硬件抗干扰技术

硬件抗干扰技术,硬件抗干扰技术,(一) 计算机控制系统中的干扰源及途径 (二)抗干扰措施 过程通道抗干扰技术 系统供电 CPU抗干扰技术 接地技术,干扰源：外部干扰源与内部干扰源 外部：与系统结构无关，由外部环境因素决定。主要是空间电或磁的影响，环境温度、湿度等气象条件，如各种电气装置（电机、电焊机、家电和交通工具等）的起停以及运行中发出的电磁波，太阳以及其它天体发出的电磁波、供电电源的波动以及沿供电线路串入的干扰等。 内部：由系统结构、制造工艺决定。如不同信号的感应（分布电容、分布电感引起的耦合感应，电磁场辐射感应），多点接地造成的电位差，长线传输的波反射，元器件产生的噪声等。,1干扰源及其转播路径,干扰信号,微机系统,空间感应,过程I/O通道,供电系统,接地系统,干扰的主要传播路径：空间电磁感应、过程I/O通道、供电系统、接地系统。如下图所示：,对于由于空间感应引起的干扰，主要采用屏蔽技术来消除干扰。 电场屏蔽：作用是抑制电路之间由于分布电容的耦合而产生的电场干扰，方法是利用低电阻金属材料的屏蔽体，屏蔽效果依赖于该屏蔽体对地的连接质量。 电磁场屏蔽：作用是防止高频电磁场对电路的影响。方法是屏蔽加滤波，屏蔽罩用非磁性材料做，不能有孔缝，并让屏蔽罩接地，在受干扰设备地输入端加入LC组合的滤波器。,2 抗干扰措施,1、屏蔽技术,磁场屏蔽：作用是将低频磁场干扰限制在屏蔽体内，方法是利用高导磁率的金属材料做屏蔽罩。要求屏蔽罩不能有孔缝，屏蔽物的厚度影响屏蔽效果。 导线屏蔽：在信号线上加一个金属编织的网状屏蔽套从而屏蔽两点之间由于单根导线连接而产生的干扰。在使用屏蔽套时，屏蔽套必须接地。 目前常用双绞线传输信号以抵消磁场干扰。因为双绞线的每一分节形成一个相互靠近的环路，环路空间中电流方向相反，故产生的磁场相互抵消。,干扰沿过程通道进入计算机系统的主要原因是过程通道与主机之间存在公共地线。 (1)串模干扰及其抑制方法 串模干扰：指叠加在被测信号上的干扰噪声。 抑制方法：应根据干扰信号的特性和来源采用不同的措施。,2.过程通道抗干扰技术,串模干扰的抑制方法,如果串模干扰频率比被测信号频率高，则采用输入低通滤波器来抑制高频率串模干扰；如果串模干扰频率比被测信号频率低，则采用高通滤波器来抑制低频串模干扰；如果串模干扰频率落在被测信号频谱的两侧，则应用带通滤波器。 一般情况下，串模干扰均比被测信号变化快，故常用二级阻容低通滤波网络作为模/数转换器的输入滤波器。当被测信号变化较快时，应相应改变网络参数，以适当减小时间常数。,当尖峰型串模干扰成为主要干扰源时，用双积分式A/D转换器可以削弱串模干扰的影响。因为此类转换器是对输入信号的积分值进行测量，而不是测量信号的瞬时值。若干扰信号是周期性的而积分时间又为信号周期或信号周期的整数倍，则积分后干扰值为零，对测量结果不产生误差。 对于串模干扰主要来自电磁感应的情况下，对被测信号应尽可能早地进行前置放大，从而达到提高回路中的信号噪声比的目的；或者尽可能早地完成模/数转换或采取隔离和屏蔽等措施。,从选择逻辑器件入手，利用逻辑器件的特性来抑制串模干扰。 采用双绞线作信号引线的目的是减少电磁感应，并且使各个小环路的感应电势互相呈反向抵消。选用带有屏蔽的双绞线或同轴电缆做信号线，且有良好接地，并对测量仪表进行电磁屏蔽。,(2)共模干扰及其抑制方法,共模干扰：模/数转换器两个输入端上公有的干扰电压。共模干扰也称为共态干扰。 被测信号Us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Ucm,共模干扰示意图,单端对地输入和双端不对地输入,对于存在共模干扰的场合，不能采用单端对地输入方式，因为此时的共模干扰电压将全部成为串模干扰电压，如左图所示。