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1 7 2硬件抗干扰技术 微机测控技术 2 硬件抗干扰的常用措施 1 接地技术2 屏蔽技术3 长线传输的干扰及抑制4 共模干扰的抑制5 差模干扰的抑制6 供电系统抗干扰7 印刷电路板抗干扰 微机测控技术 3 一 接地技术 1 接地的基本概念2 接地环路与共模干扰3 系统接地设计 微机测控技术 4 一 接地的基本概念 地 电路或系统中 为各信号提供参考电位的等电位点或等电位面 接地 将某点与一个等电位点或等电位面之间用低电阻导体连接起来 构成基准电位 微机测控技术 5 1 测控系统中的地线种类 1 信号地检测系统中 原始信号是用传感器从被测对象获取的 信号地指传感器本身的零电位基准线 2 模拟地模拟信号的参考点 所有电路的模拟地最终都与供给模拟电路电流的直流电源的参考点连接 3 数字地数字信号的参考点 所有电路的数字地最终都与供给数字电路电流的直流电源的参考点相连 微机测控技术 6 4 负载地指大功率负载或感性负载的地线 当大功率负载被切换时 地电流中会出现很大的瞬态分量 对低电平的模拟电路乃至数字电路都会产生严重干扰 这类负载的地线称为噪声地 微机测控技术 7 5 系统地为避免地线公共阻抗的耦合干扰 模拟地 数字地 负载地应严格分开 最后汇合在一点 该点称为系统地 为整个系统的统一参考电位 系统或设备的机壳上的某一点通常与系统地相连接 供给系统各个环节的直流稳压或非稳压电源的参考点也都在系统地上 微机测控技术 8 2 共地和浮地 浮地系统 1 系统地与大地绝缘的系统 2 系统地不一定是零电位 仅为系统的等电位点 共地系统1 系统地与大地相连的系统 2 系统地与大地电位相同 微机测控技术 9 绝对零电位 地球电位作为绝对基准电位也即绝对零电位 绝对零电位常用连接方法 地下埋设铜板或插入金属棒等作为连接大地的地线 微机测控技术 10 常用系统的接地设计 共地系统 1 采用共地系统 有利于信号线的屏蔽处理 抑制干扰 2 机壳接地可免除操作人员的触电危险 浮地系统 优点 对地电阻较大 对地分布电容较小 外部共模干扰引起的干扰电流较小 微机测控技术 11 实现方式 1 机壳与大地完全绝缘 机壳较大时 机壳与大地间分布电容和有限的漏电阻使系统地与大地间的可靠绝缘非常困难 2 系统地不接机壳 后果 贴地布线的原则 系统内部的信号传输线 电源线和地线应贴近接地的机柜排列 机柜可起到屏蔽作用 难以实施 微机测控技术 12 共地系统中有接地注意点 可靠接地 1 系统地不能连接到交流电源的零线上 2 系统地不能连到大功率设备安全地线上 交流电源及大功率设备地与大地间存在着随机变化的电位差 幅值变化范围从几十mV至几十V 3 共地系统必须另设接地线 4 为防止大功率交流电源地电流对系统地的干扰 系统地的接地点和交流电源接地点间的最小距离不应少于800m 所用的接地棒按常规的接地工艺深埋 且与电力线垂直 微机测控技术 13 3 接地方式 1 串联单点接地2 并联单点接地3 多点接地 微机测控技术 14 串联单点接地 方式 两个或两个以上的电路共用一段地线1 R1 R2和R3是各地线等效电阻 2 I1 I2和I3是电路1 2和3的入地电流 3 地电流在地线等效电阻上产生压降 三个电路与地线的连接点的对地电位具有不同的数值 VA I1 I2 I3 R1VB VA I2 I3 R2VC VB I3 R3 微机测控技术 15 串联单点接地的特点 1 电路的地电位受其他电路地电流变化的调制 电路的输出信号受到干扰 2 干扰由地线公共阻抗耦合作用产生的 3 离接地点越远 电路中出现噪声干扰越大 