第三章_测控系统抗干扰技术

1、2022-2-41第三章第三章 计算机测控系统的计算机测控系统的 抗干扰技术抗干扰技术2022-2-42干扰含义干扰含义：有用信号以外的噪声或造成计算机设备不能正常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。工作的破坏因素。 干扰是在信号输入、传输和输出过程中出现的一些有害的电气变化现象。这些变化迫使信号的传输值、 指示值或输出值出现误差, 出现假像。干扰的危害干扰的危害：干扰对电路的影响, 轻则降低信号的质量, 影响 系统的稳定性; 重则破坏电路的正常功能, 造成 逻辑关系混乱, 控制失灵。2022-2-43研究的内容：研究的内容：干扰源、干扰类型、干扰传播途径、干扰源、干扰

2、类型、干扰传播途径、 抗干扰措施。抗干扰措施。系统抗干扰策略：系统抗干扰策略：软硬结合抗干扰。硬件措施应当将大部软硬结合抗干扰。硬件措施应当将大部 分干扰消除，软件措施消除余下的部分。分干扰消除，软件措施消除余下的部分。可靠性（可靠性（Reliability）：系统的可靠程度。与系统的内在系统的可靠程度。与系统的内在 质量、系统的设计水平、使用环境、运行维护水平质量、系统的设计水平、使用环境、运行维护水平 有关。是衡量系统的主要性能指标。有关。是衡量系统的主要性能指标。 包括：包括：硬件的可靠性、软件的可靠性。影响系统硬件可硬件的可靠性、软件的可靠性。影响系统硬件可靠性的主要因素就是干扰。靠性

3、的主要因素就是干扰。2022-2-443.1 干扰源及干扰分类干扰源及干扰分类3.1.1 干扰源干扰源干扰源：干扰的来源或造成干扰的原因。干扰源：干扰的来源或造成干扰的原因。分类：分类： 按干扰源来分，有内部干扰和外部干扰。按干扰源来分，有内部干扰和外部干扰。1.内部干扰内部干扰 由系统结构、制造工艺、安装等内在原因引起的干扰。由系统结构、制造工艺、安装等内在原因引起的干扰。 主要原因：主要原因： (1)元器件噪声；元器件噪声； (2)分布电容、电感引起的电磁感应；分布电容、电感引起的电磁感应； (3)长线传输中波的反射；长线传输中波的反射； (4)多点接地引起的电位差；多点接地引起的电位差；

4、 (5)电源系统引入的干扰。电源系统引入的干扰。2022-2-453.1.1 2.外部干扰外部干扰 由外界环境因素引起的干扰。由外界环境因素引起的干扰。 主要原因：主要原因：(1)大功率设备、输大功率设备、输电线路发生的电磁场；电线路发生的电磁场；(2)广播和通信设备广播和通信设备发射的无线电波；发射的无线电波；(3)自然界干扰，包括：天体自然界干扰，包括：天体辐射、雷电、气温、湿度等。辐射、雷电、气温、湿度等。 *内外干扰本质相同内外干扰本质相同,相互关联相互关联,相互作用。通常采取相互作用。通常采取消除干消除干扰源、避开干扰源、切断干扰传播途径扰源、避开干扰源、切断干扰传播途径的方法，有效

5、消的方法，有效消除干扰。除干扰。干扰作用方式分类：干扰作用方式分类：串模干扰、共模干扰、串模干扰、共模干扰、长线传输干扰长线传输干扰2022-2-463.1.2 串模干扰串模干扰串模干扰：串模干扰：串联于有用信号回路之中的干扰，即叠加在有用信号之上。串联于有用信号回路之中的干扰，即叠加在有用信号之上。原因原因(1) 内部干扰（信号源内部叠加的干扰）内部干扰（信号源内部叠加的干扰） (2) 电磁耦合引起的干扰（长线传输、空间电磁场、工频干扰）电磁耦合引起的干扰（长线传输、空间电磁场、工频干扰） 串模干扰示意图串模干扰示意图 电磁耦合引入串模干扰电磁耦合引入串模干扰 UsUn信号信号接收接收端端2

