第2章 2.6 硬件抗干擾技術(shù)ppt課件

1、干擾的來源與傳播途徑2.6.1 過程通道抗干擾技術(shù)2.6.2 CPU抗干擾技術(shù)2.6.3 系統(tǒng)供電與接地技術(shù),2.6 硬件抗干擾技術(shù),1,干擾的來源與傳播途徑,1、什么是干擾：就是有用信號(hào)以外的噪聲或造成計(jì)算機(jī)設(shè)備不能正常工作的破壞因素。,2、 干擾的來源,干擾的來源是多方面的，有時(shí)甚至是錯(cuò)綜復(fù)雜的。干擾有的來自外部，有的來自內(nèi)部。即外部干擾和內(nèi)部干擾。外部干擾：指那些與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)無關(guān)，而是由外界環(huán)境因素決定 的。外部干擾主要是空

2、間電或磁的影響，環(huán)境溫度、濕度等氣象條件。外部干擾環(huán)境如下圖所示，有天電干擾，如雷電或大氣電離作用以及其他氣象引起的干擾電波；天體干擾，如太陽或其他星球輻射的電磁波；電氣設(shè)備的干擾，如廣播電臺(tái)或通訊發(fā)射臺(tái)發(fā)出的電磁波，動(dòng)力機(jī)械、高頻爐、電焊機(jī)等都會(huì)產(chǎn)生干擾；此外，熒光燈、開關(guān)、電流斷路器、過載繼電器、指示燈等具有瞬變過程的設(shè)備也會(huì)產(chǎn)生較大的干擾；來自電源的工頻干擾也可視為外部干擾。,2,3,內(nèi)部干擾：是由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、制造工藝等決定的。內(nèi)部

3、干擾主要是分布電容、分布電感引起的耦合感應(yīng)，電磁場(chǎng)輻射感應(yīng)，長線傳輸?shù)牟ǚ瓷?，多點(diǎn)接地造成的電位差引起的干擾，寄生振蕩引起的干擾，甚至元器件產(chǎn)生的噪聲。,4,3、干擾的傳播途徑 干擾傳播的途徑主要有三種：靜電耦合，磁場(chǎng)耦合，公共阻抗耦合。,靜電耦合：靜電耦合是電場(chǎng)通過電容耦合途徑竄入其它線路的。兩根并排的導(dǎo)線之間會(huì)構(gòu)成分布電容，如印制線路板上印制線路之間、變壓器繞線之間都會(huì)構(gòu)成分布電容。（解釋見注釋）,5,磁場(chǎng)耦合,空間的

4、磁場(chǎng)耦合是通過導(dǎo)體間的互感耦合進(jìn)來的。在任何載流導(dǎo)體周圍空間中都會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，而交變磁場(chǎng)則對(duì)其周圍閉合電路產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。如設(shè)備內(nèi)部的線圈或變壓器的漏磁會(huì)引起干擾，還有普通的兩根導(dǎo)線平行架設(shè)時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)干擾，如下圖所示。 （解釋見注釋）,6,公共阻抗耦合,公共阻抗耦合發(fā)生在兩個(gè)電路的電流流經(jīng)一個(gè)公共阻抗時(shí)，一個(gè)電路在該阻抗上的電壓降會(huì)影響到另一個(gè)電路，從而產(chǎn)生干擾噪聲的影響。下圖給出一個(gè)公共電源線的阻抗耦合示意圖。 （解釋見注釋）,7,

5、2.6.1 過程通道抗干擾技術(shù),1.串模干擾及其抑制方法 (1)串模干擾 所謂串模干擾是指疊加在被測(cè)信號(hào)上的干擾噪聲，即干擾源串聯(lián)在信號(hào)源回路中。也稱為常態(tài)干擾。,8,一個(gè)串模干擾的例子,圖中Us為信號(hào)源，Un為串模干擾電壓，鄰近導(dǎo)線(干擾線)有交變電流Ia流過，由Ia產(chǎn)生的電磁干擾信號(hào)就會(huì)通過分布電容C1和C2的耦合，引至計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的輸入端。,9,（2）串模干擾的抑制方法,①采用濾波器（低通、高通、帶通濾波器）：根

6、據(jù)串模干擾頻率與被測(cè)信號(hào)頻率的分布特性，可以選用具有低通、高通、帶通等濾波器。其中，如果干擾頻率比被測(cè)信號(hào)頻率高，則選用低通濾波器；如果干擾頻率比被測(cè)信號(hào)頻率低，則選用高通濾波器；如果干擾頻率落在被測(cè)信號(hào)頻率的兩側(cè)時(shí)，則需用帶通濾波器。 一般情況下，串模干擾均比被測(cè)信號(hào)變化快，常用下圖結(jié)構(gòu)的二級(jí)阻容低通濾波網(wǎng)絡(luò)作為模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入濾波器。 網(wǎng)絡(luò)中參數(shù)與被測(cè)信號(hào)的快慢相關(guān)。,10,該濾波電路可使50Hz的串模干擾信號(hào)衰減

