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文档简介

1、第第6章章 检测系统的抗干扰检测系统的抗干扰与可靠性技术与可靠性技术 影响测控系统可靠、安全运行的主要因素是来自系统内部和外部的各种电气干扰,以及系统结构设计、元器件选择、安装、制造工艺和外部环境条件等。6.1 检测系统的抗干扰技术检测系统的抗干扰技术 目的:为了保证检测系统稳定可靠地工作,在着手电路、结构和软件设计的同时,必须周密考虑和解决抗干扰问题。 干扰对测控系统造成的影响1、数据采集误差加大2、控制状态失灵3、数据受干扰发生变化4、程序运行失常干扰和噪声源分类干扰和噪声源分类 :按照产生的原因、传导模式、波形的性质、在测控系统不同环节的引入等进行分类。 产生的原因:放电干扰、高频振荡干

2、扰、浪涌干扰(交流系统中电动机的启动、开关调节器的导通以及晶闸管变流设备产生的浪涌电流) 传导模式:串模(又称常模、差动、横向干扰)、共模干扰 波形和性质:持续正弦波、偶发脉冲电压、脉冲列干扰 在测控系统不同环节的引入:电源、传感器、A/D、D/A、主机、数字传输通道、接口等(传递) 空间(电磁感应、辐射) 传输通道(传导、入侵) 配电系统 (接地)干扰串入微机检测系统的主要渠道一般情况下,经空间感应窜入的干扰在强度上远远小于从传输通道和配电系统窜入的干扰,而且空间电磁感应形式的干扰又可采用良好的“屏蔽”和正确的“接地”加以解决。所以,抗干扰措施主要是尽量切断来自传输通道和配电系切断来自传输通

3、道和配电系统的干扰统的干扰,并抑制部分已进入的干扰并抑制部分已进入的干扰作用。 抗干扰的措施硬件抗干扰 无源滤波器 有源滤波器 去耦电路 屏蔽技术与双绞线传输 隔离技术 接地技术 反射波干扰及抑制 静电放电干扰及抑制 漏电干扰的防止措施 印刷电路板抗干扰设计软件抗干扰 软件陷阱 看门狗技术(硬件、软件) 故障自动恢复处理 数字滤波技术1.外部干扰(外部干扰(1)串模干扰 :又称常模干扰,是指干扰电压与有效信号串联叠加后作用到系统上 .: 串模干扰来自于高压输电线。信号源本身固有的漂移、纹波和噪声电源变压器不良屏蔽或稳压滤波效果不良等。 抑制串模干扰的具体措施(1 1)信号滤波)信号滤波 :适用

4、于干扰频谱不同的情况。:适用于干扰频谱不同的情况。低通、高通、带通滤波器低通、高通、带通滤波器(2 2)信号积分:用双积分式)信号积分:用双积分式A/DA/D可以削弱周期性的串模干扰的影响。可以削弱周期性的串模干扰的影响。(3 3)对于主要来自电磁感应的串模干扰,应尽可能早地对被测信)对于主要来自电磁感应的串模干扰,应尽可能早地对被测信号进行前置放大,以提高回路中的信号噪声比;或者隔离和屏蔽等号进行前置放大,以提高回路中的信号噪声比;或者隔离和屏蔽等措施。措施。(4 4)从选择器件入手。采用高抗扰度逻辑器件,通过提高阈值电)从选择器件入手。采用高抗扰度逻辑器件,通过提高阈值电平来抑制低噪声的干

5、扰等。平来抑制低噪声的干扰等。(5 5)如果串模干扰的变化速度与被测信号相当,传感器、变送器)如果串模干扰的变化速度与被测信号相当,传感器、变送器等进行良好的电磁屏蔽。同时信号线应选用带有屏蔽层的双绞线或等进行良好的电磁屏蔽。同时信号线应选用带有屏蔽层的双绞线或同轴电缆线,并应有良好的接地系统。同轴电缆线,并应有良好的接地系统。(6 6)用数字滤波技术对已经进入计算机系统的带有串模干扰的数)用数字滤波技术对已经进入计算机系统的带有串模干扰的数据进行处理,可较好地滤掉难以抑制的串模干扰。据进行处理,可较好地滤掉难以抑制的串模干扰。 串模干扰抑制能力的衡量 一般要求 NMRR4080 dB。 nm

