第5章 智能化测量控制仪表的抗干扰措施.ppt

重点：常用硬件抗干扰措施,输入/输出通道干扰的抑制,常用软件抗干扰措施。了解：干扰源的分类及其消弱措施,数字电路的干扰来源。,第五章智能化测量控制仪表的抗干扰措施,5.1干扰源5.1.1串模干扰、共模干扰和电源干扰5.1.2数字电路的干扰5.2硬件电路的抑制措施5.2.1串模干扰的抑制措施5.2.2共模干扰的抑制措施5.2.3输入/输出通道的抑制措施5.3软件抗干扰措施,智能化测量控制仪表主要应用于实际的工业生产过程功能,而工业生产的工作环境往往比较恶劣,干扰严重。有些干扰有时会严重损坏仪表的器件或程序,导致仪表不能正常运行。为保证仪表的可靠工作,必须要周密考虑和解决抗干扰的问题。主要包括硬件抗干扰和软件抗干扰技术。,5.1干扰源,干扰信号主要通过3个途径进入仪表内部：电磁感应、传输通道和电源线。一般地,经电磁感应进入仪表的干扰在强度上远远小于从传输通道和电源线进入的干扰,对于电磁干扰可采用良好的“屏蔽”和正确的“接地”来解决。这里面的抗干扰措施主要指的是尽量切断来自传输通道和电源线的干扰。,5.1.1串模干扰、共模干扰和电源干扰,串模干扰干扰电压与有效信号串联叠加后作用到仪表上,主要来自高压输电线、与信号线平行铺设的电源线及大电流控制线所产生的空间电磁场。串模干扰是指叠加在被测信号上的干扰；,5.1.1串模干扰、共模干扰和电源干扰,图5.1串模干扰示意图,5.1.1串模干扰、共模干扰和电源干扰,由传感器来的信号线有时长达一二百米,干扰源通过电磁感应和静电耦合作用加上长信号线上的感应电压数值是相当可观的。例如：当电线与信号线平行铺设时,信号线上的电磁感应电压和静电感应电压分别可达mV级,而来自于传感器的有效信号电压的动态范围通常仅有几十mV,甚至更小。,5.1.1串模干扰、共模干扰和电源干扰,串模干扰的其他来源：信号源本身固有的漂移、纹波和噪声以及电源变压器不良屏蔽或稳压滤波效果不良等。,5.1.1串模干扰、共模干扰和电源干扰,共模干扰输入通道两个输入端上共有的干扰电压。可以是直流电压或交流电压,幅值可达几伏甚至更高,取决于干扰的环境条件和仪表的接地情况。共模干扰是加在仪表任一输入端与地之间的干扰。,5.1.1串模干扰、共模干扰和电源干扰,由于共模干扰不和信号相叠加,不直接对仪表产生影响。但能通过测量系统形成到地的泄漏电流,这漏电流通过电阻的耦合就能直接作用于仪表,产生干扰。,5.1.1串模干扰、共模干扰和电源干扰,在测量系统中,检测元件和传感器是分散在生产现场的各个地方,因此被测信号Vs的参考地点和仪表输入信号的参考接地点之间往往存在着一定的电位差Vcm,5.1.1串模干扰、共模干扰和电源干扰,图5.2共模干扰示意图,Vs+Vcm,Vcm,Vcm是转换器输入端上共有的干扰电压,故称共模干扰电压。,5.1.1串模干扰、共模干扰和电源干扰,在测量电路中,被测信号有单端对地输入和双端不对地输入两种方式。存在共模干扰的,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,必须采用双端不对地输入方式。,5.1.1串模干扰、共模干扰和电源干扰,图5.3被测信号的输入方式之单端对地输入方式,信号源的内阻,输入阻抗,5.1.1串模干扰、共模干扰和电源干扰,输入通道,ZS1,ZS2,Zcm2,Zcm1,A,B,ZS1和ZS2是信号源的内阻,Zcm1和Zcm2是输入阻抗,图5.3被测信号的输入方式之双端不对地输入方式,5.1.1串模干扰、共模干扰和电源干扰,当ZS1=ZS2和Zcm1=Zcm2时,VAB=0,表示无共模干扰；但实际是无法满足上述条件的,只能ZS1接近ZS2和Zcm1接近Zcm2,因此VAB不为零,总是存在共模干扰的。