測控系統(tǒng)抗干擾技術.ppt

2020 3 14 1 干擾含義 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 干擾是在信號輸入 傳輸和輸出過程中出現(xiàn)的一些有害的電氣變化現(xiàn)象 這些變化迫使信號的傳輸值 指示值或輸出值出現(xiàn)誤差 出現(xiàn)假像 干擾的危害 干擾對電路的影響 輕則降低信號的質(zhì)量 影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性 重則破壞電路的正常功能 造成邏輯關系混亂 控制失靈 2020 3 14 2 研究的內(nèi)容 干擾源 干擾類型 干擾傳播途徑 抗干擾措施 系統(tǒng)抗干擾策略 軟硬結(jié)合抗干擾 硬件措施應當將大部分干擾消除 軟件措施消除余下的部分 可靠性 Reliability 系統(tǒng)的可靠程度 與系統(tǒng)的內(nèi)在質(zhì)量 系統(tǒng)的設計水平 使用環(huán)境 運行維護水平有關 是衡量系統(tǒng)的主要性能指標 包括 硬件的可靠性 軟件的可靠性 影響系統(tǒng)硬件可靠性的主要因素就是干擾 2020 3 14 3 3 1干擾源及干擾分類3 1 1干擾源 干擾源 干擾的來源或造成干擾的原因 分類 按干擾源來分 有內(nèi)部干擾和外部干擾 1 內(nèi)部干擾由系統(tǒng)結(jié)構 制造工藝 安裝等內(nèi)在原因引起的干擾 主要原因 1 元器件噪聲 2 分布電容 電感引起的電磁感應 3 長線傳輸中波的反射 4 多點接地引起的電位差 5 電源系統(tǒng)引入的干擾 2020 3 14 4 3 1 1 2 外部干擾由外界環(huán)境因素引起的干擾 主要原因 1 大功率設備 輸電線路發(fā)生的電磁場 2 廣播和通信設備發(fā)射的無線電波 3 自然界干擾 包括 天體輻射 雷電 氣溫 濕度等 內(nèi)外干擾本質(zhì)相同 相互關聯(lián) 相互作用 通常采取消除干擾源 避開干擾源 切斷干擾傳播途徑的方法 有效消除干擾 干擾作用方式分類 串模干擾 共模干擾 長線傳輸干擾 2020 3 14 5 3 1 2串模干擾 串模干擾 串聯(lián)于有用信號回路之中的干擾 即疊加在有用信號之上 原因 1 內(nèi)部干擾 信號源內(nèi)部疊加的干擾 2 電磁耦合引起的干擾 長線傳輸 空間電磁場 工頻干擾 串模干擾示意圖電磁耦合引入串模干擾 2020 3 14 6 圖3 1串模干擾示意圖 2020 3 14 7 串模抑制比 衡量系統(tǒng)抑制串模干擾的能力 定義 NMRR 20lg Un Ui dB Un 串模干擾信號的幅值 Ui Un引起輸出的改變折合到輸入端的偏移量 效果 Ui越小 抗串模干擾的能力越強 即NMRR越大 3 1 2 串模干擾也稱為差模干擾 橫向干擾 常模干擾或常態(tài)干擾 2020 3 14 8 3 1 3共模干擾 共模干擾 共模干擾是系統(tǒng)2個輸入端上共有的干擾電壓 也稱對地干擾 共態(tài)干擾 原因 被測信號的接地點和計算機輸入信號的參考接地點 存在一定的電位差 共模干擾示意圖UA Us UcmUB Ucm 2020 3 14 9 圖9 3串模干擾與共模干擾波形 a 直流信號 b 串模干擾 c 共模干擾 d 串模干擾與共模干擾共同作用 2020 3 14 10 3 1 3 由于現(xiàn)場與計算機之間相差幾米甚至幾千米 取決于現(xiàn)場情況和計算機的接地情況 Ucm可以是直流 也可以是交流 幅值可以是幾伏甚至幾十伏 共模干擾的影響 共模干擾對放大器的影響 是因轉(zhuǎn)換成串模干擾而加到輸入端的 共模抑制比 衡量系統(tǒng)抑制共模干擾轉(zhuǎn)化為串模干擾的能力 定義 CMRR 20lg Ucm Un dB Un 是共模干擾信號Ucm轉(zhuǎn)換成串模干擾的電壓幅值 效果 Un越小 抗共模干擾的能力越強 即CMRR越大 CMRR與信號的輸入方式有關 分單端輸入和差動輸入2種形式 2020 3 14 11 1 