第 8 章 抗干扰技术

1. 第8章 抗干扰技术 8.1 概述 • 微型机监测或控制系统，一般都工作在工业生产现场，各种电磁干扰复杂，环境恶劣，往往导致监测不真实或控制系统失效。 • 图8.1.1给出了一个由微型机和控制接口组成的控制系统的框图。它包括A/D、D/A、I/O（输入和输出）等4个部分，所处理和传递的信息都是受控设备的过程信息，因此有时又称控制接口为过程通道。

2. 干扰的含义 • 工业生产、过程控制中的干扰现象多种多样，我们这里涉及的主要是电气干扰。 • 电气干扰：一般是指与信号无关，在信号输入、传输和输出的过程中出现的一些不需要的有害的电气变化现象。这些有害的电气变化现象迫使数据的传输值，指示值或输出值发生变化，从而增大误差，出现假象。 • 过程控制系统中的电气干扰：一般是指各种电气干扰源产生的各种电气瞬变脉冲，通过一定的途径（如传送线或电源线等）窜入微机控制系统（或系统内部互相干扰），对控制系统的正常工作造成一定程度的影响。 • 模拟通道和数字通道的受扰程度有所不同。对低电平模拟量输入信号，尤其是输入通道距离较远时，最容易受到干扰的影响。对于数字通道来说，几毫伏的噪声电平，不能构成干扰威胁。因此，对任何系统而言，干扰的概念是包含着对系统的正常工作造成一定程度的影响这一含义在内的。 • 干扰对电路的影响，轻则降低信号质量，降低电路的稳定性储备，重则破坏电路的正常功能，造成逻辑关系混乱，控制失灵，影响正常生产，甚至发生损坏设备等严重事故。

3. 干扰的来源 • 干扰源是产生“对信号有干扰，对信息传输进行阻碍和扰乱”的噪声的发生源。 • 干扰是多方面的，按照一定的特征，可进行如下分类： 1．从干扰的形成原因划分 • （1）自然干扰 空间电磁波、幅射、闪电、雷击等是自然干扰。自然干扰是不以人的意志为转移的客观存在，一般情况下，不能消除，只能防范。不过，自然干扰通常对系统影响不大。 • （2）人为干扰 人为干扰主要是工业干扰，也即用电干扰。人为干扰与人的生产、生活活动有关，可以采取措施予以抑制。

4. 干扰的分类（1） 2．从干扰源的位置划分 • （1）内部干扰 内部干扰是指控制系统本身引起的各种干扰。通常是由于设计不良或功能原理产生的。它又包括固定干扰和过渡干扰。过渡干扰是电路在动态工作时引起的干扰。固定干扰包括信号线间的相互串扰，长线传输阻抗失配时的反射噪声、负截突变噪声以及馈电系统的浪涌噪声干扰等。 • （2）外部干扰 外部干扰是由控制系统外部窜入到控制系统内的各种干扰，外部干扰来源于控制系统之外，与系统设计无关。它包括自然干扰和人为干扰。人为干扰（即工业干扰，或用电干扰）是外部干扰的关键。 3．按干扰出现的规律划分 • （l）固定干扰 • （2）随机干扰

5. 干扰的分类（2） 4．从干扰产生和传播的方式划分 • （1）静电干扰 静电干扰实际是电场通过电容耦合的干扰。它包括电路周围设备上积聚的电荷直接对电路的泄放，大载流导体产生的电场通过寄生电容向受扰设备耦合而产生的干扰等。 • （2）磁场耦合干扰 磁场耦合干扰是一种感应干扰，它是与控制系统相邻的大电流线路周围的磁场对控制系统回路的耦合所造成的干扰。比如，在动力线、变压器、电动机、继电器等附近都会有这种磁场，它以工频形式耦合到控制系统的闭合回路中，形成干扰。 • （3）电磁辐射干扰 在检测、控制环境中，各种大功率高频、中频发生装置以及各种放电干扰，如电晕放电（如高压输电线）、辉光放电（如荧光灯、霓红灯、闸流等）、弧光放电（如电焊）、火花放电（如点火系统、电火花加工）等，都将产生高频电磁波向周围空间辐射，形成电磁辐射干扰。 • （4）共阻抗干扰 这是一种普遍存在的干扰。在逻辑系统的各线路之间有公共导线，这些公共导线有电阻和电感，当有电流流过时，它们将产生压降，这种阻抗压降耦合到其它线路，就形成公共阻抗干扰。对于高频及瞬变情况，这种公共阻抗干扰尤为严重。

6. 干扰的分类（3） 5．从干扰的形式划分 • （l）交流干扰 • （2）直流干扰 • （3）不规则噪声干扰 6．从干扰与输入信号的关系划分 • （1）串模干扰 串模干扰在工程上又称差模干扰、常模干扰 。这种干扰表现为干扰信号和有用信号叠加在一起。如图8.1.3（a）所示，S是有用信号，N是干扰信号，串模干扰使信号接收器的一个输入端子的电位相对于另一个输入端子电位发生变化。串模干扰迭加在有用信号之上，成为有用信号的一部分，当作为检测信号时，影响很大。