所以必须采用双端输入不对地方式，如右图所示。 ZS、ZS1、ZS2为信号源US的内阻抗，ZC、ZC1、ZC2为输入电路的输入阻抗。共模干扰电压Ucm对两个输入端形成两个电流回路，每个输入端A和B的共模电压和两个输入端之间的共模电压分别为：,在计算机控制系统中，被测信号有单端对地输入和双端不对地输入两种输入形式,一般情况下，共模干扰电压Ucm总是转换成一定的串模干扰Un出现在两个输入端之间。 为了衡量一个输入电路抑制共模干扰的能力，常用共模抑制比CMRR(Common Mode Rejection Ratio)来表示，即 Ucm是共模干扰电压，Un是Ucm转化成的串模干扰电压。显然，对于单端对地输入方式，由于Un=Ucm，所以CMRR=0，说明无共模抑制能力。对于双端不对地输入方式来说，由Ucm引入的串模干扰Un越小，CMRR就越大，所以抗共模干扰能力越强。,共模干扰的抑制方法,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cm不成回路，从而抑制了共模干扰。另外，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。 ,变压器隔离,光电耦合器是由发光二极管和光敏三极管封装在一个管壳内组成的，发光二极管两端为信号输入端，光敏三极管的集电极和发射极分别作为光电耦合器的输出端，它们之间的信号是靠发光二极管在信号电压的控制下发光，传给光敏三极管来完成的。,光电隔离,密封在一个管壳里或模压塑料封装，不受外界光的干扰； 靠光传递信号，切断了各部件电路之间的地线联系； 发光二极管的动态电阻小，而干扰源的内阻一般比较大，能够传送到光电耦合器输入端的干扰信号很小； 光电耦合器的传输比和晶体管的放大倍数相比一般很小，远不如晶体管对干扰信号灵敏，而光电耦合器的发光二极管只在通过一定电流时才发光，因此即使在干扰电压幅值比较高的情况下，由于没有足够的能量，仍不能使发光二极管发光，从而可以有效抑制干扰信号。,光电耦合器的特点, 采用浮地输入双层屏蔽放大器来抑制共模干扰，如图所示。这是利用屏蔽方法使输入信号的“模拟地”浮空，从而达到抑制共模干扰的目的。,浮地屏蔽,采用仪表放大器提高共模抑制比,(1)长线传输干扰 长线的“长”是相对的； 信号在长线中传输遇到三个问题： 一是长线传输易受到外界干扰， 二是具有信号延时， 三是高速度变化的信号在长线中传输时，还会出现波反射现象。（阻抗不连续，信号在传输线末端突然遇到电缆阻抗很小甚至没有，信号在这个地方就会引起反射。这种信号反射的原理，与光从一种媒质进入另一种媒质要引起反射是相似的。消除这种反射的方法，就必须在电缆的末端跨接一个与电缆的特性阻抗同样大小的终端电阻，使电缆的阻抗连续。）,3.长线传输干扰及其抑制方法,为了进行阻抗匹配，必须事先知道信号传输线的波阻抗RP。信号传输线为双绞线，在传输线始端通过与非门加入标准信号，用示波器观察门A的输出波形，调节传输线终端的可变电阻R，当门A输出的波形不畸变时，即是传输线的波阻抗与终端阻抗完全匹配，反射波完全消失，这时的R值就是该传输线的波阻抗，即RPR。,波阻抗的测量,为了避免外界干扰的影响，在计算机中常常采用双绞线和同轴电缆作信号线。双绞线的波阻抗一般在100200之间，绞花愈密，波阻抗愈低。同轴电缆的波阻抗约50100范围。根据传输线的基本理论，无损耗导线的波阻抗为：,单位长度的电感（H） 单位长度的电容（F）,最简单的终端阻抗匹配方法如图所示。如果传输线的波阻抗是RP，那么当RRP时，便实现了终端匹配，消除了波反射。此时终端波形和始端波形的形状一致，只是时间上迟后。由于终端电阻变低，则加大负载，使波形的高电平下降，从而降低了高电平的抗干扰能力，但对波形的低电平没有影响。