第五章2-材料成型设备计算机控制系统抗干扰技术.pptx

第五章、材料成型设备计算机控制系统抗干扰技术 本章首先根据材料成型设备计算机控制系统干扰的特点，对干扰进行分类，并对干扰途径加以介绍，由此详细阐述材料成型设备计算机控制系统软、硬件抗干扰技术，最后通过计算机控制交流TIG焊系统抗干扰设计实例阐述计算机控制系统干扰技术如何在材料成型设备自动控制系统设计中应用。5.1、材料成型设备计算机控制系统干扰途径与分类、材料成型设备计算机控制系统干扰途径与分类5.1.1干扰的途径 材料成型设备所处的工作环境是相当恶劣的，因而其微控系统的干扰也是多种多样的。对于电磁干扰而言，可划分为传导，辐射两种类型。材料成型设备由于其功率大，所以对电网的冲击相当严重，大容量焊机的开启是网压跌落几十伏是很普通的事情；移相晶闸管造成的网压，波形畸变和感性负荷造成的浪涌几乎是无法避免的；材料成型的电流产生的强电磁场足以使一些金属零件移动或飞起；大接触器通断时还伴有严重的高频电压加入网路。因此，对材料成型现场的干扰分析如下：传播类型的干扰是指通过金属体（分布）电感（分布）电容和变压器传播的；而辐射则是一多种途径向外传播的；如透过设备的外壳以及外壳上的缝隙，通过设备间的连接电缆，装配不好的联结器，生锈的零件表面，编织屏蔽层的泄露，严格的讲甚至是一根导线本身等等。5.1.2干扰的分类传导干扰与辐射干扰常常是伴生的，并且在干扰吸收体上还是互相转化的。材料成型设备所受的干扰分如下几类：1.来自电网的干扰由于我国采用的是220V的高内阻电网，因此，来自电网的干扰比国外严重。有的资料认为我国的网路干扰严重程度要超出美国等国家的4倍以上。网路干扰主要有以下几种：（1）高频串扰这类干扰主要是由于大容量的接触器工作时产生并通过网路馈电线传导和辐射。在网路上这种干扰的蜂值可以达到千伏级，频率达几十甚至几百千赫（2）电压跌落在我国大容量电焊机集中的地方，如点焊车间等，焊机工作是争峰值的现象较为严重。（3）浪涌及波形畸变大功率的晶闸管在非零触发时往往形波形畸变，此外，在网路上还有可能产生持续时间在微秒级的尖峰浪涌。上述这些干扰出现后，往往伴随着网路馈线与大地或机箱的电位突变，这些干扰通过电源通道进入系统，导致计算机系统工作混乱。2.来自微机控制系统外的空间的干扰这种干扰的主要途径：第一是通过系统外壳吸收、调制、耦合，进而对内部电路产生第二次感应，第二是通过外壳的开孔和缝隙进入系统。实践表明，在某种场合采用常规的将外壳用粗导线接地的办法反而使干扰性能更加恶化。强烈的电磁干扰造成的电位突变使常规的屏蔽、接地技术抗干扰大大下降。因此对它的防治必须采取新的如下措施：就接地而言，干扰对系统的作用，是通过地线电阻R和地线分布电感L两种方式产生的影响。对于含有高频成分的瞬变干扰，分布电感L的作用大为明显，因此，仅按常规的用粗线接地，一点接地等做法已经不能满足系统的抗干扰要求。对这种性质的空间干扰，最根本的途径减小系统的空间体积，尽量减小地线走过的空间，通过隔离，分割为小共地系统，降低由于干扰造成的不等位，以减小其分布参数R和L。在强干扰场合下如果系统外壳接地，则干扰会使外壳成为强烈的干扰源形成“有害屏蔽”，因此，系统外壳应浮地（即不接地，并与其他金属体绝缘），而与系统数字地相连，形成系统数字地与外壳等电位浮动的等位屏蔽3.系统自身内部的干扰在系统内部往往强电与弱电共存，各种执行元件如继电器，晶闸管，高压采集电路与弱电线路，数字系统在同一空间并存，使系统自身内部的干扰较为严重。此类干扰主要通过系统内部各单元之间的连线和与高压强电邻近的弱信号电路或数字电路耦合两种方式产生危害。对于这类干扰除前述的缩小空间和减小耦合空间的方法外，要在可能的情况下尽量对各单元系统单独屏蔽，并合理配置系统内各单元的位置，同时在各连接处设置隔离，无法隔离的，要设置滤波。4.从信号传输线传入的干扰这种干扰来自两个方面：（1）信号源对干扰的耦合或信号源的燥声（2）传输线上的耦合感应这类干扰的性质主要是电压性的。它是通过以下的方式对系统发生作用的。1）由于干扰与信号的迭加造成信号失真。2）信号地与电源地瞬时突变，使其与之信号线地相联接的局部电路地瞬时不等位。防治方法主要有：对叠加在信号上的噪声和突变性干扰采取滤波措施；对已知性质及规律性的缓变性干扰，则采用软件处理已剔除干扰还原信号；对信号线采取屏蔽措施，以减小耦合感应；采取抑制电位突变措施包括对信号线地与连接处电路之间采取抑制器；局部电路地与电源地之间不等位，可采取在局部电路地与电源之间加去耦电容，布局时减小局部电路地与电源地之间的R和L等措施。