材料成型设备计算机控制系统硬件抗干扰技术

材料成型设备计算机控制系统硬件抗干扰技术材料成型设备计算机控制系统硬件抗干扰技术 5 3 1 接地技术接地技术 1 接地的概念 所谓 地 有两种含义 即实际地和虚地 实际地是指大地 电子仪器往往是以地球的电位为基准 即以大地作为零电位 虚地 是以电路系统中某一点电位为基准 即设该点为相对零电位 如电 子电路中往往以设备的金属底座 机架 外壳和公共导线作为零电 位 即 地 电位 这种 地 不一定与大地等电位 接地是指让电子 电器设备的基准电位点与大地保持同电位 2 计算机控制系统中地线的形式 屏蔽地 又称为安全地或机壳地 包括机架 外壳 屏蔽罩 等 模拟地 作为 A D 转换器 前置放大器等模拟部分的零电位 数字地 即逻辑地 作为逻辑开关网络的零电位 功率地 作为大电流网络部件的零电位 信号地 是传感器本身的零信号电位基准公共线 传感器可 看做是测量装置的信号源 系统地 是上述几种地线的最终回流点 它将最终与大地相 连 而以大地电位作为基准零电位 直流地 直流电源的接地线 交流地 一般指 50Hz 交流电源接地线 3 电磁兼容接地 是指由于电磁兼容设计而要求的接地 一般有两种分类法 四 类法和三类法 四类法是将所有电路按信号特性分成四类 分别接 地 形成 4 个独立的接地系统 每个 地 系统可以采用不同的接地 方式 四类法的第一类是敏感信号和小信号 地 系统 包括低电平 电路 弱信号检测电路 传感器输入电路 前级放大电路 混频器 等 第二类是不敏感信号和大信号电路的的线系统 包括高电平 电路 末级放大器 大功率电路等 第三类是干扰源设备地系统 包括电动机 继电器 接触器 等 由于这类元件在工作时产生火花或冲击电流等 第四类是金属构件地 包括机壳 底板 机门 面板等 由于 四类法 中四种电路的地都分别设置 因此可以较完善地 达到接地的设计要求 三类法 与 四类法 的分类原则相同 只是 将上述第一类和第二类的地线分别集中连接到机壳 并略去第四类 成为三类地系统 4 系统抑制干扰的接地方式 一点接地准则 一般高频 10MHz 以上 电路应采用多点接地 低频 1MHz 以下 应采用一点接地 低频电路的 一点接地 就是把各个接地 点用导线汇集到一点 再从这点接地 对控制系统中各类单元电路 无论是单级还是多级 考虑到 地 线 不可能是理想的零阻抗 多点接地往往会引人地阻抗带来的干扰 电压 原则上都应一点接地 另外 为了提高抗干扰性能 输人系统中的传感器 变送器和 放大器常采用屏蔽罩 而信号的传送往往使用屏蔽线 对这些屏蔽 层的接地也应遵循一点接地原则 模拟地线与数字地线应分开设置 数字信号一般比较强 它是交变的脉冲 流过它的地线电流也 是脉冲 模拟信号比较弱 若两种信号共用一套地线 数字信号就 会通过地线电阻对模拟信号构成干扰 故两种地线应分开设置 然 后只是在一点 汇合在一起 强电地线与信号地线分开设置 强电地线主要指电源地线 功率地线 它们上边流过的电流大 在地线电阻上会产生电压降 若这种地线与信号地线共用 就会产 生很强的干扰 故应与信号地线分开设置 多点接地系统 多点接地是指设备中各单元电路直接连接到地线上 有多个接 地点 对于高频电路 为了降低地线阻抗 一般均采用多点接地方 式 地线系统一般是与机壳相连的扁粗金属导体或机壳本身 其感 抗很小 综上所述 可以把低频和高频接地系统选择准则归纳如下 对于低频 1 MHz 以下 和公共接地面尺寸小的情况 l 20 