單端輸入 一個輸入信號 地端為參考電壓 2 差動輸入 2個輸入信號 1個是高電平 一個是低電平 以2個信號的差值來決定信號的幅值 3 1 3 2020 3 14 12 3 1 4干擾傳播的途徑 1 電路傳播的干擾 任何電路在傳遞與處理有效信號的同時 也會對進入電路中的干擾信號進行傳遞 1 漏電阻 理論上與干擾源斷開的電路 由于漏電阻會形成回路 導致干擾的引入 2 公共阻抗公共電源線的阻抗耦合 回流條 2020 3 14 13 模擬信號和數(shù)字信號分開接地 a 未分開接地 b 未分開接地 c 分開接地 3 信號輸入 輸出回路 4 電源回路 3 1 4 2020 3 14 14 3 1 4 2 電磁場傳播的干擾靜電耦合 靜電場干擾通過分布電容耦合進入系統(tǒng)兩根平行導線之間的 印刷線路之間 變壓器線匝之間 繞組之間都可能構成分布電容 2 電磁耦合 電磁耦合干擾通過電感引入感應電勢兩條平行導線間會產(chǎn)生磁場耦合 3 輻射電磁場耦合 具有天線效應的電源線和長信號線會對空間電磁場產(chǎn)生接收作用 感應出干擾信號 2020 3 14 15 3 2干擾抑制 1 消除或抑制干擾源消除和抑制干擾源是行之有效的抗干擾措施之一 如 選擇熱噪聲小的元器件 把產(chǎn)生干擾的大功率設備移開 避免信號電纜與電源電纜平行敷設 在各種強電觸點開關上采取消弧措施等等 2 切斷引入干擾的途徑 1 提高絕緣性能 消除或抑制漏電阻 2 正確的接地技術 3 隔離技術 切斷信號傳輸中電的聯(lián)系 4 屏蔽 浮置技術 防止電磁場干擾 5 濾波技術 阻止干擾信號進入系統(tǒng) 3 提高設備本身抗干擾的性能使用高質(zhì)量元器件 優(yōu)化設計線路板等 2020 3 14 16 3 2 1串模干擾的抑制 1 濾波技術濾波是抗串模干擾的通常做法 在有效信號和干擾信號特性顯著不同時 則濾波效果十分有效 濾波器的形式 低通濾波器 高通濾波器 帶通濾波器等 模擬濾波器 數(shù)字濾波器 模擬濾波器又分 無源濾波器和有源濾波器 濾波 放大 2 使用雙積分式A D轉(zhuǎn)換器克服工頻干擾以及對稱干擾的影響 3 使用雙絞屏蔽信號傳輸線減少電磁感應產(chǎn)生的干擾4 選用高抗干擾性的元器件 高邏輯電平 V F轉(zhuǎn)換器5 供電技術與阻抗匹配技術 2020 3 14 17 3 2 2共模干擾的抑制 1 差動輸入2 隔離技術切斷電量通道 把信號側(cè)與輸入側(cè)隔離開來 使共模電壓形不成電流電路 以光耦合或磁耦合作用將有效信號傳遞至輸入端 光電隔離 傳輸脈沖信號 也可傳遞模擬信號變壓器隔離 對信號進行調(diào)制和解調(diào)3 浮地與屏蔽浮地 使模擬地浮空 提高整個回路對于共模干擾電壓的阻抗屏蔽 屏蔽外部電磁場對模擬放大部分的干擾模擬量輸入通道采用三線采樣 雙層屏蔽 放大器浮地的方式 電路原理框圖如圖3 13所示 三線采樣保證在非采樣期間切斷Ucm形成電流回路 雙層屏蔽和浮地大大提高了CMRR 2020 3 14 18 圖3 11變壓器隔離電路 圖3 12光電隔離 2020 3 14 19 圖3 13三線采樣 雙層屏蔽 放大器浮地原理圖 2020 3 14 20 3 2 3長線傳輸干擾的抑制 終端 始端 阻抗匹配技術 針對傳輸線的阻抗 雙絞線的波阻抗一般在100 200之間 同軸電纜的波阻抗在50 100之間 設計適宜的終端 始端 阻抗匹配電路 2020 3 14 21 3 3其它抗干擾技術 3 3 1地線與接地技術 計算機控制系統(tǒng)中的地線有 安全地 機殼地或屏蔽地 特征是不作為電流回流的地線 接地電阻要求小于5電源或信號參考電位 電源或信號的參考地電位數(shù)字地 模擬地 功率地 2020 3 14 22 接地的應用原則 1 一般高頻電路應就近多點接地 低頻電路應一點接地 在高頻電路中 地線上具有電感 因而增加了地線阻抗 而且地線變成了天線 向外輻射噪聲信號 因此 要多點就近接地 在低頻電路中 接地電路若形成環(huán)路 對系統(tǒng)影響很大 因此應一點接地 2020 3 14 23 3 3 1 單點接地 2020 3 14 