【正文】 第 3章 抗干擾技術(shù) ? 引言 ? 干擾的來(lái)源與傳播途徑 ? 串模干擾、共模干擾和長(zhǎng)線傳輸干擾 ? 供電技術(shù)與接地技術(shù) ? 輸入輸出通道信號(hào)隔離技術(shù) ? 控制計(jì)算機(jī)的可靠性技術(shù) ? 數(shù)字濾波技術(shù) 本章主要內(nèi)容 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。 干擾的來(lái)源與傳播途徑 ? 干擾的來(lái)源 ? 干擾的傳播途徑 ? 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 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 31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(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、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外部干擾。 干擾的來(lái)源 動(dòng)畫(huà)鏈接 ? 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 32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。 動(dòng)畫(huà)鏈接 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 干擾的傳播途徑 動(dòng)畫(huà)鏈接 ? 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 33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 U 分布電容 ClC2g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 34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(méi)熱電偶傳感器的有用信號(hào)。 2．磁場(chǎng)耦合 動(dòng)畫(huà)鏈接 ? 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 35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 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 R 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。 動(dòng)畫(huà)鏈接 串模干擾、共模干擾和長(zhǎng)線傳輸干擾 ?引言 ? 串模干擾及其抑制 ? 共模干擾 及其 抑制 ? 長(zhǎng)線傳輸干擾 及其 抑制 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 。 在抗干擾處理時(shí) ， 一般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(lái)分別采取有針對(duì)性的措施 。 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 36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。 串模干擾及其抑制 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)。目前常采用切斷傳播途徑與濾波兩種措施。 動(dòng)畫(huà)鏈接 1． 切斷傳播途徑 ? 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 37給出了帶有屏蔽護(hù)套的多股雙絞線實(shí)物圖。 ? 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， 表 31。 ? 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 100 14 1 23 75 71 1 37 50 112 1 41 25 141 1 43 平行線 1 1 0 ? 2．濾波 ? 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(wú)源元件構(gòu)成濾波器， 圖 38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)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)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 39所示。 動(dòng)畫(huà)鏈接 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 310所示 。 共模干擾及其抑制 1. 共模干擾 動(dòng)畫(huà)鏈接 2 0 l g cmnUC M R RU?共模抑制比 CMRR 1ssn c s c m c ms r rZZU I Z U UZ Z Z? ? ? ??1 2 1 22 1 1 2 21 1 2 2 1 2()s s s sn c s c s c m c m c ms c s c c cZ Z Z ZU I Z I Z U U UZ Z Z Z Z Z? ? ? ? ? ? ? ???? 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。 （ 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(kāi)來(lái)，也就是把 “ 模擬地 ” 與 “ 數(shù)字地 ” 斷開(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。 動(dòng)畫(huà)鏈接 2. 共模干擾的抑制 ? 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312所示 。被測(cè)信號(hào) US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) US1，先通過(guò)調(diào)制器變換成交流信號(hào)，經(jīng)隔離變壓器 B由原邊傳輸?shù)礁边叄缓笥媒庹{(diào)器再將它變換為直流信號(hào) US2，再對(duì) US2進(jìn)行 A/D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)原理在后面輸入