1、第八章第八章 抗干扰技术抗干扰技术本章要点本章要点：n1、干扰的来源与传播途径。、干扰的来源与传播途径。n2、硬件抗干扰措施。、硬件抗干扰措施。n3、程序运行监视系统。、程序运行监视系统。返回总目录返回总目录本章主要内容本章主要内容 引言引言8.1 8.1 干扰的来源与传播途径干扰的来源与传播途径8.2 8.2 硬件抗干扰措施硬件抗干扰措施8.3 8.3 软件抗干扰措施软件抗干扰措施8.4 8.4 程序运行监视系统程序运行监视系统 思考题思考题 计算机控制系统的被控变量分布在生产现计算机控制系统的被控变量分布在生产现场的各个角落，因而计算机是处于干扰频繁的恶场的各个角落，因而计算机是处于干扰频
2、繁的恶劣环境中，劣环境中，干扰干扰是有用信号以外的噪声，这些干是有用信号以外的噪声，这些干扰会影响系统的测控精度，降低系统的可靠性，扰会影响系统的测控精度，降低系统的可靠性，甚至导致系统的运行混乱，造成生产事故。甚至导致系统的运行混乱，造成生产事故。但干扰是客观存在的，所以，人们必须研究但干扰是客观存在的，所以，人们必须研究干扰，以采取相应的抗干扰措施。本章主要讨论干扰，以采取相应的抗干扰措施。本章主要讨论干扰的来源、传播途经及抗干扰干扰的来源、传播途经及抗干扰的措。的措。引引 言言8.1 8.1 干扰的来源与传播途径干扰的来源与传播途径v8.1.1 干扰的来源干扰的来源v8.1.2 干扰的传
3、播途径干扰的传播途径 8.1.1 8.1.1 干扰的来源干扰的来源1 1、外部干扰、外部干扰高压电缆闪电雷达、电台等天线发射 微机控制系统地电位波动电机、电焊机等大用电设备引入噪声交交流流动动力力线线 图 8-1 外部干扰环境链接动画链接动画2 2、内部干扰、内部干扰-由系统的结构布局、制造工艺所引由系统的结构布局、制造工艺所引 入的。入的。链接动画链接动画8.1.2 8.1.2 干扰的传播途径干扰的传播途径 图 8-3 导线之间的静电耦合 导线1 导线2C12C1gU1C2gRUn链接动画链接动画1静电耦合静电耦合干扰传播的途径主要有三种：干扰传播的途径主要有三种：静电耦合，磁场耦合，公共静
4、电耦合，磁场耦合，公共阻抗耦合。阻抗耦合。1线导2线导图 8-4 导线之间的磁场耦合R2R3R1I1U1UnM链接动画链接动画2 2磁场耦合磁场耦合3 3公共阻抗耦合公共阻抗耦合R3R1i2i1R4R2图 8-5 公共电源线的阻抗耦合A1 A2链接动画链接动画8.2 8.2 硬件抗干扰措施硬件抗干扰措施v 引言引言v8.2.1 8.2.1 串模干扰的抑制串模干扰的抑制v8.2.2 8.2.2 共模干扰的抑制共模干扰的抑制v8.2.3 8.2.3 长线传输干扰的抑制长线传输干扰的抑制 v8.2.4 8.2.4 信号线的选择与敷设信号线的选择与敷设 v8.2.5 8.2.5 电源系统的抗干扰电源系
5、统的抗干扰 v8.2.6 8.2.6 接地系统的抗干扰接地系统的抗干扰 引引 言言 了解了干扰的来源与传播途径，我们就了解了干扰的来源与传播途径，我们就可以采取相应的抗干扰措施。在硬件抗干扰可以采取相应的抗干扰措施。在硬件抗干扰措施中，除了按照干扰的三种主要作用方措施中，除了按照干扰的三种主要作用方式式串模、共模及长线传输干扰串模、共模及长线传输干扰来分别考来分别考虑外，还要从布线、电源、接地等方面考虑。虑外，还要从布线、电源、接地等方面考虑。sUnUU1C2C线扰干)b(因原生产)a(式形现表扰干模串6-8图s计算机控制系统计算机控制系统aI链接动画链接动画8.2.1 8.2.1 串模干扰的