4 串联接地方式布线最简单 费用最省 微机测控技术 16 串联单点接地方式的适用电路 地电流较小且相差不太大的电路 抗干扰措施 为使干扰最小 把电平最低的电路安置在离接地点 系统地 最近的地方与地线相接 微机测控技术 17 并联单点接地 各电路的地线只在一点 系统地 汇合 如图 微机测控技术 18 并联单点接地的特点 1 电路的对地电位只与本电路的地电流和地线阻抗有关 因而没有公共阻抗耦合噪声 2 地线太多 复杂的系统这一矛盾更突出 微机测控技术 19 3 不能用于高频信号系统 a 地线一般较长 高频情况下 地线的等效电感和各地线之间杂散电容耦合的影响不容忽视 b 地线的长度等于信号波长的奇数倍时 地线呈极高阻抗 变成一个发射天线 对邻近电路产生严重的辐射干扰 c 应把地线长度控制在1 20信号波长之内 微机测控技术 20 多点接地方式 1 各电路或元件的地线以最短的距离就近连到地线汇流排 通常是金属底板 上 2 地线很短 小于25mm 底板表面镀银 所以阻抗都很小 3 不能用在低频系统中 各电路的地电流流过地线汇流排的电阻会产生公共阻抗耦合噪声 微机测控技术 21 接地方式的选用 1 信号频率低于1MHz时 采用单点接地方式 2 信号频率高于10MHz时 采用多点接地 3 频率处于1 10MHz之间的系统 a 采用单点接地方式 地线长度应小于信号波长的1 20 b 如不满足这一要求 应采用多点接地 微机测控技术 22 低频系统接地方式 要求 1 串联和并联相结合的单点接地方式 2 兼顾抑制公共阻抗耦合噪声 3 系统布线不过于复杂 方式 1 系统所有地线根据电流变化性质分若干组 2 性质相近的电路共用一根地线 串联接地 3 将各组地线汇集于系统地上 并联接地 微机测控技术 23 二 系统接地设计 基本要求 1 消除电流经公共地线阻抗产生的噪声电压 2 避免形成接地环路 引进共模干扰 电路中地线特点 1 系统中具有多种地线 2 各环节与系统中一种或几种地线发生联系 微机测控技术 24 地线处理的基本原则 1 尽量避免或减少由接地所引起的各种干扰 2 便于布线 3 节省成本 微机测控技术 25 系统接地设计的主内容 1 输入信号传输线屏蔽接地点的选择2 电源变压器静电屏蔽层的接地3 直流电源接地点的选择4 印刷电路板的地线布局5 机柜地线的布局 微机测控技术 26 1 直流电源接地点的选择 系统电源的特点 1 具有多种直流电源 有供给模拟电路工作用的和供给数字电路工作用的电源 都是稳压电源 2 可能存在非稳压直流电源 供显示 控制等用 3 不同性质的电源地线不能任意互连 应分别汇集于一点 再与系统地相接 微机测控技术 27 2 印刷电路板的地线布局 常用印刷电路板的特点 1 包含模拟电源和数字电源 即包含模拟地 数字地 2 一般的 一个系统中不可能为单一地信号 微机测控技术 28 地线处理原则 1 模拟地和数字地分别设置 通过不同的引脚各元器件的模拟地和数字地分别连到电路板上的模拟地线和数字地线 2 减小地线电阻 选用较宽的地线 支线宽度通常不小于2 3mm 干线宽度不小于8 10mm 不能随意增大地线面积 避免增大电路和地线之间的寄生电容 微机测控技术 29 3 采用地线隔离信号之间的耦合 a 模拟地线可隔离输入模拟信号间及输出和输入信号间的耦合 b 在需要隔离的两信号线之间增设模拟地线 c 数字信号可用数字地线进行隔离 微机测控技术 30 二 屏蔽技术 屏蔽前提 1 仪表或系统的工作现场存在强电设备 2 强电设备的磁力线或电力线干扰仪表或系统的正常工作 屏蔽措施 采用低电阻的导电材料或高导磁率的铁磁材料制成容器 对易受干扰的部分实行屏蔽 