,5.1.1串模干扰、共模干扰和电源干扰,并且,ZS1和ZS2越小,Zcm和Zcm2越大,共模干扰的影响就越小。通常,共模干扰电压Vcm总是转化成一定的串模干扰出现在两个输入端之间,5.1.1串模干扰、共模干扰和电源干扰,电源干扰一般有以下几种：(1)当同一电源系统中的可控硅器件通断时产生的尖峰,通过变压器的初级和次级之间的电容耦合到直流电源中产生干扰。(2)附近的断电器动作时产生的浪涌电压,由电源线经变压器级间电容耦合产生的干扰；(3)公用同一个电源的附近设备接通或断开时产生的干扰。,5.1.2数字电路的干扰,在数字电路的元件与元件之间、导线与导线之间、导线与元件之间、导线与结构件之间都存在着分布电容。若某个导体上的信号电压(或噪声电压)通过分布电容使其他导体上的电位受到影响,该现象称为电容性耦合。由实际例子分析电容耦合的特点：,5.1.2数字电路的干扰,图5.4平行导线的电容耦合,VB,等效电路,分布电容,对地电阻,5.1.2数字电路的干扰,CBD,CAB,VS,R,VB,将上式简化：,(1)当R很大时,即,VB与信号电压频率基本无关,正比于CAB和CBD电容比,应设法减小CAB,尽可能增大两导线间的距离、避免导线平行。,5.1.2数字电路的干扰,(2)当R很小时,即,VB正比于CAB、R和信号幅值Vs,而且与信号电压频率w有关。应设法降低R值就能减小耦合受感回路的噪声电压。,5.2.1串模干扰的抑制,智能测控仪表中,主要的抗串模干扰措施是用低通滤波器滤除交流干扰,而对直流串模干扰则采用补偿措施。滤波是一种只允许某一频带信号通过或只阻止某一频带信号通过的抑制干扰措施之一。滤波方式有无源滤波、有源滤波和数字滤波,它主要应用于信号滤波和电源滤波。1、常用的低通滤波器有RC滤波器、LC滤波器、双T滤波器及有源滤波器,原理如图：,5.2.1串模干扰的抑制,RC滤波器结构简单、成本低,不需调整。但串模抑制比不高,需要23级串联使用才能达到规定要求。且RC过大会影响系统的动态特性。,LC滤波器的串模抑制比较高,但需要绕制电感,体积大、成本高。,5.2.1串模干扰的抑制,(c)双T滤波器,双T滤波器主要用来滤除工频干扰,对高频干扰无能为力。结构虽简单,但难调整。,(d)有源滤波器,有源滤波器具有较理想的频率特性,但共模抑制比一般难以满足要求,本身噪声也较大。,5.2.1串模干扰的抑制,2、用积分式A/D转换器可以消弱周期性的串模干扰的影响。因为积分式A/D转换器是对输入信号的平均值而不是瞬时值进行转换,当取积分周期等于主要干扰的周期或整数倍时,则可更大程度的消弱干扰信号。对主要来自于电磁感应的串模干扰,应尽可能早得对被测信号进行前置放大,以提高回路中的信号噪声比；或早采取A/D转换；或采取隔离措施。,5.2.1串模干扰的抑制,3、选取高抗扰度的逻辑器件,并提高其阈值电压；采取低速逻辑器件来抑制高频干扰；采用附加电容器；4、对测量元件或变送器进行良好的电磁屏蔽,同时信号线应选用带屏蔽层的双绞线或电缆线,和良好的接地系统。,5.2.2共模干扰的抑制,共模干扰是一种常见的干扰源,采用双端输入的差分放大器作为仪表输入通道的前置放大器,是抑制共模干扰的有效方法。