7、600倍左右，濾波器的時(shí)間常數(shù)小于200ms。,11,無源二級(jí)阻容低通濾波器缺點(diǎn)是對(duì)有用信號(hào)也會(huì)有較大的衰減。為了把增益與頻率特性結(jié)合起來，對(duì)于小信號(hào)可以采取以反饋放大器為基礎(chǔ)的有源濾波器，它不僅可以達(dá)到濾波效果，而且能夠提高信號(hào)的增益，如下圖所示。,12,②當(dāng)尖峰型串模干擾成為主要干擾源時(shí)，可采用限幅電路，采用雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器削弱串模干擾的影響。 ③盡可能早地進(jìn)行前置放大，提高信噪比；或盡可能早地完成模/數(shù)轉(zhuǎn)換，或采取隔

8、離和屏蔽等措施。 ④從選擇邏輯器件入手，利用邏輯器件的特性來抑制串模干擾。如提高閾值電平，或采用低速邏輯器件等。 ⑤采用雙絞線作信號(hào)引線的目的是減少電磁感應(yīng)，并且使各個(gè)小環(huán)路的感應(yīng)電勢(shì)互相呈反向抵消。選用帶屏蔽的雙絞線或同軸電纜做信號(hào)線，以具有良好接地。雙絞線能抑制磁場(chǎng)耦合干擾屏蔽能抑制電廠耦合干擾,13,2．共模干擾及其抑制方法,(1)共模干擾 所謂共模干擾是指模/數(shù)轉(zhuǎn)換器兩個(gè)輸入端上公有的干擾電壓。共模干

9、擾也稱為共態(tài)干擾。 被測(cè)信號(hào)Us的參考接地點(diǎn)和計(jì)算機(jī)輸入信號(hào)的參考接地點(diǎn)之間往往存在著一定的電位差Ucm 。 對(duì)于模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的兩個(gè)輸入端來說，分別有Us + Ucm和Ucm兩個(gè)輸入信號(hào)。顯然， Ucm是共模干擾電壓。,共模干擾示意圖,14,在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中一般都用較長的導(dǎo)線把現(xiàn)場(chǎng)中的傳感器或執(zhí)行器引入至計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的輸入通道或輸出通道中，這類信號(hào)傳輸線通常長達(dá)幾十米以至上百米，這樣，現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的參考接地點(diǎn)與計(jì)算機(jī)

10、系統(tǒng)輸入或輸出通道的參考接地點(diǎn)之間存在一個(gè)電位差Ucm。這個(gè)Ucm是加在放大器輸入端上共有的干擾電壓，故稱共模干擾電壓。既然共模干擾產(chǎn)生的原因是不同“地”之間存在的電壓，以及模擬信號(hào)系統(tǒng)對(duì)地的漏阻抗。因此，共模干擾電壓的抑制就應(yīng)當(dāng)是有效的隔離兩個(gè)地之間的電聯(lián)系，以及采用被測(cè)信號(hào)的雙端差動(dòng)輸入方式。具體的有變壓器隔離、光電隔離、浮地屏蔽與使用儀表放大器等措施。,15,單端對(duì)地輸入和雙端不對(duì)地輸入,此時(shí)的共模干擾電壓全部轉(zhuǎn)換成串模干擾電壓

11、。所以必須采用雙端輸入不對(duì)地方式，如下圖所示：,對(duì)于存在共模干擾的場(chǎng)合，不能采用單端對(duì)地輸入方式。,16,如Zs1＝Zs2，Zc1=Zc2，則UAB=0,從上式可以看出，Zs1、Zs2越小，Zc1、Zc2越大，且Zc1與Zc2越接近時(shí)，UAB就越小，這就是為什么集成電路器件的輸入阻抗盡可能做大一點(diǎn)的原因。有時(shí)間時(shí)舉雙端輸入運(yùn)算放大器的例子,兩個(gè)輸入端之間的共模電壓UAB為：,17,對(duì)單端輸入，Un=Ucm，則CMRR=0，無共模抑制

12、能力。當(dāng)Ucm一定時(shí)，Un越小，CMRR越大，抗共模干擾能力越強(qiáng)。,18,(2)共模干擾的抑制方法,①變壓器隔離 利用變壓器把模擬信號(hào)電路與數(shù)字信號(hào)電路隔離開來，也就是把模擬地與數(shù)字地?cái)嚅_，以使共模干擾電壓 Ucm不成回路，從而抑制了共模干擾。另外，隔離前與隔離后應(yīng)分別采用兩組互相獨(dú)立的電源，切斷兩部分的地線聯(lián)系。,19,②光電隔離 光電隔離與變壓器隔離相比，實(shí)現(xiàn)起來比較容易，成本低，體積也小。在計(jì)算機(jī)控

