測(cè)控系統(tǒng)抗干擾技術(shù).ppt

2020 3 14 1 干擾含義 有用信號(hào)以外的噪聲或造成計(jì)算機(jī)設(shè)備不能正常工作的破壞因素 干擾是在信號(hào)輸入 傳輸和輸出過(guò)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(hào)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(duì)電路的影響 輕則降低信號(hào)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(guān)系混亂 控制失靈 2020 3 14 2 研究的內(nèi)容 干擾源 干擾類(lèi)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(yīng)當(dāng)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(shè)計(jì)水平 使用環(huán)境 運(yùn)行維護(hù)水平有關(guān) 是衡量系統(tǒng)的主要性能指標(biāo) 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(lèi)3 1 1干擾源 干擾源 干擾的來(lái)源或造成干擾的原因 分類(lèi) 按干擾源來(lái)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(gòu) 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(yīng) 3 長(zhǎng)線(xiàn)傳輸中波的反射 4 多點(diǎn)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(shè)備 輸電線(xiàn)路發(fā)生的電磁場(chǎng) 2 廣播和通信設(shè)備發(fā)射的無(wú)線(xiàn)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(guān)聯(lián) 相互作用 通常采取消除干擾源 避開(kāi)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(lèi) 串模干擾 共模干擾 長(zhǎng)線(xiàn)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(hào)回路之中的干擾 即疊加在有用信號(hào)之上 原因 1 內(nèi)部干擾 信號(hào)源內(nèi)部疊加的干擾 2 電磁耦合引起的干擾 長(zhǎng)線(xiàn)傳輸 空間電磁場(chǎng) 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(hào)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(qiáng) 即NMRR越大 3 1 2 串模干擾也稱(chēng)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(gè)輸入端上共有的干擾電壓 也稱(chēng)對(duì)地干擾 共態(tài)干擾 原因 被測(cè)信號(hào)的接地點(diǎn)和計(jì)算機(jī)輸入信號(hào)的參考接地點(diǎn) 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(hào) 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(chǎng)與計(jì)算機(jī)之間相差幾米甚至幾千米 取決于現(xiàn)場(chǎng)情況和計(jì)算機(jī)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(duì)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(hào)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(qiáng) 即CMRR越大 CMRR與信號(hào)的輸入方式有關(guān) 分單端輸入和差動(dòng)輸入2種形式 2020 3 14 11 1 單端輸入 一個(gè)輸入信號(hào) 地端為參考電壓 2 差動(dòng)輸入 2個(gè)輸入信號(hào) 1個(gè)是高電平 一個(gè)是低電平 以2個(gè)信號(hào)的差值來(lái)決定信號(hào)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(hào)的同時(shí) 也會(huì)對(duì)進(jìn)入電路中的干擾信號(hào)進(jìn)行傳遞 1 漏電阻 理論上與干擾源斷開(kāi)的電路 由于漏電阻會(huì)形成回路 導(dǎo)致干擾的引入 2 公共阻抗公共電源線(xiàn)的阻抗耦合 回流條 2020 3 14 13 模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)分開(kāi)接地 a 未分開(kāi)接地 b 未分開(kāi)接地 c 分開(kāi)接地 3 信號(hào)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(chǎng)傳播的干擾靜電耦合 靜電場(chǎng)干擾通過(guò)分布電容耦合進(jìn)入系統(tǒng)兩根平行導(dǎo)線(xiàn)之間的 印刷線(xiàn)路之間 變壓器線(xiàn)匝之間 繞組之間都可能構(gòu)成分布電容 2 電磁耦合 電磁耦合干擾通過(guò)電感引入感應(yīng)電勢(shì)兩條平行導(dǎo)線(xiàn)間會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)耦合 3 輻射電磁場(chǎng)耦合 具有天線(xiàn)效應(yīng)的電源線(xiàn)和長(zhǎng)信號(hào)線(xiàn)會(huì)對(duì)空間電磁場(chǎng)產(chǎn)生接收作用 感應(yīng)出干擾信號(hào) 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(shè)備移開(kāi) 避免信號(hào)電纜與電源電纜平行敷設(shè) 在各種強(qiáng)電觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)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(shù) 3 隔離技術(shù) 切斷信號(hào)傳輸中電的聯(lián)系 4 屏蔽 浮置技術(shù) 防止電磁場(chǎng)干擾 5 濾波技術(shù) 阻止干擾信號(hào)進(jìn)入系統(tǒng) 3 提高設(shè)備本身抗干擾的性能使用高質(zhì)量元器件 優(yōu)化設(shè)計(jì)線(xiàn)路板等 2020 3 14 16 3 2 1串模干擾的抑制 1 濾波技術(shù)濾波是抗串模干擾的通常做法 在有效信號(hào)和干擾信號(hào)特性顯著不同時(shí) 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(wú)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(duì)稱(chēng)干擾的影響 3 使用雙絞屏蔽信號(hào)傳輸線(xiàn)減少電磁感應(yīng)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(shù)與阻抗匹配技術(shù) 2020 3 14 17 3 