第2章输入输出接口与过程通道抗干扰.pptx

1n干干扰：就就是是有有用用信信号号以以外外的的噪噪声声或或造造成成计算算机机设备不不能能正正常常工工作作的的破破坏坏因因素。素。n抗抗干干扰措措施施：硬硬件件措措施施，软件件措措施施，软硬硬结合的措施。合的措施。2n干扰的来源：干扰的来源：外部干扰和内部干扰外部干扰和内部干扰 外外部部干干扰：指指那那些些与与系系统结构构无无关关，而而是是由由外外界界环境境因因素素决决定定的的。外外部部干干扰主主要要是是空空间电或或磁磁的的影响，影响，环境温度、湿度等气象条件。境温度、湿度等气象条件。内内部部干干扰：是是由由系系统结构构、制制造造工工艺等等决决定定的的。内内部部干干扰主主要要是是分分布布电容容、分分布布电感感引引起起的的耦耦合合感感应，电磁磁场辐射射感感应，长线传输的的波波反反射射，多多点点接接地地造造成成的的电位位差差引引起起的的干干扰，寄寄生生振振荡引引起起的干的干扰，甚至元器，甚至元器产生的噪声。生的噪声。3 2.6.1 2.6.1 过程通道抗干程通道抗干扰技技术1.1.串模干串模干扰及其抑制方法及其抑制方法(1)(1)(1)(1)串模干串模干扰 所所谓串串模模干干扰是是指指叠叠加加在在被被测信信号号上上的的干干扰噪噪声声。也称也称为常常态干干扰。4（2 2）串模干）串模干扰的抑制方法的抑制方法 采用采用滤波器波器 一般情况下，串模干一般情况下，串模干扰均比被均比被测信号信号变化快常用二化快常用二级阻容阻容低通低通滤波网波网络作作为模模/数数转换器的器的输入入滤波器。当被波器。当被测信号信号变化化较快快时，应相相应改改变网网络参数，以适当减小参数，以适当减小时间常数。常数。如果串模干扰频率比被测信号频率高，则采用输入低通滤波器来抑制高频率串模干扰；如果串模干扰频率比被测信号频率低，则采用高通滤波器来抑制低频串模干扰；如果串模干扰频率落在被测信号频谱的两侧，则应用带通滤波器。5 当当尖尖峰峰型型串串模模干干扰成成为主主要要干干扰源源时，用用双双积分分式式A/DA/D转换器器可可以以削削弱弱串串模模干干扰的的影影响响。因因为此此类转换器器是是对输入入信信号号的的积分分值进行行测量量，而而不不是是测量量信信号号的的瞬瞬时值。若若干干扰信信号号是是周周期期性性的的而而积分分时间又又为信信号号周周期期或或信信号号周周期期的的整整数数倍倍，则积分分后后干干扰值为零零，对测量量结果果不不产生生误差。差。对于于串串模模干干扰主主要要来来自自电磁磁感感应的的情情况况下下，对被被测信信号号应尽尽可可能能早早地地进行行前前置置放放大大，从从而而达达到到提提高高回回路路中中的的信信号号噪噪声声比比的的目目的的；或或者者尽尽可可能能早早地地完完成成模模/数数转换或或采采取取隔隔离离和和屏屏蔽蔽等等措措施。施。6从从选择逻辑器器件件入入手手，利利用用逻辑器器件件的的特特性性来抑制串模干来抑制串模干扰。采采用用双双绞线作作信信号号引引线的的目目的的是是减减少少电磁磁感感应，并并且且使使各各个个小小环路路的的感感应电势互互相相呈呈反反向向抵抵消消。选用用带有有屏屏蔽蔽的的双双绞线或或同同轴电缆做做信信号号线，且且有有良良好好接接地地，并并对测量量仪表表进行行电磁屏蔽。磁屏蔽。7 2.2.共模干共模干扰及其抑制方法及其抑制方法(1)(1)共模干共模干扰 所所谓共模干共模干扰是指模是指模/数数转换器两个器两个输入端上公有入端上公有的干的干扰电压。共模干。共模干扰也称也称为共共态干干扰。被被测信号信号U Us s的参考接地点和的参考接地点和计算机算机输入信号的参入信号的参考接地点之考接地点之间往往存在着一定的往往存在着一定的电位差位差U Ucmcm 共模干扰示意图共模干扰示意图8单端端对地地输入和双端不入和双端不对地地输入入所以必须采用双端所以必须采用双端输入输入不对地方式，如下图所示：不对地方式，如下图所示：对于存在共模干扰的场合，不能采用单端对地输入方式，对于存在共模干扰的场合，不能采用单端对地输入方式，因为此时的共模干扰电压将全部成为串模干扰电压：因为此时的共模干扰电压将全部成为串模干扰电压：9(2)(2)共模干共模干扰的抑制方法的抑制方法 变压器隔离器隔离 利用利用变压器把模器把模拟信号信号电路与数字信号路与数字信号电路隔路隔离开来，也就是把模离开来，也就是把模拟地与数字地断开，以使共模地与数字地断开，以使共模干干扰电压cmcm不成回路，从而抑制了共模干不成回路，从而抑制了共模干扰。