第六章 抗干擾技術(shù)

第六章系統(tǒng)抗干擾技術(shù)

16.1干擾及產(chǎn)生的因素

6.1.1干擾的定義

干擾是指對系統(tǒng)的正常工作產(chǎn)生不良影響的內(nèi)部或外部因素。從廣義上講，機電一體化系統(tǒng)的干擾因素包括電磁干擾、溫度干擾、濕度干擾、聲波干擾和振動干擾等等。

電磁干擾（ElectromagneticInterference，EMI）是指在工作過程中受環(huán)境因素的影響，出現(xiàn)的一些與有用信號無關(guān)的，并且對系統(tǒng)性能或信號傳輸有害的電氣變化現(xiàn)象。2

6.1.2形成干擾的三個要素

1、干擾源 產(chǎn)生干擾信號的設(shè)備被稱為干擾源，如變壓器、繼電器、微波設(shè)備、電機、無繩電話和高壓電線等都可以產(chǎn)生空中電磁場。

2、傳播途徑 傳播途徑是指干擾信號的傳播路徑。

3、接收載體 接收載體是指受影響的器件、設(shè)備或系統(tǒng)，其吸收了干擾信號，并轉(zhuǎn)化為對其工作造成影響的電氣參數(shù)。

36.1.3干擾的傳播方式（1）傳導方式：干擾信號通過各種線路傳入。

（2）輻射方式：干擾信號通過空間感應(yīng)傳入。

所以，從接收器的角度看，耦合分為兩類：傳導耦合和輻射耦合。前者指電磁能量以電壓V或電流I的形式通過金屬導線等耦合至接收器；后者則通過空間以電磁場形式耦合。46.1.4電磁干擾的種類按干擾源分類，電磁干擾分為以下兩種類型。

1、自然干擾自然干擾包括雷電干擾、射電干擾、輻射干擾等。自然干擾是不可控制的。

2、人為干擾人為干擾主要是電氣設(shè)備干擾，包括電源干擾、開關(guān)干擾、射頻干擾和放電干擾（火花放電、輝光放電等）。人為干擾是可控制的。人為干擾又包括系統(tǒng)內(nèi)部干擾和外部干擾。5按干擾的耦合模式（傳入系統(tǒng)的方式）分類，電磁干擾分為以下五種類型。

1、靜電干擾即電場通過電容耦合的干擾。

2、磁場耦合干擾磁場耦合干擾是指大電流周圍磁場對機電一體化設(shè)備回路耦合形成的干擾。

3、漏電耦合干擾

漏電耦合干擾是因絕緣電阻降低而由漏電流引起的干擾，多發(fā)生于工作條件比較惡劣的環(huán)境或器件性能退化、器件本身老化的情況下。

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4、共阻抗干擾共阻抗干擾是指電路各部分公共導線阻抗、地阻抗和電源內(nèi)阻壓降相互耦合形成的干擾，這是機電一體化系統(tǒng)普遍存在的一種干擾。如圖6-1所示的串聯(lián)接地方式，由于接地電阻的存在，三個電路的接地電位明顯不同。

圖6-1接地共阻抗干擾7

5、電磁輻射干擾由各種大功率高頻、中頻發(fā)生裝置，各種電火花以及電臺、電視臺等產(chǎn)生的高頻電磁波向周圍空間輻射，形成電磁輻射干擾。雷電和宇宙空間也會有電磁波干擾信號。86.1.5干擾的存在形式在電路中，干擾信號通常以串模干擾和共模干擾形式與有用信號一同傳輸。

1、串模干擾串模干擾是指疊加在被測信號上的干擾，也稱橫向干擾。產(chǎn)生串模干擾的原因有分布電容的靜電耦合、長線傳輸?shù)幕ジ?、空間電磁場引起的磁場耦合以及50Hz的工頻干擾等。

9圖6-2串模干擾示意圖在機電一體化系統(tǒng)中，被測信號通常是直流（或變化比較緩慢的）信號，而干擾信號經(jīng)常是一些雜亂的波形并含有尖峰脈沖，如圖6-2(c)所示。圖6-2中Us表示理想測試信號，Ug表示不規(guī)則干擾信號，Uc表示實際傳輸?shù)男盘枴８蓴_可能來自信號源內(nèi)部（圖6-2(a)），也可能來自于導線的感應(yīng)（圖6-2(b)）。10