5.其他类型的干扰按照使微控系统脱离既定逻辑与模式和随机性这两个要点，这里把由意外冲击和振动造成的电路搭接触不良，断路和意外的温度升高使电路工作脱离既定的工作范围和因为线路连接部分选材不合理（如铜与铝的连接）造成在潮湿空气中形成电化腐蚀而使电路工作失效等类故障亦称做干扰，并统称为机械性干扰。这类干扰由于涉及面较广，原因复杂，故本书不专门介绍。综上所述，微控系统的抗干扰问题，是一个十分复杂的问题，它涉及到微控系统的设计，制造，调试等各个环节，必须采取全方位的措施方能予以解决。在实际工作中应予以充分注意。5.2电子元器件选择原则5.2.1元器件筛选方案的设计原则筛选项目选择越多，应力条件越严格，劣品淘汰得越彻底，其筛选效率就越高，筛选出的元器件可靠性水平也越接近于产品的固有可靠性水平。但是要付出较高的费用、较长的周期，同时还会使不存在缺陷、性能良好的产品的可靠性降低。故筛选条件过高就会造成不必要的浪费，条件选择过低则劣品淘汰不彻底，产品的使用可靠性得不到保证。由此可见，筛选强度不够或筛选条件过严都对整批产品的可靠性不利。为了有效而正确地进行可靠性筛选，必须合理地确定筛选项目和筛选应力，为此，必须了解产品的失效机理。产品的类型不同，生产单位不同以及原材料及工艺流程不同时，其失效机理就不一定相同，因而可靠性筛选的条件也应有所不同。因此，必须针对各种具体产品进行大量的可靠性试验和筛选摸底试验，从而掌握产品失效机理与筛选项目问的关系。元器件筛选方案的制订要拿握以下原则：（1）筛选要能有效地剔除早期失效的产品，但不应使正常产品提高失效率。（2）为提高筛选效率，可进行强应力筛选。但不应使产品产生新的失效模式。（3）合理选择能暴露失效的最佳应力顺序。（4）对被筛选对象可能的失效模式应有所掌握。（5）为制订合理有效的筛选方案，必须了解各有关元器件的特性、材料、封装及制造技术。此外，在遵循以上五条原则的同时，应结合生产周期，合理制定筛选时间。5.2.2元器件选择的一般原则：元器件的正确选用是微机测控系统可靠性设计中的重要环节。在选择元器件时,不但要满足性能要求,而且还必须是集成度高,抗干扰能力强,功耗又小的电子器件。在系统设计中半导体器件的选择对系统的性能和可靠性影响极大。以下是半导体器件的选择原则:（1）为了使半导体器件满足系统性能的要求，必须深入了解元器件的电气参数。对于二级管，应考虑最大反向电压，最大正向电流，反向电流，正向压降和工作频率。对于三级管，主要考虑最大集成电极电压、反向饱和电流、最大集成电极功耗、电流放大系数、燥声系数、截止频率和环境温度范围等。对于集成电路，要考虑的主要是电源电压、负载电流、输入信号电压、输出电平、环境温度、扇出数以及封装形式等（2）为了使半导体器件满足系统可靠要求，应注意温度对器件性能的影响，选择温漂小、稳定性好的元器件。如果尽量选用硅器件而不用锗器件；对于高精度放大器，应选用温漂系数小的集成运放，而不用普通集成运放。（3）为了降低接触不良故障，就要减小焊点数量。因此，尽量选用集成电路，而少用分立元器件；尽量选用大规模、超大规模集成电路，而其次才是中、小规模集成电路。（4）微机测控系统所处外部环境往往有严重干扰，因此，尽量选用抗干扰性能好的元器件。如为了提高噪声容限，可选用CMOS器件；为了抑制共模干扰，可选用测量放大器；为了抑制工频干扰，可选用积分型A/D转换器等。（5）考虑功率。在野外作业的单片机智能测量设备，由于用电池供电，可供用功率小的CMOS器件。（6）选用资源高，国内广泛流行的元器件，这对于设备的安装、制造和日后的维修是有利的。（7）尽可能以软代硬，一般而言软件可靠性比硬件高得多，因此系统的可靠性可得到较大幅度的提高，但同时增加软件复杂程度，降低软件可靠性，具体应根据工程需要综合权衡。（8）注意元器件装配工艺对可靠性的影响，在测控系统中必须注意焊点质量,防止虚焊;要将较重的元件安装在印刷底板上,并使用专门的紧固件,而不应靠焊锡固定;接插件也要安装可靠,保证接触良好;结构、布局要合理,各种走线(包括印刷板上的走线)要尽量缩短,并且各部件要远离热源和干扰源。5.2.3元器件的降额设计所谓降额设计，就是使元器件运行在比额定值低的应力状态的一种设计技术。由元器件寿命试验表明，失效率将随着工作电压、环境温度的提高而成倍地增加。目前降额设计已成为提高系统可靠性的常用方法。