检测_20_抗干扰技术

1、Cha.20 测控系统中的测控系统中的抗干扰技术抗干扰技术 测控系统干扰源分析测控系统干扰源分析 抑制电磁干扰的主要技术及应用抑制电磁干扰的主要技术及应用 一、测控系统干扰源分析一、测控系统干扰源分析 1 1、干扰与噪声的概念、干扰与噪声的概念 噪声是绝对的，它的产生或存在不受接收者噪声是绝对的，它的产生或存在不受接收者的影响，是独立的，与有用信号无关；干扰是相对的影响，是独立的，与有用信号无关；干扰是相对有用信号而言的，只有噪声达到一定数值、它和有有用信号而言的，只有噪声达到一定数值、它和有用信号一起进入智能仪器并影响其正常工作才形成用信号一起进入智能仪器并影响其正常工作才形成干扰。干扰。

2、噪声与干扰是因果关系，噪声是干扰之因，噪声与干扰是因果关系，噪声是干扰之因，干扰是噪声之果，是一个量变到质变的过程。干扰是噪声之果，是一个量变到质变的过程。 干扰在满足一定条件时，可以消除。噪声在干扰在满足一定条件时，可以消除。噪声在一般情况下，难以消除，只能减弱。一般情况下，难以消除，只能减弱。 2、测控现场干扰的分类、测控现场干扰的分类 机械干扰机械干扰 热干扰热干扰 光干扰光干扰 湿度干扰湿度干扰 化学干扰化学干扰 电、磁干扰电、磁干扰 射线辐射干扰射线辐射干扰电磁干扰的分类电磁干扰的分类从噪声产生的来源分类从噪声产生的来源分类 1)1)固有噪声固有噪声 2)2)人为噪声人为噪声 3)3

3、)自然噪声自然噪声从干扰出现的区域分类从干扰出现的区域分类 1)1)内部干扰内部干扰 2)2)外部干扰外部干扰从干扰对电路作用的形式分类从干扰对电路作用的形式分类 1)1)共模干扰共模干扰 2)2)差模干扰差模干扰 共模干扰的来源一般是设备对地漏电、地电位差、线路本共模干扰的来源一般是设备对地漏电、地电位差、线路本身具有对地干扰等。差模干扰来源一般是周围较强的交变磁场，身具有对地干扰等。差模干扰来源一般是周围较强的交变磁场，使仪器产生感应电动势形成干扰，这种干扰一旦形成较难除掉。使仪器产生感应电动势形成干扰，这种干扰一旦形成较难除掉。 由于线路的不平衡状态，共模干扰会转换成差模干扰。由于线路的

4、不平衡状态，共模干扰会转换成差模干扰。(a) (a) 差模差模干扰干扰 (b) (b) 共共模模干扰干扰 图中图中VN为为干扰干扰信号信号3、信噪比、信噪比 当噪声电压影响到电路正常工作时，该噪声电压就称为当噪声电压影响到电路正常工作时，该噪声电压就称为干扰电压。衡量噪声对有用信号的影响常用信噪比（干扰电压。衡量噪声对有用信号的影响常用信噪比（SN）来表示，它是指信号通道中有用信号功率来表示，它是指信号通道中有用信号功率PS与噪声功率与噪声功率PN之之比或有用信号电压比或有用信号电压US与噪声电压与噪声电压UN之比。信噪比常用对数形之比。信噪比常用对数形式来表示，单位为分贝（式来表示，单位为分

5、贝（dB）。）。在测量过程中应尽量提高信噪比，以减少噪声对测量结果的在测量过程中应尽量提高信噪比，以减少噪声对测量结果的影响。影响。NNUUsPPsS/Nlg20lg104、噪声形成干扰作用的三要素、噪声形成干扰作用的三要素 噪声源形成干扰必需同时具备三个要素，即噪声源形成干扰必需同时具备三个要素，即噪噪声源声源、有对噪声敏感的、有对噪声敏感的接收电路接收电路和两者之间的和两者之间的耦合耦合通道通道。三要素之间联系如下图所示。三要素之间联系如下图所示。 5、噪声的耦合方式、噪声的耦合方式 电容性耦合电容性耦合( (静电耦合，电场耦合静电耦合，电场耦合) ) ZiCmENUNABNimimNEZ

6、CjZCjU1NimNEZCjU干扰源由于两单元电路间存在的分布电容所引起，是两电路由于两单元电路间存在的分布电容所引起，是两电路间电场相互作用的结果。由于实际电路中间电场相互作用的结果。由于实际电路中的存在，这就势必使一个电路中电荷的变化的存在，这就势必使一个电路中电荷的变化影响到另一个电路，形成两电路间的相互影响。影响到另一个电路，形成两电路间的相互影响。 互感耦合互感耦合( (电磁耦合电磁耦合) ) NNIMjUUNMIN由两个电路之间存在电感（由两个电路之间存在电感（），使一个电路的电），使一个电路的电流变化，通过磁交链影响到另一电路。流变化，通过磁交链影响到另一电路。共阻抗耦合共阻抗

