第2章c 总线接口与过程通道new

1、第第2 2章章 总线接口与过程通道总线接口与过程通道计算机控制技术计算机控制技术黄国宏黄国宏广东工业大学信息工程学院应用电子系广东工业大学信息工程学院应用电子系 第第2 2章章 总线接口与过程通道总线接口与过程通道2.5 硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术 2.5.1 过程通道抗干扰技术 2.5.2 CPU抗干扰技术 2.5.3 系统供电与接地技术第第2 2章章 总线接口与过程通道总线接口与过程通道干扰干扰：就是有用信号以外的噪声或造成计算机设备不：就是有用信号以外的噪声或造成计算机设备不能正常工作的破坏因素。能正常工作的破坏因素。抗干扰措施抗干扰措施：硬件措施，软件措施，软硬结合的措施。：硬件措施

2、，软件措施，软硬结合的措施。干扰的来源干扰的来源：外部干扰和内部干扰。：外部干扰和内部干扰。 1、外部干扰外部干扰 指那些与系统结构无关，而是由外界指那些与系统结构无关，而是由外界环境因素环境因素决定决定的。外部干扰主要是的。外部干扰主要是空间电或磁空间电或磁的影响，的影响，环境温环境温 度度、湿度湿度等等气象条件气象条件。第第2 2章章 总线接口与过程通道总线接口与过程通道 2、内部干扰内部干扰 是由是由系统结构系统结构、制造工艺制造工艺等决定的。等决定的。 内部干扰主要是内部干扰主要是分布电容分布电容、分布电感分布电感引起的引起的耦合感耦合感应应，电磁场辐射感应电磁场辐射感应，长线传输的波

3、反射长线传输的波反射，多点接地多点接地造成的电位差造成的电位差引起的干扰，引起的干扰，寄生振荡寄生振荡引起的干扰，甚引起的干扰，甚至至元器件产生的噪声元器件产生的噪声。第第2 2章章 总线接口与过程通道总线接口与过程通道2.6.1 过程通道抗干扰技术过程通道抗干扰技术1.串模干扰及其抑制方法串模干扰及其抑制方法 (1) 串模干扰串模干扰 所谓串模干扰是指叠加在所谓串模干扰是指叠加在被测信号上被测信号上的干扰噪声。的干扰噪声。也称为也称为常态干扰常态干扰。第第2 2章章 总线接口与过程通道总线接口与过程通道（2）串模干扰的抑制方法）串模干扰的抑制方法 如果串模干扰如果串模干扰频率频率比被测信号频

4、率高，则采用输入低通比被测信号频率高，则采用输入低通滤波器来抑制高频率串模干扰；滤波器来抑制高频率串模干扰； 如果串模干扰如果串模干扰频率频率比被测信号频率低，则采用高通滤波比被测信号频率低，则采用高通滤波器来抑制低频串模干扰；器来抑制低频串模干扰； 如果串模干扰如果串模干扰频率频率落在被测信号频谱的两侧，则应用带落在被测信号频谱的两侧，则应用带通滤波器。通滤波器。主要从干扰信号的主要从干扰信号的特性特性和和来源来源入手。入手。第第2 2章章 总线接口与过程通道总线接口与过程通道 一般情况下，一般情况下，串模干扰均比被测信号变化快串模干扰均比被测信号变化快，故常，故常用用二级阻容低通滤波网络二

5、级阻容低通滤波网络作为作为模模/数转换器的输入滤波数转换器的输入滤波器器。当被测信号变化较快时，应相应改变网络参数，以。当被测信号变化较快时，应相应改变网络参数，以适当减小时间常数。适当减小时间常数。第第2 2章章 总线接口与过程通道总线接口与过程通道 2) 当当尖峰型串模干扰尖峰型串模干扰成为主要干扰源时，用双积分成为主要干扰源时，用双积分式式A/D转换器可以削弱串模干扰的影响。转换器可以削弱串模干扰的影响。 因为此类转换器是对输入信号的积分值进行测量，因为此类转换器是对输入信号的积分值进行测量，而不是测量信号的瞬时值。若干扰信号是周期性的而而不是测量信号的瞬时值。若干扰信号是周期性的而积分

6、时间又为信号周期或信号周期的整数倍，则积分积分时间又为信号周期或信号周期的整数倍，则积分后干扰值为零，对测量结果不产生误差。后干扰值为零，对测量结果不产生误差。第第2 2章章 总线接口与过程通道总线接口与过程通道 3) 对于串模干扰主要来自对于串模干扰主要来自电磁感应电磁感应的情况下，对被测信的情况下，对被测信号应尽可能早地进行前置放大，从而达到提高回路中的号应尽可能早地进行前置放大，从而达到提高回路中的信号噪声比的目的；信号噪声比的目的； 或者尽可能早地完成或者尽可能早地完成模模/数转换数转换或采取或采取隔离隔离和和屏蔽屏蔽等等措施。措施。第第2 2章章 总线接口与过程通道总线接口与过程通道