2、共模干擾共模干擾是指同時加載在各個輸入信號接口端的共有的信號干擾。圖6-3所示的電路中，檢測信號輸入A/D轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換器的兩個輸入端上即存在公共的電壓干擾。圖6-3共模干擾示意圖11圖6-3共模干擾示意圖由于輸入信號源與主機有較長的距離，輸入信號Us的參考接地點和計算機控制系統(tǒng)輸入端參考接地點之間存在電位差Ucm。這個電位差就在A/D轉(zhuǎn)換器的兩個輸入端上形成共模干擾。以計算機接地點為參考點，加到輸入點A上的信號為Us+Ucm，加到輸入點B上的信號為Ucm。126.2干擾的抑制與防護

名詞解釋：

電磁兼容性設(shè)計——在設(shè)計中，考慮所設(shè)計的設(shè)備或系統(tǒng)在預(yù)定的工作場所運行時，既不受周圍的電磁干擾的影響，又不對周圍的設(shè)備施加干擾，這種設(shè)計方法稱之。

136.2.1屏蔽屏蔽是指利用導電或?qū)Т挪牧现瞥傻暮袪罨驓钇帘误w，將干擾源或干擾對象包圍起來，從而割斷或削弱干擾場的空間耦合通道，阻止其電磁能量的傳輸。按需屏蔽的干擾場的性質(zhì)不同，可分為電場屏蔽、磁場屏蔽和電磁場屏蔽。電場屏蔽是為了消除或抑制由于電場耦合引起的干擾。常用材料：銅或鋁等導電性好的金屬材料，應(yīng)盡量嚴密并保持良好的接地。14磁場屏蔽是為了消除或抑制由于磁場耦合引起的干擾。（1）靜磁場或低頻交變磁場：可用高導磁率的材料，并保持磁路暢通。（2）高頻交變磁場：應(yīng)選用良導體材料，如銅、鋁。

15圖6-4變壓器的屏蔽如圖6-4所示的變壓器，在變壓器繞組線包的外面包一層銅皮作為漏磁短路環(huán)。16圖6-5同軸電纜示意圖在如圖6-5所示的同軸電纜中，為防止信號在傳輸過程中受到電磁干擾，在電纜線中設(shè)置了屏蔽層。17

6.2.2隔離目的：不發(fā)生電的聯(lián)系，切斷干擾的耦合通道。

常將強電部分與弱電部分、交流與直流部分隔離，此外還有以下幾種隔離方法。

1、光電隔離光電隔離是以光作為媒介在隔離的兩端之間進行信號傳輸?shù)?，所用的器件是光電耦合器。圖6-6所示為一般光電耦合器組成的輸入/輸出線路。圖6-6光電隔離原理18在光電耦合器中，輸入與輸出之間無電氣上的聯(lián)系，從而能有效地防止干擾從過程通道進入主機。光耦的抗干擾能力很強，主要有以下三方面的原因：

（1）光耦的輸入阻抗很低，一般在100~1000Ω，而干擾源的內(nèi)阻一般都很大，通常為105~106Ω，根據(jù)分壓原理可知，這時能饋送到光耦輸入端的噪聲很小。即使有時干擾電壓的幅值很高，但所提供的能量卻很小，只能形成微弱的電流，而光耦輸入部分的發(fā)光二極管，只有通過一定強度的電流時才能發(fā)光，輸出部分的光敏三極管只在一定的光強下才能工作，因此電壓幅值很高的干擾，會由于沒有足夠的能量使發(fā)光二極管發(fā)光而被抑制掉；19（2）光耦的輸入回路和輸出回路之間是光耦合的，而且又是在密封的條件下進行的，故不會受到外界光的干擾；（3）光耦的輸入回路和輸出回路之間的分布電容極小，絕緣電阻阻抗很大，因此回路一邊的各種噪聲很難通過光耦饋送到另一邊去。但是在使用光耦時應(yīng)注意，它的輸入部分和輸出部分必須分別采用獨立的電源供電，如果兩端共用一個電源，則光耦的隔離作用將失去意義。

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2、變壓器隔離對于交流信號的傳輸，一般使用變壓器隔離干擾信號的辦法。隔離變壓器也是常用的隔離部件，用來阻斷交流信號中的直流干擾和抑制低頻干擾信號的強度，如圖6-7所示的變壓器耦合隔離電路。圖6-7變壓器隔離原理22圖6-8多層隔離變壓器圖6-8所示為一種帶多層屏蔽的隔離變壓器。當含有直流或低頻干擾的交流信號從一次側(cè)端輸入時，根據(jù)變壓器原理，二次側(cè)輸出的信號濾掉了直流干擾，且低頻干擾信號幅值也被大大衰減，從而達到了抑制干擾的目的。23另外，在變壓器的一次側(cè)和二次側(cè)線圈外設(shè)有靜電隔離層S1和S2，其目的是防止一次和二次繞組之間的相互耦合干擾。變壓器外的三層屏蔽密封體的內(nèi)、外兩層用鐵，起磁屏蔽的作用；中間層用銅，與鐵心相連并直接接地，起靜電屏蔽作用。

