第五章(4)硬件抗干扰技术

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第4节:

系统硬件抗干扰技术

1、干扰的来源与传播途径。

2、硬件抗干扰措施。

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计算机控制系统的被控变量分布在生产 现场的各个角落，因而计算机是处于干扰频繁 的恶劣环境中，干扰是有用信号以外的噪声， 这些干扰会影响系统的测控精度，降低系统的 可靠性，甚至导致系统的运行混乱，造成生产 事故。 但干扰是客观存在的，所以，人们必须 研究干扰，以采取相应的抗干扰措施。

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4.1 干扰的来源

干扰的来源是多方面的，有时甚至是错综复杂的。 干扰有的来自外部，有的来自内部。 外部干扰由使用条件和外部环境因素决定。外部干 扰环境如图1所示，有天电干扰，如雷电或大气电离 作用以及其他气象引起的干扰电波；天体干扰，如 太阳或其他星球辐射的电磁波；电气设备的干扰， 如广播电台或通讯发射台发出的电磁波，动力机械、 高频炉、电焊机等都会产生干扰；此外，荧光灯、 开关、电流断路器、过载继电器、指示灯等具有瞬 变过程的设备也会产生较大的干扰；来自电源的工 频干扰也可视为外部干扰。

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高压电缆

闪电 微机控制系统

雷达、电台 等天线发射

地电位波动

引入噪声

电机、电焊机 等大用电设备

交流动力线 图 8-1 外部干扰环境

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内部干扰则是由系统的结构布局、制造工艺所引 入的。内部干扰环境如图8-2所示，有分布电容、 分布电感引起的耦合感应，电磁场辐射感应，长 线传输造成的波反射；多点接地造成的电位差引 入的干扰；装置及设备中各种寄生振荡引入的干 扰以及热噪声、闪变噪声、尖峰噪声等引入的干 扰；甚至元器件产生的噪声等。

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4.2 干扰的传播途径干扰的传播途径 干扰传播的途径主要有三种：静电耦合，磁场 耦合，公共阻抗耦合。 1.静电耦合导线1 C12 C2g 导线2 Un

C1g

U1

R

图 8-3 导线之间的静电耦合

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静电耦合是电场通过电容耦合途径窜入其它 线路的。两根并排的导线之间会构成分布电 容，如印制线路板上印制线路之间、变压器 绕线之间都会构成分布电容。图8-3给出两根平行导线之间静电耦合的示意 电路，Cl 2是两个导线之间的分布电容，C1g、 C2g是导线对地的电容，R是导线2对地电阻。 如果导线1上有信号U1存在，那么它就会成为 导线2的干扰源，在导线2上产生干扰电压Un 。 显然，干扰电压Un与干扰源U1、分布电容Cl2、 C2g的大小有关。

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2.磁场耦合

空间的磁场耦合是通过导体间的互感耦合进来的。在 任何载流导体周围空间中都会产生磁场，而交变磁场则对其 周围闭合电路产生感应电势。如设备内部的线圈或变压器的 漏磁会引起干扰，还有普通

的两根导线平行架设时，也会产 生磁场干扰，如图8- 4所示。

如果导线1为承载着10kVA、220V的交流输电线，导 线2为与之相距1米并平行走线10米的信号线，两线之间 的互感M会使信号线上感应到的干扰电压Un高达几十毫 伏。如果导线2是连接热电偶的信号线，那么这几十毫 伏的干扰噪声足以淹没热电偶传感器的有用信号。

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导线1

导线2

R1 I1

Un

R3

M

U1

R2

图 8-4 导线之间的磁场耦合

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3.公共阻抗耦合

公共阻抗耦合发生在两个电路的电流流经一个 公共阻抗时，一个电路在该阻抗上的电压降会 影响到另一个电路，从而产生干扰噪声的影响。 图8-5给出一个公共电源线的阻抗耦合示意图。

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R3

R1

i2 A2 A1

i1

R4

R2

图 8-5 公共电源线的阻抗耦合

在一块印制电路板上，运算放大器A1和A2是两个独 立的回路，但都接入一个公共电源，电源回流线的等效 电阻R1、R2是两个回路的公共阻抗。当回路电流i1变化 时，在R1和R2上产生的电压降变化就会影响到另一个回 路电流i2。反之，也如此。

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4.3 硬件抗干扰措施

引言 4.3.1 4.3.2 4.3.3 4.3.4 4.3.5 4.3.6

串模干扰的抑制 共模干扰的抑制 长线传输干扰的抑制 信号线的选择与敷设 电源系统的抗干扰 接地系统的抗干扰

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引言了解了干扰的来源与传播途径，我们就可 以采取相应的抗干扰措施。在硬件抗干扰措 施中，除了按照干扰的三种主要作用方式— —串模、共模及长线传输干扰来分别考虑外， 还要从布线、电源、接地等方面考虑。

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4.3.1 串模干扰的抑制串模干扰是指迭加在被测信号上的干扰噪声， 即干扰源串联在信号源回路中。其表现形式与产 生原因如图8-6所示。图中Us为信号源，Un为串 模干扰电压，邻近导线(干扰线)有交变电流Ia流 过，由Ia产生的电磁干扰信号就会通过分布电容 C1和C2的耦合，引至计算机控制系统的输入端。

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I a 干扰线Un 计算机控制系统 C1

Us

Us

C2

计算机控制系统

( a ) 表现形式 图 8 - 6 串模干 扰

( b) 产生原因

对串模干扰的抑制较为困难，因为干扰Un直 接与信号Us串联。目前常采用双绞线与滤波器两 种措施。

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1.双绞线做信号引线 双绞线是由两根互相绝缘的导线扭绞缠绕组成，为 了增强抗干扰能力，可在双绞线的外面加金属编织 物或护套形成屏蔽双绞线，图8-7给出了带有屏蔽 护套的多股双绞线实物图。