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1、2023/7/15,1,第三章,计算机控制系统的 抗干扰技术,2023/7/15,2,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 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。,2023/7/15,3,研究的内容：干扰源、干扰类型、干扰传播途径、抗干扰措施。系统抗干扰策略：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。可靠性（Reliabili
2、ty）：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 有关。是衡量系统的主要性能指标。包括：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。,2023/7/15,4,3.1 干扰源及干扰分类3.1.1 干扰源,干扰源：干扰的来源或造成干扰的原因。分类：按干扰源来分，有内部干扰和外部干扰。1.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。主要原因：(1).元器件噪声；(2).分布电容、电感引起的电磁感应；(3).长线传输中波的反射；(4).多点接地引起的电位差；(5).电源系统引入的干扰。,2023/7/15,5,2.外部干扰 由外界环
3、境因素引起的干扰。主要原因：(1)大功率设备、输电线路发生的电磁场；(2)广播和通信设备发射的无线电波；(3)自然界干扰，包括：天体辐射、雷电、气温、湿度等。*内外干扰本质相同,相互关联,相互作用。通常采取消除干扰源、避开干扰源、切断干扰传播途径的方法，有效消除干扰。干扰作用方式分类：串模干扰、共模干扰、长线传输干扰,2023/7/15,6,3.1.2 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。原因(1)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）串模干扰示意图 电磁耦合引入串模干扰,2023/7/15,7,图3-1
4、串模干扰示意图,2023/7/15,8,串模抑制比：衡量系统抑制串模干扰的能力。定义：NMRR=20lg(Un/Ui)(dB)Un: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。效果：Ui越小，抗串模干扰的能力越强，即NMRR越大。,串模干扰也称为差模干扰、横向干扰、常模干扰或常态干扰。,2023/7/15,9,3.1.3 共模干扰,共模干扰：共模干扰是系统2个输入端上共有的干扰电压。也称对地干扰、共态干扰。原因：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。共模干扰示意图 UA=Us+Ucm UB=Ucm,2023/7/15,10,图9.3 串模干扰与共
5、模干扰波形(a)直流信号；(b)串模干扰；(c)共模干扰；(d)串模干扰与共模干扰共同作用,2023/7/15,11,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，Ucm可以是直流，也可以是交流；幅值可以是几伏甚至几十伏。共模干扰的影响：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。共模抑制比：衡量系统抑制共模干扰转化为串模干扰的能力。定义：CMRR=20lg(Ucm/Un)(dB)Un:是共模干扰信号Ucm转换成串模干扰的电压幅值；效果：Un越小，抗共模干扰的能力越强，即CMRR越大。CMRR与信号的输入方式有关，分单端输入和差动输入2种形式。,202
6、3/7/15,12,1.单端输入：一个输入信号，地端为参考电压；2.差动输入：2个输入信号，1个是高电平，一个是低电平，以2个信号的差值来决定信号的幅值。,2023/7/15,13,3.1.4 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时，也会对进入电路中的干扰信号进行传递。(1)漏电阻: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。(2)公共阻抗 公共电源线的阻抗耦合,回流条,2023/7/15,14,模拟信号和数字信号分开接地:（a）未分开接地（b）未分开接地（c）分开接地（3）信号输入/输出回路（4）电源回路,2023/7/15,15,2、电磁场
7、传播的干扰静电耦合：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(3)辐射电磁场耦合：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。,2023/7/15,16,3.2 干扰抑制,1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(1)提高绝缘性能，消除或抑制漏电阻；
8、(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 使用高质量元器件、优化设计线路板等,2023/7/15,17,3.2.1 串模干扰的抑制,1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A/D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 减少电磁感应产生的干扰 4选
9、用高抗干扰性的元器件：高逻辑电平、V/F转换器5供电技术与阻抗匹配技术,2023/7/15,18,3.2.2 共模干扰的抑制,1差动输入2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。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：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、放大器浮地的方式，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
10、CMRR,2023/7/15,19,图3-11 变压器隔离电路,图3-12 光电隔离,2023/7/15,20,图3-13 三线采样、双层屏蔽、放大器浮地原理图,2023/7/15,21,3.2.3 长线传输干扰的抑制,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。,2023/7/15,22,3.3 其它抗干扰技术,地线与接地技术,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、
11、功率地,2023/7/15,23,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。,2023/7/15,24,单点接地,2023/7/15,25,(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。,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
12、走线，最终在一点把两个地接在一起。,2023/7/15,26,信号屏蔽层接地：单点接地,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。,2023/7/15,27,1、供电技术 图 一般供电结构,3.3.2 电源及供电技术,2023/7/15,28,3.3.2 电源及供电技术,2.抗电源干扰技术(1)交流电源系统的抗干扰 消除电源中高频干扰，常采用带屏蔽的变压器隔离和滤波技术(2)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
13、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 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,2023/7/15,29,3.3.2 软件抗干扰技术,1、数字滤波 数字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 充分利用计算机的判断
14、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 对整个计算机系统工作状态的监督，如诊断程序等。,2023/7/15,30,计算机控制系统工作特点：环境恶劣、干扰严重、对可靠性要求高对计算机控制系统的评价：性能指标、可靠性（两方面都重要）,3.4 系统的可靠性,2023/7/15,31,3.4.1 系统可靠性指标,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力。是个定性的概念。有两层含义：在规定时间内无故障运行；故障后维修方便。,2023/7/15,32,可靠性的定量描述：如下图，系统运行时间 后发生故
15、障，需维修时间。,可定义以下可靠性指标：,2023/7/15,33,可靠性指标：,(1)可靠度R(t)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:,(2)失效率(t)失效率的定义：单位时间内发生故障的次数。,2023/7/15,34,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,2023/7/15,35,（3）平均无故障时间 MTBF(Mean Time Between Fa
16、ilure),平均维护时间MTTR(Mean Time To Repair),(4)利用率A,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。,2023/7/15,36,3.4.2 系统可靠性分析,一、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。,式中 Rs(t)系统的可靠度；Ri(t)第i个单元的可靠度,2023/7/15,37,系统可靠性模型(串联模型),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。,2023/7/15,38,二、并联模型 组成系统的所有
17、单元都故障时，系统才故障的系统叫并联系统，它属于工作贮备模型。其逻辑框图如图所示。,2023/7/15,39,3.4.3 提高可靠性的技术措施 判断一个系统可靠性的准则主要有以下三条：（1）系统及各单元有较高的MTBF，即不易发生故障；（2）系统设计结构合理，具有有效的冗余与容错措施；（3）系统具有有效的自诊断、故障定位以及自恢复能力，或者维修方便、MTTR小。,2023/7/15,40,提高可靠性的具体措施 元件级措施：元器件选择、电子元件老化处理、均衡各器件和各 环节的指标。模块级措施：模块抗干扰、抗震动冲击、散热耐热等针对性设计 系统级措施：-危险分散的原则。-冗余备用技术。-故障检测诊断技术-抗干扰技术-故障修复技术,2023/7/15,41,习题,5.1 什么是串模干扰？什么是共模干扰？各有什么抑制方 法？5.2 计算机控制系统中一般有哪几种地，怎样正确处理这 几种地？5.3 常用的计算机控制系统的可靠性量化指标主要有哪些？,第三章 计算机控制系统抗干扰技术,