6、022-2-47图3-1 串模干扰示意图A/D转换器UsUg信号源A/D转换器UsUg理想被测信号UsOUgOt串模干扰信号UcOtt实测信号(a)(b)(c)2022-2-48串模抑制比：串模抑制比：衡量系统抑制串模干扰的能力。衡量系统抑制串模干扰的能力。定义定义： NMRR = 20lg(Un / Ui) (dB) Un:串模干扰信号的幅值；串模干扰信号的幅值； Ui：Un引起输出的改变折合到输入端的偏移量。引起输出的改变折合到输入端的偏移量。效果：效果：Ui越小，抗串模干扰的能力越强，即越小，抗串模干扰的能力越强，即NMRR越大。越大。3.1.2串模干扰也称为差模干扰、横向干扰、常模干扰

7、或常态干扰串模干扰也称为差模干扰、横向干扰、常模干扰或常态干扰。2022-2-493.1.3 共模干扰共模干扰 共模干扰共模干扰：共模干扰是系统共模干扰是系统2个输入端上共有的干扰电压。个输入端上共有的干扰电压。 也称对地干扰、共态干扰。也称对地干扰、共态干扰。 原因原因：被测信号的接地点和计算机输入信号的参考接地点，被测信号的接地点和计算机输入信号的参考接地点，存在一定的电位差。存在一定的电位差。 共模干扰示意图共模干扰示意图 UA=Us+Ucm UB=Ucm Us信号信号接收接收端端 UcmAB2022-2-410图图9.3 串模干扰与共模干扰波形串模干扰与共模干扰波形(a) 直流信号；

8、(b) 串模干扰； (c) 共模干扰； (d) 串模干扰与共模干扰共同作用2022-2-4113.1.3 由于现场与计算机之间相差几米甚至几千米，取决于现由于现场与计算机之间相差几米甚至几千米，取决于现场情况和计算机的接地情况，场情况和计算机的接地情况，Ucm可以是直流，也可以是交可以是直流，也可以是交流；幅值可以是几伏甚至几十伏。流；幅值可以是几伏甚至几十伏。 共模干扰的影响共模干扰的影响：共模干扰对放大器的影响，是因转换共模干扰对放大器的影响，是因转换成串模干扰而加到输入端的。成串模干扰而加到输入端的。 共模抑制比：共模抑制比：衡量系统抑制共模干扰转化为串模干扰的衡量系统抑制共模干扰转化为

9、串模干扰的能力。能力。 定义：定义： CMRR = 20lg(Ucm/Un) (dB) Un:是共模干扰信号是共模干扰信号Ucm转换成串模干扰的电压幅值；转换成串模干扰的电压幅值； 效果：效果：Un越小，抗共模干扰的能力越强，即越小，抗共模干扰的能力越强，即CMRR越大。越大。 CMRR与信号的输入方式有关，分单端输入和差动输入与信号的输入方式有关，分单端输入和差动输入2种种形式。形式。2022-2-4121.单端输入：一个单端输入：一个输入信号，地端为输入信号，地端为参考电压；参考电压；2.差动输入：差动输入：2个个输入信号，输入信号，1个是个是高电平，一个是低高电平，一个是低电平，以电平，

10、以2个信号个信号的差值来决定信的差值来决定信号的幅值。号的幅值。3.1.3Us信号信号接收接收器器UcmZ iA单端对地输入单端对地输入ZsIcZs1Us信号信号接收接收器器UcmZc1A差动输入差动输入Ic1Zs2Ic2Zc2A2022-2-4133.1.4 干扰传播的途径干扰传播的途径1电路传播的干扰：任何电路在传递与处理有效信号的同电路传播的干扰：任何电路在传递与处理有效信号的同时，也会对进入电路中的干扰信号进行传递。时，也会对进入电路中的干扰信号进行传递。 (1)漏电阻漏电阻: 理论上与干扰源断开的电路，由于漏电阻会形成理论上与干扰源断开的电路，由于漏电阻会形成回路，导致干扰的引入。回