7、 4) 从选择逻辑器件逻辑器件入手，利用逻辑器件的特性来抑制串模干扰。5) 采用双绞线双绞线作信号引线的目的是减少电磁感应，并且使各个小环路的感应电势互相呈反向抵消。选用带有屏蔽的双绞线或同轴电缆做信号线，且有良好接地，并对测量仪表进行电磁屏蔽。 第第2 2章章 总线接口与过程通道总线接口与过程通道 2共模干扰及其抑制方法 (1) 共模干扰共模干扰 所谓共模干扰共模干扰是指模模/数转换器两个输入端上公有的干数转换器两个输入端上公有的干扰电压扰电压。共模干扰也称为共态干扰共态干扰。 被测信号Us的参考接地点参考接地点和计算机输入信号的参考接计算机输入信号的参考接地点地点之间往往存在着一定的电位差

8、电位差Ucm 第第2 2章章 总线接口与过程通道总线接口与过程通道共模干扰示意图共模干扰示意图 对于模模/数转换器的两个输入端数转换器的两个输入端来说，分别有Us+Ucm和Ucm两个输入信号。显然，Ucm是共模干扰电压。第第2 2章章 总线接口与过程通道总线接口与过程通道 在计算机控制系统中，被测信号被测信号有单端对地输入单端对地输入和双端不对地双端不对地两种输入方式，如下图所示。 对于存在共模干扰共模干扰的场合，不能采用单端对地输入单端对地输入方式方式，因为此时的共模干扰电压共模干扰电压将全部成为串模干扰电串模干扰电压压，如左图所示。所以必须采用双端输入不对地方式双端输入不对地方式，如右图所

9、示。第第2 2章章 总线接口与过程通道总线接口与过程通道 ZS、ZS1、ZS2为信号源信号源US的内阻抗的内阻抗，ZC、ZC1、ZC2为输输入电路的输入阻抗入电路的输入阻抗。共模干扰电压Ucm对两个输入端形成两个电流回路，每个输入端输入端A和和B的共模电压共模电压和两个输入端之间的两个输入端之间的共模电压共模电压分别为：111ccscmAZZZUU222ccscmBZZZUUcmcsccscBAABUZZZZZZUUU222111第第2 2章章 总线接口与过程通道总线接口与过程通道 如果此时ZS1=ZS2，ZC1=ZC2，那么UAB=0，表示不会引入共模干扰共模干扰，但上述条件实际上无法满足，

10、只能做到ZS1接近ZS2，ZC1接近ZC2。因此有UAB0，也就是说实际上总存在一定的共模干扰电压总存在一定的共模干扰电压。 显然，当ZS1和ZS2越小，ZC1和ZC2越大，并且ZC1与ZC2越接近时，共模干扰的影响就越小。一般情况下，共模干扰电压Ucm总是转化成一定的串模干扰一定的串模干扰Un出现在两个输入端之间。cmcsccscBAABUZZZZZZUUU222111第第2 2章章 总线接口与过程通道总线接口与过程通道 为了衡量一个输入电路抑制共模干扰的能力，常用共模抑制比共模抑制比CMRR(Common Mode Rejection Ratio)来表示，即Ucm是共模干扰电压共模干扰电压

11、，Un是Ucm转化成的串模干扰电压转化成的串模干扰电压。 显然，对于单端对地输入单端对地输入方式，由于Un=Ucm，所以CMRR=0，说明无共模抑制能力无共模抑制能力。对于双端不对地双端不对地输入输入方式来说，由Ucm引入的串模干扰Un越小，CMRR就越大，所以抗共模干扰能力越强抗共模干扰能力越强。 )(lg20dBUUCMRRncm第第2 2章章 总线接口与过程通道总线接口与过程通道(2)共模干扰的抑制方法 变压器隔离变压器隔离 利用变压器变压器把模拟信号电路模拟信号电路与数字信号电路数字信号电路隔离开来，也就是把模拟地模拟地与数字地数字地断开，以使共模干扰电压cm不成回路，从而抑制了共模干

12、扰。 另外，隔离前和隔离后应分别采用两组互相独立的电源，切断两部分的地线联系。第第2 2章章 总线接口与过程通道总线接口与过程通道 在上图中，被测信号US经放大后，首先通过调制器调制器变换成交流信号交流信号，经隔离变压器隔离变压器B传输到副边，然后用解调器解调器再将它变换为直流信号直流信号US2，再对US2进行A/D变换。第第2 2章章 总线接口与过程通道总线接口与过程通道 光电隔离光电隔离 光电耦合器光电耦合器是由发光二极管发光二极管和光敏三极管光敏三极管封装在一个管壳内组成的，发光二极管两端为信号输入端信号输入端，光敏光敏三极管的集电极和发射极三极管的集电极和发射极分别作为光电耦合器的输出