阻断或抑制各种场干扰 微机测控技术 31 一 屏蔽的类型和原理 屏蔽的类型 1 静电屏蔽2 电磁屏蔽3 磁屏蔽 微机测控技术 32 1 静电屏蔽 静电屏蔽的原理 1 静电场作用下 如果空心导体腔内没有净电荷 导体内和空腔内任何一点处的场强都等于零 剩余电荷只能分布在外表面 2 把某一物体放入空心导体的空腔内 该物体就不受任何外电场的影响 微机测控技术 33 静电屏蔽作用 1 在空心导体 金属盒 B的空腔内放有一个带电体A 2 由于静电感应 金属盒B的内外表面分别出现等量异号的感应电荷 3 B外表面电荷产生的电场对外界产生影响 微机测控技术 34 4 将金属盒B接地 则外表面的感应电荷将因接地而消失 相应的电场也随之消失 5 可消除金属盒内带电体对盒外的影响 微机测控技术 35 静电屏蔽的效果及措施 静电屏蔽的效果 1 用金属屏蔽盒罩住被干扰的电路 且将金属盒接地 可消除外部的静电干扰 2 用金属盒罩住干扰源 且将金属盒接地 则可抑制干扰源对外部的干扰 微机测控技术 36 静电屏蔽的措施 1 为达到较好的静电屏蔽效果 选用低电阻材料作屏蔽盒 以铜或铝为佳 2 屏蔽盒应有良好的接地 3 伸出屏蔽盒以外的导线越短越好 微机测控技术 37 2 电磁屏蔽 电磁屏蔽的目的 抑制高频电磁场的干扰 电磁干扰的产生 导体上通过高频变化电流时 周围空间产生相应变化的电磁场 变化的电磁场可在邻近的电路引起电磁感应 又向外辐射 干扰周围电路 电磁干扰的特点 1 电磁场变化的频率越高 辐射越强 2 电磁场屏蔽中 包括电磁感应的屏蔽 及辐射干扰的屏蔽 微机测控技术 38 电磁干扰的消除 措施 1 环绕导体加一个与导体中电流方向相反的变化电流 该电流产生的磁场与导体中电流产生的磁场方向相反 产生抵消作用 减弱对外界的干扰 2 反方向的电流由导体的接地屏蔽罩来产生 3 高频电磁场在导电性能良好的金属导体内产生涡流 涡流的磁场与原磁场方向相反 抵消高频干扰磁场 达到电磁屏蔽的目的 4 因为屏蔽罩接地 所以也可实现电场屏蔽 微机测控技术 39 电磁屏蔽的效果 1 屏蔽罩的厚度对屏蔽效果影响不大 2 屏蔽罩是否连续及网孔大小 直接影响到涡流的大小 影响屏蔽的效果 3 屏蔽越严密 屏蔽效果越好 4 电磁屏蔽的材料应选用低内阻的金属材料 例如铜 铝或镀银铜板等 微机测控技术 40 3 磁屏蔽 磁屏蔽的适用范围 防止低频磁场干扰 电磁屏蔽不适用在低频磁场干扰场合 屏蔽的方式 利用高导磁材料制成屏蔽罩 使低频磁场干扰的磁力线大部分在屏蔽罩内构成回路 泄漏到屏蔽罩外干扰磁通很少 达到抑制低频磁场干扰目的 微机测控技术 41 三 长线传输的干扰及抑制 长线传输干扰的产生 测控系统中 当被测对象与测控系统相距较远时 几十米或更长 产生较大的干扰 长线干扰的主要类型 1 长线感应干扰2 反射干扰 微机测控技术 42 一 长线感应干扰及抑制 长线感应干扰的产生 干扰源通过电磁或静电耦合在传感器信号线上产生干扰信号 微机测控技术 43 长线感应干扰的特点 1 传感器信号线过长 干扰源在信号线上产生的感应电压较大 2 输电线与信号线平行敷设时 信号线上的电磁感应电压和静电感应电压分别可达mV级 传感器的有效信号电压一般为几十mV甚至小于干扰电压 3 信号地与系统地间的电位差 地电压Um 可达几V至十几V甚至更大 微机测控技术 44 单线传输特点 1 感应干扰电压Un和地电压Um与被测信号Us串联 形成差模干扰电压 rs rm r R为信号源内阻 两地间地电阻 传输线电阻和系统输入电阻 rm r rs R UNn Un UNm Um2 地电压和感应干扰电压无抑制成为对干扰电压 使信号电压被干扰电压淹没 微机测控技术 