7、耦合 电源内阻抗的共阻抗耦合电源内阻抗的共阻抗耦合 公共地线阻抗的耦合公共地线阻抗的耦合 当干扰源和感受电路共用一个主回路或共用一根接地当干扰源和感受电路共用一个主回路或共用一根接地电流返回路径时，由于电流返回路径时，由于，这种路径可能是电阻、，这种路径可能是电阻、电容或电感组成。电容或电感组成。漏电耦合漏电耦合 NimiNEZRZUUNRmENBAZi这种耦合是这种耦合是的的, ,在绝缘不好时就会发生。在绝缘不好时就会发生。 传导耦合传导耦合 辐射耦合辐射耦合 传导耦合是指两个构件或导线之间的传导耦合是指两个构件或导线之间的引起干引起干扰信号沿导体传播。扰信号沿导体传播。指经导线检拾到噪声，

8、再经它传输指经导线检拾到噪声，再经它传输到噪声接收电路而形成干扰的噪声耦合方式。到噪声接收电路而形成干扰的噪声耦合方式。大功率的高频电气设备，广播、电视、通信发射台等，大功率的高频电气设备，广播、电视、通信发射台等，不断地向外发射电磁波。仪器若置于这种发射场中就会不断地向外发射电磁波。仪器若置于这种发射场中就会感应到与发射电磁场成正比的感应到与发射电磁场成正比的，这种感应电势，这种感应电势进入电路就形成干扰。进入电路就形成干扰。 二、抑制电磁干扰的主要技术及应用二、抑制电磁干扰的主要技术及应用1、抑制电磁干扰的基本思路、抑制电磁干扰的基本思路 消除或抑制噪声源消除或抑制噪声源 破坏干扰的耦合通

9、道破坏干扰的耦合通道 消除接收电路对干扰的敏感性消除接收电路对干扰的敏感性 采用软件抑制干扰采用软件抑制干扰 硬件方案软件方案（例如使产生干扰的电气设备远离测控装置；将电动机改为无刷电动机；在继电器、接触器等设备上增加消弧措施等。） （高输入阻抗的电路比低输入阻抗的电路易受干扰，模拟电路比数字电路抗干扰能力差。）2、抑制电磁干扰的基本措施、抑制电磁干扰的基本措施 1）、屏蔽）、屏蔽 ： 静电屏蔽静电屏蔽 (高频高频)电磁屏蔽电磁屏蔽 低频电磁屏蔽低频电磁屏蔽 通常使用的铜质网状屏蔽电缆就能同时起电磁屏蔽和静电屏蔽的作用。采用高导磁材料作屏蔽层。在工业中常用的办法是将屏蔽线穿在铁质蛇皮管或普通铁

10、管内，能达到静电磁屏蔽和电磁屏蔽三重屏蔽的目的。2）、接地及其注意事项）、接地及其注意事项 接地的目的与作用接地的目的与作用 保证人身和设备安全的需要保证人身和设备安全的需要 抑制干扰的需要抑制干扰的需要 地线的种类地线的种类 保安地线保安地线 信号地线（信号地线（公共参考端） 各种地线的处理原则各种地线的处理原则 低频电路的一点接地原则低频电路的一点接地原则 高频电路的多点接地原则高频电路的多点接地原则 强电地线与信号地线分开设置强电地线与信号地线分开设置 模拟信号地线与数字信号地分开设置模拟信号地线与数字信号地分开设置模拟信号地线模拟信号地线数字信号地线数字信号地线信号源地线信号源地线（将

11、传感器看作是测量装置的信号源）负载地线负载地线（负载电流一般都较大，负载地线的电流有可能干扰前级微弱的信号，因此负载地线必须与其他地线分开）(出于安全防护的目的将检测装置的外壳屏蔽层接地所用的地线)3）、浮置）、浮置 又称浮空、浮接，是指仪器的输入信号的公共线又称浮空、浮接，是指仪器的输入信号的公共线( (即模拟即模拟信号地信号地) )不接机壳或大地，测量放大器与机壳或大地之间无直不接机壳或大地，测量放大器与机壳或大地之间无直接联系。浮置的目的在于阻断干扰电流的通路。采用干电池接联系。浮置的目的在于阻断干扰电流的通路。采用干电池的万用电表就是浮置的特例。浮置屏蔽是一种十分复杂的技的万用电表就是