13、制系統(tǒng)中光電隔離得到了廣泛應(yīng)用。（利用光耦隔離器的線性放大區(qū)，也可傳送模擬信號(hào)而隔離電磁干擾，即在模擬信號(hào)通道中進(jìn)行隔離。例如在現(xiàn)場(chǎng)傳感器與A/D轉(zhuǎn)換器或D/A轉(zhuǎn)換器與現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行器之間的模擬信號(hào)的線性傳送模擬量應(yīng)選用線性光耦）,20,21,③浮地屏蔽 采用浮地輸入雙層放大器來抑制共模干擾。這是利用屏蔽方法使輸入信號(hào)的“模擬地”浮空，從而達(dá)到抑制共模干擾的目的。,下圖給出了一種浮地輸入雙層屏蔽放大電路。,22,23,計(jì)算機(jī)部分采用內(nèi)

14、外兩層屏蔽，且內(nèi)屏蔽層對(duì)外屏蔽層(機(jī)殼地)是浮地的，而內(nèi)層與信號(hào)源及信號(hào)線屏蔽層是在信號(hào)端單點(diǎn)接地的，被測(cè)信號(hào)到控制系統(tǒng)中的放大器是采用雙端差動(dòng)輸入方式。圖中，Zs1、Zs2為信號(hào)源內(nèi)阻及信號(hào)引線電阻，Zs3為信號(hào)線的屏蔽電阻，它們至多只有十幾歐姆左右，Zc1、Zc2為放大器輸入端對(duì)內(nèi)屏蔽層的漏阻抗，Zc3為內(nèi)屏蔽層與外屏蔽層之間的漏阻抗。工程設(shè)計(jì)中Zc1、Zc2、Zc3應(yīng)達(dá)到數(shù)十兆歐姆以上，這樣模擬地與數(shù)字地之間的共模電壓Ucm在進(jìn)入

15、到放大器以前將會(huì)被衰減到很小很小。這是因?yàn)槭紫仍赨cm、 Zs3、Zc3構(gòu)成的回路中，Zc3＞＞Zs3，因此干擾電流I3在Zs3上的分壓US3就小得多；同理，US3分別在Zs2與Zs1上的分壓US2與US1又被衰減很多，而且是同時(shí)加到運(yùn)算放大器的差動(dòng)輸入端，也即被2次衰減到很小很小的干擾信號(hào)再次相減，余下的進(jìn)入到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)的共模電壓在理論上幾乎為零。因此，這種浮地屏蔽系統(tǒng)對(duì)抑制共模干擾是很有效的。,24,④采用儀表放大器提高共模抑制比

16、 儀表放大器將兩個(gè)信號(hào)的差值放大。抑制共模分量是使用儀表放大器的唯一原因。 AD620（低功耗，低成本，集成儀表放大器），還有AD623等等。 (儀表放大器實(shí)際上是高精度差分輸入的運(yùn)算放大器),25,AD620儀表放大器的簡(jiǎn)介,,儀表放大電路是由三個(gè)放大器所共同組成，其中電阻R與RX來調(diào)整放大的增益值，其關(guān)系式如下式所示，要注意避免每個(gè)放大器的飽和現(xiàn)象 。,26,3.長線傳輸干擾及其抑制方法,(1)長線

17、傳輸干擾 ①由生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)到計(jì)算機(jī)的連線往往長達(dá)幾十米，甚至數(shù)百米。即使在中央控制室內(nèi)，各種連線也有幾米到十幾米。對(duì)于采用高速集成電路的計(jì)算機(jī)來說，長線的“長”是一個(gè)相對(duì)的概念，是否“長線”取決于集成電路的運(yùn)算速度。例如，對(duì)于納秒級(jí)的數(shù)字電路來說，1米左右的連線就應(yīng)當(dāng)作長錢來看待；而對(duì)于10微妙級(jí)的電路，幾米長的連線才需要當(dāng)作長線處理。（PCI總線） ② 信號(hào)在長線中傳輸遇到三個(gè)問題： 一是長線傳輸易受到外界干

18、擾； 二是具有信號(hào)延時(shí)； 三是高速度變化的信號(hào)在長線中傳輸時(shí)，還會(huì)出現(xiàn)波反射現(xiàn)象。,27,波反射產(chǎn)生的原理,阻抗不連續(xù)，信號(hào)在傳輸線末端突然遇到電纜阻抗很小甚至沒有，信號(hào)在這個(gè)地方就會(huì)引起反射。這種信號(hào)反射的原理，與光從一種媒質(zhì)進(jìn)入另一種媒質(zhì)要引起反射是相似的。消除這種反射的方法，就必須在電纜的末端跨接一個(gè)與電纜的特性阻抗同樣大小的終端電阻，使電纜的阻抗連續(xù)。,當(dāng)信號(hào)在長線中傳輸時(shí)，由于傳輸線的分布

19、電容和分布電感的影響，信號(hào)會(huì)在傳輸線內(nèi)部產(chǎn)生正向前進(jìn)的電壓波和電流波，稱為入射波。,28,傳輸介質(zhì),雙絞線：雙絞線是由兩條導(dǎo)線按一定扭距相互絞合在一起的類似于電話線的傳輸媒體，每根線加絕緣層并有顏色來標(biāo)記。 雙絞線的波阻抗一般在100至200Ω之間，絞花越密，波阻抗越低。（波阻抗代表的是單位長度的阻抗值，與其傳輸線的總長度無關(guān)，僅代表該傳輸線本身的特性） 同軸電纜：同軸電纜可分為兩類：粗纜和細(xì)纜，這種電纜在實(shí)際應(yīng)用中很廣，