一般地,CMR可达100160db,5.2.2共模干扰的抑制,接地。通常仪表和信号源外壳为安全起见都接大地,保持零电位。信号源电路以及仪表系统也需要稳定接地。但是如果接地方式不恰当,将形成地回路导入干扰。如图：因此,通常,仪表回路采用在系统处单点接地。但是事实上,信号源侧对地不可能绝缘,因此,从这个意义上来说,不可能彻底的消除地电位差引进的干扰。,5.2.2共模干扰的抑制,两点接地,由于存在地电位差,因此产生共模干扰,5.2.2共模干扰的抑制,为了提高仪表的抗干扰能力,通常在低电平测量仪表中都把二次仪表“浮地”,即将二次仪表与地绝缘。以切断共模干扰电压的泄漏途径,使干扰无法进入。,5.2.2共模干扰的抑制,隔离。利用变压器或光电耦合器把各种模拟信号与数字信号分开,即“模拟地”与“数字地”断开。如图：,5.2.2共模干扰的抑制,图5.9输入隔离,由于被测信号通过变压器耦合或光电耦合获得通路,而共模干扰由于不成回路而得到有效的抑制。,5.2.2共模干扰的抑制,在实际应用中,通常将屏蔽和接地结合起来应用,往往能够解决大部分的干扰问题。将屏蔽层在信号侧与仪表侧均接地,且屏蔽层也必须一点接地。并且,信号导线屏蔽层接地应与系统接地同侧。,5.2.3输入/输出通道干扰的抑制,开关量输入/输出通道和模拟量输入/输出通道,都是干扰窜入的通道。要切断该渠道,就要去掉对象与输入/输出通道之间的公共地线,实现彼此电隔离以抑制干扰脉冲。最常见的隔离器件就是光电耦合器。,5.2.3输入/输出通道干扰的抑制,5.2.3输入/输出通道干扰的抑制,光电耦合器抗干扰性强的原因如下：(1)输入阻抗低,一般在1001000欧左右；而干扰源的内阻一般都很大,在105106欧。到达光耦的输入端的噪声由于分压小而很小,即使干扰电压的幅值较大,由于能量小,而形成很微弱的电流。能量小的干扰信号被阻隔在光耦的输入端,而不能进入到后续电路中。,5.2.3输入/输出通道干扰的抑制,(2)输入与输出回路之间的分布电容极小,一般仅为0.5-2pF。(3)光耦的输入与输出端之间是光耦合,而且在密封条件下进行,不会受到外界光的干扰。,5.2.3输入/输出通道干扰的抑制,已知发光二极管的导通电流IF=10mA,正向压降VF1.3V,光敏三极管导通时压降VCE=0.4V。设输入“1”时,Vi=12V,并取光敏三极管导通电流IC=2mA,则:Ri=(Vi-VF)/IF=(12-1.3)/10mA=1.07kRL=(VCC-VCE)/IC=(5-0.4)/2mA=2.3k,若光耦器选用GO103,说明限流电阻Ri和负载电阻RL的取值确定方法：,5.2.3输入/输出通道干扰的抑制,注意：光电耦合器的输入端和输出端必须分别采用独立的电源,否则隔离作用失去意义。变压器也可作为隔离器,但性能不及光电耦合器,但结构简单。,5.2.3输入/输出通道干扰的抑制,光电耦合器除了具有抗干扰的作用以外,由于在光电耦合器的输入与输出回路之间可承受很高的电压,因此可起到安全保障的作用。,5.2.3输入/输出通道干扰的抑制,5.2.3输入/输出通道干扰的抑制,对光耦的要求是,能够进行线性变换和传输的特性。考虑线性光耦在价格和性能等因素,国内一般采用逻辑光电耦合器。抗干扰屏障应设在最先遇到的开关信号工作的位置上。对A/D电路,应设在A/D芯片和模拟量多路开关芯片数字量信号线上；对D/A电路,应设在D/A芯片和采样保持芯片数字量信号线上。