另。另外，隔离前和隔离后外，隔离前和隔离后应分分别采用两采用两组互相独立的互相独立的电源，切断两部分的地源，切断两部分的地线联系。系。10 光光电隔离隔离 光光电耦合器是由耦合器是由发光二极管和光敏三极管封装光二极管和光敏三极管封装在一个管壳内在一个管壳内组成的，成的，发光二极管两端光二极管两端为信号信号输入入端，光敏三极管的集端，光敏三极管的集电极和极和发射极分射极分别作作为光光电耦耦合器的合器的输出端，它出端，它们之之间的信号是靠的信号是靠发光二极管在光二极管在信号信号电压的控制下的控制下发光，光，传给光敏三极管来完成的。光敏三极管来完成的。11 浮地屏蔽浮地屏蔽 利利用用屏屏蔽蔽方方法法使使输入入信信号号的的“模模拟地地”浮浮空空，从从而达到抑制共模干而达到抑制共模干扰的目的。的目的。12 采用采用仪表放大器提高共模抑制比表放大器提高共模抑制比 仪表放大器具有共模抑制能力表放大器具有共模抑制能力强、输入阻抗高、入阻抗高、漂移低、增益可漂移低、增益可调等等优点，是一种点，是一种专门用来分离共用来分离共模干模干扰与有用信号的器件。与有用信号的器件。仪表放大器将两个信号的差表放大器将两个信号的差值放大。抑制共模放大。抑制共模分量是使用分量是使用仪表放大器的唯一原因表放大器的唯一原因 。AD620AD620（低功耗，低成本，集成（低功耗，低成本，集成仪表放大器），表放大器），还有有AD623AD623等等。等等。133.3.长线传输干干扰及其抑制方法及其抑制方法(1)(1)长线传输干干扰 长线的的“长”是相是相对的；的；信号在信号在长线中中传输遇到三个遇到三个问题：一、是一、是长线传输易受到外界干易受到外界干扰；二、是具有信号延二、是具有信号延时；三、是高速度三、是高速度变化的信号在化的信号在长线中中传输时，还会出会出现波反射波反射现象。象。14(2)(2)长线传输干干扰的抑制方法的抑制方法 采采用用终端端阻阻抗抗匹匹配配或或始始端端阻阻抗抗匹匹配配，可可以以消消除除长线传输中中的的波波反反射射或或者者把把它它抑抑制制到到最最低低限度。限度。终端匹配：端匹配：终端并端并联电阻阻 始端匹配：始端串始端匹配：始端串联电阻阻 为为了了避避免免外外界界干干扰扰的的影影响响，在在计计算算机机中中常常常常采采用用双双绞绞线线（双双绞绞线线是是由由两两条条导导线线按按一一定定扭扭距距相相互互绞绞合合在在一一起起的的类类似似于于电电话话线线的的传传输输媒媒体体，每每根根线线加加绝绝缘缘层层并并有有颜颜色色来来标标记记）和和同同轴轴电电缆缆（同同轴轴电电缆缆可可分分为为两两类类：粗粗缆缆和和细细缆缆，这这种种电电缆缆在在实实际际应应用用中中很很广广，比比如如有有线线电电视视网网，就就是是使使用用同同轴轴电电缆缆。不论是粗缆还是细缆，其中央都是一根铜线，外面包有绝缘层）作信号线。不论是粗缆还是细缆，其中央都是一根铜线，外面包有绝缘层）作信号线。双绞线的波阻抗一般在双绞线的波阻抗一般在100100至至200200之间，绞花越密，波阻抗越低。之间，绞花越密，波阻抗越低。152.6.2 CPU2.6.2 CPU抗干抗干扰技技术 计算机控制系算机控制系统的的CPUCPU抗干抗干扰措施常常采用措施常常采用 Watchdog(Watchdog(俗称看俗称看门狗狗)电源源监控控(掉掉电检测及保及保护)复位复位 162 2MAX1232MAX1232的主要功能的主要功能nMAX1232MAX1232是是微微处理理器器监控控电路路，另另外外常常用用的的集成集成电路路还有有X5045X5045、IMP813IMP813等。等。