20、比如有線電視網(wǎng)，就是使用同軸電纜。不論是粗纜還是細(xì)纜，其中央都是一根銅線，外面包有絕緣層。 同軸電纜的波阻抗在50至100Ω之間。,29,波阻抗的測(cè)量為了進(jìn)行阻抗匹配，必須事先知道信號(hào)傳輸線的波阻抗RP，波阻抗RP的測(cè)量如圖所示。圖中的信號(hào)傳輸線為雙絞線，在傳輸線始端通過與非門加入標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，用示波器觀察門A的輸出波形，調(diào)節(jié)傳輸線終端的可變電阻R，當(dāng)門A輸出的波形不畸變時(shí)，即是傳輸線的波阻抗與終端阻抗完全匹配，反射波完全消失，這時(shí)

21、的R值就是該傳輸線的波阻抗，即RP＝R。,30,(2)長線傳輸干擾的抑制方法,采用終端阻抗匹配或始端阻抗匹配，可以消除長線傳輸中的波反射或者把它抑制到最低限度。 ①終端匹配：終端并聯(lián)電阻 ②始端匹配：始端串聯(lián)電阻,31,①終端匹配,在（a）中，如果傳輸線的波阻抗是RP，那么當(dāng)R=RP時(shí)，便實(shí)現(xiàn)了終端匹配，消除了波反射。此時(shí)終端波形和始端波形的形狀相一致，只是時(shí)間上遲后。由于終端電阻變低，則加大負(fù)載，使波形的高電平下

22、降，從而降低了高電平的抗干擾能力，但對(duì)波形的低電平?jīng)]有影響。在（b）中，等效電阻R為 R= R1R2/(R1+R2)適當(dāng)調(diào)整R1和R2的阻值，可使R=RP。這種匹配方法也能消除波反射，優(yōu)點(diǎn)是波形的高電平下降較少，缺點(diǎn)是低電平抬高，從而降低了低電平的抗干擾能力。為了同時(shí)兼顧高電平和低電平兩種情況，可選取R1=R2=2RP，此時(shí)等效電阻R=RP。實(shí)踐中，寧可使高電平降低得稍多一些，而讓低電平抬高得少一

23、些，可通過適當(dāng)選取電阻R1和R2，使R1＞R2達(dá)到此目的，當(dāng)然還要保證等效電阻R=RP。,32,②始端匹配,在傳輸線始端串入電阻R，如圖所示，也能基本上消除反射，達(dá)到改善波形的目的。一般選擇始端匹配電阻R為R=RP-RSC ,其中RSC為門A輸出低電平時(shí)的輸出阻抗。,33,2.6.2 CPU抗干擾技術(shù),計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的CPU抗干擾措施常常采用： ①Watchdog(俗稱看門狗) ②電源監(jiān)控(掉電檢測(cè)及保護(hù)) ③

24、復(fù)位,MAX1232是微處理器監(jiān)控電路，另外常用的集成電路還有X5045、IMP813等。,34,看門狗的工作原理,看門狗的實(shí)現(xiàn),,Watchdog Timer,35,1．MAX1232的結(jié)構(gòu)原理,MAX1232引腳：PBRST為按鍵復(fù)位輸入TD為時(shí)間延遲，Watchdog時(shí)基選擇輸入TOL為容差輸入RST為復(fù)位輸出（高電平有效）RST為復(fù)位輸出（低電平有效）ST為選通輸入Watchdog定時(shí)器輸入,,,,36,MAX123

25、2內(nèi)部原理圖,37,2．MAX1232的主要功能,(1)電源監(jiān)控(2)按鈕復(fù)位輸入 (3)監(jiān)控定時(shí)器(Watchdog),,38,(1)電源監(jiān)控,電壓檢測(cè)器監(jiān)控Vcc 每當(dāng)Vcc低于所選擇的容限時(shí)(5%容限時(shí)的電壓典型時(shí)為4.62V，10%容限時(shí)的電壓典型時(shí)為4.37V)就輸出并保持復(fù)位信號(hào)。 選擇5%的容許極限時(shí)，TOL端接地； 選擇10%的容許極限時(shí)，TOL端接Vcc。當(dāng)Vcc恢復(fù)到容許極限內(nèi)，復(fù)位輸出

26、信號(hào)至少保持250ms的寬度，才允許電源供電并使微處理器穩(wěn)定工作。,39,(2)按鈕復(fù)位輸入,MAX1232的PBRST端靠手動(dòng)強(qiáng)制復(fù)位輸出，該端保持tPBD是按鈕復(fù)位延遲時(shí)間，當(dāng)PBRST升高到大于一定的電壓值后，復(fù)位輸出保持至少250ms的寬度。   一個(gè)機(jī)械按鈕或一個(gè)有效的邏輯信號(hào)都能驅(qū)動(dòng)PBRST，無鎖按鈕輸入至少忽略了1ms的輸入抖動(dòng)，并且被保證能識(shí)別出20ms或更大的脈沖寬度。該P(yáng)BRST在芯片內(nèi)部被上拉到