7. 干扰的分类（4） • （2）共模干扰 共模干扰在工程上又称共态干扰，对地干扰，同时干扰等。共模干扰是相对于公共的电位基准地（接地点），在信号接收器的两个输入端子上同时出现的干扰，如图8.1.3（b）所示，虽然共模干扰不直接影响测量结果，但是当信号接收器的输入电路参数不对称时，将会引起测量误差。

8. 串模干扰和共模干扰波形 • 图8.1.4所示为串模干扰和共模干扰对直流信号产生的影响。 • 其中，图（a）为有用的直流信号，图（b）为该直流信号叠加了串模干扰，图（c）为该直流信号受到共模干扰的影响，图（d）为该直流信号同时受到串模干扰和共模干扰的影响的波形。

9. 干扰窜入的渠道 • 在工业生产环境下，强电干扰一般是以随机脉冲形式出现，进而影响控制系统安全可靠地运行。 • 干扰窜入系统的渠道主要有三个，如图8.1.5所示： （l）空间干扰：如电磁波感应和辐射等。 （2）供电系统干扰。 （3）过程通道干扰：如A/D、D/A、I/O通道等等。

10. 干扰抑制方法 • 抑制干扰，要从干扰窜入的渠道着手。 • 根据干扰窜入计算机控制系统的主要渠道，抑制措施通常有三个： • （1）对空间干扰而言，采用屏蔽技术和接地技术。 • （2）对供电系统干扰而言，采用稳压技术、隔离技术、滤波技术等。 • （3）对过程通道干扰而言，采用滤波技术、隔离技术、长线驱动技术等。

11. 8.2 空间干扰的抑制 • 空间干扰：主要指电磁场在线路、导线、壳体上的辐射、吸收与调制。 • 在抑制空间干扰时，要首先判定其是否是空间干扰，然后采取相应措施。空间干扰既可能来自控制系统外部，也可能来自控制系统内部。 • 空间干扰的抑制主要是：屏蔽技术、接地技术，合理的系统布局。 • 接地技术：接地的含义可理解为－个等电位点或等电位面，它是电路或系统的基准电压，但不一定是大地电位。由此，接地点的电位变化相对大地就成为噪声。 • 在微机控制系统中，接地是抑制噪声和防止干扰的主要方法。 • 接地设计有三个基本目的：（1）安全；（2）对信号电压有一个基准电位；（3）使屏蔽和滤波有环路。 • 在计算机控制系统中，地线通常分为四种： （1）保护地线。必须接大地。 （2）信号地线。是输入输出零信号电位公共线，其本身可能与真正大地是隔绝的。信号地线分两种：模拟信号地线及数字信号地线。 （3）信号源地线。它是传感器本身的零信号电位基准公共线。 （4）交流电源地线。

12. 接地技术 （1）一点接地方式 • 如图8.2.1所示。因连接各设备间的导线中或多或少都有阻抗，所以如（b）串联接地时，就有公共阻抗造成互相间的干扰。而（a）图并联接地时，由于没有公共阻抗，就不会出现电路间的相互干扰。这种接地方式对低频线路有很好的效果。 （2）多点接地方式 • 随着信号频率的升高，地线上的阻抗起主导作用的将是电感参数，为此要以最短距离把各设备接地，如图8.2.2所示。在多点接地时，地线常用导电条连成网（或是一块金属网板），各电路单元分别以最短连线接地，以降低接地阻抗，旁路电容器的引线尤以最短距离接地。

13. 8.3 供电系统干扰的抑制 • 微机系统中的电源占有极重要的地位，而且也是危害最严重的噪声干扰源之一。 • 电网电压的过压、欠压、浪涌、断电以及尖峰脉冲是对系统运行危害最严重的电网干扰。 • 尖峰干扰是一种随机干扰，是叠加在电网正弦波上的尖峰电压。这种高能尖峰的幅度在50～4000V之间，持续时间为微秒量级，出现的位置也无规律，具体幅度和持续时间取决于不同的用电设备及这些用电设备接通或断开的速度。 • 为了防止从电源系统引入干扰，可采取以下几项措施： （1）交流稳压器。用来保证供电的稳定性，防止电源系统的过压和欠压，有利于提高整个系统的可靠性。 （2）隔离变压器。考虑到高濒噪声通过变压器主要不是靠初次级线圈的互感耦合，而是靠初次级间寄生电容耦合的，因此，隔离变压器的初级和次级之间均用屏蔽层隔离，减少其分布电容，以提高抗共模干扰的能力。 （3）低通滤波器。电源系统的干扰源大部分是高次谐波，因此采用低通滤波让50Hz基波通过，滤去高次谐波，可改善电源波形。 （4）采用分散独立功能块供电。在每块系统功能模块上单独稳压供电，采用三端稳压集成块如7805、7905、7812、7912和LM338k等组成稳压电源。每个功能块单独对电压过载进行保护，不会因某块稳压电源故障而使整个系统破坏。