为了提高元器件的使用可靠性，必须有意识地降低施加在元器件上的工作应力，影响单片机系统运行可靠性的工作应力（如：电、热、力学应力等）。降额的条件及降额的数值必须综合考虑，既保证系统能可靠地工作，又能保证其所需性能。降额的措施随元器件类型不同而有不同的规定，如电阻器，因工作时要产生热量，这不仅影响周围器件，而且电阻器本身阻值也会发生变化。因此，一般电阻器使用时，实际负载功率要低于额定功率的30%，装配精度要求很高时，应低于额定功率的50%；电阻器使用的最高电压，最好只用到最高允许值的50%左右，或者更低一些。在高压电路中，若考虑到由于尘埃和湿度的影响而导致漏电增多，以降低电压50%左右使用更好。电容器的使用应保持实际电压比额定电压低20%30%，不要十分接近，更不要超过其额定电压值，以免由于电源电压波动而将电容器击穿，损坏其他元件。降额使用多用于无源元件、大功率器件、电源模块或大电流开关器件等,部分元器件降额参数见表5-1。降额使用不适用于TTL器件，因为TTL电路对工作电压范围要求较严。另外，在降额设计时，应根据元器件的具体应用情况来确定适当的降额水平。因为降额不够则元器件的失效率会比较大，不能达到可靠性要求；反之，降额过度，将使设备的重量、体积、成本方面付出较大的代价，还可能使元器件的数量产生不必要的增加，这样反而会使系统可靠性下降。表5-1部分元器件降额参数产品名称 降额参数降额使用范围通用元器件 温度 70%固定电阻器 功率 60%可变电阻器 电流 70%热敏电阻器 功率 60%薄膜电容器 工作电压 80%90%电解电容器 工作电压 80%90%二级管 工作电流 60%晶体管 功耗 75%一般电容器 工作电压 75%线性集成电路 输出降额 85%数字集成电路 输出降额 80%电源变压器功率伏安数 60%5.2.4集成电路选用时应注意的问题（1）所有集成电路，使用时不允许超过参数表规定的数值。（2）对于数字集成电路，设计时应考虑其速度，航干扰能力和价格。一般速度愈高，抗干扰能力愈强。则价格愈高。（3）集成电路参数优劣和稳定可靠性两者没有直接关系。即电参数好的可靠性不一定高，电参数差一些的可靠性不一定低。因此，从稳定可靠来论，并不一定要求使用高档产品。也就是说，一般性的产品，经过合适的老化、筛选措施，仍然能够得到可靠性高、稳定性好的集成电路，这样成本将会有所降低。（4）CMOS电路使用中注意事项CMOS电路是电压控制器件，它的输入电阻极大，对干扰信号十分敏感，因此输入端不应开路。可以根据使用时具体情况，将不用与使用端并联，或将不用端接电源或接地。如果输入引脚浮空，在输入引脚上很容易积累电荷，产生较大的静电电压。尽管输入脚都有保护电路，静电电压一般不会损坏器件，很容易使输入脚电位处于0到1之间的过渡区域，使得反相器上、下两个场效应管均会导通，是电路功率增加；输入信号幅度应当在供电电压范围之内，若输入信号幅度超过供电电压，则容易使输入端电流过大，损坏输入端保护二级管；同时过大的输入信号还容易触发寄生可控硅现象造成电路损坏；CMOS电路驱动能力不大，因而对TTL电路的扇出系数不大。但由于CMOS电路的输入电阻很大，输入电流仅仅几个微安，因而CMOS对CMOS电路的扇出系数可达50以上；不能带电拔插集成块，输出端所驱动的电容负载不要大于500pF，否则输出功率过大会损坏电路；CMOS集成电路，具有极高的输入阻抗，少量电荷就会产生较高电压。为防止栅极感应击穿，要求一切测试仪器，电烙铁、电路本身有良好接地。特别是信号源和交流测量仪器。同时操作人员应减少走动，下穿尼龙服装(或穿防静电工作服、工作鞋)。贮存时，为防止外界感应电势击穿栅极，必须将此电路放置在防静电的包装容器、金属屏蔽盒或用金属箱包装好的装置内。（5）集成电路焊接时应注意的问题焊接温度不宜过高，25w为宜，并应良好接地；焊接时间不宜过长，一般应3秒为宜；一般使用松香的酒精溶液作焊别，不能使用有腐蚀性的焊剂。焊接后应用酒精轻擦焊点，但不允许整块电路板放入溶剂中浸泡；在整机中需要更换集成电路时(指焊接的)，必须关机切断电源后内焊接，防让电烙铁漏电烧坏集成片；扁平形集成电路外引线成形、焊接时。应与印制板平行、不得穿引扭焊，外引线不得自根部弯折；（6）双列直插式集成电路块，应采用集成电路插座。（7）功率集成电路外壳或散热片与适当的散热器或散热板紧密接触，以保证良好的散热。（8）数字集成电路剩余的输入端，可采取如下三种处理方法。即悬空、并联或提高电位。