27、大約100μA的Vcc上，因而不需要附加的上拉電阻。,,,,,40,(3)監(jiān)控定時(shí)器(Watchdog),用于因干擾引起的系統(tǒng)“飛程序”等出錯(cuò)的檢測(cè)和自動(dòng)恢復(fù)。 微處理器用一根I/O線來驅(qū)動(dòng)輸入ST，微處理器必須在一定時(shí)間內(nèi)觸發(fā)ST端(其時(shí)間取決于TD)，以便來檢測(cè)正常的軟件執(zhí)行。如果一個(gè)硬件或軟件的失誤導(dǎo)致ST沒被觸發(fā)，（在一個(gè)最小超時(shí)間間隔內(nèi)，ST的觸發(fā)只能被脈沖的下降沿作用），這時(shí)MAX1232的復(fù)位輸出至少保持250m

28、s的寬度。,,,,,41,監(jiān)控電路MAX1232的典型應(yīng)用,3. 掉電保護(hù)與恢復(fù)運(yùn)行如何利用MAX1232實(shí)現(xiàn)掉電數(shù)據(jù)保存與來電后繼續(xù)工作？高優(yōu)先級(jí)中斷、掉電標(biāo)志、保存數(shù)據(jù)、上電檢測(cè)掉電標(biāo)志、恢復(fù)原現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)、繼續(xù)未完成工作等。,42,2.6.3 系統(tǒng)供電與接地技術(shù),1、供電技術(shù),（1）、交流電源系統(tǒng),理想的交流電應(yīng)該是50HZ的正弦波。但事實(shí)上，由于負(fù)載的變動(dòng)如電動(dòng)機(jī)、電焊機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)等電器設(shè)備的啟停，甚至日光燈的開關(guān)都可能造成電源

29、電壓的波動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使電源正弦波上出現(xiàn)尖峰脈沖，如下圖所示。這種尖峰脈沖，幅值可達(dá)幾十甚至幾千伏，持續(xù)時(shí)間也可達(dá)幾毫秒之久，容易造成計(jì)算機(jī)的“死機(jī)”，甚至?xí)p壞硬件，對(duì)系統(tǒng)威脅極大。在硬件上可以用以下方法加以解決。,43,44,(1 )選用供電比較穩(wěn)定的進(jìn)線電源 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的電源進(jìn)線要盡量選用比較穩(wěn)定的交流電源，至少不要將控制系統(tǒng)接到負(fù)載變化大、晶閘管設(shè)備多或者有高頻設(shè)備的電源上。（2）利用干擾抑制器消除尖峰干擾 干

30、擾抑制器使用簡(jiǎn)單，利用干擾抑制器消除尖峰干擾的電路如下圖示。干擾抑制器是一種無源四端網(wǎng)絡(luò)，目前已有產(chǎn)品出售。,,45,（3）采用交流穩(wěn)壓器穩(wěn)定電網(wǎng)電壓計(jì)算機(jī)控制的交流供電系統(tǒng)一般如下圖所示。圖中交流穩(wěn)壓器是為了抑制電網(wǎng)電壓的波動(dòng)，提高計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，交流穩(wěn)壓器能把輸出波形畸變控制在5％以內(nèi)，還可以對(duì)負(fù)載短路起限流保護(hù)作用。低通濾波器是為了濾除電網(wǎng)中混雜的高頻干擾信號(hào)，保證50HZ基波通過。,46,（4）利用UPS保證不中斷供電

31、電網(wǎng)瞬間斷電或電壓突然下降等掉電事件會(huì)使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)陷入混亂狀態(tài)，是可能產(chǎn)生嚴(yán)重事故的惡性干擾。對(duì)于要求更高的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，可以采用不間斷電源即UPS向系統(tǒng)供電，如下圖所示。正常情況下由交流電網(wǎng)通過交流穩(wěn)壓器、切換開關(guān)、直流穩(wěn)壓器供電至計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；同時(shí)交流電網(wǎng)也給電池組充電。所有的UPS設(shè)備都裝有一個(gè)或一組電池和傳感器，并且也包括交流穩(wěn)壓設(shè)備。如果交流供電中斷，系統(tǒng)中的斷電傳感器檢測(cè)到斷電后就會(huì)將供電通路在極短的時(shí)間內(nèi)（3ms）切換到

32、電池組，從而保證流入計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的電流不因停電而中斷。這里，逆變器能把電池直流電壓逆變到正常電壓頻率和幅度的交流電壓，具有穩(wěn)壓和穩(wěn)頻的雙重功能，提高了供電質(zhì)量。,47,不間斷電源ＵＰＳ供電系統(tǒng),48,2．直流電源系統(tǒng)在自行研制的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，無論是模擬電路還是數(shù)字電路，都需要低壓直流供電。為了進(jìn)一步抑制來自于電源方面的干擾，一般在直流電源側(cè)也要采用相應(yīng)的抗干擾措施。（1）交流電源變壓器的屏蔽把高壓交流變成低壓直流的簡(jiǎn)單方法是