14. 8.4 过程通道干扰的抑制 • 去耦和滤波是抑制噪声干扰的最有效方法之一，尤其是抑制经导线耦合到电路中的噪声干扰，这种方法被广泛利用。 • 隔离技术：从电路上把干扰源和易受干扰的部分隔离开来，使它们不发生电的联系，或者削弱它们之间电的联系。 • 常用的隔离器有隔离变压器和光电耦合器。 • 光电耦合器是用光来传送信息的，它的特点是： （1）光电耦合器的输入回路与输出回路之间是光耦合的，而且是在密封条件下进行的，故不会受到外界光的干扰。 （2）光电耦合器的输入阻抗很低，一般在100欧姆到1000欧姆之间，而干扰源的内阻一般都很大，通常为105～106欧姆，根据分压原理可知，送到光耦合器输入端的噪声会很小。 （3）由于干扰源的内阻一般都很大，尽管它能提供较大幅度的干扰电压，但可提供的能量却很少，致使形成微弱的电流。而光电耦合器输入部分的发光二极管，只有在通过一定的电流（10～12mA）时才能发光，输出部分的光敏三极管也只在一定光强下才能工作。因此，即使干扰电压幅度很高，也会因没有足够的能量而使二极管发光，从而被抑制掉。 （4）输入回路与输出回路之间的分布电容极小，一般仅为0.5～2pF，而绝缘电阻又非常大，通常为1011～1013欧姆，因此回路一边的各种干扰噪声很难通过光耦合器反馈到另一边去。所以它的抗干扰能力是很强的。

15. 光纤传输的原理及应用 1．光纤传输的特点 • （1）频带宽，通信容量大，可比微波通信容量提高10万倍； • （2）传输损耗低（0.2dB/km），适用于长途传输； • （3）体积小，重量轻，可靠性强； • （4）输入与输出之间电隔离，抗电磁干扰，特别适用于电磁干扰严重的环境中的通信及计算机联网等； • （5）无漏信号和串音，安全可靠，保密性强； • （6）抗腐蚀、抗酸碱，且光缆可直埋地下，适合化工企业通信； • （7）节省有色金属和能源。 2. 光纤传输技术应用

16. 8.5 软件抗干扰技术 • 抗干扰软件的任务，就是要识别真伪信号，去掉干扰，留下有用的信号。 1．宽度判别法 • 首先采集信号，寻找信号的上升沿，当找到上升沿后，再连续多次来样k次，如果在k次后仍有信号，则认为是正常信号。 2．重复检测法 • 重复检测法是一种容错技术，是以软件的冗余来提高系统的抗干扰特性。 • 由于干扰信号的强弱没有一致性，因此在对输入信号进行多次检测后，可得知如下结论： （1）若多次检测内容一致，则是输入信号。 （2）若相对两次检测内容不一致，或多次的检测结果不一致，则是干扰信号。 3．数字滤波法 • 数字滤波：通过一定的计算及判断来削弱或滤除噪声，提高信噪比。 • 数字滤波与传统的模拟滤波相比，有两个突出的特点： ① 数字滤波由软件实现，没有模拟器件自身误差的附加干扰，因而在工程上具有灵活、可靠、噪声抑制能力强等优点。 ② 物理环境因素对数字滤波的特性影响极小。

17. 数字滤波方法 （1）排队均值法 • 基本思想：对某信号连续采样n次，然后将n个采样值由小到大排序，去掉其中的最大值和最小值，其余的n－2个采样值进行算术平均，最后结果定为本次采样值。 • 一般来说，采用五次采样排队均值法能获得较理想的结果，并可获得0.03％以内的精度。 （2）平滑滤波法 • 基本思想：采用固定长度的队列，假设长度为N，每进行一次新的采集，就把一次采集结果放入队尾，队列采用先进先出，去掉原队首的数据，这样便可对新排列的N个数据进行处理。 • 这种方法是根据物理量不能突变的原理进行数据处理的。 （3）加权滤波法 • 基本思想：即本次采样滤波后的数值，由上一次采样滤波后的数据及本次采样滤波前的数据各按一定比例来确定，即： • Yn=αYn-1+βXn 式中： Yn－本次采样滤波后数值 Yn-1－上次采样滤波后数值 Xn－本次采样滤波前数值 α，β－滤波系数，α，β=0～1，α+β≤1

18. 第8章 作业 • 1．干扰是通过什么途径，以何种形式窜入微机系统的？ • 2．干扰的含义是什么？如何分类？ • 3．为什么会产生地线干扰？一般的接地原则有哪些？ • 4．“隔离”的含义是什么？ • 5．光电耦合器为什么对尖脉冲干扰有较大的抑制作用？ • 6．光纤传输有何特点？ • 7．什么叫数字滤波？简述几种常用的数字滤波方法原理。

19. 第8章 结束 请同学们按教材后的习题 及时复习 吉林大学远程教育学院