45 双线传输抑制方式 增设一条同样长度的传输线 1 两传输线上的感应干扰电压相等即Un1 Un2 Un 2 rm r rs R 感应干扰电压Un和地电压Um形成的差模干扰电压分别为 微机测控技术 46 平衡传输的特点 1 双线传输 2 两传输线处于完全相同的条件 3 产生的感应干扰电压完全相同 4 两传输线内阻 对地分布电容 漏电阻相同5 差模干扰变成纯共模电压 微机测控技术 47 平衡传输的实现特点 1 采用双绞线 2 双绞线的双线绞合较紧 各方面处于基本相同的条件 平衡特性好 3 双绞线对电感耦合噪声有很好的抑制作用 微机测控技术 48 双线传输的适用特点 传输信号的形式不同 抗干扰效果不一样 1 数字信号抗干扰能力优于模拟信号 数字信号传输优于模拟信号传输 2 频率信号是准数字信号 适于应用双绞线远距离传输 3 电流传输代替电压传输 可获得较好的抗干扰能力 微机测控技术 49 电流传输的特点 1 不受传输线压降 接触电阻 寄生热电偶和接触电势的影响 2 不受各种电压性噪声的干扰 例 过程控制中 采用电压 电流转换器产生4 20mA的电流信号 在接收端用一个精密电阻或电流 电压转换器转换成电压信号 微机测控技术 50 四 共模干扰的抑制 途径 1 减少共模电压Ucm 2 减少共模增益KC或提高共模抑制比CMRR 主要方法 1 接地及屏蔽 减少共模电压 2 隔离技术3 浮地技术4 浮动电容切换 微机测控技术 51 一 隔离技术 隔离目的 1 把干扰源和易被干扰的部分隔离开来 使测控装置与现场间仅保持信号联系 无电气联系 2 实质是把引进的干扰通道切断 达到隔离现场干扰的目的 3 工业测控系统中 既包括弱电控制 又包括强电控制 为使两者间既保持控制信号联系 又要隔绝电气方面的联系 既实行弱电和强电隔离 微机测控技术 52 常用的隔离方法 1 变压器隔离2 纵向扼流圈隔离3 光电隔离4 继电器隔离 微机测控技术 53 1 变压器隔离 电路如图 隔离特点 1 变压器次级输出电压只与初级绕组两输入端电位差成正比 对差模信号畅通 隔断共模信号 2 变压器隔离适用50Hz以上的信号 低频特别是超低频时非常不合适 微机测控技术 54 3 传输低频信号时 要有很大电感和体积 初次级间圈数很多 产生较大的寄生电容 共模信号通过变压器初次间的寄生电容在负载上形成干扰 4 初次级绕组间要设置静电屏蔽层且接地 可减少初次级寄生电容 达到抑制高频干扰的目的 微机测控技术 55 变压器隔离的适用场合 1 信号频率很低 2 共模电压很高 3 共模漏电流要求很小 微机测控技术 56 2 光电耦合隔离 1 光电耦合器内电 光 电转换在完全密封条件下进行 不受外界光的影响 2 信号传递由光传递 两个电路间没有电气连接 故两电路间地电位差就再不会形成干扰 3 输入阻抗很低 100 1000欧 而干扰源的内阻很高 通常为105 106欧 由分压原理 能馈送到光电耦合器输入端的噪声很小 微机测控技术 57 4 干扰电压较大时 由于能量很小 只形成微弱电流 发光二极管只有通过一定强度电流才能发光 光电晶体管也只在一定光强下才能工作 电压幅值很高的干扰 没有足够能量而不能使二极管发光 从而被抑制 5 输入端与输出端间的寄生电容极小 绝缘电阻很大 光耦合器一边的各种干扰噪声很难通过光耦合器馈送到另一边 6 线性范围较小 主要用于传送数字信号 微机测控技术 58 光耦电路的接线 1 Ri为限流电阻 D为反向保护二极管 2 Vi值与TTL逻辑电平并不要求一致 经Ri限流后符合发光二极管要求即可 RL是光敏三极管负载电阻 3 光敏三极管导通 V0为低电平 反之高电平4 电路中参数的选择 5 