6、lnmVVNMRRlg20串模抑制比NMRR Vnm为串模干扰电压 Vnml为仪器输入端由串模干扰引起的等效差模电压 1.外部干扰(2)共模干扰:共模干扰是指输入通道两个输入端上共有的干扰电压。:由于接地点的电位差产生的干扰,这种干扰电压可以是直流电压,也可以是交流电压,其幅值可达几伏甚至更高,取决于现场产生干扰的环境条件和系统的接地情况。一般情况下,共模干扰电压Vcm总是转化成一定的串模干扰出现在两个输入端之间。常见的共模干扰抑制方法(1)浮空方法:就是使模拟量通道对共模电压存在高的阻抗,或者说对电源和地存在高阻抗.(2)采用差动放大器的浮动测量方法 (3)隔离方法 光电隔离:开关量、状态量

7、 变压器隔离:模拟信号 继电器隔离:实现强电和弱电的隔离 布线隔离:共模干扰的抑制 共模干扰的抑制能力用共模抑制比CMRR来表示 Vcm为共模干扰电压;Vcm1为系统输入端由共模干扰引起的等效电压。)(lg20dBVVCMRRcmlcm1.外部干扰(3)电源干扰电源干扰 (3)电源干扰:电源干扰:电源系统干扰窜入电源装置时,系统有可能产生误动作。来源: 高频干扰:雷电、开关荧光灯、启动大功率的用电设备、电弧、电台、发射塔等。 当同一电源系统中的可控硅器件通断时产生的尖峰,通过变压器的初级与次级间的电容耦合到直流电源中产生的干扰。 附近的断电器动作时产生的浪涌电压,由电源线经变压器级间电容耦合产

8、生的干扰。 电感性负载产生的瞬间噪声 电网电压下降。电源抗干扰的基本方法采用交流稳压器电源滤波器(瞬间干扰)UPS不间断电源供电电源变压器采取屏蔽措施在每块印刷电路板的电源和地之间接去耦电容(510F的电解电容和一个0.010.1 F 的电容),消除电源线和地线中的脉冲电流干扰。采用分立式供电: 每单元均有独立的整流、滤波、稳压处理。分类供电:照明、动力、空调、微机及外设2 .数字电路的干扰数字电路的干扰 作用于数字系统并使其产生偶然错误的干扰分为两大类。 (1)内源干扰内源干扰 (2)外源干扰外源干扰内源干扰内源干扰内源干扰:由于系统运行所产生的干扰统称为“内源干扰”,意即干扰源在机器内部的

9、干扰。来源: 系统工作时,逻辑电路过渡过程在地线、电源上产生尖峰与振铃而引起波形畸变,导致干扰逻辑电路的正常工作。 线路的互感、分布电容可引入相邻线路的串扰而使波形发生畸变。 长线阻抗不匹配可引起反射造成波形畸变。 触发器、译码器等速度不一致可引入尖峰干扰。 外源干扰不是由于机器运行所产生的干扰通称为“外源干扰”。一般有逆变开关电源干扰、空间电磁场于扰、电网浪涌电压干扰、过程输入输出通道干扰等。 数字电路的抗干扰措施数字电路的抗干扰措施配置去耦电容输出输入阻抗的匹配(三态缓冲器,提高信号的噪声容限)数字电路不用端的处理:接地、接电源、与有用信号并联时钟电路的配置(也对信号线产生影响、注意隔离)

10、总线的使用:驱动器、长度、负载平衡、上拉电阻(210K)提高信号的噪声容限及总线的抗电磁干扰能力、抑制静电干扰、有助于削弱反射波干扰)复位电路的设计使用微控制器监控器(MAX690):掉电保护、看门狗、低电压检测在数字信号传输时,信号线的选择布线的问题也很重要3、接地技术实践证明:微机测控系统和其他工业电子设备的干扰与系统接地方式有很大关系。接地技术往往是抑制噪声的重要手段。良好的接地可以很大程度上抑制系统内部噪声耦合,防止外部干扰的侵入,提高系统的抗干扰能力。接地电阻的大小与土壤的性质、天气潮湿、季节、温度有关接地的含义“地”一种是大地,另一是工作基准地 大地:电气设备的金属外壳、线路等通过

