第2章 2.6 硬件抗干擾技術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2.6.2 CPU抗干擾技術2.6.3 系統(tǒng)供電與接地技術,2.6 硬件抗干擾技術,1,干擾的來源與傳播途徑,1、什么是干擾：就是有用信號以外的噪聲或造成計算機設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，有時甚至是錯綜復雜的。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)結構無關，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；電氣設備的干擾，如廣播電臺或通訊發(fā)射臺發(fā)出的電磁波，動力機械、高頻爐、電焊機等都會產(chǎn)生干擾；此外，熒光燈、開關、電流斷路器、過載繼電器、指示燈等具有瞬變過程的設備也會產(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)結構、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，電磁場輻射感應，長線傳輸?shù)牟ǚ瓷?，多點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，磁場耦合，公共阻抗耦合。,靜電耦合：靜電耦合是電場通過電容耦合途徑竄入其它線路的。兩根并排的導線之間會構成分布電容，如印制線路板上印制線路之間、變壓器繞線之間都會構成分布電容。（解釋見注釋）,5,磁場耦合,空間的

4、磁場耦合是通過導體間的互感耦合進來的。在任何載流導體周圍空間中都會產(chǎn)生磁場，而交變磁場則對其周圍閉合電路產(chǎn)生感應電勢。如設備內(nèi)部的線圈或變壓器的漏磁會引起干擾，還有普通的兩根導線平行架設時，也會產(chǎn)生磁場干擾，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)生在兩個電路的電流流經(jīng)一個公共阻抗時，一個電路在該阻抗上的電壓降會影響到另一個電路，從而產(chǎn)生干擾噪聲的影響。下圖給出一個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,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信號上的干擾噪聲，即干擾源串聯(lián)在信號源回路中。也稱為常態(tài)干擾。,8,一個串模干擾的例子,圖中Us為信號源，Un為串模干擾電壓，鄰近導線(干擾線)有交變電流Ia流過，由Ia產(chǎn)生的電磁干擾信號就會通過分布電容C1和C2的耦合，引至計算機控制系統(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信號頻率的分布特性，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信號頻率高，則選用低通濾波器；如果干擾頻率比被測信號頻率低，則選用高通濾波器；如果干擾頻率落在被測信號頻率的兩側時，則需用帶通濾波器。 一般情況下，串模干擾均比被測信號變化快，常用下圖結構的二級阻容低通濾波網(wǎng)絡作為模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入濾波器。 網(wǎng)絡中參數(shù)與被測信號的快慢相關。,10,該濾波電路可使50Hz的串模干擾信號衰減

7、600倍左右，濾波器的時間常數(shù)小于200ms。,11,無源二級阻容低通濾波器缺點是對有用信號也會有較大的衰減。為了把增益與頻率特性結合起來，對于小信號可以采取以反饋放大器為基礎的有源濾波器，它不僅可以達到濾波效果，而且能夠提高信號的增益，如下圖所示。,12,②當尖峰型串模干擾成為主要干擾源時，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采用雙絞線作信號引線的目的是減少電磁感應，并且使各個小環(huán)路的感應電勢互相呈反向抵消。選用帶屏蔽的雙絞線或同軸電纜做信號線，以具有良好接地。雙絞線能抑制磁場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。 被測信號Us的參考接地點和計算機輸入信號的參考接地點之間往往存在著一定的電位差Ucm 。 對于模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的兩個輸入端來說，分別有Us + Ucm和Ucm兩個輸入信號。顯然， Ucm是共模干擾電壓。,共模干擾示意圖,14,在計算機控制系統(tǒng)中一般都用較長的導線把現(xiàn)場中的傳感器或執(zhí)行器引入至計算機系統(tǒng)的輸入通道或輸出通道中，這類信號傳輸線通常長達幾十米以至上百米，這樣，現(xiàn)場信號的參考接地點與計算機

