第六章抗干扰技术

1、第第6章章 抗干扰技术抗干扰技术 1第六章第六章 系统抗干扰技术系统抗干扰技术 第第6章章 抗干扰技术抗干扰技术 26.1 干扰及产生的因素干扰及产生的因素 6.1.1干扰的定义干扰是指对系统的正常工作产生不良影响的内部或外部因素。从广义上讲，机电一体化系统的干扰因素包括电磁干扰、温度干扰、湿度干扰、声波干扰和振动干扰等等。 电磁干扰（Electromagnetic Interference，EMI）是指在工作过程中受环境因素的影响，出现的一些与有用信号无关的，并且对系统性能或信号传输有害的电气变化现象。 第第6章章 抗干扰技术抗干扰技术 36.1.2 形成干扰的三个要素1、干扰源产生干扰信号

2、的设备被称为干扰源，如变压器、继电器、微波设备、电机、无绳电话和高压电线等都可以产生空中电磁场。 2、传播途径传播途径是指干扰信号的传播路径。 3、接收载体接收载体是指受影响的器件、设备或系统，其吸收了干扰信号，并转化为对其工作造成影响的电气参数。 第第6章章 抗干扰技术抗干扰技术 46.1.3 干扰的传播方式 （1）传导方式：干扰信号通过各种线路传入。 （2）辐射方式：干扰信号通过空间感应传入。 所以，从接收器的角度看，耦合分为两类：传导耦合和辐射耦合。前者指电磁能量以电压V或电流I的形式通过金属导线等耦合至接收器；后者则通过空间以电磁场形式耦合。第第6章章 抗干扰技术抗干扰技术 56.1.

3、4 电磁干扰的种类 按干扰源分类，电磁干扰分为以下两种类型。 1、自然干扰 自然干扰包括雷电干扰、射电干扰、辐射干扰等。自然干扰是不可控制的。 2、人为干扰 人为干扰主要是电气设备干扰，包括电源干扰、开关干扰、射频干扰和放电干扰（火花放电、辉光放电等）。人为干扰是可控制的。 人为干扰又包括系统内部干扰和外部干扰。第第6章章 抗干扰技术抗干扰技术 6 按干扰的耦合模式（传入系统的方式）分类，电磁干扰分为以下五种类型。 1、静电干扰 即电场通过电容耦合的干扰。 2、磁场耦合干扰 磁场耦合干扰是指大电流周围磁场对机电一体化设备回路耦合形成的干扰。 3、漏电耦合干扰 漏电耦合干扰是因绝缘电阻降低而由漏

4、电流引起的干扰，多发生于工作条件比较恶劣的环境或器件性能退化、器件本身老化的情况下。 第第6章章 抗干扰技术抗干扰技术 7 4、共阻抗干扰 共阻抗干扰是指电路各部分公共导线阻抗、地阻抗和电源内阻压降相互耦合形成的干扰，这是机电一体化系统普遍存在的一种干扰。如图6-1所示的串联接地方式，由于接地电阻的存在，三个电路的接地电位明显不同。电路1电路2电路3I1I2I3CI3r3r2I2 I3r1I1 I2 I3BA图6-1 接地共阻抗干扰第第6章章 抗干扰技术抗干扰技术 8 5、电磁辐射干扰 由各种大功率高频、中频发生装置，各种电火花以及电台、电视台等产生的高频电磁波向周围空间辐射，形成电磁辐射干扰

5、。雷电和宇宙空间也会有电磁波干扰信号。第第6章章 抗干扰技术抗干扰技术 96.1.5 干扰的存在形式 在电路中，干扰信号通常以串模干扰和共模干扰形式与有用信号一同传输。 1、串模干扰 串模干扰是指叠加在被测信号上的干扰，也称横向干扰。产生串模干扰的原因有分布电容的静电耦合、长线传输的互感、空间电磁场引起的磁场耦合以及50Hz的工频干扰等。 第第6章章 抗干扰技术抗干扰技术 10图6-2 串模干扰示意图 在机电一体化系统中，被测信号通常是直流（或变化比较缓慢的）信号，而干扰信号经常是一些杂乱的波形并含有尖峰脉冲，如图6-2(c)所示。图6-2中Us表示理想测试信号，Ug表示不规则干扰信号，Uc表

6、示实际传输的信号。 干扰可能来自信号源内部（图6-2(a)），也可能来自于导线的感应（图6-2(b)）。第第6章章 抗干扰技术抗干扰技术 11 2、共模干扰 共模干扰是指同时加载在各个输入信号接口端的共有的信号干扰。图6-3所示的电路中，检测信号输入A/D转换器，A/D转换器的两个输入端上即存在公共的电压干扰。A/D转换器UsUcm计算机AB图6-3 共模干扰示意图第第6章章 抗干扰技术抗干扰技术 12图6-3 共模干扰示意图A/D转换器UsUcm计算机AB 由于输入信号源与主机有较长的距离，输入信号Us的参考接地点和计算机控制系统输入端参考接地点之间存在电位差Ucm。这个电位差就在A/D转换