11、接地线、接地极与地球大地相连。可以保证设备、人身安全、提供静电屏蔽通路,降低电磁感应噪声。 工作基准地指回路的基准导体(电源的零位点),这种接地是指各单元、装置内部各部分电路信号返回线与基准导体之间的连接。目的:为各部分提供基准的电位。总结接地的目的安全抑制干扰提供基准电位接地的分类安全接地:设备金属外壳接地工作接地:屏蔽接地:电缆、变压器等屏蔽层的接地。工作接地方式: 浮地方式:设备的整个接地系统与大地之间无导体直接相连,悬浮地提供参考电位。 优点:若浮地系统和大地之间的电阻很大,对地分布电容很小,则由外部共模干扰引起的干扰电流很小。 缺点:当系统附近有高电压时,通过电场耦合,外壳静电感应出

12、电压,对人身不安全。 直接接地方式:优缺点与浮地相反。 电容接地方式:为高频干扰提供了对地通道,抑制分布电容的影响。主要用于工作地与大地间存在直流和低频电位差的情况,所用的电容应具有良好的高频特性和耐压性能(210F)。屏蔽地(或是机壳地)接法 电场屏蔽是为了解决分布电容问题,一般接大地;电磁屏蔽主要避免雷达、短波电台等高频电磁场的辐射干扰。地线用低阻金属材料做成,可接大地,亦可不接;磁屏蔽是防磁铁、电机、变压器、线圈等的磁感应和磁耦合。可用高导磁材料使磁路闭合,一般接大地。接地点的种类安全接地一点接地 并联一点接地 串联一点接地 串联一点接地方式不能为各电路接地点提供等电位 ,电路工作电流会

13、相互影响。实际使用时要注意! 工作接地一点接地或多点接地 多点接地使用接地汇流排(接地排镀银)接地装置和接地电阻接地装置:避雷接地极、变压器中心点接地极、电子设备接地极接地电阻:一般要求电子控制设备接地电阻在10欧姆以下,计算机设备的接地电阻在4欧姆以下。印刷电路板的抗干扰措施铜箔厚度、宽度、长度导线间距电源、地线的布置元器件的布置(高频与低频元件分开时钟电路与其他电路分开,模拟与数字电路分开,高速中速低速元件分开)局部屏蔽电子设备防干扰试验依产品的不同研制阶段可分为预兼容测试和标准测试两种。 预兼容测试是在产品研制过程中进行的一种测试,使用的仪器比较简单。目的是确定电路板、机箱、连接器等处是

14、否有干扰产生或电磁泄漏,部件组装后其周围是否较大的辐射电磁场等。 标准测试通常在产品的完成、定性阶段进行,按照产品对应的测量标准要求,测试产品的辐射和传导发射是否在标准规定的极限值以下,抗干扰能力是否达到标准规定的限值。在试验前要制定试验大纲和测试细则,确定所依据的标准、检查测试仪器等。电子设备防干扰标准与认证大多数组织的标准体系框架采用IEC(International Electrotechnical Commission 国际电工技术委员会)的标准分类方法,所有标准分成基础标准、通用标准、产品标准(分系列产品与专用标准)基础标准: 不涉及具体的产品,仅就现象、环境、试验方法、试验仪器和基

15、本试验配置等给出定义及详细描述(术语、电磁现象的描述、兼容性电平的规范、干扰发射限值的总要求、测量、试验技术和方法、试验等级、环境的描述和分类等。)通用标准:通用防干扰标准是关于特定环境下的标准。它规定一组最低的基本要求,可应用于该环境下工作的所有产品或系统。通用标准给出的试验环境、试验要求可以成为产品族标准和专用产品标准的编制导则。系列产品标准一组类似产品、系统或设施,对于它们可采用相同的标准:例如电信设备、无线电、电视和类似设备。规定了专门的发射和抗干扰要求、限值和测量试验程序。专用产品标准考虑产品的特殊,增加试验项目和对电磁兼容性能要求作某些改变。对电磁兼容性的要求更加明确,而且还增加了对产品性能试验的判断,应比系列产品标准优先采用。产品认证强制性产品认证制度 合格评定的定义和作用 合格评定的主要范围 认证 产品质量认证 质量体系认证 常用

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