5.3 材料成型设备计算机控制系统硬件抗干扰技术材料成型设备计算机控制系统硬件抗干扰技术随着单片机在材料成型设备测控系统中的应用愈来愈广泛，单片机应用系统的可靠性成为人们愈来愈关注的重要问题。如何防止外界对系统的干扰，确保单片机系统安全可靠的正常运行，般从两大方面入手，一是充分发挥控制系统中计算机在软件编程方向的灵活性，采用各种软件抗干扰措施，二是在电路设计上采用硬件抗干扰措施，硬件抗干扰措施目的是尽可能切断干扰进入计算机过程控制系统的通道，下面从接地技术、屏蔽技术、看门狗技术、滤波技术和隔离技术等方面论述材料成型设备计算机控制系统硬件抗干扰技术。5.3.1接地技术1.接地的概念所谓“地”，有两种含义，即实际地和虚地。实际地是指大地，电子仪器往往是以地球的电位为基准即以大地作为零电位；虚地是以电路系统中某一点电位为基准，即设该点为相对零电位，如电子电路中往往以设备的金属底座、机架、外壳和公共导线作为零电位，即“地”电位，这种“地”不一定与大地等电位。接地是指让电子、电器设备的基准电位点与大地保持同电位。2.计算机控制系统中地线的形式在计算机控制系统中，由于电子、电器设备的基准电位点可以有不同的类型，如金属外壳或箱体基准，输入输出公共接点基准等，这样，在控制系统中，就形成了各种各样的地线。屏蔽地：又称为安全地或机壳地，包括机架、外壳、屏蔽罩等。模拟地：作为AD转换器、前置放大器等模拟部分的零电位。数字地：即逻辑地，作为逻辑开关网络的零电位。功率地：作为大电流网络部件的零电位。信号地：是传感器本身的零信号电位基准公共线，传感器可看作是测量装置的信号源。系统地：是上述几种地线的最终回流点，它将最终与大地相连。而以大地电位作为基准零电位直流地：直流电源的接地线。交流地：一般指50HZ交流电源接地线。3.电磁兼容接地出于电磁兼容设计而要求的接地,屏蔽接地为了防止电路之间由于寄生电容存在产生干扰、电路辐射电场或对外界电场敏感,必须进行必要的隔离和屏蔽,这些隔离和屏蔽的金属必须接地；滤波器接地时滤波器中一般都包含信号线或电源线到地的旁路电容,当滤波器不接地时,这些电容就处于悬浮状态,起不到旁路的作用；噪声和干扰抑制对内部噪声和外部干扰的控制需要设备或系统上的许多点与地相连,从而为干扰信号提供“最低阻抗”通道；电路之间信号要正确传输,必须有一个公共电位参考点,这个公共电位参考点就是地。因此所有互相连接的电路必须接地。以上所有理由形成了接地的综合要求。但是,一般在设计要求时仅明确安全和雷电防护接地的要求,其它均隐含在用户对系统或设备的电磁兼容要求中。在复杂的大系统中,既有高频信号,又有低频信号;既有强电电路,又有弱电电路;既有频繁开关动作的设备,又有极为敏感的弱信号装置。这样的综合性系统,仅仅将电路按需要设置接地方式是不能满足电磁兼容性要求的,还必须采用分门别类的方法将不同类型的信号电路分成若干类型,以同类电路构成接地系统。一般有两种分类法:四类法和三类法。四类法是将所有电路按信号特性分成四类,分别接地,形成四个独立的接地系统,每个“地”系统可能采用不同的接地方式。四类法的第一类是敏感信号和小信号“地”系统。包括低电平电路、弱信号检测电路、传感器输入电路、前级放大电路、混频器等,由于这些电路工作电平低,信号幅度弱项,特别容易受到干扰而失效或降级,因此它们的地线应避免混杂于其他电路中。第二类是不敏感信号和大信号电路的的线系统。它包括高电平电路、末级放大器、大功率电路等。因为在这些电路中,工作电流都比较大,地线系统中的电流也比较大,因此必须和小信号电路的地线分开设置,否则通过地线的耦合作用必然对小信号电路造成干扰,使电路不能正常工作。第三类是干扰源设备地系统,它包括电动机、继电器、接触器等。由于这类元件在工作时产生火花或冲击电流等,往往对电子电路产生严重的干扰,除了要采取屏蔽隔离技术外,地线必须和电子电路分开设置。第四类是金属构件地。它包括机壳、底板、机门、面板等。为了防止发生人身触电事故、雷击事故、外界电磁场的干扰以及摩擦产生静电等,必须将机壳等接地。由于“四类法”中四种电路的地都分别设置,因此可以较完善地达到接地的设计要求。“三类法”与“四类法”的分类原则相同,只是将上述第一类和第二类的地线分别集中连接到机壳,并略去第四类,成为三类地系统。4.系统抑制干扰的接地方式（1）一点接地准则一般高频(10MHZ以上)电路应多点接地，低频(1MHz以下)应一点接地。低频电路的“一点接地”，就是把各个接地点用导线汇集到一点，再从这点接地。