6、抑制串模干扰的抑制图图 8-6 串模干扰串模干扰1 1双绞线做信号引线双绞线做信号引线双绞线抗干扰原因双绞线抗干扰原因外界电磁场会在双绞线相邻的小环路上形成外界电磁场会在双绞线相邻的小环路上形成 相反方向的感应电势，从而互相抵消减弱干扰相反方向的感应电势，从而互相抵消减弱干扰 作用。作用。应用场合应用场合可用来传输模拟信号和数字信号，用于点对点连接和多点连接可用来传输模拟信号和数字信号，用于点对点连接和多点连接 应用场合，传输距离为几公里，数据传输速率可达应用场合，传输距离为几公里，数据传输速率可达2Mbps2Mbps抑制效果（不同节距而言）：抑制效果（不同节距而言）：节距(mm)干扰衰减比屏
7、蔽效果1001412375711375011214125141143 2 2引入滤波电路引入滤波电路硬件滤波器分类硬件滤波器分类低通、高通、带通等滤波器。低通、高通、带通等滤波器。低通滤波器低通滤波器适用干扰频率比被测信号频率高；适用干扰频率比被测信号频率高；高通滤波器高通滤波器干扰频率比被测信号频率低；干扰频率比被测信号频率低；带通滤波器带通滤波器干扰频率落在被测信号频率的两侧；干扰频率落在被测信号频率的两侧；实现电路实现电路采用电阻采用电阻R R、电容、电容C C、电感、电感L L等构成滤波器；等构成滤波器；sU1R2R1C2C无 源 阻 容 滤 波 器(a)3R4R1C2C0UiU(b)
8、图 8-8 滤 波 电 路+1R2R器波滤源有A+计 控系 统-层蔽屏计 控系 统链接动画链接动画)a(mcUsUrZ计控系统mcU源号信U)b(式形现表因原生产图 8-9 共模干扰Zsr计控系统链接动画链接动画8.2.2 8.2.2 共模干扰的抑制共模干扰的抑制抑制方法：抑制方法：有变压器隔离、光电隔离与浮地屏蔽等三种措施。有变压器隔离、光电隔离与浮地屏蔽等三种措施。图图8-9 共模干扰共模干扰1变压器隔离变压器隔离放 大 器调 制 器解 调 器A/D计 算 机sUB模 拟 地数 字 地图 8-10 变 压 器 隔 离双 绞 线s1Us2U链接动画链接动画图图 8-10 变压器隔离变压器隔离
9、2 2光电隔离光电隔离 A/D转换器D1D2+5V+5VD3D4D5D6D7D0 D/A转换器+5V+5V(b)在CPU与D/A转换器之间(a)在A/D转换器与CPU之间图8-11 光耦隔离器的数字信号隔离CPUD1D2D3D4D5D6D7D0D1D2D3D4D5D6D7D0D1D2D3D4D5D6D7D0CPU链接动画链接动画 A/D转换器D1D2+5V+5VD3D4D5D6D7D0 D/A转换器+5V+5V(b)在CPU与D/A转换器之间(a)在A/D转换器与CPU之间图8-11 光耦隔离器的数字信号隔离CPUD1D2D3D4D5D6D7D0D1D2D3D4D5D6D7D0D1D2D3D4
10、D5D6D7D0CPU链接动画链接动画图图 光电耦合隔离器的数字信号隔离光电耦合隔离器的数字信号隔离A/D计算机数字地（a）在传感器与A/D转换器之间VCC放大器sU模拟地双绞线D/A计算机数字地图8-12 光耦隔离器的模拟信号隔离VCC放大器模拟地双绞线LR（b）在D/A转换器与执行器之间执行器传感器链接动画链接动画链接动画链接动画图8-13 浮地输入双层屏蔽放大电路信号源cmU外屏蔽层内屏蔽层计算机sUsU1sZ2sZ3sZ2cZc1cZ3Z(a)原理框图(b)等效电路1I2I3IAcmU计算机屏蔽层链接动画链接动画3 3浮地屏蔽浮地屏蔽图图 浮地输入双层屏蔽放大电路浮地输入双层屏蔽放大电