10、系統(tǒng)輸入或輸出通道的參考接地點之間存在一個電位差Ucm。這個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，以及模擬信號系統(tǒng)對地的漏阻抗。因此，共模干擾電壓的抑制就應當是有效的隔離兩個地之間的電聯(lián)系，以及采用被測信號的雙端差動輸入方式。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,單端對地輸入和雙端不對地輸入,此時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地方式，如下圖所示：,對于存在共模干擾的場合，不能采用單端對地輸入方式。,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，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的原因。有時間時舉雙端輸入運算放大器的例子,兩個輸入端之間的共模電壓UAB為：,17,對單端輸入，Un=Ucm，則CMRR=0，無共模抑制

12、能力。當Ucm一定時，Un越小，CMRR越大，抗共模干擾能力越強。,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電路與數(shù)字信號電路隔離開來，也就是把模擬地與數(shù)字地斷開，以使共模干擾電壓 Ucm不成回路，從而抑制了共模干擾。另外，隔離前與隔離后應分別采用兩組互相獨立的電源，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，實現(xiàn)起來比較容易，成本低，體積也小。在計算機控

13、制系統(tǒng)中光電隔離得到了廣泛應用。（利用光耦隔離器的線性放大區(qū)，也可傳送模擬信號而隔離電磁干擾，即在模擬信號通道中進行隔離。例如在現(xiàn)場傳感器與A/D轉(zhuǎn)換器或D/A轉(zhuǎn)換器與現(xiàn)場執(zhí)行器之間的模擬信號的線性傳送模擬量應選用線性光耦）,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的“模擬地”浮空，從而達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,計算機部分采用內(nèi)

14、外兩層屏蔽，且內(nèi)屏蔽層對外屏蔽層(機殼地)是浮地的，而內(nèi)層與信號源及信號線屏蔽層是在信號端單點接地的，被測信號到控制系統(tǒng)中的放大器是采用雙端差動輸入方式。圖中，Zs1、Zs2為信號源內(nèi)阻及信號引線電阻，Zs3為信號線的屏蔽電阻，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。工程設計中Zc1、Zc2、Zc3應達到數(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在進入

15、到放大器以前將會被衰減到很小很小。這是因為首先在Ucm、 Zs3、Zc3構成的回路中，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，而且是同時加到運算放大器的差動輸入端，也即被2次衰減到很小很小的干擾信號再次相減，余下的進入到計算機系統(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、 儀表放大器將兩個信號的差值放大。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。 (儀表放大器實際上是高精度差分輸入的運算放大器),25,AD620儀表放大器的簡介,,儀表放大電路是由三個放大器所共同組成，其中電阻R與RX來調(diào)整放大的增益值，其關系式如下式所示，要注意避免每個放大器的飽和現(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)場到計算機的連線往往長達幾十米，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。對于采用高速集成電路的計算機來說，長線的“長”是一個相對的概念，是否“長線”取決于集成電路的運算速度。例如，對于納秒級的數(shù)字電路來說，1米左右的連線就應當作長錢來看待；而對于10微妙級的電路，幾米長的連線才需要當作長線處理。（PCI總線） ② 信號在長線中傳輸遇到三個問題： 一是長線傳輸易受到外界干

18、擾； 二是具有信號延時； 三是高速度變化的信號在長線中傳輸時，還會出現(xiàn)波反射現(xiàn)象。,27,波反射產(chǎn)生的原理,阻抗不連續(xù)，信號在傳輸線末端突然遇到電纜阻抗很小甚至沒有，信號在這個地方就會引起反射。這種信號反射的原理，與光從一種媒質(zhì)進入另一種媒質(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)。,當信號在長線中傳輸時，由于傳輸線的分布

19、電容和分布電感的影響，信號會在傳輸線內(nèi)部產(chǎn)生正向前進的電壓波和電流波，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，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：粗纜和細纜，這種電纜在實際應用中很廣，