2 2共模干擾的抑制 1 差動(dòng)輸入2 隔離技術(shù)切斷電量通道 把信號(hào)側(cè)與輸入側(cè)隔離開(kāi)來(lái) 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(hào)傳遞至輸入端 光電隔離 傳輸脈沖信號(hào) 也可傳遞模擬信號(hào)變壓器隔離 對(duì)信號(hào)進(jìn)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(gè)回路對(duì)于共模干擾電壓的阻抗屏蔽 屏蔽外部電磁場(chǎng)對(duì)模擬放大部分的干擾模擬量輸入通道采用三線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)采樣 雙層屏蔽 放大器浮地原理圖 2020 3 14 20 3 2 3長(zhǎng)線(xiàn)傳輸干擾的抑制 終端 始端 阻抗匹配技術(shù) 針對(duì)傳輸線(xiàn)的阻抗 雙絞線(xiàn)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(shè)計(jì)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(shù) 3 3 1地線(xiàn)與接地技術(shù) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的地線(xiàn)有 安全地 機(jī)殼地或屏蔽地 特征是不作為電流回流的地線(xiàn) 接地電阻要求小于5電源或信號(hào)參考電位 電源或信號(hào)的參考地電位數(shù)字地 模擬地 功率地 2020 3 14 22 接地的應(yīng)用原則 1 一般高頻電路應(yīng)就近多點(diǎn)接地 低頻電路應(yīng)一點(diǎn)接地 在高頻電路中 地線(xiàn)上具有電感 因而增加了地線(xiàn)阻抗 而且地線(xiàn)變成了天線(xiàn) 向外輻射噪聲信號(hào) 因此 要多點(diǎn)就近接地 在低頻電路中 接地電路若形成環(huán)路 對(duì)系統(tǒng)影響很大 因此應(yīng)一點(diǎn)接地 2020 3 14 23 3 3 1 單點(diǎn)接地 2020 3 14 24 2 交流地 功率地與信號(hào)地不能公用 流過(guò)交流地和功率地的電流較大 會(huì)造成數(shù)毫伏 甚至幾伏電壓 這會(huì)嚴(yán)重地干擾低電平信號(hào)的電路 因此信號(hào)地與交流地 功率地分開(kāi) 3 數(shù)字地與模擬地應(yīng)分開(kāi) 最后單點(diǎn)相連 分別回流法 電路中把模擬地和數(shù)字地分開(kāi) 采用匯流條分別走線(xiàn) 最終在一點(diǎn)把兩個(gè)地接在一起 2020 3 14 25 3 3 1 信號(hào)屏蔽層接地 單點(diǎn)接地 機(jī)柜接地 機(jī)柜內(nèi)安裝的內(nèi)部機(jī)件外殼應(yīng)保證與機(jī)柜有很好的接觸 機(jī)柜應(yīng)當(dāng)與大地一點(diǎn)相連 內(nèi)部電路應(yīng)當(dāng)浮空 與機(jī)柜的絕緣電阻應(yīng)大于50M 2020 3 14 26 1 供電技術(shù)圖一般供電結(jié)構(gòu) 3 3 2電源及供電技術(shù) 2020 3 14 27 3 3 2電源及供電技術(shù) 2 抗電源干擾技術(shù) 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(shù) 2 直流電源系統(tǒng)的抗干擾采用逆變式開(kāi)關(guān)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(kāi) 單獨(dú)供電 3 電源保護(hù)配置不間斷電源裝置 UPS 在正常情況下 來(lái)自電網(wǎng)的220VAC給系統(tǒng)供電 同時(shí) 也對(duì)電池組充電 當(dāng)交流供電中斷后 控制器立即將開(kāi)關(guān)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(duì)系統(tǒng)供電 設(shè)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(shù) 1 數(shù)字濾波數(shù)字濾波是通過(guò)一定的算法程序 進(jìn)一步消除信號(hào)中的低頻或高頻干擾 數(shù)字濾波算法種類(lèi)很多 常用的如 算術(shù)平均濾波可消除周期性干擾信號(hào) 中值濾波可去掉脈沖性的干擾 一階滯后濾波相當(dāng)于RC濾波器 2 信號(hào)監(jiān)督充分利用計(jì)算機(jī)的判斷能力 對(duì)系統(tǒng)輸入與輸出信號(hào)進(jìn)行判別與監(jiān)督 如上下限監(jiān)督 多測(cè)點(diǎn)表決方式輸入 接入標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證信號(hào)等 3 系統(tǒng)監(jiān)督對(duì)整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工作狀態(tài)的監(jiān)督 如診斷程序等 2020 3 14 29 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)工作特點(diǎn) 環(huán)境惡劣 干擾嚴(yán)重 對(duì)可靠性要求高對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的評(píng)價(jià) 性能指標(biāo) 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(biāo) 什么是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性 在規(guī)定的條件下 在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定任務(wù)的能力 是個(gè)定性的概念 有兩層含義 在規(guī)定時(shí)間內(nèi)無(wú)故障運(yùn)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(yùn)行時(shí)間后發(fā)生故障 需維修時(shí)間 可定義以下可靠性指標(biāo) 2020 3 14 32 可靠性指標(biāo) 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(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的概率 設(shè)t為運(yùn)行時(shí)間 N0為相同的控制系統(tǒng)數(shù) 足夠大 NS為該段時(shí)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(shí)間內(nèi)發(fā)生故障的次數(shù) 2020 3 14 33 可靠性指標(biāo) 圖3 21電子產(chǎn)品的失效率曲線(xiàn) 早期故障期 元器件質(zhì)量原因 通過(guò)投運(yùn)前考機(jī) 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(wú)故障時(shí)間MTBF MeanTimeBetweenFailure 平均維護(hù)時(shí)間MTTR MeanTimeToRepair 4 利用率A 要獲得盡可能大的可利用率 應(yīng)當(dāng)使MTBF盡可能大 使MTTR盡可能地小 2020 3 14 35 3 4