n其主要功能：其主要功能：(1)(1)电源源监控控(2)(2)按按钮复位复位输入入 (3)(3)监控定控定时器器(Watchdog)(Watchdog)17MAX1232MAX1232的的结构原理构原理图 MAX1232引脚图MAX1232内部原理图18(1)(1)电源源监控控 电压检测器器监控控V Vcccc 每每当当V Vcccc低低于于所所选择的的容容限限时(5%(5%容容限限时的的电压典典型型时为4.62V4.62V，10%10%容容限限时的的电压典典型型时为4.37V)4.37V)就就输出出并保持复位信号。并保持复位信号。选择5%5%的容的容许极限极限时，TOLTOL端接地；端接地；选择10%10%的容的容许极限极限时，TOLTOL端接端接V Vcccc。当当V Vcccc恢恢复复到到容容许极极限限内内，复复位位输出出信信号号至至少少保保持持250ms250ms的的宽度，才允度，才允许电源供源供电并使微并使微处理器理器稳定工作。定工作。19(2)(2)按按钮复位复位输入入 MAX1232MAX1232的的PBRSTPBRST端端靠靠手手动动强强制制复复位位输输出出，该该端端保保持持t tPBDPBD是是按按钮钮复复位位延延迟迟时时间间，当当PBRSTPBRST升升高高到到大大于于一一定定的的电电压压值值后后，复复位位输输出出保保持持至至少少250ms250ms的的宽宽度度。一个机械按钮或一个有效的逻辑信号都能驱动一个机械按钮或一个有效的逻辑信号都能驱动PBRST PBRST，无锁按钮输入至少忽略了，无锁按钮输入至少忽略了1ms1ms的输入抖动，的输入抖动，并且被保证能识别出并且被保证能识别出20ms20ms或更大的脉冲宽度。该或更大的脉冲宽度。该PBRSTPBRST在芯片内部被上拉到大约在芯片内部被上拉到大约100A100A的的V Vcccc上，因上，因而不需要附加的上拉电阻。而不需要附加的上拉电阻。20(3)(3)监控定控定时器器(Watchdog)(Watchdog)用于因干用于因干扰引起的系引起的系统“飞程序程序”等出等出错的的检测和自和自动恢复。恢复。微微处理器用一根理器用一根I/OI/O线来来驱动输入入STST，微，微处理器理器必必须在一定在一定时间内触内触发STST端端(其其时间取决于取决于TD)TD)，以，以便来便来检测正常的正常的软件件执行。如果一个硬件或行。如果一个硬件或软件的件的失失误导致没被触致没被触发，在一个最小超，在一个最小超时间间隔内，隔内，STST的触的触发只能被脉冲的下降沿作用，只能被脉冲的下降沿作用，这时MAX1232MAX1232的复的复位位输出至少保持出至少保持250ms250ms的的宽度。度。21监控电路MAX1232的典型应用222.6.3 2.6.3 系系统供供电与接地技与接地技术 1 1供供电技技术 从交流从交流电网网输入、直流入、直流输出的全出的全过程，包括：程，包括：1 1、输入入滤波器波器 2 2、整流与、整流与滤波波 3 3、逆、逆变 4 4、输出整流与出整流与滤波波23 1 1、输入滤波器：、输入滤波器：其作用是将电网存在的其作用是将电网存在的杂波过滤，同时也阻碍本机产生的杂波反杂波过滤，同时也阻碍本机产生的杂波反馈到公共电网。馈到公共电网。2 2、整流与滤波：、整流与滤波：将电网交流电源直接整将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电，以供下一级变换。流为较平滑的直流电，以供下一级变换。3 3、逆变：、逆变：将整流后的直流电变为高频交将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分，频流电，这是高频开关电源的核心部分，频率越高，体积、重量与输出功率之比越小。率越高，体积、重量与输出功率之比越小。4 4、输出整流与滤波：、输出整流与滤波：根据负载需要，提根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。