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,波阻抗的測量為了進行阻抗匹配，必須事先知道信號傳輸線的波阻抗RP，波阻抗RP的測量如圖所示。圖中的信號傳輸線為雙絞線，在傳輸線始端通過與非門加入標準信號，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，當門A輸出的波形不畸變時，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

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R=RP時，便實現(xiàn)了終端匹配，消除了波反射。此時終端波形和始端波形的形狀相一致，只是時間上遲后。由于終端電阻變低，則加大負載，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)點是波形的高電平下降較少，缺點是低電平抬高，從而降低了低電平的抗干擾能力。為了同時兼顧高電平和低電平兩種情況，可選取R1=R2=2RP，此時等效電阻R=RP。實踐中，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，可通過適當選取電阻R1和R2，使R1＞R2達到此目的，當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輸出低電平時的輸出阻抗。,33,2.6.2 CPU抗干擾技術,計算機控制系統(tǒng)的CPU抗干擾措施常常采用： ①Watchdog(俗稱看門狗) ②電源監(jiān)控(掉電檢測及保護) ③

24、復位,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,看門狗的實現(xiàn),,Watchdog Timer,35,1．MAX1232的結構原理,MAX1232引腳：PBRST為按鍵復位輸入TD為時間延遲，Watchdog時基選擇輸入TOL為容差輸入RST為復位輸出（高電平有效）RST為復位輸出（低電平有效）ST為選通輸入Watchdog定時器輸入,,,,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)按鈕復位輸入 (3)監(jiān)控定時器(Watchdog),,38,(1)電源監(jiān)控,電壓檢測器監(jiān)控Vcc 每當Vcc低于所選擇的容限時(5%容限時的電壓典型時為4.62V，10%容限時的電壓典型時為4.37V)就輸出并保持復位信號。 選擇5%的容許極限時，TOL端接地； 選擇10%的容許極限時，TOL端接Vcc。當Vcc恢復到容許極限內(nèi)，復位輸出

26、信號至少保持250ms的寬度，才允許電源供電并使微處理器穩(wěn)定工作。,39,(2)按鈕復位輸入,MAX1232的PBRST端靠手動強制復位輸出，該端保持tPBD是按鈕復位延遲時間，當PBRST升高到大于一定的電壓值后，復位輸出保持至少250ms的寬度。   一個機械按鈕或一個有效的邏輯信號都能驅(qū)動PBRST，無鎖按鈕輸入至少忽略了1ms的輸入抖動，并且被保證能識別出20ms或更大的脈沖寬度。該PBRST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)控定時器(Watchdog),用于因干擾引起的系統(tǒng)“飛程序”等出錯的檢測和自動恢復。 微處理器用一根I/O線來驅(qū)動輸入ST，微處理器必須在一定時間內(nèi)觸發(fā)ST端(其時間取決于TD)，以便來檢測正常的軟件執(zhí)行。如果一個硬件或軟件的失誤導致ST沒被觸發(fā)，（在一個最小超時間間隔內(nèi)，ST的觸發(fā)只能被脈沖的下降沿作用），這時MAX1232的復位輸出至少保持250m

28、s的寬度。,,,,,41,監(jiān)控電路MAX1232的典型應用,3. 掉電保護與恢復運行如何利用MAX1232實現(xiàn)掉電數(shù)據(jù)保存與來電后繼續(xù)工作？高優(yōu)先級中斷、掉電標志、保存數(shù)據(jù)、上電檢測掉電標志、恢復原現(xiàn)場數(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,1、供電技術,（1）、交流電源系統(tǒng),理想的交流電應該是50HZ的正弦波。但事實上，由于負載的變動如電動機、電焊機、鼓風機等電器設備的啟停，甚至日光燈的開關都可能造成電源