12、浮置的特例。浮置屏蔽是一种十分复杂的技术，在设计安装时，必须注意不使屏蔽线外皮与测量装置的术，在设计安装时，必须注意不使屏蔽线外皮与测量装置的外壳短路；尽量减小各个不同类型屏蔽之间的分布电容及漏外壳短路；尽量减小各个不同类型屏蔽之间的分布电容及漏电阻；尽量保证电路对地的对称性等等，否则电阻；尽量保证电路对地的对称性等等，否则“浮置浮置”的结的结果有时反而会引起意想不到的严重干扰。果有时反而会引起意想不到的严重干扰。显示测量RHRLRS0.1RC0.1Ecm1k1kC1C2C3浮空加屏蔽方式5）、滤波）、滤波 滤波是一种只允许某一频带信号通过或只阻止某一滤波是一种只允许某一频带信号通过或只阻止某

13、一频带信号通过的抑制干扰措施之一。滤波方式有无源滤频带信号通过的抑制干扰措施之一。滤波方式有无源滤波、有源滤波和数字滤波，它主要应用于信号滤波和电波、有源滤波和数字滤波，它主要应用于信号滤波和电源滤波。源滤波。 4）、隔离技术）、隔离技术 （重点分析）（重点分析） 一般工业测控系统既包括弱电控制部分，又包括强电一般工业测控系统既包括弱电控制部分，又包括强电控制部分。为了使两者之间既保持控制信号联系，又控制部分。为了使两者之间既保持控制信号联系，又要隔绝电气方面的联系，即实行弱电和强电隔离，是要隔绝电气方面的联系，即实行弱电和强电隔离，是保证系统工作稳定，设备与操作人员安全的重要措施。保证系统工

14、作稳定，设备与操作人员安全的重要措施。电气隔离目的就是从电路上把干扰源和易干扰的部分电气隔离目的就是从电路上把干扰源和易干扰的部分隔离开来，从而达到隔离现场干扰的目的。隔离开来，从而达到隔离现场干扰的目的。 过去通常使用继电器等来实施电气隔离，这不仅技术过去通常使用继电器等来实施电气隔离，这不仅技术复杂，效果也不是很好，而且成本较高。光电耦合器复杂，效果也不是很好，而且成本较高。光电耦合器件出现后，由于具有优良电气隔离性能且价格低廉而件出现后，由于具有优良电气隔离性能且价格低廉而得到广泛应用。得到广泛应用。3、电气隔离技术、电气隔离技术 1）、数字电路部分的电气隔离）、数字电路部分的电气隔离光

15、电耦合器光电耦合器基本结构基本结构光电耦合器中的发光二极管一般采用砷化镓红外发光二极管，而光敏元件可以是光敏二极管、三极管、达林顿管，甚至可以是光敏晶闸管、光敏集成电路等。DIP封装的PC817光耦为什么光耦能消除干扰？为什么光耦能消除干扰？由于发光器件（砷化镓红外二极管）是阻抗由于发光器件（砷化镓红外二极管）是阻抗电流驱动性电流驱动性器器件，而件，而噪声是一种高内阻、微电流的信号噪声是一种高内阻、微电流的信号，因此分压在光，因此分压在光电耦合器的输入端的干扰电压较小，它所能提供的电流并电耦合器的输入端的干扰电压较小，它所能提供的电流并不大，不易使半导体二极管发光。另外光电耦合器的隔离不大，不

16、易使半导体二极管发光。另外光电耦合器的隔离电阻很大、隔离电容很小，所以能阻止电路性耦合产生的电阻很大、隔离电容很小，所以能阻止电路性耦合产生的电磁干扰，测控现场的各种干扰很难反馈到主机系统。电磁干扰，测控现场的各种干扰很难反馈到主机系统。在在输入输入/ /出通道中应用广泛出通道中应用广泛在在数字量数字量通道中应用通道中应用光电耦合输入输出电路光电耦合输入输出电路近年来，线性光电耦合器的性能不断提高，误差可以小于千分之几，因此，光电耦合器也越来越多应用于模拟通道中。 在控制电路中的作用来讲，继电器是以一定的输入信号在控制电路中的作用来讲，继电器是以一定的输入信号( (如如电流、电压或其它热、光非

17、电信号电流、电压或其它热、光非电信号) )实现自动切换电路的实现自动切换电路的“开关开关”，在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等，在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。作用。 而对于较大功率而对于较大功率开关量开关量驱动接口驱动接口，仍常常采用电磁式继，仍常常采用电磁式继电器或固体继电器，这类驱动和隔离电路能同时完成将开关电器或固体继电器，这类驱动和隔离电路能同时完成将开关控制信号的控制信号的功率放大功率放大和和电气隔离电气隔离工作。工作。电磁式继电器电磁式继电器固体固体继电器继电器电磁式继电器及固态继电器电磁式继电器及固态继电器继电器的线圈和触点没有电气上的联系，因此，可利用