3、繼電器隔離繼電器線圈和觸點僅有機械上的聯(lián)系，而沒有直接的電的聯(lián)系，因此可利用繼電器線圈接收電信號，而利用其觸點控制和傳輸電信號，從而可實現(xiàn)強電和弱電的隔離，如圖6-9所示。同時，繼電器觸點較多，且其觸點能承受較大的負載電流，因此應(yīng)用非常廣泛。24圖6-9繼電器隔離256.2.3濾波

濾波是抑制干擾傳導的一種重要方法。由于干擾源發(fā)出的電磁干擾的頻譜往往比要接收的信號的頻譜寬得多，因而當接收器接收有用信號時，也會接收到那些不希望有的干擾。圖6-10低通濾波器圖6-10所示為計算機電源采用的一種LC低通濾波器的接線圖。含有瞬間高頻干擾的220V工頻電源通過截止頻率為50Hz的濾波器，其高頻信號被衰減，只有50Hz的工頻信號通過濾波器到達電源變壓器，保證正常供電。26圖6-11(a)所示為觸點抖動抑制電路，對抑制各類觸點或開關(guān)在閉合或斷開瞬間因觸點抖動所引起的干擾是十分有效的。圖6-11(b)所示電路是交流信號抑制電路，主要用于抑制電感性負載在切斷電源瞬間所產(chǎn)生的反電勢。這種阻容吸收電路可以將電感線圈的磁場釋放出來的能量轉(zhuǎn)化為電容器電場的能量儲存起來，以降低能量的消散速度。圖6-11(c)所示電路是輸入信號的阻容濾波電路，類似的這種線路既可作為直流電源的輸入濾波器，也可作為模擬電路輸入信號的阻容濾波器。圖6-11干擾濾波電路27

圖6-12所示為一種雙T型帶阻濾波器，可用來消除工頻（電源）串模干擾。圖中輸入信號U1經(jīng)過兩條通路送到輸出端。圖6-12雙T型帶阻濾波器28

6.2.4正確接地

定義：將電路、設(shè)備機殼等與作為零電位的一個公共參考點（或面）實現(xiàn)低阻抗的連接，稱之為接地。

目的：（1）為了安全，防止漏電時造成觸電，稱為安全接地，通常為大地。

（2）為了給系統(tǒng)提供一個基準電位，或為了抑制干擾，如屏蔽接地等，稱為工作接地?？梢允谴蟮?，也可以是系統(tǒng)中其它電位參考點，如電源的某個極。

接地是電磁兼容性設(shè)計的一個重要內(nèi)容。

29圖6-13并聯(lián)一點接地

1、單點接地圖6-13所示是并聯(lián)一點接地方式。這種方式在低頻時是最適用的，因為各電路的地電位只與本電路的地電流和地線阻抗有關(guān)，不會因地電流而引起各電路間的耦合。這種方式的缺點是需要連很多根地線，用起來比較麻煩。30

2、多點接地單點接地所需地線較多，一般適用于低頻信號。若電路工作頻率較高，電感分量較大，各地線間的互感耦合會增加干擾，因此常用多點接地。如圖6-14所示，各接地點就近接于接地匯流排或底座、外殼等金屬構(gòu)件上。

圖6-14多點接地31

3、地線的設(shè)計機電一體化系統(tǒng)設(shè)計時要綜合考慮各種地線的布局和接地方法。圖6-15所示是一臺數(shù)控機床的接地方法。圖6-15數(shù)控機床的接地方法。326.2.5軟件抗干擾設(shè)計

1、軟件濾波用軟件來識別有用信號和干擾信號并濾除干擾信號?？刹捎酶鞣N有針對性的軟件濾波方法，如程序判斷濾波法、中值濾波法、算術(shù)平均濾波法、防脈沖干擾平均值濾波法等。33

2、軟件“陷阱”從軟件的運行來看，瞬時電磁干擾可能會使CPU偏離預(yù)定的程序指針，進入未使用的RAM區(qū)和ROM區(qū)，引起一些莫名其妙的現(xiàn)象，其中死循環(huán)和程序“飛掉”是常見的。為了有效地排除這種干擾故障，常采用軟件“陷阱”法。這種方法的基本指導思想是，把系統(tǒng)存儲器（RAM和ROM）中沒有使用的單元用某一種重新啟動的代碼指令填滿，作為軟件“陷阱”，以捕獲“飛掉”的程序。一般當CPU執(zhí)行該條指令時，程序就自動轉(zhuǎn)到某一起始地址，從這一起始地址開始存放一