29、電壓的波動，嚴重時會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，幅值可達幾十甚至幾千伏，持續(xù)時間也可達幾毫秒之久，容易造成計算機的“死機”，甚至會損壞硬件，對系統(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)定的進線電源 計算機控制系統(tǒng)的電源進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)接到負載變化大、晶閘管設備多或者有高頻設備的電源上。（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，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)電壓計算機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，提高計算機控制系統(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)，還可以對負載短路起限流保護作用。低通濾波器是為了濾除電網(wǎng)中混雜的高頻干擾信號，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使計算機系統(tǒng)陷入混亂狀態(tài)，是可能產(chǎn)生嚴重事故的惡性干擾。對于要求更高的計算機控制系統(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、直流穩(wěn)壓器供電至計算機系統(tǒng)；同時交流電網(wǎng)也給電池組充電。所有的UPS設備都裝有一個或一組電池和傳感器，并且也包括交流穩(wěn)壓設備。如果交流供電中斷，系統(tǒng)中的斷電傳感器檢測到斷電后就會將供電通路在極短的時間內(nèi)（3ms）切換到

32、電池組，從而保證流入計算機控制系統(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)在自行研制的計算機控制系統(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。為了進一步抑制來自于電源方面的干擾，一般在直流電源側也要采用相應的抗干擾措施。（1）交流電源變壓器的屏蔽把高壓交流變成低壓直流的簡單方法是

33、用交流電源變壓器。因此，對電源變壓器設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接地，如下圖（a）所示。在要求更高的場合，可采用層間也加屏蔽的結構，如圖（b）所示。,49,50,（2）采用直流開關電源直流開關電源是一種脈寬調(diào)制型電源，由于脈沖頻率高達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)電壓變化時不會輸出過電壓或欠電壓、輸出電壓保持時間長等優(yōu)點。開關電源初、次級之間具有較好的隔離，對于交流電網(wǎng)上的高頻脈沖干擾有較強的隔離能力?，F(xiàn)在已有許多直流開關電源產(chǎn)品，一般都有幾個獨立的電源，如±5V，±12V，±24V等。,51,（3）采用DC-DC變換器如果系統(tǒng)供電電網(wǎng)波動較大，或者對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。顯然，采用DC-DC變換器可以方便地實現(xiàn)電池供電，從而制造便攜式或手持式計算機測控裝置。,52,（4）每塊電路板的直流電源當一臺計算機測控系統(tǒng)有幾塊功能電路板時，為了防止板與板之間的相互干擾，可以對每塊板的直流電源采取分散獨立供電環(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，每個功能板單獨對電壓過載進行保護，不會因為某個穩(wěn)壓塊出現(xiàn)故障而使整個系統(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高速動作時會產(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端也會產(chǎn)生噪聲。為了降低集成電路的開關噪聲，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，將開關電流經(jīng)過的線路局限在板內(nèi)一個極小的范圍內(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，否則會毫無意義。,54,2．接地技術,,廣義的接地包含兩方面的意思，即接實地和接虛地。接實地指的是與大地連接；接虛地指的是與電位基準點連接，當這個基準點與大地電氣絕緣，則稱為浮地連接。正確合理的接地技術對計算機控制系統(tǒng)極為重要，接地的目的有兩個：一是為

38、了保證控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地運行，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備的絕緣損壞或下降遭受觸電危險和保證設備的安全，這稱為保護接地。,教科書定義：“地線”是電路電位基準點的等電位體。地是電路或系統(tǒng)中為各個信號提供參考電位的一個等電位點或等電位面。,55,在計算機控制系統(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、模擬信號有精度要求，它的信號比較小，而且與生產(chǎn)現(xiàn)場連接。有時為區(qū)別遠距離傳感器的弱信號地與主機的模擬地關系，把傳感器的地又叫信號地。所有組件的模擬地最終都歸結到供給模擬電路電流的直流電源的參考點上。 數(shù)字地作為計算機中各種數(shù)字電路的零電位，應該與模擬地分開，避免模擬信號受數(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相連。 安全地的目的是使設備機殼與大地等電位，以避免機殼帶電而影響人身及設備安全