要选用一点接地方式 对于高频 10 MHz 以上 和公 共接地面尺寸大的情况 l 20 要选用多点接地方式 频率 为 1 10 MHz 及接地面尺寸为 l 20 时 一般可采用单点和多 点的混合接地方式 混合接地系统 在有些用电设备中 既有高频部分又有低频部分 此时应分别 对待 低频电路采用一点接地 高频电路需多点接地 这种接地体 系称为混合接地系统 实际用电设备的情况比较复杂 很难通过某 一种简单的接地方式解决问题 因此混合接地系统应用更为普遍 浮地系统 浮地就是将电路或设备的信号接地系统与结构地或其他导电物 体相隔离 设备内部都各自有其参考 地 通过低阻抗导线连接到 信号地 但信号地与建筑物结构地及其他导电物体隔离 5 3 2 屏蔽技术屏蔽技术 1 电磁屏蔽的技术原理 电磁屏蔽是电磁兼容技术的主要措施之一 即用金属屏蔽材料 将电磁干扰源封闭起来 使其外部电磁场强度低于允许值的一种措 施 或用金属屏蔽材料将电磁敏感电路封闭起来 使其内部电磁场 强度低于允许值的一种措施 电磁屏蔽的技术原理主要分以下几种 静电屏蔽 用完整的金属屏蔽体将带正电的导体包围起来 在屏蔽体的内 侧将感应出与带电导体等量的负电荷 外侧出现与带电导体等量的 正电荷 因此外侧仍有电场存在 如果将金属屏蔽体接地 外侧的 正电荷将流入大地 外侧将不会有电场存在 即带正电导体的电场 被屏蔽在金属屏蔽体内 交变电场屏蔽 为降低交变电场对敏感电路的耦合干扰电压 可以在干扰源和 敏感电路之间设置导电性好的金属屏蔽体 并将金属屏蔽体接地 交变磁场屏蔽 交变磁场屏蔽有高频和低频之分 低频磁场屏蔽是利用高导磁 率的材料构成磁力线的低磁阻通路 使大部分磁场被封在屏蔽体内 屏蔽体的导磁率越高 厚度越大 磁阻越小 磁场屏蔽的效果越好 当然要与设备的重量相协调 高频磁场的屏蔽是利用高导电率的材 料产生的涡流的反向磁场来抵消干扰磁场而实现的 交变电磁场屏蔽 一般采用导电率高的材料做屏蔽体 并将屏蔽体接地而为零电 位 它是利用屏蔽体在高频磁场的作用下产生反方向的涡流磁场与 原磁场抵消而削弱高频磁场的干扰 又因屏蔽体接地而实现电场屏 蔽 屏蔽体的厚度不必过大 而以趋肤深度和结构强度为主要考虑 因素 2 屏蔽的注意事项 屏蔽的完整性 屏蔽材料的屏蔽效能和应用场合 屏蔽体良好接地 特殊部位的特殊屏蔽措施 3 屏蔽材料的选取 目前 研究和应用较多的电磁屏蔽材料主要包括两大类 表面 导电材料和导电复合材料 前者是通过使塑料表面金属化来反射电 磁波 后者则是通过在塑料中填充导电材料 形成导电网络 达到 屏蔽效果 表面导电材料通常采用光学镀金 真空喷镀 贴金属箔以及金 属熔射等技术 使绝缘的塑料表面覆盖一层导电层 从而达到屏蔽 电磁波干扰 EMI 的目的 导电复合材料是将无机导电材料填充 到合成树脂中 通过混炼造粒 并采用注射成型 挤出成型或压塑 成型等方法便可制成导电复合材料 4 屏蔽抗干扰技术 电场耦合的屏蔽和抑制技术 屏蔽线的使用 图 5 1 示出了屏蔽线使用的 3 种情况 图 5 1 屏蔽线的用法 动画讲解图片说明 双绞线的使用 双绞线的绞扭节距是把双导线回路分隔成许多的小回路 如果 双绞线的绞扭一致 那么这些小回路的面积相等而法方向相反 因 此 其磁场干扰可以相互抵消 双绞线的结构对电场耦合干扰的抑 制毫无能力 当给双绞线加上屏蔽层后 一个价廉物美的传输线就 诞生了 图 5 2 示出了双绞线的使用方法 图 5 2 双绞线的用法及其抗磁场耦合干扰能力 动画讲解图片说明 