7、器的两个输入端上形成共模干扰。以计算机接地点为参考点，加到输入点A上的信号为Us+Ucm，加到输入点B上的信号为Ucm。 第第6章章 抗干扰技术抗干扰技术 136.2 干扰的抑制与防护 名词解释： 电磁兼容性设计在设计中，考虑所设计的设备或系统在预定的工作场所运行时，既不受周围的电磁干扰的影响，又不对周围的设备施加干扰，这种设计方法称之。 第第6章章 抗干扰技术抗干扰技术 146.2.1 屏蔽 屏蔽是指利用导电或导磁材料制成的盒状或壳状屏蔽体，将干扰源或干扰对象包围起来，从而割断或削弱干扰场的空间耦合通道，阻止其电磁能量的传输。 按需屏蔽的干扰场的性质不同，可分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽

8、。 电场屏蔽是为了消除或抑制由于电场耦合引起的干扰。常用材料：铜或铝等导电性好的金属材料，应尽量严密并保持良好的接地。第第6章章 抗干扰技术抗干扰技术 15 磁场屏蔽是为了消除或抑制由于磁场耦合引起的干扰。 （1）静磁场或低频交变磁场：可用高导磁率的材料，并保持磁路畅通。 （2）高频交变磁场：应选用良导体材料，如铜、铝。 第第6章章 抗干扰技术抗干扰技术 16图6-4 变压器的屏蔽 如图6-4所示的变压器，在变压器绕组线包的外面包一层铜皮作为漏磁短路环。第第6章章 抗干扰技术抗干扰技术 17图6-5 同轴电缆示意图12431 芯 线 ； 2 绝 缘 体 ； 3 外 层 导 线 ； 4 绝 缘

9、外 皮 在如图6-5所示的同轴电缆中，为防止信号在传输过程中受到电磁干扰，在电缆线中设置了屏蔽层。 第第6章章 抗干扰技术抗干扰技术 18 6.2.2 隔离 目的：不发生电的联系，切断干扰的耦合通道。 常将强电部分与弱电部分、交流与直流部分隔离，此外还有以下几种隔离方法。 1、光电隔离 光电隔离是以光作为媒介在隔离的两端之间进行信号传输的，所用的器件是光电耦合器。图6-6所示为一般光电耦合器组成的输入/输出线路。图6-6光电隔离原理第第6章章 抗干扰技术抗干扰技术 19 在光电耦合器中，输入与输出之间无电气上的联系，从而能有效地防止干扰从过程通道进入主机。光耦的抗干扰能力很强，主要有以下三方面

10、的原因： （1）光耦的输入阻抗很低，一般在1001000，而干扰源的内阻一般都很大，通常为105106，根据分压原理可知，这时能馈送到光耦输入端的噪声很小。即使有时干扰电压的幅值很高，但所提供的能量却很小，只能形成微弱的电流，而光耦输入部分的发光二极管，只有通过一定强度的电流时才能发光，输出部分的光敏三极管只在一定的光强下才能工作，因此电压幅值很高的干扰，会由于没有足够的能量使发光二极管发光而被抑制掉；第第6章章 抗干扰技术抗干扰技术 20 （2）光耦的输入回路和输出回路之间是光耦合的，而且又是在密封的条件下进行的，故不会受到外界光的干扰； （3）光耦的输入回路和输出回路之间的分布电容极小，绝

11、缘电阻阻抗很大，因此回路一边的各种噪声很难通过光耦馈送到另一边去。但是在使用光耦时应注意，它的输入部分和输出部分必须分别采用独立的电源供电，如果两端共用一个电源，则光耦的隔离作用将失去意义。 第第6章章 抗干扰技术抗干扰技术 21第第6章章 抗干扰技术抗干扰技术 22 2、变压器隔离 对于交流信号的传输，一般使用变压器隔离干扰信号的办法。隔离变压器也是常用的隔离部件，用来阻断交流信号中的直流干扰和抑制低频干扰信号的强度，如图6-7所示的变压器耦合隔离电路。 图6-7 变压器隔离原理第第6章章 抗干扰技术抗干扰技术 23图6-8 多层隔离变压器S1S2三层屏蔽密封体一次侧二次侧 图6-8所示为一

12、种带多层屏蔽的隔离变压器。当含有直流或低频干扰的交流信号从一次侧端输入时，根据变压器原理，二次侧输出的信号滤掉了直流干扰，且低频干扰信号幅值也被大大衰减，从而达到了抑制干扰的目的。 第第6章章 抗干扰技术抗干扰技术 24 另外，在变压器的一次侧和二次侧线圈外设有静电隔离层S1和S2，其目的是防止一次和二次绕组之间的相互耦合干扰。变压器外的三层屏蔽密封体的内、外两层用铁，起磁屏蔽的作用；中间层用铜，与铁心相连并直接接地，起静电屏蔽作用。 3、继电器隔离 继电器线圈和触点仅有机械上的联系，而没有直接的电的联系，因此可利用继电器线圈接收电信号，而利用其触点控制和传输电信号，从而可实现强电和弱电的隔离

