06可靠性与抗干扰技术

第6章智能仪表抗干扰技术第六章智能仪表可靠性和抗干扰技术第6章智能仪表抗干扰技术本章主要内容•干扰的来源、传播途径与作用方式•硬件抗干扰技术•软件抗干扰技术•智能仪器的可靠性设计第6章智能仪表抗干扰技术6.1干扰的来源、传播途径与作用方式第6章智能仪表抗干扰技术干扰是影响仪表正常运行的所有因素的总称。干扰可能来自空间，也可能来自其他信号的耦合，干扰严重时会影响到仪表的正常运行。干扰形成有三个条件：干扰源、仪器仪表、传播途径。干扰源传播途径仪器仪表抗干扰技术就是通过对这三要素中的一个或多个采取必要措施来实现的。第6章智能仪表抗干扰技术6.1.1干扰的来源智能仪表干扰的来源是多方面的：干扰外部干扰内部干扰外部干扰与仪表结构无关，是由使用条件和外部环境因素决定的。主要有：天电干扰，如雷电或大气电离作用引起的干扰电波；天体干扰，如太阳辐射的电磁波；周围电气设备发出的电磁波的干扰；电源的工频干扰；气象条件引起的干扰；地磁场干扰；火花放电、弧光放电、辉光放电等产生的电磁波等。内部干扰是由仪表的结构布局、线路设计、元器件性质变化和漂移等原因造成的。主要有：分布电容、分布电感引起的耦合感应，电磁场辐射感应，长线传输的波反射，多点接地造成的电位差引入的干扰，寄生振荡引起的干扰以及热噪声、闪变噪声、尖峰噪声等。第6章智能仪表抗干扰技术6.1.2干扰的传播途径•在智能仪表系统的现场，往往有许多强电设备，它们的启动和工作过程中将产生干扰电磁场，另外还有来自空间传播的电磁波和雷电的干扰，以及高压输电线周围交变磁场的影响等。电力线雷电电台电视台交流供电电路电动机移动通信设备天体电磁辐射第6章智能仪表抗干扰技术干扰传播途径主要有：•电场耦合•磁场耦合•公共阻抗耦合第6章智能仪表抗干扰技术–电场耦合又称静电耦合，是通过电容耦合窜入其他线路的。1.电场耦合–电场干扰可以通过两根导线之间构成的分布电容窜入系统。Ra=1/jωc12Rb=R/(1+1/jωc2g)12n1122n12112n1122jRCRbURa+Rb1+jR(C)RUjRCCRUCggUCUUC当很小时，可近似表示为；当很大时，可近似表示为；第6章智能仪表抗干扰技术–在任何载流导体周围都会产生磁场，当电流变化时会引起交变磁场，该磁场必然在其周围的闭合回路中产生感应电势引起干扰。–在设备内部，线圈或变压器的漏磁也会引起干扰；在设备外部，平行架设的两根导线也会产生干扰，由于感应电磁场引起的耦合，可以计算感应电压：1nMIjU其中：•ω为感应磁场交变角频率•M为两根导线之间的互感•I1为导线1中的电流2.磁场耦合第6章智能仪表抗干扰技术–假设：某信号线，与电压为220V（AC）、负荷为10KVA的输电线的距离为1m，并且平行走线10m，两线之间的互感为4.2μH，按上式计算出信号线上感应的干扰电压Un。–Un=ωMI1=2π×50×4.2×（10-6）×10000/220=59.98(mV)–可见，这样大的干扰，足以淹没小信号。磁场耦合举例第6章智能仪表抗干扰技术–公共阻抗耦合干扰是由于电流流过回路间公共阻抗，使得一个回路的电流所产生的电压降影响到另一回路。–公共耦合阻抗普遍存在，例如，电源引线、印制电路板上的地和公共电源线、汇流排等。这些汇流排都具有一定的阻抗，对于多回路来说，就是公共耦合阻抗。当流过较大的数字信号电流时，其作用就像是一根天线，将干扰引入到各回路。同时，各汇流条之间具有电容，数字脉冲可以通过这个电容耦合过来。–印刷电路板上的“地”实质上就是公共汇流线，由于它具有一定的电阻，各电源之间就通过它产生信号耦合。•3.公共阻抗耦合第6章智能仪表抗干扰技术•公共电源线的阻抗耦合1p1n112p2n2pnnn1i(R+R),(i+i)(R+R),,()(R+R)njji–Rp1、Rp1、…、Rpn和Rn1、Rn2、…、Rnn分别是电源引线的阻抗，各独立回路电流流过公共阻抗所产生的电压降为：–它们分别耦合进各级电路形成干扰。