11、路，导致干扰的引入。 (2) 公共阻抗公共阻抗 公共电源线的阻抗耦合公共电源线的阻抗耦合有效信号有效信号高压线高压线漏电阻漏电阻汇流条汇流条Rp1Rp2RpnRn1Rn2Rnni1i2ini1i1+i2njjij1回流条回流条2022-2-414 模拟信号和数字信号分开接地模拟信号和数字信号分开接地: : （a）未分开接地）未分开接地 （b）未分开接地）未分开接地 （c）分开接地）分开接地（3）信号输入）信号输入/输出回路输出回路（4）电源回路）电源回路3.1.4模拟模拟系统系统数字数字系统系统模拟模拟系统系统数字数字系统系统模拟模拟系统系统数字数字系统系统2022-2-4153.1.42、电

12、磁场传播的干扰电磁场传播的干扰 静电耦合：静电耦合：静电场干扰通过分布电容耦合进入系统静电场干扰通过分布电容耦合进入系统 两根平行导线之间的、印刷线路之间、变压器线两根平行导线之间的、印刷线路之间、变压器线匝之间、绕组之间都可能构成分布电容。匝之间、绕组之间都可能构成分布电容。 (2)电磁耦合：电磁耦合：电磁耦合干扰通过电感引入感应电势电磁耦合干扰通过电感引入感应电势 两条平行导线间会产生磁场耦合两条平行导线间会产生磁场耦合 (3) 辐射电磁场耦合：辐射电磁场耦合：具有天线效应的电源线和长信号线具有天线效应的电源线和长信号线会对空间电磁场产生接收作用，感应出干扰信号。会对空间电磁场产生接收作用

13、，感应出干扰信号。 2022-2-4163.2 干扰抑制干扰抑制1消除或抑制干扰源消除或抑制干扰源 消除和抑制干扰源是行之有效的抗干扰措施之一，如：选择热噪声小的元器件、把产生干扰的大功率设备移开、避免信号电缆与电源电缆平行敷设、在各种强电触点开关上采取消弧措施等等。2切断引入干扰的途径切断引入干扰的途径(1) 提高绝缘性能，消除或抑制漏电阻；(2) 正确的接地技术；(3) 隔离技术，切断信号传输中电的联系；(4) 屏蔽、浮置技术，防止电磁场干扰； (5) 滤波技术，阻止干扰信号进入系统。3提高设备本身抗干扰的性能提高设备本身抗干扰的性能 使用高质量元器件、优化设计线路板等2022-2-417

14、3.2.1 串模干扰的抑制串模干扰的抑制1滤波技术滤波技术 滤波是抗串模干扰的通常做法，在有效信号和干扰信号特性显著不同时，则滤波效果十分有效。 滤波器的形式： - 低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器等； - 模拟滤波器、数字滤波器； 模拟滤波器又分： - 无源滤波器和有源滤波器（滤波+放大）2使用双积分式使用双积分式A/D转换器转换器 克服工频干扰以及对称干扰的影响。3使用双绞屏蔽信号传输线使用双绞屏蔽信号传输线 减少电磁感应产生的干扰 4选用高抗干扰性的元器件选用高抗干扰性的元器件：高逻辑电平高逻辑电平 、V/F转换器5供电技术与阻抗匹配技术供电技术与阻抗匹配技术2022-2-4183.2

