讲义_第六章_计算机控制系统的抗干扰技术.doc

第六章 计算机控制系统的抗干扰技术 6.1 工业现场的干扰及对系统的影响 在对生产过程的计算机控制过程当中，常常会因为各种各样的干扰导致控制不准确或失常。很多从事计算机控制的人员都会有这样的经历，当他把经过千辛万苦安装和调试好的样机投入工业现场进行运行时，却不能够正常工作。为什么在实验室调试时就很好，到了现场就不行呢，原因就是在生产现场的工业环境中有强大的干扰，微机系统如果没有采取抗干扰措施，或者措施不力。（当然，还有其它原因，比如设计本身的不完善导致出错，或者在运输安装过程中对设备有所损坏，接线不正确等，但这类原因可以比较容易发现并迅速改正。）因此，抗干扰技术对于计算机控制系统来讲是非常重要的。 所谓干扰，就是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。在生产过程中，人们不断的积累各种抗干扰技术，可以分为硬件措施和软件措施。一个成功的抗干扰系统是硬件和软件相结合构成的。硬件抗干扰效率高，但要增加系统的投资和设备；软件抗干扰投资低，以CPU的开销为代价的，影响到系统的工作效率和实时性。 6.1.1 干扰的来源 微机控制系统所受到的干扰源分为外部干扰和内部干扰。 1 外部干扰 外部干扰指那些与系统结构无关，而是由外界环境因素决定的，主要是空间电与磁的影响，环境温度，湿度等气象条件也是外来干扰。外部干扰的主要来源有：电源电网的波动、大型用电设备(如天车、电炉、大电机、电焊机等)的启停、高压设备和电磁开关的电磁辐射、传输电缆的共模干扰等。 2 内部干扰 内部干扰则是由系统结构，制造工艺等决定的。内部干扰主要有：系统的软件干扰、分布电容或分布电感产生的干扰、多点接地造成的电位差给系统带来的影响等。长线传输的波反射，多点接地的电位差，元器件产生的噪声也属于内部干扰。 6.1.2 干扰的作用途径 1 传导耦合 干扰由导线进入电路中称为传导耦合。电源线、输入输出信号线都是干扰经常窜入的途径。 6.1.3 干扰的作用形式 各种干扰信号通过不同的耦合方式进入系统后，按照对系统的作用形式又可分为共模干扰和串模干扰。 1 共模干扰(共态干扰) 共模干扰是在电路输入端相对公共接地点同时出现的干扰，也称为共态干扰、对地干扰、纵向干扰、同向干扰等。所谓共模干扰是指A/D转换器两个输入端上公有的干扰电压。因为在计算机控制系统中，一般要用长导线把计算机发出的控制信号传送到现场的某个控制对象，或者把安装在某个装置中的传感器所产生的被测信号传送到计算机的模数转换器。因此，被测信号的参考接地点和计算机输入信号的参考接地点之间往往存在着一定的电位差。共模干扰主要是由电源的地、放大器的地以及信号源的地之间的传输线上电压降造成的，如图6.1所示。 图6.1 共模干扰示意图 图6.2 串模干扰示意图 2 串模干扰 串模干扰就是指串联叠加在工作信号上的干扰，也称之为正态干扰、常态干扰、横向干扰等。图6.2描述了串模干扰的情况。共模干扰对系统的影响是转换成串模干扰的形式作用的。所谓串模干扰是指叠加在被测信号上的干扰噪声。被测信号是指有用的直流信号或缓慢变化的交变信号，而干扰噪声是指无用的变化较快的杂乱交变信号。 6.2 硬件抗干扰技术 6.2.1 共模干扰的抑制 抑制共模干扰的主要方法是设法消除不同接地点之间的电位差。 1. 变压器隔离 利用变压器把模拟信号电路与数字信号电路隔离开来，也就是把模拟地与数字地断开，以使共模干扰电压不成回路，从而抑制了共模干扰。注意，隔离前和隔离后应分别采用两组互相独立的电源，切断两部分的地线联系，如图6.3所示。 图6.3变压器隔离图 2. 光电隔离 光电隔离是利用光电耦合器完成信号的传送，实现电路的隔离，如图6.4所示。根据所用的器件及电路不同，通过光电耦合器既可以实现模拟信号的隔离，更可以实现数字量的隔离。注意，光电隔离前后两部分电路应分别采用两组独立的电源。 光电耦合器有以下几个特点：首先，由于是密封在一个管壳内，不会受到外界光的干扰。其次，由于是靠光传送信号，切断了各部件电路之间地线的联系。第三，发光二极管动态电阻非常小，而干扰源的内阻一般很大，能够传送到光电耦合器输入端的干扰信号变得很小。第四，光电耦合器的传输比和晶体管的放大倍数相比，一般很小，其发光二极管只有在通过一定的电流时才发光，如果没有足够的能量，仍不能使发光二极管发光，从而可以有效的抑制干扰信号。 图6.4 光电隔离图 3. 浮地屏蔽 采用浮地输入双层屏蔽放大器来抑制共模干扰。所谓浮地，就是利用屏蔽方法使信号的“模拟地”浮空，从而达到抑制共模干扰的目的。 4. 采用具有高共模抑制比的仪表放大器作为输入放大器 仪表放大器具有共模抑制能力强、输入阻抗高、漂移低、增益可调等优点，是一种专门用来分离共模干扰与有用信号的器件