33、用交流電源變壓器。因此，對(duì)電源變壓器設(shè)置合理的靜電屏蔽和電磁屏蔽，就是一種十分有效的抗干擾措施，通常將電源變壓器的一、二次繞組分別加以屏蔽，一次繞組屏蔽層與鐵心同時(shí)接地，如下圖（a）所示。在要求更高的場(chǎng)合，可采用層間也加屏蔽的結(jié)構(gòu)，如圖（b）所示。,49,50,（2）采用直流開關(guān)電源直流開關(guān)電源是一種脈寬調(diào)制型電源，由于脈沖頻率高達(dá)20kHZ，所以甩掉了傳統(tǒng)的工頻變壓器，具有體積小、重量輕、效率高（＞70％）、電網(wǎng)電壓范圍大[（－20

34、％～10％）×220V]、電網(wǎng)電壓變化時(shí)不會(huì)輸出過電壓或欠電壓、輸出電壓保持時(shí)間長等優(yōu)點(diǎn)。開關(guān)電源初、次級(jí)之間具有較好的隔離，對(duì)于交流電網(wǎng)上的高頻脈沖干擾有較強(qiáng)的隔離能力?，F(xiàn)在已有許多直流開關(guān)電源產(chǎn)品，一般都有幾個(gè)獨(dú)立的電源，如±5V，±12V，±24V等。,51,（3）采用DC-DC變換器如果系統(tǒng)供電電網(wǎng)波動(dòng)較大，或者對(duì)直流電源的精度要求較高，就可以采用DC-DC變換器，它們可以將一種電壓的

35、直流電源，變換成另一種電壓的直流電源。它們有升壓型或降壓型，或升壓/降壓型。DC-DC變換器具有體積小、性能價(jià)格比高、輸入電壓范圍大、輸出電壓穩(wěn)定（有的還可調(diào)）、環(huán)境溫度范圍廣等一系列優(yōu)點(diǎn)。顯然，采用DC-DC變換器可以方便地實(shí)現(xiàn)電池供電，從而制造便攜式或手持式計(jì)算機(jī)測(cè)控裝置。,52,（4）每塊電路板的直流電源當(dāng)一臺(tái)計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)有幾塊功能電路板時(shí)，為了防止板與板之間的相互干擾，可以對(duì)每塊板的直流電源采取分散獨(dú)立供電環(huán)境。在每塊板上

36、裝一塊或幾塊三端穩(wěn)壓集成塊（7805、7805、7812，7812等）組成穩(wěn)壓電源，每個(gè)功能板單獨(dú)對(duì)電壓過載進(jìn)行保護(hù)，不會(huì)因?yàn)槟硞€(gè)穩(wěn)壓塊出現(xiàn)故障而使整個(gè)系統(tǒng)遭到破壞，而且也減少了公共阻抗的相互耦合，大大提高供電的可靠性，也有利于電源散熱。,53,（5）集成電路塊的VCC加旁路電容集成電路的開關(guān)高速動(dòng)作時(shí)會(huì)產(chǎn)生噪聲，因此無論電源裝置提供的電壓多么穩(wěn)定，VCC和GND端也會(huì)產(chǎn)生噪聲。為了降低集成電路的開關(guān)噪聲，在印制線路板上的每一塊IC上

37、都接入高頻特性好的旁路電容，將開關(guān)電流經(jīng)過的線路局限在板內(nèi)一個(gè)極小的范圍內(nèi)。旁路電容可用0.01～0.1μF的陶瓷電容器，旁路電容器的引線要短而且緊靠需要旁路的集成器件的VCC或GND端，否則會(huì)毫無意義。,54,2．接地技術(shù),,廣義的接地包含兩方面的意思，即接實(shí)地和接虛地。接實(shí)地指的是與大地連接；接虛地指的是與電位基準(zhǔn)點(diǎn)連接，當(dāng)這個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)與大地電氣絕緣，則稱為浮地連接。正確合理的接地技術(shù)對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)極為重要，接地的目的有兩個(gè)：一是為

38、了保證控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，防止地環(huán)路引起的干擾，常稱為工作接地；二是為了避免操作人員因設(shè)備的絕緣損壞或下降遭受觸電危險(xiǎn)和保證設(shè)備的安全，這稱為保護(hù)接地。,教科書定義：“地線”是電路電位基準(zhǔn)點(diǎn)的等電位體。地是電路或系統(tǒng)中為各個(gè)信號(hào)提供參考電位的一個(gè)等電位點(diǎn)或等電位面。,55,在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，一般有以下幾種地線：模擬地、數(shù)字地、安全地、系統(tǒng)地、交流地。 模擬地作為傳感器、變送器、放大器、A/D和D/A轉(zhuǎn)換器中模擬電路的零電位。