13、端光电耦合器的输出端，它们之间的信号是靠发光二极管在信号电压的控制下发光，传给光敏三极管来完成的。 第第2 2章章 总线接口与过程通道总线接口与过程通道 浮地屏蔽浮地屏蔽 采用浮地输入双层屏蔽放大器浮地输入双层屏蔽放大器来抑制共模干扰共模干扰，如图所示。这是利用屏蔽方法使输入信号的“模拟地模拟地”浮空，从而达到抑制共模干扰共模干扰的目的。第第2 2章章 总线接口与过程通道总线接口与过程通道 采用仪表放大器提高共模抑制比采用仪表放大器提高共模抑制比 仪表放大器具仪表放大器具有共模抑制能力强、输入阻抗高、漂移低、增益可调等优点，是一种专门用来分离共模干扰与有用信号的器件。 AD620（低功耗，低成

14、本，集成仪表放大器），还有AD623等等.第第2 2章章 总线接口与过程通道总线接口与过程通道3.长线传输干扰及其抑制方法长线传输干扰及其抑制方法(1) 长线传输干扰长线传输干扰 长线的“长”是相对的，和电路运算速度有关； 信号在长线中传输遇到三个问题： 一是长线传输易受到外界干扰; 二是具有信号延时;第第2 2章章 总线接口与过程通道总线接口与过程通道 三是高速度变化的信号在长线中传输时，还会出现波反射现象反射现象。 （阻抗不连续，信号在传输线末端末端突然遇到电缆阻抗很小甚至没有，信号在这个地方就会引起反射反射。这种信号反射的原理，与光从一种媒质进入另一种媒质要引起反射是相似的。消除这种反射

15、的方法，就必须在电缆的末端跨接一个与电缆的特性阻抗同样大小的终端电阻，使电缆的阻抗连续。）第第2 2章章 总线接口与过程通道总线接口与过程通道(2)长线传输干扰的抑制方法 采用终端阻抗匹配或始端阻抗匹配，可以消除长线传输中的波反射或者把它抑制到最低限度。 为了避免外界干扰的影响，在计算机中常常采用双双绞线绞线（双绞线是由两条导线按一定扭距相互绞合在一起的类似于电话线的传输媒体，每根线加绝缘层并有颜色来标记）和同轴电缆同轴电缆（同轴电缆可分为两类：粗缆和细缆，这种电缆在实际应用中很广，比如有线电视网，就是使用同轴电缆。第第2 2章章 总线接口与过程通道总线接口与过程通道不论是粗缆还是细缆，其中央

16、都是一根铜线，外面包有绝缘层）作信号线。 双绞线的波阻抗一般在100至200之间，绞花越密，波阻抗越低。第第2 2章章 总线接口与过程通道总线接口与过程通道2.5.2 CPU抗干扰技术计算机控制系统的CPU抗干扰措施常常采用 Watchdog(俗称看门狗) 电源监控(掉电检测及保护) 复位 第第2 2章章 总线接口与过程通道总线接口与过程通道2.5.3 系统供电与接地技术 1供电技术供电技术2接地技术接地技术 第第2 2章章 总线接口与过程通道总线接口与过程通道1供电技术供电技术 (1) 供电系统的一般保护措施 交流稳压器交流稳压器用来保证220V AC供电，交流电网频率为50HZ，其中混杂了

17、部分高频干扰信号高频干扰信号。为此采用低低通滤波器通滤波器让50HZ的基波通过，而滤除高频干扰信号。最后由直流稳压电源给计算机供电. 第第2 2章章 总线接口与过程通道总线接口与过程通道 (2) 电源异常的保护措施电源异常的保护措施 计算机控制系统的供电不允许中断，一旦中断将会影响生产。为此，可采用不间断电源UPS 。第第2 2章章 总线接口与过程通道总线接口与过程通道 UPS自身逆变器自身逆变器的输入直流总线和外接电池组均与用户原有的48V通信电源无任何直接的电气连接，所以不会对程控机产生任何传导干扰。 输入电压偏高或偏低时，即转为电池放电 。通过改进控制器控制器的工作，可以减轻电池组放电的

18、频率，减少电池损坏。第第2 2章章 总线接口与过程通道总线接口与过程通道2接地技术接地技术(1) 地线系统分析地线系统分析 在计算机控制系统中，一般有以下几种地线：模拟模拟地地、数字地数字地、安全地安全地、系统地系统地、交流地交流地。 模拟地模拟地作为传感器、变送器、放大器、A/D和D/A转换器中模拟电路的零电位模拟电路的零电位。数字地数字地作为计算机中各种数字电路的零电位，应该与模拟地分开，避免模拟信号受数字脉冲的干扰。第第2 2章章 总线接口与过程通道总线接口与过程通道 安全地安全地的目的是使设备机壳与大地等电位，以避免机壳带电而影响人身及设备安全人身及设备安全。通常安全地安全地又称为保护地保护地或机壳地机壳地，机壳包括机架、外壳、屏蔽罩等。 系统地系