屏蔽双绞线工程应用 一个实际的信号采集系统接地示意图如图 5 3 所示 图 5 3 一个实际的信号采集系统接地示意图 动画讲解图片说明 5 3 3 硬件硬件 看门狗看门狗 技术 微处理器监控器技术 微处理器监控器 MAX690A MAX692A 1 微处理器监控器 MAX690A MAX692A 简介 MAX690A MAX692A 是美国 MAXIM 公司推出的产品 具有 以下功能 在微处理器上电 掉电及低压供电时 产生一个复位输出信 号 具有备用电池切换电路 备用电池可供给 CMOS RAM 芯片 CMOS P 或其他低功耗逻辑电路 具有 Watchdog 电路 该电路的外触发脉冲时间间隔超过 1 6s 时 将产生一个复位输出 可用于低电压检测 MAX690A 与 MAX692A 的不同点在于复位门限电平不同 当 电源电压低于 4 65V 时 MAX690A 产生一个复位脉冲 而 MAX692A 是在电源电压低于 4 4V 时 才产生一个复位脉冲 工作电压为 1 2 5 5V 静态电流 200 A 备用电流方式静态电流 50 A 输出电压 在 50mA 情况下 为 0 25 V 复位脉冲脉冲宽度 200ms Watchdog 定时时间 1 6s 复位门限电平 MAX690A 4 65V MAX692A 4 40V MAX690A MAX692A 封装形式如图 5 4 所示 图 5 4 MAX690A MAX692A 封装图 动画讲解图片说明 2 工作原理 MAX690A MAX692A 内部原理框图如图 5 5 所示 包括复位 电路 Watchdog 电路 掉电比较和备用电池切换电路四部分 图 5 6 为各信号时序图 1 复位电路 微处理器在上电 掉电及低压供电时 监控器发生复位脉冲信 号 这可保证微处理器实现上电自动复位 当供电电压过低时 可 防止 CPU 失控 电源电压上升到 1V 时变为低电平 随着的继续提 高 一直保持低电平 当 VCC 高于复位门限电平时 并 不马上变为高电平 而是要滞后一个复位脉冲宽度 约 200ms 后 再变为高电平 如图 5 6 所示 图中为复位门限电平 为复位 脉冲宽度 图 5 5 MAX690A MAX692A 原理框图 动画讲解图片说明 图 5 6 MAX690A MAX692A 各信号时序图 动画讲解图片说明 当低于复位门限电平时 并不马上变为低电平 即使 以后恢复且高于复位门限电平 也不马上变为高电平 而 是要延时一个复位脉冲宽度 掉电时 只要低于复位门限电平 立即变为低电平 2 Watchdog 电路 Watchdog 电路是计数器式定时电路 在 WDI 端输入一个脉 冲 定数器开始计数 若 WDI 脚悬空或接至高阻态输出缓冲器上 在定时器则停止计数 并且清零 当定时器启动后 若在 1 6s 内没 有向 WDI 端输入脉冲 监视器将输出一个复位信号 信号变 低 同时定时器被清零 只要为低电平 定时器将一直停止工 作 Watchdog 电路用于使 CPU 摆脱因干扰失控而陷入的死循环 状态 3 掉电比较器 掉电比较器可用于低电压的检测 若低电压过低 将发出一个 低电平信号 掉电比较器是一个完全独立的电路 也可以用 来完成其他功能 PFI 输入端的电压与内部一个 1 25V 的基准电压 相比较 当 PFI 端电压低于 1 25V 时 变为高电平 4 备用电池切换电路 当系统掉电或供电电压过低时 有时需要保存 RAM 中的内容 在端接上备用电池 MAX690A