39、模擬信號(hào)有精度要求，它的信號(hào)比較小，而且與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)連接。有時(shí)為區(qū)別遠(yuǎn)距離傳感器的弱信號(hào)地與主機(jī)的模擬地關(guān)系，把傳感器的地又叫信號(hào)地。所有組件的模擬地最終都?xì)w結(jié)到供給模擬電路電流的直流電源的參考點(diǎn)上。 數(shù)字地作為計(jì)算機(jī)中各種數(shù)字電路的零電位，應(yīng)該與模擬地分開，避免模擬信號(hào)受數(shù)字脈沖的干擾，所有組件的數(shù)字地最終都與供給數(shù)字電路電流的直流電源的參考點(diǎn)相連。 安全地的目的是使設(shè)備機(jī)殼與大地等電位，以避免機(jī)殼帶電而影響人身及設(shè)備安全

40、。通常安全地又稱為保護(hù)地或機(jī)殼地，機(jī)殼包括機(jī)架、外殼、屏蔽罩等。,(1)地線系統(tǒng)分析,56,系統(tǒng)地就是上述幾種地的最終回流點(diǎn)，直接與大地相連。眾所周知，地球是導(dǎo)體而且體積非常大，因而其靜電容量也非常大，電位比較恒定，所以人們把它的電位作為基準(zhǔn)電位，也就是零電位。交流地是計(jì)算機(jī)交流供電電源地，即動(dòng)力線地，它的地電位很不穩(wěn)定。在交流地上任意兩點(diǎn)之間，往往很容易就有幾伏至幾十伏的電位差存在。另外，交流地也很容易帶來各種干擾。因此，交流地絕對(duì)

41、不允許分別與上述幾種地相連，而且交流電源變壓器的絕緣性能要好，絕對(duì)避免漏電現(xiàn)象。,以上這些地線如何處理，是接地還是浮地？是一點(diǎn)接地還是多點(diǎn)接地？這些是實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試中的重要問題。,57,接地理論分析，低頻電路應(yīng)單點(diǎn)接地，高頻電路應(yīng)就近多點(diǎn)接地。 當(dāng)頻率小于1MHz時(shí)，可以采用單點(diǎn)接地方式；（因?yàn)椴季€和器件間的電感影響較小，而接地電路形成的環(huán)流對(duì)干擾影響較大，因而應(yīng)采用一點(diǎn)接地 ） 當(dāng)頻率高于10MHz時(shí)，可

42、以采用多點(diǎn)接地方式。（因?yàn)榻拥匾€的感抗與頻率和長度成正比，工作頻率高時(shí)將增加共地阻抗，必將增大共地阻抗產(chǎn)生的電磁干擾，所以要求地線的長度盡量短。采用多點(diǎn)接地時(shí)，盡量找最接近的低阻值接地面接地） 在1至10MHz之間，如果用單點(diǎn)接地時(shí)，其地線長度不得超過波長的1/20，否則應(yīng)使用多點(diǎn)接地。 單點(diǎn)接地的目的是避免形成地環(huán)路，地環(huán)路產(chǎn)生的電流會(huì)引入到信號(hào)回路內(nèi)引起干擾。,58,在工業(yè)控制系統(tǒng)中，信號(hào)頻率大多小于1MHZ，所以

43、通常采用單點(diǎn)接地方式，如圖所示。,59,地環(huán)路產(chǎn)生的原因：地環(huán)路干擾發(fā)生在通過較長電纜連接的相距較遠(yuǎn)的設(shè)備之間，其產(chǎn)生的內(nèi)在原因是設(shè)備之間的地線電位差，地線電壓導(dǎo)致了地環(huán)路電流，由于電路的非平衡性，地環(huán)路電流導(dǎo)致對(duì)電路造成影響的共模干擾電壓。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，各種地一般應(yīng)采用分別回流法單點(diǎn)接地。模擬地、數(shù)字地、安全地的分別回流法如圖所示。,60,回流法接地示例,61,匯流條由多層銅導(dǎo)體構(gòu)成，截面呈矩形，各層之間有絕緣層。采用多層匯流

44、條以減少自感，可減少干擾的竄入途徑。在稍考究的系統(tǒng)中，分別使用橫向匯流條及縱向匯流條，機(jī)柜內(nèi)各層機(jī)架之間分別設(shè)置匯流條，以最大限度減小公共阻抗的影響。在空間將數(shù)字地匯流條與模擬地匯流條間隔開，以避免通過匯流條間電容產(chǎn)生耦合。安全地（機(jī)殼地）始終與模擬地和數(shù)字地隔離開。這些地之間只是在最后才匯聚一點(diǎn)，而且常常通過銅接地板交匯，然后用線徑不小于30 的多股軟銅線焊接在接地板上深埋地下。,62,(2)低頻接地技術(shù),①一點(diǎn)接地方式