11、路)(2211332CSCSCScmnZZZZZZUU主要内容：主要内容：1 1波阻抗的测量波阻抗的测量 2 2终端阻抗匹配终端阻抗匹配 3 3始端阻抗匹配始端阻抗匹配8.2.38.2.3长线传输干扰的抑制长线传输干扰的抑制1 1波阻抗的测量波阻抗的测量双绞线示波器信号ARRP图 8-14 传输线波阻抗的测量2 2终端阻抗匹配终端阻抗匹配。双 绞 线ARPBR2双 绞 线ARPBRR1EC(a)(b)图 8-1 5 终 端 阻 抗 匹 配双绞线ARPBR2双绞线ARPBRR1EC(a)(b)图 8-15 终端阻抗匹配图图 终端阻抗匹配终端阻抗匹配3 3始端阻抗匹配始端阻抗匹配双 绞 线ARPB
12、R图 8-16 始 端 阻 抗 匹 配图图 始端阻抗匹配始端阻抗匹配8.2.4 8.2.4 信号线的选择与敷设信号线的选择与敷设 屏蔽结构屏蔽结构干扰干扰衰减衰减比比屏蔽效屏蔽效果（果（dB）备注备注铜网（密铜网（密度度85%）103：140.3电缆的可电缆的可挠性好，挠性好，适合近距适合近距离使用离使用铜带迭卷铜带迭卷（密度（密度90%）376：151.5带有焊药，带有焊药，易接地，易接地，通用性好通用性好铝聚酯树铝聚酯树脂带迭卷脂带迭卷6610：176.4应使用电应使用电缆沟，抗缆沟，抗干扰效果干扰效果最好最好1 1信号线的选择信号线的选择2信号线的敷设信号线的敷设信号线的敷设要注意以下事
13、项：信号线的敷设要注意以下事项：n（1 1）模拟信号线与数字信号线不能合用同一根电缆，要绝对避）模拟信号线与数字信号线不能合用同一根电缆，要绝对避 免信号线与电源线合用同一根电缆。免信号线与电源线合用同一根电缆。n（2 2）屏蔽信号线的屏蔽层要一端接地，同时要避免多点接地。）屏蔽信号线的屏蔽层要一端接地，同时要避免多点接地。n（3 3）信号线的敷设要尽量远离干扰源，如避免敷设在大容量变）信号线的敷设要尽量远离干扰源，如避免敷设在大容量变 压器、电动机等电器设备的附近。压器、电动机等电器设备的附近。电力线容量电力线容量信号线信号线和电力和电力线之间线之间的最少的最少间距间距（cm）电压电压（V）
14、电流电流（A）1251012250501844020024500080048（4 4）信号电缆与电源电缆必须分开，并尽量避免）信号电缆与电源电缆必须分开，并尽量避免平行敷设。平行敷设。图 8-17 信号线的敷设信号电缆电源电缆隔板(a)信号电缆电源电缆15cm(b)信号电缆电源电缆15cm(c)电源电缆信号电缆屏蔽罩(d)8.2.5 8.2.5 电源系统的抗干扰电源系统的抗干扰 计算机控制系统一般是由交流电网供电，电计算机控制系统一般是由交流电网供电，电网电压与频率的波动将直接影响到控制系统的可网电压与频率的波动将直接影响到控制系统的可靠性与稳定性。电源的干扰是计算机控制系统的靠性与稳定性。电
15、源的干扰是计算机控制系统的一个主要干扰，抑制这种干扰的主要从以下一个主要干扰，抑制这种干扰的主要从以下2 2个个方面考虑：方面考虑：1 1交流电源系统交流电源系统 2 2直流电源系统直流电源系统1 1交流电源系统交流电源系统uot图 8-18 交流电源正弦波上的尖峰脉冲措施：措施：2 2 0 V图 9-2 0 一 般 交 流 供 电 系 统 交 流稳 压 器 低 通滤 波 器 计 算 机控 制 系 统 直 流稳 压 器220V图 9-19 利 用 干 扰 抑 制 器 的 电 源 系 统 干 扰抑 制 器 计 算 机控 制 系 统220V电 池充电器 电池组逆变器控制器交 流稳压器计算机切换直