MAX692A 就会在掉电时自动 为 RAM 提供备用电源 切换电路原理如图 5 9 所示 图中开关 的状态受和的控制 如表 5 2 所示 由表 5 2 和图 5 7 可知 当高于复位门限电平或低于复位门限电平但高于 时 由供电 当低于复位门限电平 且又低于时 由供电 图 5 7 电池切换原理图 动画讲解图片说明 表 5 2 开关状态表 条 件SW1 SW2SW3 SW4 VCC 复位电平门限 VBATT断开关闭 VCC 复位电平门限 VCC VBATT断开关闭 VCC 复位电平门限 VCC VBATT关闭断开 当由供电时 芯片进入备用电池工作方式 当稍低 于 VBATT 时 处流出电流典型值为 30 A 当低于电压 1V 时 内部电池转换比较器停止工作 电源电流降至 1 A 在备 用电池工作方式下 各输入 输出引脚状态为 掉电比较器不工作 为低电平 RESET 为低电平 Watchdog 定时器不工作 3 MAX690A MAX692A 与单片机接口电路 MAX690A MAX692A 自动监控典型电路如图 5 8 所示 合理 设计 的值 使得 5V 电压跌落到某电压值 如 4 5V PFI 的输入电压低于 1 25V 时 输出低电平 作为 CPU 的中断输入 信号通知单片机 使之进行一些必要的处理 如保存某些重要数据 关掉 LED 显示器 选取说明如下 5 5 可取 1k 2 6 k 当 5V 电压跌落到 4 5V 时 1 25V 再继续跌落 PFO 便为低电平 单片机正常工作时 P1 0 口定期 小于 1 6s 改变 WDI 输入 端的电平 使 Watchdog 电路不发出复位信号 当由于某种严重干 扰而出现 死机 时 单片机将不能定期改变 WDI 电平 Watchdog 电路便会在 1 6s 后产生一个复位信号 使单片机复位 待经过 200ms 复位脉宽后 单片机复位结束 程序从 0000H 开始重新执 行 保证系统的正常运转 图中的 N 为手动复位按钮 由于 MAX690A MAX692A 在系 统上电时能自动发生复位信号 可使手动复位按钮的复位时间小于 200ms 图 5 8 MAX690A MAX692A 应用电路 动画讲解图片说明 5 3 4 电源的抗干扰技术电源的抗干扰技术 1 电源的干扰类型 电源线中的高频干扰 感性负载的产生和瞬变的噪声 晶闸管通断时所产生的干扰 电网的短时下降干扰 拉闸过程形成的高频干扰 2 电源干扰的耦合途径 电磁感应耦合 电容性耦合 辐射耦合 公共阻抗耦合 3 电源抗干扰的基本方法 电源抗干扰的基本途径有以下几点 采用交流稳压器 电源滤波器 最简单的电源滤波器是在电源变压器的初级并联两个电容 如 图 5 9 a 所示 图中 其值在 0 01 0 22 F 之间 耐 压 400V 图 5 9 b 是电容滤波器的另一种形式 其中 0 5 F 为穿心电容 其目的是为了减少串联在电容上的电感 电感电容滤 波器的效果优于电容滤波 如图 5 10 中的电感线圈可根据变压器 的初级电流 用适当的绝缘磁棒绕上 50 100 圈即可 电容可用 0 01 F 400 V 图 5 10 为另一种形式的电感电容滤波器 有关的 数据在图中已标出 可供设计时参考 图 5 11 是通常所用的效果 较好的一种交流电源滤波器 其 100 H 电感和 0 1 F 的电容组成 高频滤波器抑制高频干扰 0 5 H 电感和 10 F 电容组成的低频滤 波器吸收电源电压波形畸变而产生的谐波干扰 图中的压敏电阻 