光耦输入和输出部分必须分别采用独立的电源 如果两端共用一个电源 则没有隔离作用 微机测控技术 59 3 继电器隔离 继电器隔离的特点 1 继电器的线圈和触点之间没有电气上的联系 2 利用继电器的线圈接收电气信号 利用触点发送和输出信号 从而避免强电和弱电信号之间的直接接触 实现抗干扰隔离 微机测控技术 60 五 差模干扰的抑制 差模噪声的干扰形式 与被测信号叠加在一起 表现为 电压的串联或电流的并联 差模噪声的来源 1 信号源产生 2 引线感应耦合 微机测控技术 61 差模干扰的抑制 1 从噪声源采取措施 切断噪声耦合途径 将引线屏蔽等 2 利用干扰与信号的差别来把干扰消除掉或减到最小 微机测控技术 62 差模干扰常用抑制方法 1 频率滤波法2 积分法3 电平鉴别法4 脉宽鉴别法 微机测控技术 63 一 频率滤波法 原理 利用差模干扰与信号频率差异进行频率滤波 具体实现 1 高通滤波器滤除比信号频率低的差模干扰 2 低通滤波器滤除比信号频率高的差模干扰 3 50Hz陷波器滤除工频干扰 微机测控技术 64 二 积分法 适用范围 双积分式A D可有效削弱周期性差模干扰 双积分式A D的特点 1 对被测电压定时积分 2 对基准电压定压积分 至输出为0 抗干扰特点 1 选定时积分时间为干扰噪声周期的整数倍 2 抑制工频干扰时 双积分A D定时积分时间T k 20ms 微机测控技术 65 三 电平鉴别法 电平鉴别的前提 1 信号和噪声在幅值上有较大的差别 2 信号幅值较大 噪声幅值较小 微机测控技术 66 采用脉冲隔离门抑制干扰 原理 1 利用硅二极管的正向压降对幅值小的干扰脉冲加以阻挡 2 让幅值大的信号脉冲顺利通过 如图 注 电路中的二极管最好选用开关管 微机测控技术 67 六 供电系统抗干扰 1 供电系统中窜入的干扰来源2 供电系统抗干扰措施 微机测控技术 68 一 供电系统窜入的干扰 供电系统窜入的干扰类型 1 大功率感性负载切换时 电网中产生强大的反电动势 该瞬态高压 幅值达2kV 频率从几百Hz到2MHz 可引起电源波形的严重畸变 电网中瞬态高压对系统产生干扰的主要途径 由电源进线 经由电源变压器的初次级绕组间的杂散电容进入系统电路 再从系统接地点入地返回干扰源 微机测控技术 69 2 整流方式供电时 滤波不良会产生低频纹波干扰噪声 3 直流 直流变换器或开关稳压电源供电时时 出现高频开关噪声干扰 4 电源进线和输出线易受工业现场及天电的各种干扰噪声 这些干扰噪声经电源线传导耦合到电路中去 对系统产生干扰 微机测控技术 70 二 供电系统抗干扰措施 1 电源滤波和退耦 2 不间断电源和开关式直流稳压电源供电 3 系统分别供电和采用电源模块单独供电 4 供电系统馈线要合理布置 微机测控技术 71 1 电源滤波和退耦电路 微机测控技术 72 电路特点 1 交流进线端接对称LC低通滤波器 滤除交流进线上大于50Hz的高次谐波干扰 改善电源波形 2 变阻二极管 或压敏电阻 抑制进入交流电源线上的瞬时干扰 或者大幅值的尖脉冲干扰 3 电源变压器采用双重屏蔽措施 将初次级隔离起来 使混入初级的噪声干扰不致进入次级 4 整流滤波电路采用电解电容和无感高频电容的并联组合 进一步减小高频噪声进入电源系统 微机测控技术 73 5 整流滤波后的直流电压再经稳压 可使干扰被抑制到最小 6 部分电源系统在交流进线端设交流稳压器 保证交流供电的稳定性 抑制电网电压的波动 7 为避免通过电源内阻造成几个电路间互相干扰 在每个电路的直流电源进线与地之间接入了RC或LC的退耦滤波电路 微机测控技术 74 2 采用不间断电源和开关式直流稳压电源 UPS的特点 1 有很强的抗电网干扰的能力 2 