13、，如图6-9所示。同时，继电器触点较多，且其触点能承受较大的负载电流，因此应用非常广泛。 第第6章章 抗干扰技术抗干扰技术 25图6-9 继电器隔离弱电电路强电电路继电器第第6章章 抗干扰技术抗干扰技术 266.2.3 滤波 滤波是抑制干扰传导的一种重要方法。由于干扰源发出的电磁干扰的频谱往往比要接收的信号的频谱宽得多，因而当接收器接收有用信号时，也会接收到那些不希望有的干扰。220 V图6-10 低通滤波器 图6-10所示为计算机电源采用的一种LC低通滤波器的接线图。含有瞬间高频干扰的220V工频电源通过截止频率为50Hz的滤波器，其高频信号被衰减，只有50Hz的工频信号通过滤波器到达电源变

14、压器，保证正常供电。第第6章章 抗干扰技术抗干扰技术 27 图6-11(a)所示为触点抖动抑制电路，对抑制各类触点或开关在闭合或断开瞬间因触点抖动所引起的干扰是十分有效的。图6-11(b)所示电路是交流信号抑制电路，主要用于抑制电感性负载在切断电源瞬间所产生的反电势。这种阻容吸收电路可以将电感线圈的磁场释放出来的能量转化为电容器电场的能量储存起来，以降低能量的消散速度。图6-11(c)所示电路是输入信号的阻容滤波电路，类似的这种线路既可作为直流电源的输入滤波器，也可作为模拟电路输入信号的阻容滤波器。图6-11 干扰滤波电路第第6章章 抗干扰技术抗干扰技术 28 图6-12所示为一种双T型带阻滤

15、波器，可用来消除工频（电源）串模干扰。图中输入信号U1经过两条通路送到输出端。 C1C2R1R2C3R3U1U2图6-12 双T型带阻滤波器第第6章章 抗干扰技术抗干扰技术 29 6.2.4 正确接地 定义：将电路、设备机壳等与作为零电位的一个公共参考点（或面）实现低阻抗的连接，称之为接地。 目的： （1）为了安全，防止漏电时造成触电，称为安全接地，通常为大地。 （2）为了给系统提供一个基准电位，或为了抑制干扰，如屏蔽接地等，称为工作接地。可以是大地，也可以是系统中其它电位参考点，如电源的某个极。 接地是电磁兼容性设计的一个重要内容。 第第6章章 抗干扰技术抗干扰技术 30图6-13 并联一点

16、接地电路1Ar3r2电路2电路3r1I1I2I3BC 1、单点接地 图6-13所示是并联一点接地方式。这种方式在低频时是最适用的，因为各电路的地电位只与本电路的地电流和地线阻抗有关，不会因地电流而引起各电路间的耦合。这种方式的缺点是需要连很多根地线，用起来比较麻烦。 第第6章章 抗干扰技术抗干扰技术 31 2、多点接地 单点接地所需地线较多，一般适用于低频信号。若电路工作频率较高，电感分量较大，各地线间的互感耦合会增加干扰，因此常用多点接地。如图6-14所示，各接地点就近接于接地汇流排或底座、外壳等金属构件上。 电路1电路2电路3R1R2R3L1L2L3图6-14 多点接地第第6章章 抗干扰技

17、术抗干扰技术 32 3、地线的设计 机电一体化系统设计时要综合考虑各种地线的布局和接地方法。图6-15所示是一台数控机床的接地方法。 机械地强电柜地功率地信号地公共点大地图6-15 数控机床的接地方法。第第6章章 抗干扰技术抗干扰技术 336.2.5 软件抗干扰设计 1、软件滤波 用软件来识别有用信号和干扰信号并滤除干扰信号。 可采用各种有针对性的软件滤波方法，如程序判断滤波法、中值滤波法、算术平均滤波法、防脉冲干扰平均值滤波法等。第第6章章 抗干扰技术抗干扰技术 34 2、软件“陷阱” 从软件的运行来看，瞬时电磁干扰可能会使CPU偏离预定的程序指针，进入未使用的RAM区和ROM区，引起一些莫

18、名其妙的现象，其中死循环和程序“飞掉”是常见的。为了有效地排除这种干扰故障，常采用软件“陷阱”法。这种方法的基本指导思想是，把系统存储器（RAM和ROM）中没有使用的单元用某一种重新启动的代码指令填满，作为软件“陷阱”，以捕获“飞掉”的程序。一般当CPU执行该条指令时，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，使系统重新投入正常运行。 第第6章章 抗干扰技术抗干扰技术 35 3、软件“看门狗” “看门狗”（WATCHDOG）是工业控制机普遍采用的一种软件抗干扰措施。 WATCHDOG实质上是一个可由CPU复位的定时器，当侵入的干扰使计算机程序“掉飞”时，WATCHDOG能够帮助系统自动恢复正常运行。