第6章智能仪表抗干扰技术•公共地线的阻抗耦合–如果系统的模拟信号和数字信号不是分开接地的，如图a和图b所示，则数字信号就会耦合到模拟信号中去。–在图c中模拟信号和数字信号是分开接地的，两种信号分别流入大地，这样就可以避免干扰，因为大地是一种无线吸收面。第6章智能仪表抗干扰技术6.1.3干扰的作用方式•按干扰作用方式的不同，可分为差模干扰、共模干扰和长线传输干扰。•差模干扰：又称串模干扰，是指叠加在被测信号上的干扰噪声，它串联在信号源回路中，与被测信号相加输入系统。差模干扰与被测信号在回路中处于同样的地位，也称为常态干扰或横向干扰。•产生差模干扰的原因：分布电容的电场耦合，空间的磁场耦合，长线传输的互感，50Hz工频干扰，以及信号回路中元件的参数变化等。干扰线UnUsUnIaC1C2第6章智能仪表抗干扰技术6.1.3干扰的作用方式•共模干扰：是指系统的信号输入端上对接地端的干扰电压,共模干扰也称为共态干扰或纵向干扰。•产生共模干扰的原因：信号源的地与信号放大器的地一般相隔一段距离，在两个接地点之间往往存在一个电位差Uc，该电位差就是共模干扰。信号源Uc第6章智能仪表抗干扰技术•对于系统干扰来说，共模干扰大都通过差模干扰方式表现出来。•由Ucm引起系统输入的差模电压为：两种输入方式的共模电压的引入~~sUcmUcIsZrZA~sU1sZ2sZ1cI2cIcmU2cZ1cZA~(a)单端输入(b)双端输入1sncmsrZUUZZ1221122ssncmscscZZUUZZZZ第6章智能仪表抗干扰技术•对于存在共模干扰的场合，不能采用单端输入方式，应采用双端输入方式，原因是其抗共模干扰能力强。•为了衡量一个放大器抑制共模干扰的能力，常用共模抑制比CMRR（Common-ModeRejectionRatio）表示，即•其中，Ucm是共模干扰电压，Un是由Ucm转化成的差模干扰电压。单端输入方式的CMRR较小，说明它的抗共模抑制能力较差；而双端输入方式，由Ucm引入的差模干扰电压Un较小，CMRR较大，所以抗共模干扰能力很强。)DB(UUlg20CMRRncm第6章智能仪表抗干扰技术6.1.3干扰的作用方式•长线传输干扰：在智能仪表系统中，现场信号到仪表室的监控计算机之间，要经过一段较长的线路进行信号传输，即长线传输，在长线传输中产生的干扰称为长线传输干扰。•对于高速信号传输的线路，即在高频信号电路中，多长的导线可作为长线，取决于电路信号频率的大小，在有些情况下，可能1m左右的线就应作为长线看待。第6章智能仪表抗干扰技术长线传输干扰•信号在长线中传输会遇到三个问题：一是高速变化的信号在长线中传输时，会出现波反射现象，二是具有信号延时，三是长线传输会受到外界干扰。•当信号在长线中传输时，由于传输线的分布电容和分布电感的影响，信号会在传输线内部产生正向前进的电压波和电流波，称为入射波；另外，如果传输线的终端阻抗与传输线的阻抗不匹配，当入射波到达终端时，会引起反射；同样，反射波到达传输线始端时，如果阻抗不匹配，也会引起反射。长线中信号的多次反射现象，使信号波形严重畸变，并且引起干扰脉冲。第6章智能仪表抗干扰技术6.2硬件抗干扰技术第6章智能仪表抗干扰技术6.2.1电源系统的抗干扰技术电源引入的干扰是主要干扰之一；干扰大部分是由电源耦合产生的。供电方式尖峰脉冲干扰的抑制掉电保护直流侧的抗干扰措施第6章智能仪表抗干扰技术交流电网供电的系统•1.供电方式第6章智能仪表抗干扰技术在电源变压器中设置合理的屏蔽（静电屏蔽和电磁屏蔽）是一种有效的抗干扰措施，它是在电源变压器的初级和次级之间加屏蔽层。还可采用开关电源、DC-DC变换器以及UPS供电等，来提高电源的稳定性。电源变压器的静电屏蔽~~~FCFCFCFCiUoUiUoU~隔离变压器及其屏蔽~iUoU~隔离变压器1:1电源变压器第6章智能仪表抗干扰技术•尖峰干扰是一种频繁出现的叠加于电网正弦波上的高能脉冲，其幅度可达几千伏，宽度只有微秒级，因此采用常规的抑制办法是无效的，而必须采取综合治理办法。