,5.2.3输入/输出通道干扰的抑制,PC1,PC2,+5V,+5V,+5V,+5V,5.2.3输入/输出通道干扰的抑制,注意：当用光电耦合器来隔离输入输出通道时,必须对所有信号(包括数字信号、控制信号、状态信号)全部隔离,使得被隔离的两边没有任何电气上的联系,否则这种隔离是没有意义的。,5.2.3输入/输出通道干扰的抑制,设计中光电耦合器应放置的位置在哪呢？由于模拟量信号的有效状态有无数个,而数字量(开关量)的状态只有两个,所以叠加在模拟量信号上的任何干扰,都因有实际意义而起到干扰的作用。叠加在数字量上的干扰信号,只有在幅度和宽度都达到一定量时才起到作用。结论：光耦等抗干扰屏障应在模拟量的入、出口处,即A/D的输入和D/A的输出处。,系统监控技术虽然采取了各种抗干扰措施,但由于各种原因,仍然可能出现掉电、飞程序、死机等系统完全失灵的情况。系统监控(也称作P即microprocessor监控)是针对上述情况而设置的一道防线,用以确保系统的可靠性。,5.3软件抗干扰措施,系统监控电路完成以下任务：(1)上电复位；(2)监控电压变化；(3)Watchdog,即程序运行监控功能；(4)片使能；(5)备份电池切换；(6)掉电保护等。,随着微处理器性能的不断提高,用软件的方法来实现一些硬件的抗干扰功能,简便易行,成本低,因而愈来愈受到人们的重视。软件对系统的危害主要表现在：数据采集不可靠、控制失灵、程序运行失常等几个方面。为了避免上述情况发生,人们研究了许多对策。在这一节中,我们介绍几种简单易行又行之有效的软件抗干扰方法。,5.3.1数字量输入/输出中的软件抗干扰,1.在条件控制中,对控制条件的一次采样、处理、控制输出,改为循环地采样、处理、控制输出。这种方法对于惯性较大的控制系统有良好的抗偶然因素干扰的作用。2.对于A/D转换的结果,应采取数字滤波处理,得到可信度较高的结果值。,5.3.1数字量输入/输出中的软件抗干扰,3.采集开关量时,例如限位开关、操作按钮等,不能采用多次采样取平均值的方法,必须每次采样结果绝对一致才行；4.输出数字量时,采取重复输出同一个数据,且重复周期尽可能短。,5.3.2程序执行中的软件抗干扰,跑飞将操作数当作指令码来执行,引起整个程序的混乱。措施1：指令冗余在关键的地方人为的插入一些单字节空操作指令NOP。由于所有的指令都不会超过3个字节,因此在指令前加两个NOP肯定防止程序冲散跑飞。,措施2：软件陷阱使用前提：若“跑飞”的程序落到非程序区,或在执行到冗余指令之前已经形成死循环,指令冗余已失效。软件陷阱是一个引导指令,强行将捕获的程序引向一个指定的地址,有专门的处理错误的程序。一般安排如下：,5.3.2程序执行中的软件抗干扰,5.3.2程序执行中的软件抗干扰,(1)未使用的中断向量区,ORG0000HSTART:LJMPMAINLJMPFUINT0NOPNOPLJMPERRLJMPFUT0NOPNOPLJMPERR,LJMPFUINT1NOPNOPLJMPERRLJMPERRNOPNOPLJMPERR,LJMPERRNOPNOPLJMPERRLJMPERRNOPNOPMAIN:,外部中断0,定时器0中断,外部中断1,定时器2中断,定时器1中断,串行口中断,5.3.2程序执行中的软件抗干扰,(2)未使用的大片EPROM空间对于未使用的EPROM空间,一般维持原来内容,即0FFH,若认为是指令码,对应为MOVR7,A,不会发生跳跃。(3)表格表格的内容具有一一