18、继电继电器的线圈和触点没有电气上的联系，因此，可利用继电器的线圈接受信号，利用触点发送和输出控制信号，从而避器的线圈接受信号，利用触点发送和输出控制信号，从而避免强电和弱电信号之间的直接接触，实现了抗干扰隔离；并免强电和弱电信号之间的直接接触，实现了抗干扰隔离；并同时实现了以同时实现了以较小的电流去控制较大电流，即功率放大。较小的电流去控制较大电流，即功率放大。电磁式继电器输出隔离示意图脉冲变压器脉冲变压器脉冲变压器的匝数较少，而且一次绕组和二次绕组分别绕脉冲变压器的匝数较少，而且一次绕组和二次绕组分别绕于铁氧体磁芯的两侧，这种工艺使得它的分布电容特小，于铁氧体磁芯的两侧，这种工艺使得它的分布

19、电容特小，仅为几个仅为几个pF，所以可作为脉冲信号的隔离元件。，所以可作为脉冲信号的隔离元件。上图是脉冲变压器的应用实例示意。电路的外部信号经上图是脉冲变压器的应用实例示意。电路的外部信号经RC滤波电路和双向稳压管抑制串模噪声干扰，然后输入脉冲滤波电路和双向稳压管抑制串模噪声干扰，然后输入脉冲变压器的一次侧。为了防止过高的对称信号击穿电路元件，变压器的一次侧。为了防止过高的对称信号击穿电路元件，脉冲变压器的二次侧输出电压被稳压管限幅后进入测控系脉冲变压器的二次侧输出电压被稳压管限幅后进入测控系统内部。一般地说，脉冲变压器的信号传递频率在统内部。一般地说，脉冲变压器的信号传递频率在1kHz1MH

20、z之间，新型的高频脉冲变压器的传递频率可达到之间，新型的高频脉冲变压器的传递频率可达到10MHz。2）、模拟电路部分的电气隔离）、模拟电路部分的电气隔离 隔离放大器采用浮置式（浮置电源、浮置放大器输入端）隔离放大器采用浮置式（浮置电源、浮置放大器输入端）设计，输入、输出端相互隔离，不存在公共地线的干扰，因设计，输入、输出端相互隔离，不存在公共地线的干扰，因此具有极高的共模抑制能力，能对信号进行安全准确的放大，此具有极高的共模抑制能力，能对信号进行安全准确的放大，有效防止高压信号对低压测试系统造成的破坏。有效防止高压信号对低压测试系统造成的破坏。隔离放大器隔离放大器主要采用以下几种结构：主要采用

21、以下几种结构： 电磁型隔离放大器（如变压器耦合、电容耦合隔离放大器）电磁型隔离放大器（如变压器耦合、电容耦合隔离放大器） 光电型隔离放大器（光电耦合隔离放大器）光电型隔离放大器（光电耦合隔离放大器）1）.软件软件“陷阱陷阱”4 4、微处理器的抗干扰问题、微处理器的抗干扰问题 基本指导思想是，基本指导思想是，作为作为软件软件“陷阱陷阱”，以捕获，以捕获“飞掉飞掉”的程序。一般当的程序。一般当CPU执执行该条指令时，程序就自动转到某一起始地址，从这一行该条指令时，程序就自动转到某一起始地址，从这一起始地址开始存放一段使程序重新恢复运行的热启动程起始地址开始存放一段使程序重新恢复运行的热启动程序，该

22、热启动程序扫描现场的各种状态，并根据这些状序，该热启动程序扫描现场的各种状态，并根据这些状态判断程序应该转到系统程序的哪个入口，使系统重新态判断程序应该转到系统程序的哪个入口，使系统重新投入正常运行。投入正常运行。 从软件的运行来看，瞬时电磁干扰可能会使从软件的运行来看，瞬时电磁干扰可能会使CPU偏离偏离预定的程序指针，进入未使用的预定的程序指针，进入未使用的RAM区和区和ROM区，引起区，引起“死循环死循环”或或“程序跑飞程序跑飞” 等现象。为了有效地排除这种等现象。为了有效地排除这种干扰故障，常采用各种软硬件抗干扰措施。干扰故障，常采用各种软硬件抗干扰措施。2）. 指令冗余技术指令冗余技术 在程序关键地方插入一些在程序关键地方插入一些NOP或将有效单或将有效单字节字节，这就叫做指令冗余。，这就叫做指令冗余。 CPU取指令过程是先取操作码，再取操作数。当受干取指令过程是先取操作码，再取操作数。当受干扰，程序扰，程序 “乱飞乱飞” 到某二、三字节指令，若取指令时刻到某二、三字节指令，若取指令时刻落在操作数上，误将操作数当作操作码，程序将出错。因落在操作数上，误将操作数当作操作码，程序将出错。因此，通常是在二、三字节指令后插入两个字节以上的此，通常是在二、三字节指令后插入两个