由于在低频电路中，布线和电器元件间的电感较小，而接地电路形成的回路对电路性能的影响较大，故需要一点接地。这样可有效地克服地电位差的影响和共用地线的共阻抗引起的干扰。对高频电路，当地线长度等于14波长的奇数倍时，地线阻抗就会高得很多。这时地线变成了天线，而向外辐射噪声。一般高频电路应做到多点接地，防止辐射干扰。计算机控制系统的工作频率较低，对它起作用的干扰频率也大都在1MHz以下，故应采用一点接地。下面以输入通道的接地方式来说明一点接地的抗干扰性能。一个实际的模拟量输入通道，总可以看作由信号源、输入传输线组成。图5-所示为两点接地。若 均小于 ，则放大器输入端的噪声电压为（5-1）设 带入上式后可得出 ，即m的电位差几乎全部加到放大器输入端。为了解决上述问题，可采用一点接地，如果保持信号源与地隔离，如图5-所示，图中 是信号源对地的漏阻抗。若 和 则放大器输入端的噪声电压为 若 ，则 ；若 ，带入前例数据，则 。可见干扰情况比信号源接地时大有改善。（5-2）图5-1两点接地 图5-2一点接地 同样，对控制系统中各类单元电路，无论是单级还是多级，考虑到“地线”不可能是理想的零阻抗，多点接地往往会引人地阻抗带来的干扰电压，原则上都应单点接地。另外，为了提高抗干扰性能，输人系统中的传感器、变送器和放大器常采用屏蔽罩，而信号的传送往往使用屏蔽线。对这些屏蔽层的接地也应遵循一点接地原则。（2）模拟地线与数字地线应分开设置数字信号一般比较强，它是交变的脉冲，流过它的地线电流也是脉冲。模拟信号比较弱，若两种信号共用一套地线，数字信号就会通过地线电阻对模拟信号构成干扰，故两种地线应分开设置，然后只是在一点，汇合在一起。在计算机控制系统的机柜中，一般按排汇流排作为地线的汇流线，汇流排用铜导体做，与各单元的接地线相连时，保证接触电阻很小。汇流排按数字地与模拟地分开，安全地通常用铜带或金属件通过焊接将机箱与机柜、机中内壳与机柜连接在一起，汇流排最后交汇，然后用多股铜软线焊接在接地极上后深埋地下。（3）强电地线与信号地线分开设置强电地线主要指电源地线、功率地线，它们上边流过的电流大，在地线电阻上会产生电压降。若这种地线与信号地线共用，就会产生很强的干扰。故应与信号地线分开设置。由于功率地线上的电流很大。地线应该适当粗一些。（4）多点接地系统多点接地是指设备中各单元电路直接连接到地线上,有多个接地点,。对于高频电路,为了降低地线阻抗,一般均采用多点接地方式,地线系统一般是与机壳相连的扁粗金属导体或机壳本身,其感抗很小。多点接地每个电路接至机壳或地线系统的地线电阻为,电感为,地电流为,则电路对地的电位为:=(+jw)。为了降低电路的地电位,每个电路的地线应尽可能缩短,以便降低地线阻抗。在导体截面积相同的情况下,矩形截面之周边较圆形截面之周边长。为了减少电阻,常用矩形截面导体作地线带,通常还在地线上镀银,以提高其表面电导率。多点接地系统的优点是电路构成比单点接地简单,而且由于接地线短,接地线上可能出现的高频驻波现象显著减小。但由于多点接地后,设备内部会增加许多地线回路,它们对较低电平的电路会引起干扰,带来不良影响。综上所述,可以把低频和高频接地系统选择准则归纳如下:对于低频(1Z)和公共接地面尺寸小的情况(10Z)和公共接地面尺寸大的情况(/20),要选用多点接地方式。频率为1Z-10Z及接地面尺寸为/20时,一般可采用单点和多点的混合接地方式。（5）混合接地系统在有些用电设备中,既有高频部分又有低频部分。此时应分别对待,低频电路采用单点接地,高频电路需多点接地。这种接地体系称为混合接地系统。实际用电设备的情况比较复杂,很难通过某一种简单的接地方式解决问题,因此混合接地系统应用更为普遍。（6）悬浮接地系统浮地就是将电路或设备的信号接地系统与结构地或其它导电物体相隔离,设备内部都各有自己的参考“地”,通过低阻抗导线连接到信号地,但信号地与建筑物结构地及其它导电物体隔离。采用浮地的连接方式可使地中存在的干扰电流不致传导耦合到信号电路。浮地连接的概念也可应用于设备内部的接地设计。使设备中的参考地与机壳隔离,可以避免机壳中的干扰电流直接耦合至信号电路。但浮地系统的干扰耦合取决于浮地系统和附近导体的隔离程度,在一些大系统中往往很难做到理想浮地。除此之外,对于高频更难实现真正的浮地。特别是当浮地系统靠近高频干扰源时,可能堆积静电荷形成危害;或引起静电放电,形成干扰电流。电源的漏电、雷击都可能在机壳与信号系统之间产生电火花。