供稳定可靠的直流电源。24电源异常的保源异常的保护措施措施 计算机控制系算机控制系统的供的供电不允不允许中断，一旦中断将中断，一旦中断将会影响生会影响生产。为此，可采用不此，可采用不间断断电源源UPS UPS。252 2接地技接地技术(1)(1)地地线系系统分析分析 对地地线使用下面使用下面的定的定义：地地线是信号是信号电流流回信号源的地阻抗路径。流流回信号源的地阻抗路径。26n n 模模拟地地作作为传感感器器、变送送器器、放放大大器器、A/DA/D和和D/AD/A转换器中模器中模拟电路的零路的零电位。位。n 数数字字地地作作为计算算机机中中各各种种数数字字电路路的的零零电位位，应该与与模模拟地地分分开开，避避免免模模拟信信号号受受数数字字脉脉冲冲的的干干扰。n 安安全全地地的的目目的的是是使使设备机机壳壳与与大大地地等等电位位，以避免机壳以避免机壳带电而影响人身及而影响人身及设备安全。安全。n 系系统地地就就是是上上述述几几种种地地的的最最终回回流流点点，直直接接与大地相与大地相连。n 交流地交流地是是计算机交流供算机交流供电电源地，即源地，即动力力线地，它的地地，它的地电位很不位很不稳定。定。27n n接地理接地理论论分析，低分析，低频电频电路路应单应单点接地，高点接地，高频电频电路路应应就近多点接地。就近多点接地。n n当当频频率小于率小于1MHz1MHz时时，可以采用，可以采用单单点接地方式；点接地方式；n n当当频频率高于率高于10MHz10MHz时时，可以采用多点接地方式。在，可以采用多点接地方式。在1 1至至10MHz10MHz之之间间，如果用如果用单单点接地点接地时时，其地，其地线长线长度不得超度不得超过过波波长长的的1/201/20，否，否则应则应使使用多点接地。用多点接地。n n单单点接地的目的是避免形成地点接地的目的是避免形成地环环路，地路，地环环路路产产生的生的电电流会引入到流会引入到信号回路内引起干信号回路内引起干扰扰。n n地地环环路路产产生的原因生的原因：地：地环环路干路干扰发扰发生在通生在通过较长电缆连过较长电缆连接的相距接的相距较远较远的的设备设备之之间间，其，其产产生的内在原因是生的内在原因是设备设备之之间间的地的地线电线电位差，位差，地地线电压导线电压导致了地致了地环环路路电电流，由于流，由于电电路的非平衡性，地路的非平衡性，地环环路路电电流流导导致致对电对电路造成影响的差模干路造成影响的差模干扰电压扰电压。n n回流法回流法单单点接地点接地：模：模拟拟地、数字地、安全地地、数字地、安全地(机壳地机壳地)的分的分别别回流回流法。回流法。回流线线往往采用往往采用汇汇流条而不采用一般的流条而不采用一般的导线导线。汇汇流条是由多流条是由多层铜导层铜导体构成，截面呈矩形，各体构成，截面呈矩形，各层层之之间间有有绝缘层绝缘层。采用多。采用多层汇层汇流流条以减少自感，可减少干条以减少自感，可减少干扰扰的的窜窜入途径。安全地入途径。安全地(机壳地机壳地)始始终终与与信号地信号地(模模拟拟地、数字地地、数字地)是浮离开的。是浮离开的。这这些地之些地之间间只在最后只在最后汇汇聚聚一点，并且常常通一点，并且常常通过铜过铜接地板交接地板交汇汇，然后用，然后用线线径不小于径不小于300mm2300mm2的的多股多股铜软线焊铜软线焊接在接地极上后深埋地下。接在接地极上后深埋地下。28(2)(2)低低频接地技接地技术 一点接地方式一点接地方式 信号地信号地线的接地方式的接地方式应采用一点接地，而不采用采用一点接地，而不采用多点接地。一点接地主要有两种接法：即串多点接地。一点接地主要有两种接法：即串联接地和接地和并并联接地接地 。从防止噪声角度看，如从防止噪声角度看，如图所示的串所示的串联接地方式是最不适用的，由于地接地方式是最不适用的，由于地电阻阻r r1 1、r r2 2和和r r3 3是串是串联的，所以各的，所以各电路路间相互相互发生干生干扰 。