40、。通常安全地又稱為保護地或機殼地，機殼包括機架、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，直接與大地相連。眾所周知，地球是導體而且體積非常大，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電位，也就是零電位。交流地是計算機交流供電電源地，即動力線地，它的地電位很不穩(wěn)定。在交流地上任意兩點之間，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

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？是一點接地還是多點接地？這些是實時控制系統(tǒng)設計、安裝、調(diào)試中的重要問題。,57,接地理論分析，低頻電路應單點接地，高頻電路應就近多點接地。 當頻率小于1MHz時，可以采用單點接地方式；（因為布線和器件間的電感影響較小，而接地電路形成的環(huán)流對干擾影響較大，因而應采用一點接地 ） 當頻率高于10MHz時，可

42、以采用多點接地方式。（因為接地引線的感抗與頻率和長度成正比，工作頻率高時將增加共地阻抗，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。采用多點接地時，盡量找最接近的低阻值接地面接地） 在1至10MHz之間，如果用單點接地時，其地線長度不得超過波長的1/20，否則應使用多點接地。 單點接地的目的是避免形成地環(huán)路，地環(huán)路產(chǎn)生的電流會引入到信號回路內(nèi)引起干擾。,58,在工業(yè)控制系統(tǒng)中，信號頻率大多小于1MHZ，所以

43、通常采用單點接地方式，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的設備之間，其產(chǎn)生的內(nèi)在原因是設備之間的地線電位差，地線電壓導致了地環(huán)路電流，由于電路的非平衡性，地環(huán)路電流導致對電路造成影響的共模干擾電壓。在計算機控制系統(tǒng)中，各種地一般應采用分別回流法單點接地。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,匯流條由多層銅導體構成，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，機柜內(nèi)各層機架之間分別設置匯流條，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，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,①一點接地方式

45、 信號地線的接地方式應采用一點接地，而不采用多點接地。一點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：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)接地方式在低頻時是最適用的，因為各電路的地電位只與本電路的地電流和地線阻抗有關，不會因地電流而引起各電路間的耦合。這種方式的缺點是需要連很多根地線，用起來比較麻煩。,63,②實用的低頻接地

46、 一般在低頻時用串聯(lián)一點接地的綜合接法，即在符合噪聲標準和簡單易行的條件下統(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、電動機等的地線(稱為“噪聲”地線)；一條是設備機殼地線(稱為“金屬件”地線)。 這三條地線可以在一點連接接地。,64,(3) 通道饋線（電纜）的接地技術,①電路一點地基準：一個實際的模擬量輸入通道，總可以簡化成由信號

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誤，是因為它不僅會遭致磁場耦合的影響，而且還會因A和B兩點地電位不等而引起環(huán)流噪聲干擾。忽略導線電阻，誤認為A和B兩點都是地球地電位應該相等，是造成這種接地錯誤的根本原因。 為了克服雙端接地的缺點，應將輸入回路改為單端接地方式。當單端接地點位于信號源端時，放大器電源不接地；當單端接地點位于放大器端時，信號源不

48、接地。,導線的屏蔽，主要是針對電場耦合和磁場耦合干擾。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：當信號電路是一點接地時，低頻電纜的屏蔽層也應一點接地。如欲將屏蔽一點接地，則應選擇較好的接地點。 當一個電路有一個不接地的信號源與一個接地的(即使不是接大地)放大器相連時，輸入線的屏蔽應接至放大器的公共端；當接地信號源與不接地放大器相連時，即使信號源端接的不是大地，輸入線的屏蔽層也應接到信號

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

50、一點接地方法。對于遠距離的計算機網(wǎng)絡，多臺計算機之間的數(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、光電隔離技術和無線電通信技術。,68,計算機控制系統(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計都很合理，也未必能正常地工作?？垢蓴_能力是設計與運行一個計算機控制系統(tǒng)必須要考慮的重要指標。但干擾的形式與危害多種多樣，而系統(tǒng)的結構與功能又是各式各樣。因此，應當根據(jù)具體的實際系統(tǒng)采