因此,除了防止结构地线或附近导体有大干扰电流流动影响信号系统外,一般不采用浮地的接地方式,而运动系统的接地均采用悬浮接地系统。5.3.2屏蔽技术计算机控制系统的设计离不开抗干扰设计，屏蔽在抗外部干扰方面有其不可替代的作用。好的屏蔽设计不仅能提高系统的控制精度，而且直接影响系统的工作稳定性。在控制电路的设计过程中往往忽略对屏蔽措施的综合考虑，常常将屏蔽简化为用金属壳体将测控电路装起来，在某些情况下，这种屏蔽会导致适得其反的抗干扰效果。同其他抗干扰措施一样，屏蔽的抗干扰效果也有它的局限性。屏蔽的作用是隔离电磁场，因此它只适合防止两种类型的外部干扰：一是由大气噪声、星际干扰、雷电、天体辐射、大功率电气设备、高压设备等引起的电磁辐射干扰，二是通过静电感应引入的静电电磁干扰。下面针对使用中的具体屏蔽技术进行分析。1.电磁屏蔽的技术原理电磁屏蔽是电磁兼容技术的主要措施之一。即用金属屏蔽材料将电磁干扰源封闭起来,使其外部电磁场强度低于允许值的一种措施。或用金属屏蔽材料将电磁敏感电路封闭起来,使其内部电磁场强度低于允许值的一种措施。电磁屏蔽的技术原理主要分以下几种:（1）静电屏蔽用完整的金属屏蔽体将带正电导体包围起来,在屏蔽体的内侧将感应出与带电导体等量的负电荷,外侧出现与带电导体等量的正电荷,因此外侧仍有电场存在。如果将金属屏蔽体接地,外侧的正电荷将流入大地,外侧将不会有电场存在,即带正电导体的电场被屏蔽在金属屏蔽体内。（2）交变电场屏蔽为降低交变电场对敏感电路的耦合干扰电压,可以在干扰源和敏感电路之间设置导电性好的金属屏蔽体,并将金属屏蔽体接地。交变电场对敏感电路的耦合干扰电压大小取决于交变电场电压、耦合电容和金属屏蔽体接地电阻之积。只要设法使金属屏蔽体良好接地,就能使交变电场对敏感电路的耦合干扰电压变得很小。电场屏蔽以反射为主,因此屏蔽体的厚度不必过大,而以结构强度为主要考虑因素。（3）交变磁场屏蔽交变磁场屏蔽有高频和低频之分。低频磁场屏蔽是利用高导磁率的材料构成磁力线的低磁阻通路,使大部分磁场被封在屏蔽体内。屏蔽体的导磁率越高,厚度越大,磁阻越小,磁场屏蔽的效果越好。当然要与设备的重量相协调。高频磁场的屏蔽是利用高导电率的材料产生的涡流的反向磁场来抵销干扰磁场而实现的。（4）交变电磁场屏蔽 一般采用导电率高的材料作屏蔽体,并将屏蔽体接地而为零电位。它是利用屏蔽体在高频磁场的作用下产生反方向的涡流磁场与原磁场抵消而削弱高频磁场的干扰,又因屏蔽体接地而实现电场屏蔽。屏蔽体的厚度不必过大,而以趋肤深度和结构强度为主要考虑因素。2.屏蔽的注意事项某些屏蔽保护措施往往只对一种干扰源有屏蔽保护作用，为了得到满意的屏蔽效果，必须针对保护不同的干扰源采用不同的保护措施。在采用一种屏蔽保护措施的同时要注意使该措施不能破坏另一种屏蔽保护措施收到的屏蔽效果。（1）屏蔽的完整性如果屏蔽体不完整,将导致电磁场泄漏。特别是电磁场屏蔽,它利用屏蔽体在高频磁场的作用下产生反方向的涡流磁场与原磁场抵消而削弱高频磁场干扰。如果屏蔽体不完整,涡流的效果降低,即屏蔽的效果大打折扣。（2）屏蔽材料的屏蔽效能和应用场合电磁屏蔽技术的进展,促使屏蔽材料的形式不断发展,而不再局限于单层金属平板模式,屏蔽效能也不断提高。应用时要特别注意不同的屏蔽材料具有不同的屏蔽效能和应用场合。电子设备采用金属平板做机箱,既坚固耐用,又具有电磁屏蔽作用。其电磁屏蔽效能与下述参数有关:金属平板材料性质、电磁场源性质、电磁场源与金属平板的距离、屏蔽体接地状况等等。（3）屏蔽体良好接地金属屏蔽体良好接地,对静电屏蔽而言,将使屏蔽体外侧的感应电荷流入大地,而不会有感应电场存在。对交变电场屏蔽而言,由于交变电场对敏感电路的耦合干扰电压大小取决于交变电场电压、耦合电容和金属屏蔽体接地电阻之积,只要设法使金属屏蔽体良好接地,就能使交变电场对敏感电路的耦合干扰电压变得很小。因此,金属屏蔽体的接地不好,将会降低屏蔽效果。（4）特殊部位的特殊屏蔽措施提高缝隙的屏蔽效能可采取以下措施:增加金属板厚度,可通过增加旁边长度来实现；减少结合面缝隙宽度,可通过提高结合面加工精度、焊接或整体铸造来实现；加装导电衬垫,常用的导电衬垫有编织金属网、软金属、梳状簧片、导电橡胶等等；在接缝处涂导电涂料,常用的导电涂料有导电胶、导电脂等等；调整紧固钉间距,使其小于/20,为电磁场的波长。设备需要安装表头、数据或图形显示器时,应对面板孔加以屏蔽,以保证屏蔽的完整性。