,(2)长线传输干扰的抑制方法,采用终端阻抗匹配或始端阻抗匹配，可以消除长线传输中的波反射或者把它抑制到最低限度。,A.终端阻抗匹配,为了克服上述匹配方法的缺点，可采用下图所示的终端匹配方法。,适当调整R1和R2的阻值，可使R=RP。这种匹配方法也能消除波反射，优点是波形的高电平下降较少，缺点是低电平抬高，从而降低了低电平的抗干扰能力为了同时兼顾高电平和低电平两种情况，可选取R1=R2=2RP，此时等效电阻R=RP。实践中宁可使高电平降低得稍多一些，而让低电平抬高得少一些，可通过适当选取电阻R1和R2，并使R1R2来达到此目的，当然还要保证等效电阻R=RP。,在传输线始端串入电阻R，如图所示，也能基本上消除反射，达到改善波形的目的。一般选择始端匹配电阻R为,B.始端阻抗匹配,门A输出低电平时的输出阻抗。,这种匹配方法的优点是波形的高电平不变，缺点是波形低电平会抬高。其原因是终端门B的输入电流在始端匹配电阻R上的压降所造成的。显然，终端所带负载门个数越多，则低电平抬高得越显著。,计算机控制系统的CPU抗干扰措施： Watchdog(俗称看门狗) 电源监控(掉电检测及保护) 复位,MAX1232微处理器监控电路给微处理器提供辅助功能以及电源供电监控功能。MAX1232通过监控微处理器系统电源供电及监控软件的执行，来增强电路的可靠性，它提供一个反弹的(无锁的)手动复位输入。 另外常用的集成电路还有X5045、IMP813等。,3、 CPU抗干扰技术,MAX1232的结构原理,MAX1232引脚图,MAX1232内部原理图,PBRST 按键复位输入，反弹式低电平有效，忽略内部1ms宽度的脉冲，确保识别20ms或更宽的脉冲。 TD为时间延迟，Watchdog时基选择输入，TD0V，tTD150ms，TD悬空，tTD600ms，TDVcc时，tTD1.2s,MAX1232的结构原理,MAX1232引脚图,MAX1232内部原理图,TOL为容差输入，TOL接地时选取5的容差，TOL接Vcc时选取10的容差。 RST为复位输入，RST产生的条件有Vcc下降低于所选择的复位电压阈值PBRST变低在最小暂停周期内ST未选通加电源期间,MAX1232的结构原理,MAX1232引脚图,MAX1232内部原理图,RST为复位输入，低电平有效，产生条件同RST GND为地 Vcc为5V电源 ST为选通输入Watchdog定时输入,电源监控,电压检测器监控Vcc。每当Vcc低于所选择的容限时(5%容限时的电压典型时为462V，10%容限时的电压典型时为437V)就输出并保持复位信号。 选择5%的容许极限时，TOL端接地； 选择10%的容许极限时，TOL端接Vcc。 当Vcc恢复到容许极限内，复位输出信号至少保持250ms的宽度，才允许电源供电并使微处理器稳定工作。,MAX1232的PBRST端靠手动强制复位输出，该端保持tPBD按钮复位延迟时间，当PBRST升高到大于一定的电压值后，复位输出保持至少250ms的宽度。 一个机械按钮或一个有效的逻辑信号都能驱动PBRST ，无锁按钮输入至少忽略了1ms的输入抖动，并且被保证能识别出20ms或更大的脉冲宽度。该PBRST在芯片内部被上拉到大约100A的Vcc上，因而不需要附加的上拉电阻。,按钮复位输入,尽管系统采用了各种抗干扰措施，但难保万无一失，Watch有看守大门的作用，弥补了这一缺憾。Watch有多种用法，但最主要的应用是用于因干扰引起的“飞程序”等错误的检测与自动恢复。 微处理器用一根I/O线来驱动ST输入，微处理器必须在一定时间内触发ST端（时间取决于TD），以便检测正常的软件执行，如果一个硬件或软件的失误导致ST没被触发，在一个最小超时间隔里，ST的触发只仅仅被脉冲的下降沿作用，这时MAX1232的复位输出至少保持250宽度。