15、.2 共模干扰的抑制共模干扰的抑制1差动输入差动输入2隔离技术隔离技术 切断电量通道，把信号侧与输入侧隔离开来，使共模电切断电量通道，把信号侧与输入侧隔离开来，使共模电压形不成电流电路，以光耦合或磁耦合作用将有效信号传递压形不成电流电路，以光耦合或磁耦合作用将有效信号传递至输入端。至输入端。 光电隔离 ：传输脉冲信号，也可传递模拟信号 变压器隔离：对信号进行调制和解调3浮地与屏蔽浮地与屏蔽 浮地：使模拟地浮空，提高整个回路对于共模干扰电压的阻抗屏蔽：屏蔽外部电磁场对模拟放大部分的干扰 模拟量输入通道采用三线采样、双层屏蔽、放大器浮地模拟量输入通道采用三线采样、双层屏蔽、放大器浮地的方式的方式

16、，电路原理框图如图3-13所示 。三线采样保证在非采样期间切断Ucm形成电流回路，双层屏蔽和浮地大大提高了CMRR 2022-2-419图图3-11 变压器隔离电路变压器隔离电路图图3-12 光电隔离光电隔离 2022-2-420图3-13 三线采样、双层屏蔽、放大器浮地原理图2022-2-4213.2.3 长线传输干扰的抑制长线传输干扰的抑制 终端（始端）阻抗匹配技术终端（始端）阻抗匹配技术： 针对传输线的阻抗（双绞线的波阻抗一般在100200之间，同轴电缆的波阻抗在50100之间）。设计适宜的终端（始端）阻抗匹配电路。 2022-2-4223.3 其它抗干扰技术其它抗干扰技术3.3.1地线

17、与接地技术计算机控制系统中的地线有计算机控制系统中的地线有: : 安全地： 机壳地或屏蔽地，特征是不作为电流回流的地线。接地电阻要求小于5 电源或信号参考电位：电源或信号的参考地电位 数字地、 模拟地、 功率地2022-2-423接地的应用原则接地的应用原则 (1) 一般高频电路应就近多点接地, 低频电路应一点接地。在高频电路中, 地线上具有电感, 因而增加了地线阻抗, 而且地线变成了天线, 向外辐射噪声信号, 因此, 要多点就近接地。在低频电路中, 接地电路若形成环路, 对系统影响很大, 因此应一点接地。 2022-2-4243.3.1单点接地单点接地电路电路1电路电路2电路电路3串联一点接

18、地串联一点接地并联一点接地并联一点接地电路电路1电路电路2电路电路3信号地线信号地线噪声地线噪声地线金属件接地金属件接地实用低频接地实用低频接地2022-2-425 (2) 交流地、功率地与信号地不能公用。 流过交流地和功率地的电流较大, 会造成数毫伏、甚至几伏电压, 这会严重地干扰低电平信号的电路, 因此信号地与交流地、功率地分开。 (3) 数字地与模拟地应分开, 最后单点相连。 数字地模拟地安全地(机壳地)系统地接地板横汇流条纵汇流条横汇流条纵汇流条模拟地数字地图3.17(a) 回流法接地示例分别回流法分别回流法：电路中把模拟地和数字地分开，采用汇流条分别走线，最终在一点把两个地接在一起。

19、 2022-2-4263.3.1信号屏蔽层接地：单点接地信号屏蔽层接地：单点接地机柜接地：机柜接地： 机柜内安装的内部机件外壳应保证与机柜有很好的接触，机柜应当与大地一点相连。 内部电路应当浮空，与机柜的绝缘电阻应大于50M。2022-2-4271、供电技术供电技术 图图 一般供电结构一般供电结构交流交流稳压器稳压器低低 通通滤波器滤波器计算机计算机直直 流流 稳压器稳压器220V AC3.3.2 电源及供电技术电源及供电技术2022-2-4283.3.2 电源及供电技术电源及供电技术2. 抗电源干扰技术抗电源干扰技术(1)交流电源系统的抗干扰交流电源系统的抗干扰 消除电源中高频干扰，常采用带