45、 信號(hào)地線的接地方式應(yīng)采用一點(diǎn)接地，而不采用多點(diǎn)接地。一點(diǎn)接地主要有兩種接法：即串聯(lián)接地和并聯(lián)接地。,各自的優(yōu)缺點(diǎn)：從防止噪聲角度看，如圖所示的串聯(lián)接地方式是最不適用的，由于地電阻r1、r2和r3是串聯(lián)的，所以各電路間相互發(fā)生干擾 。并聯(lián)接地方式在低頻時(shí)是最適用的，因?yàn)楦麟娐返牡仉娢恢慌c本電路的地電流和地線阻抗有關(guān)，不會(huì)因地電流而引起各電路間的耦合。這種方式的缺點(diǎn)是需要連很多根地線，用起來比較麻煩。,63,②實(shí)用的低頻接地

46、 一般在低頻時(shí)用串聯(lián)一點(diǎn)接地的綜合接法，即在符合噪聲標(biāo)準(zhǔn)和簡(jiǎn)單易行的條件下統(tǒng)籌兼顧。也就是說可用分組接法，即低電平電路經(jīng)一組共同地線接地，高電平電路經(jīng)另一組共同地線接地。 一條是低電平電路地線；一條是繼電器、電動(dòng)機(jī)等的地線(稱為“噪聲”地線)；一條是設(shè)備機(jī)殼地線(稱為“金屬件”地線)。 這三條地線可以在一點(diǎn)連接接地。,64,(3) 通道饋線（電纜）的接地技術(shù),①電路一點(diǎn)地基準(zhǔn)：一個(gè)實(shí)際的模擬量輸入通道，總可以簡(jiǎn)化成由信號(hào)

47、源、輸入饋線和輸入放大器3部分組成。 如圖所示的將信號(hào)源與輸入放大器分別接地的方式是不正確的。這種接地方式之所以錯(cuò)誤，是因?yàn)樗粌H會(huì)遭致磁場(chǎng)耦合的影響，而且還會(huì)因A和B兩點(diǎn)地電位不等而引起環(huán)流噪聲干擾。忽略導(dǎo)線電阻，誤認(rèn)為A和B兩點(diǎn)都是地球地電位應(yīng)該相等，是造成這種接地錯(cuò)誤的根本原因。 為了克服雙端接地的缺點(diǎn)，應(yīng)將輸入回路改為單端接地方式。當(dāng)單端接地點(diǎn)位于信號(hào)源端時(shí)，放大器電源不接地；當(dāng)單端接地點(diǎn)位于放大器端時(shí)，信號(hào)源不

48、接地。,導(dǎo)線的屏蔽，主要是針對(duì)電場(chǎng)耦合和磁場(chǎng)耦合干擾。而下面，將從如何克服地環(huán)流影響的角度來分析和解決接地問題。,65,②電纜屏蔽層的接地：當(dāng)信號(hào)電路是一點(diǎn)接地時(shí)，低頻電纜的屏蔽層也應(yīng)一點(diǎn)接地。如欲將屏蔽一點(diǎn)接地，則應(yīng)選擇較好的接地點(diǎn)。 當(dāng)一個(gè)電路有一個(gè)不接地的信號(hào)源與一個(gè)接地的(即使不是接大地)放大器相連時(shí)，輸入線的屏蔽應(yīng)接至放大器的公共端；當(dāng)接地信號(hào)源與不接地放大器相連時(shí)，即使信號(hào)源端接的不是大地，輸入線的屏蔽層也應(yīng)接到信號(hào)

49、源的公共端。,66,(4)主機(jī)外殼接地但機(jī)芯浮空 為了提高計(jì)算機(jī)的抗干擾能力，將主機(jī)外殼作為屏蔽罩接地。而把機(jī)內(nèi)器件架與外殼絕緣，絕緣電阻大于50MΩ，即機(jī)內(nèi)信號(hào)地浮空。這種方法安全可靠，抗干擾能力強(qiáng)，但制造工藝復(fù)雜，一旦絕緣電阻降低就會(huì)引入干擾。,67,(5)多機(jī)系統(tǒng)的接地 在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，多臺(tái)計(jì)算機(jī)之間相互通信，資源共享。如果接地不合理，將使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)無法正常工作。近距離的幾臺(tái)計(jì)算機(jī)安裝在同一機(jī)房內(nèi)，可采用多機(jī)

50、一點(diǎn)接地方法。對(duì)于遠(yuǎn)距離的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，多臺(tái)計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信，通過隔離的辦法把地分開。例如：采用變壓器隔離技術(shù)、光電隔離技術(shù)和無線電通信技術(shù)。,68,計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)總是處在干擾頻繁的惡劣環(huán)境中，因此如果沒有足夠的抗干擾措施，即使系統(tǒng)的各種硬件與軟件的設(shè)計(jì)都很合理，也未必能正常地工作?？垢蓴_能力是設(shè)計(jì)與運(yùn)行一個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)必須要考慮的重要指標(biāo)。但干擾的形式與危害多種多樣，而系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能又是各式各樣。因此，應(yīng)當(dāng)根據(jù)具體的實(shí)際系統(tǒng)采