,监控定时,监控电路MAX1232的典型应用,工业生产中由于负荷的变化往往造成电网冲击，如大电机的起停、强电继电器的通断等，电网冲击造成控制系统稳压电源波动，从而对系统产生干扰。 计算机控制系统的供电一般采用下图结构。,交流稳压器,低通滤波器,直流稳压器,220V交流,直流,IPC,4、系统供电,选用电压比较稳定的进线电源，如对微机采用专用电源或者尽量与大的用电设备分开供电。 对整个电源部分加屏蔽及滤波器 对干扰不太严重的场合，采用常规供电方式，在干扰严重时，应在交流稳压器之前加隔离变压器，变压器的初级次级之外均有屏蔽层。 正确选用直流稳压电源。分线性稳压和开关稳压两种，一般对计算机系统采用开关电源供电。 微机用不间断电源UPS,抑制措施,接地技术对计算机控制系统极为重要，不恰当的接地会造成及其严重的干扰，正确的接地是有效抑制干扰的措施之一。 接地目的有二：一方面为了保证控制系统稳定可靠的运行，称之为工作接地；另一方面是为了避免操作人员因设备的绝缘损坏或下降遭受触电危险和保证设备的安全，称之为安全接地。 在计算机控制系统中，常见以下几种地线：模拟地，数字地，安全地，系统地和交流地。,5、接地技术,接地系统分析,模拟地：作为传感器、变送器、A/D和D/A转换器的模拟电路的零电位。 数字地：作为计算机中各种数字电路的零电位。应与模拟地分开，避免模拟信号受数字脉冲的干扰。 安全地：设备机壳与大地等电位，避免机壳带电而影响人身安全，通常称之为保护地或者机壳地。 系统地：上述几种地的最终回流点，直接与大地相连。 交流地：计算机交流供电电源地，即为动力线地。在交流地上任意两点之间往往有几伏至几十伏地电位差存在，因此交流地绝对不能与以上几种地相连，而且要求交流变压器绝缘非常好。,根据接地理论分析，低频电路应单点接地，这主要是避免形成产生干扰的地环路；高频电路应该就近多点接地，这主要是避免“长线传输”引入的干扰。 一般来说，当频率低于1MHZ时，采用单点接地方式为好；当频率高于10MHZ时，采用多点接地方式为好；而在110MHZ之间，如果采用单点接地，其地线长度不得超过波长的1/20，否则应采用多点接地方式。在工业控制系统中，信号频率大多小于1MHZ，所以通常采用单点接地方式。,单点接地与多点接地,在计算机控制系统中，各种地一般应采用分别回流法单点接地。 各种地之间的接法原则是：交流地与直流地分开，模拟地与数字地分开，低频电路采用单点接地，高频电路采用就近多点接地。4种地线接法如下图：,分别回流法单点接地,汇流条由多层铜导体构成，截面呈矩形，各层之间有绝缘层。采用多层汇流条以减少自感，可减少干扰的窜入途径。在稍考究的系统中，分别使用横向汇流条及纵向汇流条，机柜内各层机架之间分别设置汇流条，以最大限度减小公共阻抗的影响。 在空间上将数字地汇流条与模拟地汇流条间隔开，以避免通过汇流条间电容产生耦合。安全地（机壳地）始终与模拟地和数字地隔离开。这些地之间只是在最后才汇聚一点，而且常常通过铜接地板交汇，然后用线径不小于30mm2的多股软铜线焊接在接地板上深埋地下。,接地方法,低频接地技术,一点接地方式 两种接法：即串联接地(或称共同接地)和并联接地(或称分别接地) 。,各自的优缺点： 从防止噪声角度看，如图所示的串联接地方式是最不适用的，由于地电阻r1、r2和r3是串联的，所以各电路间相互发生干扰 。 并联接地方式在低频时是最适用的，因为各电路的地电位只与本电路的地电流和地线阻抗有关，不会因地电流而引起各电路间的耦合。这种方式的缺点是需要连很多根地线，用起来比较麻烦。,实用的低频接地 一般在低频时用串联一点接地的综合接法，即在符合噪声标准和