16、流稳压器图 9-21 不间断电源UPS供电系统掉电保护电路掉电保护电路+5VAVD1VD23.6V220FVCCR A M(8K8)GNDVCCR A M(8K8)GND62646264图 8-22 掉电保护电路0.1F0.1F 2 2直流电源系统直流电源系统（1 1）交流电源变压器的屏蔽）交流电源变压器的屏蔽（2 2）采用直流开关电源）采用直流开关电源（3 3）采用）采用DC-DCDC-DC变换器变换器（4 4）为每块电路板设立独立的直流电源）为每块电路板设立独立的直流电源（5 5）集成电路块的）集成电路块的VCCVCC加旁路电容加旁路电容一次绕组二次绕组二次绕组一次绕组图 8-23 电源变
17、压器的屏蔽（a）（b）计算机控制系统中的地线计算机控制系统中的地线：数字地数字地系统地系统地交流地交流地模拟地模拟地保护地保护地8.2.6 8.2.6 接地系统的抗干扰接地系统的抗干扰接地处理接地处理 1 1单点接地与多点接地单点接地与多点接地输入 放大器图 8-24 单点接地方式输入信号_+输出采样/保持放大V+V保持电容V+V数字地模拟输出状态模拟地 数字地VCC数字输出V+VA/D转换器模拟输入地噪声模拟地图图 单点接地方式单点接地方式2 2分别回流法单点接地分别回流法单点接地模拟地横汇流条模拟地纵汇流条数字地横汇流条数字地纵汇流条接地板系统地安全地（机壳地）图 9-25 分别回流法单点
18、接地方式大地图图 单点回流法接地方式单点回流法接地方式3 3输入系统的接地输入系统的接地图9-26 输入系统接地方式信号源遮蔽层屏蔽层放大器sU(a)信号源端接地(b)接收端接地A信号源遮蔽层屏蔽层放大器sUB图图 输入系统接地方式输入系统接地方式AAAU iU iU iU0U 0U 0C 1C 2C 3C 1C 2C 3C 1C 2屏蔽罩屏蔽罩图 8-27 放大器公共端接屏蔽罩（a）(c)(b)C 3+图图 放大器公共端接屏蔽罩放大器公共端接屏蔽罩 设计印制线路板应遵守下列原则，以免系统内部地线设计印制线路板应遵守下列原则，以免系统内部地线产生干扰。产生干扰。（1 1）TTLTTL，CMOS
19、CMOS器件的地线要呈辐射状，不能形成环形。器件的地线要呈辐射状，不能形成环形。（2 2）印制线路板上的地线要根据通过的电流大小决定其宽）印制线路板上的地线要根据通过的电流大小决定其宽 度，不要小于度，不要小于3mm3mm，在可能的情况下，地线越宽越好。，在可能的情况下，地线越宽越好。（3 3）旁路电容的地线不能长，应尽量缩短。）旁路电容的地线不能长，应尽量缩短。（4 4）大电流的零电位地线应尽量宽，而且必须和小信号的）大电流的零电位地线应尽量宽，而且必须和小信号的地分开。地分开。4 4印制线路板的地线分布印制线路板的地线分布5 5主机系统的接地主机系统的接地 大地地线绝缘板机印打道通程过机主
20、机图绘台作操图 9-28 全机一点接地图图 全机一点接地全机一点接地(1)(1)全机一点接地全机一点接地芯机芯机地内机层缘绝壳外机主图8-29 外壳接地机芯浮空(2)(2)外壳接地机芯浮空外壳接地机芯浮空（3 3）多机系统的接地）多机系统的接地 大地地线绝缘板机印打道通程过机主机图绘台作操图 9-28 全机一点接地图图 全机一点接地全机一点接地 8.3 8.3 软件抗干扰措施软件抗干扰措施 引言引言n 8.3.1 8.3.1 指令冗余技术指令冗余技术n 8.3.2 8.3.2 软件陷阱技术软件陷阱技术引引 言言 n在控制系统的输入输出通道中，采用数字在控制系统的输入输出通道中，采用数字滤波方法
