝Rp一Rsc式中，Rsc為門A輸出低電平時的輸出阻抗。圖4.11始端阻抗匹配4.3接地技術4.3.1地線系統(tǒng)分析4.3.2計算機控制系統(tǒng)輸入環(huán)節(jié)的接地4.3.3主機系統(tǒng)的接地4.3.1地線系統(tǒng)分析廣義的接地包含兩個方面，即接實地和接虛地。接實地指的是與大地連接。接虛地指的是與電位基準點近接，若這個基準點與大地電氣絕緣，則稱為浮地連接。接地的目的：一是保證控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地運行，防止地環(huán)路引起的干擾，這常稱為工作接地；二是避免操作人員因設備的絕緣損壞或下降而遭受觸電危險和保證設備的安全、這稱為保護接地。⒈接地分類⑴安全接地：分為保護接地、保護接零兩種形式。保護接地就是將電氣設備在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。如電腦機箱的接地。保護接零指用電設備外殼接到零線，當一相絕緣損壞與外殼相連，則由該相、設備外殼、零線形成閉合回路。⑵工作接地：是為電路正常工作而提供的一個基準電位。這個基準電位一般設定為零。該基準電位可以設為電路系統(tǒng)中的某一點、某一段或某一塊等，一般是控制回路直流電源的負端。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。浮地方式：設備的整個地線系統(tǒng)和大地之間無導體連接，以懸浮的“地”作為系統(tǒng)的參考電平。直接接地方式：設備的地線系統(tǒng)與大地之間良好連接。電容接地方式：即通過電容把設備的地線與大地相連。⑶屏蔽接地為了抑制變化電場的干擾，計算機控制裝置以及電子設備中廣泛采用屏蔽保護。如變壓器的初、次級間的屏蔽層，功能器件或線路的屏蔽罩等。屏蔽接地指屏蔽用的導體與大地之間的良好連接。目的是為了充分抑制靜電感應和電磁感應的干擾。⒉接地技術⑴浮地—屏蔽接地計算機測控系統(tǒng)中，常采用數(shù)字電子裝置和模擬電子裝置的工作基準地浮空，而設備外殼或機箱采用屏蔽接地。⑵一點接地一點接地技術又有串聯(lián)一點接地和并聯(lián)一點接地兩種形式。圖4.12一點接地的兩種方法⑶多點接地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，地線長度較短，減少了地線感抗。尤其在高頻電路中，地線越長，其中的感抗分量越大，而采用一點接地技術的地線長度較長，所以高頻電路中，宜采用多點接地技術。⑷屏蔽接地低頻電路電纜的屏蔽層接地：電纜的屏蔽層接地應采用單點接地的方式，屏蔽層接地點應當與電路的接地點一致。對于多層屏蔽電纜，每個屏蔽層應在一點接地，但各屏蔽層應相互絕緣。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采用多點接地的方式。高頻電路的信號在傳遞中會產生嚴重的電磁輻射，數(shù)字信號的傳輸會嚴重地衰減，如果沒有良好的屏蔽，會使數(shù)字信號產生錯誤。系統(tǒng)的屏蔽層接地：當整個系統(tǒng)需要抵抗外界電磁干擾，或需要防止系統(tǒng)對外界產生電磁干擾時，應將整個系統(tǒng)屏蔽起來，并將屏蔽體接到系統(tǒng)地上。例如電腦的機箱等。⑸設備接地50Hz電源零線應接到安全接地螺栓處，對于獨立的設備，安全接地螺栓設在設備金屬外殼上，并有良好電氣連接；為防止機殼帶電，危及人身安全，絕對不允許用電源零線作地線代替機殼地線。為防止高電壓、大電流和強功率電路（如繼電器電路等）對低電壓電路（如高頻電路等）的干擾，一定要將它們分開接地，并保證接地點之間的距離。前者為功率地（強電地），后者為信號地（弱電地），信號地分為數(shù)字地和模擬地，數(shù)字地與模擬地要分開接地，最好采用單獨電源供電并分別接地，信號地線應與功率地線和機殼地線相絕緣。4.3.2計算機控制系統(tǒng)輸入環(huán)節(jié)的接地在計算機控制系統(tǒng)的輸入環(huán)節(jié)中，傳感器、變送器、放大器通常采用屏蔽罩，而信號的傳送往往采用屏蔽線。屏蔽層的接地也采用單點接地的原則。輸人信號源的地有接地和浮地兩種情況，相應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主機系統(tǒng)的接地(1)主機一點接地計算機控制系統(tǒng)的主機架內采用分別回流法接地方式。主機與外部設各地的連接采用一點連接。圖4.14主機一點接地(2)主機外殼接地，機芯浮空為了提高計算機的抗干擾能力，將主機外殼當作屏蔽罩接地，而機芯內器件架空與外殼絕緣隔離，絕緣電阻大于50M，即機內信號地浮空。圖4.15主機外殼接地機芯浮空(3)多機系統(tǒng)的接地4.4供電技術4.4.1交流電源環(huán)節(jié)抗干擾技術4.4.2直流電源環(huán)節(jié)抗干擾技術計算機控制系統(tǒng)常用的供電結構如圖4.16所示。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計算機控制系統(tǒng)常用的供電結構4.4.1交流電源環(huán)節(jié)抗干擾技術1．選用供電較為穩(wěn)定的交流電源計算機控制系統(tǒng)的電源進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)接到負載變化大、功率器件多或者有高頻設備的電源上。2．利用干擾抑制器消除尖峰干擾干擾抑制器是一種四端網絡、使用簡單。3．采用交流穩(wěn)壓器和低通濾波器穩(wěn)定電網電壓采用交流穩(wěn)壓器是為了抑制電網電壓的波動，提高計算機控制系統(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，還可以對負載短路起限流保護作用。低通濾波器是為了濾除電網中混雜的高頻干擾信號，保證50Hz基波通過。4．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1．交流電源變壓器的屏蔽將電源變壓器的原級、副級分別加以屏蔽，原級的屏蔽層與鐵芯同時接地。在要求更高的場合，可采用層間也加屏蔽的結構。2．采用開關電源直流開關電源即采用功率器件獲得直流電的電源，為脈寬調制型電源，通常脈沖頻率可達20kHz，具有體積小、重量輕、效率高、電網電壓變化大，電網電壓變化時不會輸出過電壓或欠電壓，輸出電壓保持時間長等優(yōu)點。并關電源原級、副級之間具有較好的隔離，對于交流電網上的高頻脈沖干擾有較強的隔離能力。3．采用DC—DC變換器如果系統(tǒng)供電電源不夠穩(wěn)定，或者對直流電源的質量要求較高，可以采用DC—DC變換器，將一種電壓值的直流電源，變換成另一種電壓值的直流電比源。DC—DC變換器具有體積小、性能價格比高、輸入電壓范圍大，輸出電壓穩(wěn)定，對環(huán)境溫度要求低等優(yōu)點。4．各電路設置獨立的直流電源較為復雜的計算機控制系統(tǒng)往往設計了多塊功能電路板，為了防止板與板之間的相互干擾，可以對每塊板設置獨立的直流電源分別供電