并并联接地方式在低接地方式在低频时是最适用的，因是最适用的，因为各各电路的地路的地电位只与本位只与本电路的地路的地电流和地流和地线阻抗有关，不会因地阻抗有关，不会因地电流而引起各流而引起各电路路间的耦合。的耦合。这种方式的缺点是需要种方式的缺点是需要连很多很多根地根地线，用起来比，用起来比较麻麻烦。29实用的低用的低频接地接地 一般在低一般在低频时用串用串联一点接地的一点接地的综合接法，即在符合接法，即在符合噪声合噪声标准和准和简单易行的条件下易行的条件下统筹兼筹兼顾。可用分可用分组接接法，即低法，即低电平平电路路经一一组共同地共同地线接地，高接地，高电平平电路路经另一另一组共同地共同地线接地。接地。一条是低一条是低电平平电路地路地线；一条是；一条是继电器、器、电动机等机等的地的地线(称称为“噪声噪声”地地线)；一条是；一条是设备机壳地机壳地线(称称为“金属件金属件”地地线)。这三条地三条地线应在一点在一点连接接地。接接地。30(3)(3)通道通道馈线（电缆）的接地技）的接地技术 电路一点地基准路一点地基准:电路路一一点点地地基基准准:一一个个实际的的模模拟量量输入入通通道道，总可可以以简化化成成由由信信号号源源、输入入馈线和和输入入放放大大器器3 3部部分分组成成。如如图所所示示的的将将信信号号源源与与输入入放放大大器器分分别接接地地的的方方式式是是不不正正确的。确的。这种接地方式之所以错误，是因为它不仅会遭致磁场耦合的影响，而且还会因A和B两点地电位不等而引起环流噪声干扰。忽略导线电阻，误认为A和B两点都是地球地电位应该相等，是造成这种接地错误的根本原因。为了克服双端接地的缺点，应将输入回路改为单端接地方式。当单端接地点位于信号源端时，放大器电源不接地；当单端接地点位于放大器端时，信号源不接地。31电缆屏蔽屏蔽层的接地的接地:当信号当信号电路是一点接地路是一点接地时，低，低频电缆的屏蔽的屏蔽层也也应一点接地。如欲将屏蔽一点接地，一点接地。如欲将屏蔽一点接地，则应选择较好的接地点。好的接地点。当一个当一个电路有一个不接地的信号源与一个接路有一个不接地的信号源与一个接地的地的(即使不是接大地即使不是接大地)放大器相放大器相连时，输入入线的的屏蔽屏蔽应接至放大器的公共端；当接地信号源与不接至放大器的公共端；当接地信号源与不接地放大器相接地放大器相连时，即使信号源端接的不是大地，即使信号源端接的不是大地，输入入线的屏蔽的屏蔽层也也应接到信号源的公共端。接到信号源的公共端。这种种单端接地方式如端接地方式如课本本6161页图所示。所示。32(4)(4)主机外壳接地但机芯浮空主机外壳接地但机芯浮空 为了了提提高高计算算机机的的抗抗干干扰能能力力，将将主主机机外外壳壳作作为屏屏蔽蔽罩罩接接地地。而而把把机机内内器器件件架架与与外外壳壳绝缘，绝缘电阻阻大大于于50M50M，即即机机内内信信号号地地浮浮空空这种种方方法法安安全全可可靠靠，抗抗干干扰能能力力强，但但制制造造工工艺复复杂，一旦，一旦绝缘电阻降低就会引入干阻降低就会引入干扰。33(5)(5)多机系多机系统的接地的接地 在在计算机网算机网络系系统中，多台中，多台计算机之算机之间相互相互通信，通信，资源共享。如果接地不合理，将使整个网源共享。如果接地不合理，将使整个网络系系统无法正常工作。近距离的几台无法正常工作。近距离的几台计算机安装算机安装在同一机房内，可采用多机一点接地方法。在同一机房内，可采用多机一点接地方法。对于于远距离的距离的计算机网算机网络，多台，多台计算机之算机之间的数据通的数据通信，通信，通过隔离的隔离的办法把地分开。例如：采用法把地分开。例如：采用变压器隔离技器隔离技术、光、光电隔离技隔离技术和无和无线电通信技通信技术。34课堂堂习题一一n1、什么是、什么是计算机控制系算机控制系统？它由哪几部分？它由哪几部分组成？成？n2、计算机控制系算机控制系统的典型形式有哪些？各的典型形式有哪些？各有哪些有哪些优缺点？缺点？n3、请画出模画出模拟量量输入通道的入通道的简单组成成结构构图，并，并简要要说明。明。n4、什么是串模、共模干、什么是串模、共模干扰？简要要说明如何明如何抑制？抑制？