面板孔屏蔽的较好方法为在表头或显示器的后方设置屏蔽罩。屏蔽罩通过导电衬垫与金属面板连接,通过屏蔽罩的进出线设置穿心电容。电连接器屏蔽，选择的屏蔽式电连接器应有足够的插针供电缆内各个屏蔽层在电连接器头端接,在电连接器座内各个屏蔽层的插针用尽量短的连线接到外壳后再接到壳内各个相应屏蔽层上。为保证屏蔽的完整性，要沿着电缆一周,将电缆的外屏蔽层和电连接器整个地连接,最好是焊接；电连接器座通过导电衬垫与设备的金属外壳保持良好的电气连接；电连接器头也应与电连接器座保持良好的电气连接。多层屏蔽，当单层屏蔽的效果达不到要求时,可以采用多层屏蔽。特别是对频带较宽的屏蔽,分别采用电导率和磁导率高的几种材料组成多层屏蔽,可以达到对高频电场和低频磁场均有较好效果的屏蔽。电路板屏蔽，对印刷电路板的屏蔽，在电磁干扰源和对电磁干扰敏感的接收电路之间设置导线屏蔽,并接到电路板的基准电位上，将导电线条之间的涂覆层尽量多的保留,并接到电路板的基准电位上，在印刷电路板的三个周边(电连接器边除外)设置地线，对电磁干扰源和对电磁干扰敏感的接收电路分别设置屏蔽罩,并接到电路板的基准电位上，在印刷电路板之间设置屏蔽板,并接到电路板的基准电位上。3.屏蔽材料的选取目前，研究和应用较多的电磁屏蔽材料主要包括两大类：表面导电材料和导电复合材料。前者是使塑料表面金属化来反射电磁波；后者则通过在塑料中填充导电材料，形成导电网络，达到屏蔽效果。表面导电材料：这类屏蔽材料通常采用光学镀金、真空喷镀、贴金属箔以及金属熔射等技术，使绝缘的塑料表面覆盖一层导电层，从而达到屏蔽电磁波干扰(EMI)的目的。导电复合材料：将无机导电材料填充到合成树脂中，通过混炼造粒、并采用注射成型、挤出成型或压塑成型等方法便可制成导电复合材料。其中导电材料一般选用导电性能优良的纤维状或片状金属，以及镀金属的碳纤维、石墨纤维和云母片等。常用的合成树脂主要有ABS、聚丙烯(PP)、聚碳酸酯(PC)、尼龙(PA)、聚苯醚(PP0)以及热塑性聚酯(PBT)。导电复合材料是继表面导电材料之后发展起来的新型电磁屏蔽材料，目前已广泛用作电子计算机及其它电子设备的壳体材料。4.屏蔽抗干扰技术（1）电场耦合的屏蔽和抑制技术 克服电场耦合干扰最有效的方法是屏蔽。因为放置在空心导体或者金属网内的物体不受外电场的影响。请注意,屏蔽电场耦合干扰时,导线的屏蔽层最好不要两端连接当地线使用。因在有地环电流时,这将在屏蔽层形成磁场,干扰被屏蔽的导线。正确的作法是把屏蔽层单点接地,一般选择它的任一端头接地。造成电场耦合干扰的原因是两根导线之间的分布电容产生的耦合。当两导线形成电场耦合干扰时,导线1在导线2上产生的对地干扰电压VN为:(5-3)式中,V1和是干扰源导线1的电压和角频率;R和C2G是被干扰导线2的对地负载电阻和总电容;C12是导线1和导线2之间的分布电容。通常,C12复位电平门限断开关闭VCCVBATT断开关闭VCC复位电平门限 VCC VBATT关闭断开表表5-2 开关状态表开关状态表3.MAX690A/MAX692A与单片机接口电路MAX690A/MAX692A自动监控典型电路如图5-10所示。合理设计R1，R2的值，使得+5V电压跌落到某电压值（如4.5V），PF1的输入电压低于1.25V时，PFO输出低电平，作为CPU的中断输入信号通知单片机，使之进行一些必要的处理（如保存某些重要数据，关掉LED显示器）。R1，R2选取说明如下：（5-5）可取R1=1K，R2=2.6K。当+5V电压跌落到4.5V时，VR=1.25V，再继续跌落，PFO便为低电平。单片要正常工作时，P1.0口定期（小于1.6s）改变WDI输入端的电平，使Watchdog电路不发出复位信号。当由于某种严重干扰而出现“死机”时，单片机将不能定期改变WDI电平，Watchdog电路便会在1.6s后产生一个复位信号，使单片机复位。待经过200ms复位脉宽后，单片机复位结束，程序从0000H开始重新执行，保证了系统的正常运转。图中的N为手动复位按钮，由于MAX690A/MAX692A在系统上电时能自动发生复位信号，可使手动复位按钮的复位时间小于200ms。图5-10 MAX690A/MAX692A应用电路 5.3.4电源的抗干扰技术 微机测控系统中的各个单元都需要直流电源供电。一般是由市电电网的交流电经过变压，整流，滤波，稳压后向系统提供直流电源。由于变压器的初级绕组接在市电网上，电网上的各种干扰便会进入系统。因此，交流电源既是计算机使用的电源，又是一个严重污染的干扰源。