20、屏蔽的变压器隔离和滤波技术 (2) 直流电源系统的抗干扰直流电源系统的抗干扰采用逆变式开关电源(DC/DC变换器): 防止工频干扰 采用退耦电容器 ：以消除电源内阻所产生的干扰 分组供电。 把变压器隔离，光电隔离输入与输出部分的电源分开，单独供电。（3）电源保护）电源保护 配置不间断电源装置（UPS）。在正常情况下，来自电网的220VAC给系统供电，同时，也对电池组充电。当交流供电中断后，控制器立即将开关切至逆变器的输出端，电池组为逆变器供电，输出交流220V电压，对系统供电。 设置双回路供电系统、掉电中断等2022-2-4293.3.2 软件抗干扰技术软件抗干扰技术1、数字滤波数字滤波 数字

21、滤波是通过一定的算法程序，进一步消除信号中的低频或高频干扰。数字滤波算法种类很多，常用的如：算术平均滤波可消除周期性干扰信号；中值滤波可去掉脉冲性的干扰；一阶滞后滤波相当于RC滤波器。 2、信号监督信号监督 充分利用计算机的判断能力，对系统输入与输出信号进行判别与监督。如上下限监督、多测点表决方式输入 、接入标准验证信号等。 3、系统监督系统监督 对整个计算机系统工作状态的监督 ，如诊断程序等。2022-2-430计算机控制系统工作特点：计算机控制系统工作特点： 环境恶劣、干扰严重、对可靠性要求高环境恶劣、干扰严重、对可靠性要求高对计算机控制系统的评价：对计算机控制系统的评价： 性能指标、可靠

22、性性能指标、可靠性 （两方面都重要）（两方面都重要） 3.4 系统的可靠性系统的可靠性2022-2-4313.4.1 系统可靠性指标系统可靠性指标 什么是计算机控制系统的可靠性什么是计算机控制系统的可靠性？ 在规定的条件下、在规定的时间内完成规定任务的能在规定的条件下、在规定的时间内完成规定任务的能力。是个定性的概念。力。是个定性的概念。 有两层含义：有两层含义： 在规定时间内无故障运行；在规定时间内无故障运行； 故障后维修方便。故障后维修方便。 2022-2-432可靠性的定量描述：可靠性的定量描述： 如下图，系统运行时间 后发生故障，需维修时间 。 ktkT, 2 , 1 k可定义以下可靠

23、性指标可定义以下可靠性指标： 2022-2-433可靠性指标可靠性指标：(1)可靠度可靠度R(t) 可靠度的定义：可靠度的定义：产品在规定的条件和规定的时间内完成规定功能的概率。设t为运行时间，N0为相同的控制系统数(足够大) ,NS为该段时间内未发生故障的控制系统数,则: 0)(NNtRS(2)失效率失效率(t) 失效率的定义：失效率的定义：单位时间内发生故障的次数。 niitn1总工作时间失效次数2022-2-434可靠性指标可靠性指标：图3-21电子产品的失效率曲线 早期故障期：元器件质量原因，通过投运前考机、调试排除 偶然故障期：系统稳定期 失效故障期：部分器件寿命到期 2022-2-

24、435（3）平均无故障时间）平均无故障时间 MTBF(Mean Time Between Failure) 1MTBF平均维护时间MTTR(Mean Time To Repair) 维护次数总维护时间MTTR (4)利用率利用率A MTBFAMTBFMTTR 要获得尽可能大的可利用率，应当使MTBF尽可能大，使MTTR尽可能地小。 2022-2-4363.4.2 系统可靠性分析系统可靠性分析一、一、串联模型串联模型 组成系统的所有单元中任一单元的故障就会导致整个系统故障的系统称串联系统。它属于非贮备可靠性模型，其逻辑框图如图所示。 123nniistRtR1)()(式中 Rs (t)系统的可靠度； Ri (t)第i个单元的可靠度2022-2-437系统可靠性模型(串联模型)n若各单元的寿命分布均为指数分布，即 式中 s系统的故障率； i各单元的故障率。 tiietR)(ttn