吸收过电压干扰 在使用中注意不能把滤波器的输入侧和输出侧 的线路接近或交叉 图 5 12 表明一种可称为 双绕组扼流圈 的滤 波线路 若把线圈和都绕在同一只磁环上 两组线圈匝数相同 线间排列均匀一致 绕组绕线方向如图 5 12 a 所示 由于功率 电流在两个绕组中所产生的磁通互相抵消 磁心不会饱和 加入高 导磁磁心之后 电感量可大大提高 其电感可达毫亨级 抑制干扰 的能力大为加强 当然 两根电源线上的差分干扰信号在磁心内所 产生的磁通也是互相抵消的 起不到扼流圈作用 但这类信号绝大 部分被电容 C 旁路 危害不大 对于诸如共模干扰信号等可起到普 通高扼圈作用 图 5 9 电感电容滤波器之一 动画讲解图片说明 图 5 10 电感电容滤波器之二 动画讲解图片说明 图 5 11 交流电源滤波器 动画讲解图片说明 图 5 12 双绕组扼流圈的应用 动画讲解图片说明 采用分立式供电 分类供电方式 电源变压器的屏蔽与隔离 利用静电屏蔽的一般原理和变压器的特殊性 可在变压器的初 级绕组和次级绕组之间加屏蔽层 这相当于在变压器的初级和静电 屏蔽层间接入一个旁路电容 如图 5 13 a 所示 这样 从电网 进入电源变压器初级的高频干扰信号 相当一部分将不经过变压器 初级与次级间的分布电容 见图 5 13 b 的耦合而传到次级 去 而是通过静电屏蔽层直接旁路到地 从而减少了由交流电网引 进的高频干扰 图 5 13 变压器及单层屏蔽 动画讲解图片说明 为了将测控系统和供电电网电源隔离开来 消除因公共电阻引 起的耦合 减少负载波动的影响 同时也为了安全 常常在电源变 压器和低通滤波器之前增加一个 1 1 的隔离变压器 隔离变压器的 初级和次级之间加静电屏蔽层 为了提高干扰性能 可采用双重屏 蔽 如图 5 14 所示 图 5 14 双重屏蔽 动画讲解图片说明 由 CPU RAM ROM 等构成的最小系统所用的 5V 电源经二 级稳压后供给 并采用 C L C 低通滤波器 进一步滤除高次谐波 最好能给小电感线圈 L 加屏蔽层并接地 图 5 15 中的第一级由 SG3524 构成开关电源 输入电压范围 12 5 56V 输出为 12V 相当于 7812 但比 7812 输入范围大 输入 输出压差小 可保证在网压下跌落较多时 仍能正常输出 12V 后级稳压器 LM2940 输入 输出压差 0 5V 而 7805 输入 输出压差不小于 2V 因此 LM2940 能稳定地输出 5V 电压 并且每一级稳压器本 身也具有滤波的作用 如果需用与 CPU 电源共地 12V 电源 对其 也应采取相似的净化措施 图 5 15 二级稳压及低通滤波器电路 动画讲解图片说明 直流稳压电源采用交流进线滤波器 对工业现场外界干扰较大的场所 可考虑使用高性能进线滤波 器 如图 5 16 所示 图 5 16 电源进线滤波器 动画讲解图片说明 5 3 5 计算机接口电路隔离技术计算机接口电路隔离技术 1 计算机 D A 转换卡隔离措施 D A 芯片受干扰常是通过电源线进入的 一般干扰脉冲是相当 窄的 因此在采用计算机转换卡 PCL 728 时 工作电源采用单 独供电 并在工作电源和地线之间加一个高频滤波电容 0 1 0 001 F 其原理框图见图 5 17 在 PCL 728 芯片工作电 压端接入一个电阻 R 100 200 做瞬间脉冲电流保护 在 PIO 和 D A 之间增加光电隔离环节 并且光电隔离管的输入 输出回路 的电源单独供电 与外部相接的电路由相应的外部