另外，使系统远离干扰源，对大功率用电设备采取专门措施抑制尖峰干扰的产生等都是可行的方法。2.尖峰脉冲干扰的抑制抑制尖峰干扰最常用的方法主要有：①在仪器交流电源输入端串入按频谱均衡的原理设计的干扰控制器，将尖峰电压集中的能量分配到不同的频段上，从而减弱其破坏性；②在仪器交流电源输入端加超级隔离变压器，利用铁磁共振原理抑制尖峰脉冲；③在仪器交流电源的输入端并联压敏电阻，利用尖峰脉冲到来时电阻值减小以降低仪器从电源分得的电压，从而削弱干扰的影响。第6章智能仪表抗干扰技术如果把电源电压变化持续时间定为Δt，那么，根据Δt的大小可以把电源干扰分为四种情况：（1）过压、欠压、停电：当Δt1s时产生的干扰，解决办法是使用各种稳压器、电源调节器，对短时停电可用不间断电源（UPS）供电。（2）浪涌、下陷、降出：当1sΔt10ms时产生的干扰，可使用快速响应的交流电源调压器克服。（3）尖峰电压：当Δt为μs量级时产生的干扰。（4）射频干扰：当Δt为ns量级时产生的干扰，可加2-3节低通滤波器消除干扰。第6章智能仪表抗干扰技术•供电不允许中断，一旦中断电源，将影响系统的正常工作。为此，可加装UPS（不间断电源），或增加电源电压监视电路，及早监测到掉电状态，从而进行应急处理。掉电保护电路•3.掉电保护•对于没有使用UPS的系统，为了防止掉电后RAM中的信息丢失，经常采用镍电池对RAM进行数据保护。第6章智能仪表抗干扰技术•对直流电源电压监视可采用集成电路μP监控电路实现掉电保护。现在已经有许多集成电路μP监控电路可供选择，它们具有很多种类和规格，同时也具有多种功能，如有的μP监控电路除电源监视外，还具有看门狗、上电复位、备用电源切换开关等功能。利用MAX815组成的电源监视电路第6章智能仪表抗干扰技术电网的高频干扰，由于频带较宽，仅在交流侧采取抗干扰措施，很难保证干扰绝对不进入直流系统，因此须在直流侧采取必要的抗干扰措施。4.直流侧的抗干扰措施在每块逻辑电路板的电源和地线的引入处并接一个（10～100）μF的大电容和一个（0.01～0.1）μF的小电容；在各主要的集成电路芯片的电源输入端与地之间，或电路板电源布线的一些关键点与地之间，接入一个（1～10）μF的电解电容，同时为滤除高频干扰，可再并联一个0.01μF的小电容。去耦法在每块电路板上装上一个或几块稳压块，以稳定电路板上的电源电压，提高抗干扰能力。经常采用的稳压块有7805、7905、7812、7912等三端稳压块，它们的输出电压是固定的。也可采用线性调整器，如MAX1705/1706、MAX8863T/S/R等，它们的输出电压可调。增设稳压块法第6章智能仪表抗干扰技术第6章智能仪表抗干扰技术6.2.2接地系统的抗干扰技术二是为了保证控制系统稳定可靠工作，提供一个基准电位的接地，即工作接地。•接地技术对系统是极为重要的，不恰当的接地会对系统产生严重的干扰，而正确的接地却是抑制干扰的有效措施之一。系统中接地的目的通常有两个：一是为了安全，即安全接地；第6章智能仪表抗干扰技术1.地线系统分析•一般有以下几种地线：模拟地、数字地、安全地、系统地和交流地。–安全地的目的是使设备机壳与大地等电位，以避免机壳带电影响人身和设备的安全。通常安全地又称为保护地或机壳地，机壳包括机架、外壳、屏蔽罩等。–模拟地作为传感器、变送器、放大器、A/D和D/A转换中模拟电路的零电位。模拟信号有精度要求，有时信号比较小，而且与工业现场相连。因此，必须认真对待模拟地。–数字地作为控制系统中各种数字电路的零电位，应该与模拟地分开，避免模拟信号受数字脉冲的干扰。–系统地是以上几种地的最终汇流点，直接与大地相连。–交流地是计算机交流供电电源地，即为动力线地，它的地电位很不稳定。交流地绝对不允许与上述几种地相连，而且，交流电源变压器的绝缘性要好，要避免漏电现象。第6章智能