24 2 交流地 功率地與信號地不能公用 流過交流地和功率地的電流較大 會造成數(shù)毫伏 甚至幾伏電壓 這會嚴重地干擾低電平信號的電路 因此信號地與交流地 功率地分開 3 數(shù)字地與模擬地應分開 最后單點相連 分別回流法 電路中把模擬地和數(shù)字地分開 采用匯流條分別走線 最終在一點把兩個地接在一起 2020 3 14 25 3 3 1 信號屏蔽層接地 單點接地 機柜接地 機柜內(nèi)安裝的內(nèi)部機件外殼應保證與機柜有很好的接觸 機柜應當與大地一點相連 內(nèi)部電路應當浮空 與機柜的絕緣電阻應大于50M 2020 3 14 26 1 供電技術圖一般供電結(jié)構 3 3 2電源及供電技術 2020 3 14 27 3 3 2電源及供電技術 2 抗電源干擾技術 1 交流電源系統(tǒng)的抗干擾消除電源中高頻干擾 常采用帶屏蔽的變壓器隔離和濾波技術 2 直流電源系統(tǒng)的抗干擾采用逆變式開關電源 DC DC變換器 防止工頻干擾采用退耦電容器 以消除電源內(nèi)阻所產(chǎn)生的干擾分組供電 把變壓器隔離 光電隔離輸入與輸出部分的電源分開 單獨供電 3 電源保護配置不間斷電源裝置 UPS 在正常情況下 來自電網(wǎng)的220VAC給系統(tǒng)供電 同時 也對電池組充電 當交流供電中斷后 控制器立即將開關切至逆變器的輸出端 電池組為逆變器供電 輸出交流220V電壓 對系統(tǒng)供電 設置雙回路供電系統(tǒng) 掉電中斷等 2020 3 14 28 3 3 2軟件抗干擾技術 1 數(shù)字濾波數(shù)字濾波是通過一定的算法程序 進一步消除信號中的低頻或高頻干擾 數(shù)字濾波算法種類很多 常用的如 算術平均濾波可消除周期性干擾信號 中值濾波可去掉脈沖性的干擾 一階滯后濾波相當于RC濾波器 2 信號監(jiān)督充分利用計算機的判斷能力 對系統(tǒng)輸入與輸出信號進行判別與監(jiān)督 如上下限監(jiān)督 多測點表決方式輸入 接入標準驗證信號等 3 系統(tǒng)監(jiān)督對整個計算機系統(tǒng)工作狀態(tài)的監(jiān)督 如診斷程序等 2020 3 14 29 計算機控制系統(tǒng)工作特點 環(huán)境惡劣 干擾嚴重 對可靠性要求高對計算機控制系統(tǒng)的評價 性能指標 可靠性 兩方面都重要 3 4系統(tǒng)的可靠性 2020 3 14 30 3 4 1系統(tǒng)可靠性指標 什么是計算機控制系統(tǒng)的可靠性 在規(guī)定的條件下 在規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定任務的能力 是個定性的概念 有兩層含義 在規(guī)定時間內(nèi)無故障運行 故障后維修方便 2020 3 14 31 可靠性的定量描述 如下圖 系統(tǒng)運行時間后發(fā)生故障 需維修時間 可定義以下可靠性指標 2020 3 14 32 可靠性指標 1 可靠度R t 可靠度的定義 產(chǎn)品在規(guī)定的條件和規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定功能的概率 設t為運行時間 N0為相同的控制系統(tǒng)數(shù) 足夠大 NS為該段時間內(nèi)未發(fā)生故障的控制系統(tǒng)數(shù) 則 2 失效率 t 失效率的定義 單位時間內(nèi)發(fā)生故障的次數(shù) 2020 3 14 33 可靠性指標 圖3 21電子產(chǎn)品的失效率曲線 早期故障期 元器件質(zhì)量原因 通過投運前考機 調(diào)試排除 偶然故障期 系統(tǒng)穩(wěn)定期 失效故障期 部分器件壽命到期 2020 3 14 34 3 平均無故障時間MTBF MeanTimeBetweenFailure 平均維護時間MTTR MeanTimeToRepair 4 利用率A 要獲得盡可能大的可利用率 應當使MTBF盡可能大 使MTTR盡可能地小 2020 3 14 35 3 4