这种污染通过设备的电源线传入系统的内部，对计算机产生影响。除此之外，由于电源共用，各电子设备之间通过电源也会产生相互干扰。由于计算机对电源干扰极为敏感，研究电源抗干扰措施显得尤为重要。1.电源的干扰类型（1）电源线中的高频干扰：供电电力线相当于一个接受天线，能把雷电，开闭日光灯，启停大功率的用电设备，电弧，广播电台等辐射的高频干扰信号通过电源变压器初级耦合的次级，形成计算机的干扰（2）感性负载的产生和瞬变的噪声：切断大容量感性负载时，能产生很大的电流和电压变化率，从而形成瞬变噪声干扰，成为电磁干扰的主要原因。（3）晶闸管通断时所产生的干扰：晶闸管由截止到导通，仅在几微秒的时间内使电流有零上升到几十甚至几百安培，因此电流变化率di/dt很大。这样大的电流变化率，使得晶闸管在导通瞬间流过一个具有高次波的大电流，在电源阻抗上产生很大的压降，从而使电网电压出现缺口。这种畸变了的电压波形含有高次波，可以向空间辐射或者是传导耦合，干扰其他电子设备。（4）电网的短时下降干扰：当启动电流很大，可导致电网电压短时大幅度下降。这种下降值超出稳定电源的调整范围，也将干扰电路的正常工作。（5）拉闸过程形成的高频干扰：当微机和电感负载共用一个电源，拉闸时产生的高频干扰电压通过电源变压器的初次级间的分布电容耦合到测控装置，在经该装置与大地间的分布电容形成耦合回路。2.电源干扰的耦合途径（1）电磁感应耦合：进入电源变压器初级的各种干扰，可以通过电磁耦合到次级，通过稳压电源进入测控装置。（2）电容性耦合：电源变压器初级绕组对50Hz基波的交流电阻抗很小，电能可通过磁场耦合到初级；对于高频信号则呈现很大感抗，不能通过磁场耦合到次级。但是，变压器的初、次级线圈间存在着约数百pF数量级的分布电容，高频容抗很小。相当短路。因此高频干扰便以电场形式耦合到次级，造成严重干扰。尽管在整流电路之后配置有大容量的电解电容器滤波器，也不能将这些瞬变噪声完全滤掉。这是因为电解电容器在高频下工作时其阻抗呈现为感性特性，对高频信号产生很高的阻抗。这样就使得部分干扰脉冲窜到直流电源中去，威胁着微机系统的正常工作。（3）辐射耦合：广播电视信号，各种工业高频设备向空间辐射的无线电波被电力传输导线接收，通过变压器耦合到微机电源。（4）公共阻抗耦合：在实际工程中，出于安全上的考虑，强电设备的零线一般均接地（称保护接零），测控装置的箱体外壳等也需要接地（称保护接地）。由于接地点增多，或因设备绝缘降低而引起的漏电流，或因负载的不平衡等原因，使得接地回路中总存在着一个不平衡电流，产生较大的电阻压降。当强电设备启停引起负载电流变化时，这一电阻压降也随之波动。当微机测控装置的直流电源的地线也与大地相接时，交流电网的地与直流电源地之间就存在着一定的公共地电阻RG，在强电接地,电流IG流经RG时便产生干扰电压uG。这一干扰电压达到一定的幅度时，可能导致弱电回路的误动作。3.电源抗干扰的基本方法根据工程统计分析，微机系统有70%的干扰是通过电源耦合进来的。因此，提高电源各统的供电质量，对确保微机安全可靠运行是非常重要的。电源抗干扰的基本途径有以下几点：（1）采用交流稳压器。当电网电压波动范围较大时，应使用交流稳压器。若采用磁饱和式交流稳压器，对来自电源的噪声干扰也有很好的抑制作用。（2）电源滤波器。直流电源的输出接入电容滤波器，以使输出电压的纹波限制在一定范围内，并能抑制数字信号产生的脉冲干扰。交流电源引线上的滤波器可以抑制输入端的瞬态干扰，在交流电源的进线端，即电源变压器的初级串联一个电源滤波器，可以有效地抑制高频干扰的侵入。最简单的电源滤波器是在电源变压器的初级并联两个电容，如图5-11（a）所示，图中C1=C2，其值在0.010.22F之间，耐压400V。图5-11（b）是电容滤波器的另一种形式，其中0.5F为穿心电容，其目的是为了减少串联在电容上的电感，电感电容滤波器的效果优于电容滤波；如图5-12中的电感线圈可根据变压器的初级电流，用适当的绝缘磁棒上绕50100圈即可，电容可用0.01F400V。图5-12为另一种形式的电感电容滤波器，有关的数据图中已标出，可供设计时参考；图5-13是通常所用的效果较好的一种交流电源滤波器，其100H电感和0.1F的电容组成高频滤波器抑制高频干扰。0.5H电感和10F电容组成的低频滤波器吸收电源电压波形畸变而产生的谐波干扰,图中的压敏电阻RW吸收过电压干扰。在使用中注意不能把滤波器的输入侧和输出侧的线路接近或