21、，即采用某种计算方法对通道的滤波方法，即采用某种计算方法对通道的信号进行数字处理，以信号进行数字处理，以削弱或滤除干扰噪削弱或滤除干扰噪声声n而对于那些可能穿过通道而进入而对于那些可能穿过通道而进入CPUCPU的干扰，的干扰，可采取指令冗余、软件陷阱以及程序运行可采取指令冗余、软件陷阱以及程序运行监视等措施来使监视等措施来使CPUCPU恢复正常工作。恢复正常工作。要解决的问题要解决的问题程序跑飞程序跑飞n解决方法解决方法采用指令冗余技术采用指令冗余技术n原则原则在对程序流向起决定作用的指令之前以及影在对程序流向起决定作用的指令之前以及影响系统工作状态的重要指令之前都应插入两、三条响系统工作状态
22、的重要指令之前都应插入两、三条NOPNOP指令，还可以每隔一定数目的指令插入指令，还可以每隔一定数目的指令插入NOPNOP指令，指令，以保证跑飞的程序迅速纳入正确轨道。以保证跑飞的程序迅速纳入正确轨道。n优点优点-指令冗余技术可以减少程序出现错误跳转的次指令冗余技术可以减少程序出现错误跳转的次 数数8.3.1 8.3.1 指令冗余技术指令冗余技术软件陷阱软件陷阱在非程序区设置拦截措施，使程序进在非程序区设置拦截措施，使程序进入陷阱，即通过一条引导指令，强行将跑飞的程入陷阱，即通过一条引导指令，强行将跑飞的程序引向一个指定的地址，序引向一个指定的地址，n举例举例若我们把这段程序的入口标号称为若我
23、们把这段程序的入口标号称为ERRORERROR的话，软件陷阱即为一条的话，软件陷阱即为一条JMP ERRORJMP ERROR指令。软件陷指令。软件陷阱是由阱是由3 3条指令构成条指令构成：NOP NOP JMP ERROR 8.3.2 8.3.2 软件陷阱技术软件陷阱技术8.4 8.4 程序运行监视系统程序运行监视系统n8.4.1 Watchdog Timer8.4.1 Watchdog Timer工作原理工作原理n8.4.2 Watchdog Timer8.4.2 Watchdog Timer实现方法实现方法CPU(T1)定时器(T2)定时访问脉冲P1重新启动复位定时到脉冲P2图 8-30
24、 Watchdog Timer工作原理P1P2T2应用程序访问指令访问指令访问指令T1T1T1死循环T1链接动画链接动画8.4.1 Watchdog Timer8.4.1 Watchdog Timer工作原理工作原理8.4.2 Watchdog Timer8.4.2 Watchdog Timer实现方法实现方法图 8-31 X5045 与CPU的接口电路RESETD0D1D2D3SOSISCKCSWCCWPVSSX5054+5VRESETCPU链接动画链接动画思考题思考题 1 1简述干扰的来源与传播途径。简述干扰的来源与传播途径。2 2串模干扰的成因是什么？如何抑制串模干扰？串模干扰的成因是什么？如何抑制串模干扰？3 3共模干扰的成因是什么？如何抑制共模干扰？共模干扰的成因是什么？如何抑制共模干扰？4 4结合图结合图8-118-11，分析说明利用光耦隔离器的开关特性也可，分析说明利用光耦隔离器的开关特性也可以应用在模拟量输入或输出通道中。以应用在模拟量输入或输出通道中。5 5在计算机控制系统中，敷设信号线时应注意哪些问题？在计算机控制系统中，敷设信号线时应注意哪些问题？6 6在计算机控制系统中，大致有哪几种地？最终如何接地？在计算机控制系统中，大致有哪几种地？最终如何接地？7 7结合图结合图8-308-30，简述程序运行监视系统的工作原理。，简述程序运行监视系统的工作原理。