电网断电后 UPS以极短的时间 3ms 切换到后备电源 3 后备电源能维持10min以上 满载 或30min以上 半载 的供电时间 以便及时处理电源故障或采取应急措施 微机测控技术 75 开关式稳压电源的特点 1 开关频率可达10 20kHz或更高 因而变压器等都可小型化 2 高频开关晶体管工作在饱和截止状态 效率可达60 70 3 抗干扰能力强 微机测控技术 76 3 系统分别供电和采用电源模块单独供电 1 系统使用继电器等电感设备时 向采集电路供电的线路应与向继电器等供电的线路分开 避免在供电线路之间出现相互干扰 2 设计供电线路时 注意对变压器和低通滤波器进行屏蔽 以抑制静电干扰 微机测控技术 77 电源模块单独供电 供电方式 1 采用DC DC电源电路模块 DC DC电源电路由电源模块及相关滤波元件组成 DC DC电源电路由电源模块及相关滤波元件组成 2 采用三端稳压集成块如7805 7905 7812 7912等组成的稳压电源单独供电 微机测控技术 78 单独供电的优点 1 各电源模块单独对相应电路进行电压过载保护 不会因某个稳压器的故障而使全系统瘫痪 2 有利于减小公共阻抗的相互耦合及公共电源的相互耦合 提高供电系统的可靠性 有利于电源的散热 3 总线上电压的变化 不会影响板卡上电压 有利于提高板卡上的工作可靠性 微机测控技术 79 4 供电系统要合理布线 布线时 电源的引入线 输出线及公共线采取的抗干扰措施 1 电源前面的一段布线从电源引入口 经开关器件至滤波器的布线尽量用粗导线 微机测控技术 80 2 电源后面的一段布线 采用双绞线 双绞线的绞距要小 如导线较粗 无法扭绞时 应把线间的距离缩到最短 交流线 直流稳压电源线 逻辑信号线和模拟信号线 继电器等感性负载驱动线 非稳压的直流线均应分开布线 微机测控技术 81 3 电路的公共线 电路中尽量避免公共线 在公共线上 某一负载的变化引起的压降 都会影响其它负载 公共线不能避免时 必须把公共线加粗 以降低阻抗 微机测控技术 82 七 印刷电路板抗干扰 印刷电路板的特点 1 器件 信号线 电源线的高度集合体 2 印刷电路板设计的好坏 对抗干扰能力影响很大 3 必须符合抗干扰的设计原则 微机测控技术 83 印刷电路板常用抗干扰措施 1 合理布置印制电路板上的器件2 合理分配印刷电路板插脚3 印刷电路板合理布线4 电源线的布置5 印刷电路板的接地线设计6 印刷电路板的屏蔽7 去耦电容器的配置 微机测控技术 84 1 合理布置印制电路板上的器件 基本原则 1 器件间电气干扰小2 易于散热 微机测控技术 85 减小电气干扰的方法 1 将器件按功率大小及抗干扰能力的强弱分类集中布置 2 大功率强电器件作为一类集中布置 电源变压器和输出驱动器件等 3 数字逻辑器件作为一类集中布置 微机测控技术 86 4 易受干扰的模拟器件作为一类集中布置 5 各类器件之间应尽量远离 防止相互干扰 6 每一类器件又可按照减小电气干扰原则再进一步分类布置 微机测控技术 87 散热的措施 原因 使电路稳定可靠地工作 方法 1 发热元器件要考虑通风散热 必要时要安装散热器 2 发热元器件要分散布置 不能集中 3 对热敏感元器件要远离发热元器件或进行热屏蔽 微机测控技术 88 2 合理分配印刷电路板插脚 1 在印刷电路板插入总线扩展槽中使用时 为抑制线间干扰 对印制电路板的插脚须合理分配 2 为减小强信号输出线对弱信号输入线干扰 将输入 输出线分置于印刷板两侧 相互分离 3 地线设置在输入 输出信号线的两侧 减小信号线寄生电容的影响 起到一定的屏蔽作用 微机测控技术 89 3 印刷电路板合理布线 印刷电路板的布线原则 1 线间距离