微机测控技术

NUST自动化学院微机测控技术1硬件抗干扰的常用措施1、接地技术2、屏蔽技术3、长线传输的干扰及抑制4、共模干扰的抑制5、差模干扰的抑制6、供电系统抗干扰7、印刷电路板抗干扰NUST自动化学院微机测控技术2一、接地技术1、接地的基本概念2、接地环路与共模干扰3、系统接地设计NUST自动化学院微机测控技术3(一)接地的基本概念地：电路或系统中，为各信号提供参考电位的等电位点或等电位面。接地：将某点与一个等电位点或等电位面之间用低电阻导体连接起来，构成基准电位。NUST自动化学院微机测控技术41、测控系统中的地线种类1)信号地检测系统中，原始信号是用传感器从被测对象获取的，信号地指传感器本身的零电位基准线。2)模拟地模拟信号的参考点，所有电路的模拟地最终都与供给模拟电路电流的直流电源的参考点连接。3)数字地数字信号的参考点，所有电路的数字地最终都与供给数字电路电流的直流电源的参考点相连。NUST自动化学院微机测控技术54)负载地指大功率负载或感性负载的地线。当大功率负载被切换时，地电流中会出现很大的瞬态分量，对低电平的模拟电路乃至数字电路都会产生严重干扰，这类负载的地线称为噪声地。NUST自动化学院微机测控技术65)系统地为避免地线公共阻抗的耦合干扰，模拟地、数字地、负载地应严格分开，最后汇合在一点，该点称为系统地，为整个系统的统一参考电位。系统或设备的机壳上的某一点通常与系统地相连接，供给系统各个环节的直流稳压或非稳压电源的参考点也都在系统地上。NUST自动化学院微机测控技术72、共地和浮地浮地系统：1）系统地与大地绝缘的系统。2）系统地不一定是零电位，仅为系统的等电位点。共地系统1）系统地与大地相连的系统。2）系统地与大地电位相同。NUST自动化学院微机测控技术8绝对零电位：地球电位作为绝对基准电位也即绝对零电位。绝对零电位常用连接方法：地下埋设铜板或插入金属棒等作为连接大地的地线。NUST自动化学院微机测控技术9常用系统的接地设计共地系统：1）采用共地系统，有利于信号线的屏蔽处理(抑制干扰)；2）机壳接地可免除操作人员的触电危险；浮地系统：优点：对地电阻较大，对地分布电容较小，外部共模干扰引起的干扰电流较小。NUST自动化学院微机测控技术10实现方式：1）机壳与大地完全绝缘：机壳较大时，机壳与大地间分布电容和有限的漏电阻使系统地与大地间的可靠绝缘非常困难。2）系统地不接机壳：后果：贴地布线的原则(系统内部的信号传输线、电源线和地线应贴近接地的机柜排列，机柜可起到屏蔽作用)难以实施。NUST自动化学院微机测控技术11共地系统中有接地注意点-可靠接地1）系统地不能连接到交流电源的零线上；2）系统地不能连到大功率设备安全地线上；交流电源及大功率设备地与大地间存在着随机变化的电位差，幅值变化范围从几十mV至几十V。3）共地系统必须另设接地线；4）为防止大功率交流电源地电流对系统地的干扰，系统地的接地点和交流电源接地点间的最小距离不应少于800m，所用的接地棒按常规的接地工艺深埋，且与电力线垂直。NUST自动化学院微机测控技术123、接地方式1)串联单点接地2)并联单点接地3)多点接地NUST自动化学院微机测控技术13①串联单点接地方式：两个或两个以上的电路共用一段地线1）R1、R2和R3是各地线等效电阻；2）I1、I2和I3是电路1、2和3的入地电流。3）地电流在地线等效电阻上产生压降，三个电路与地线的连接点的对地电位具有不同的数值：VA=(I1+I2+I3)R1VB=VA+(I2+I3)R2VC=VB+I3·R3NUST自动化学院微机测控技术14串联单点接地的特点1）电路的地电位受其他电路地电流变化的调制，电路的输出信号受到干扰；2）干扰由地线公共阻抗耦合作用产生的；3）离接地点越远，电路中出现噪声干扰越大；4）串联接地方式布线最简单，费用最省。NUST自动化学院微机测控技术15串联单点接地方式的适用电路：地电流较小且相差不太大的电路。抗干扰措施：为使干扰最小，把电平最低的电路安置在离接地点(系统地)最近的地方与地线相接。NUST自动化学院微机测控技术16②并联单点接地各电路的地线只在一点(系统地)汇合，如图：NUST自动化学院微机测控技术17并联单点接地的特点1）电路的对地电位只与本电路的地电流和地线阻抗有关，因而没有公共阻抗耦合噪声；2）地线太多，复杂的系统这一矛盾更突出；NUST自动化学院微机测控技术183）不能用于高频信号系统。a、地线一般较长，高频情况下，地线的等效电感和各地线之间杂散电容耦合的影响不容忽视；b、地线的长度等于信号波长的奇数倍时，地线呈极高阻抗，变成一个发射天线，对邻近电路产生严重的辐射干扰；c、应把地线长度控制在1/20信号波长之内。NUST自动化学院微机测控技术19③多点接地方式1）各电路或元件的地线以最短的距离就近连到地线汇流排(通常是金属底板)上；2）地线很短(小于25mm)，底板表面镀银，所以阻抗都很小；3）不能用在低频系统中。各电路的地电流流过地线汇流排的电阻会产生公共阻抗耦合噪声。NUST自动化学院微机测控技术20接地方式的选用1）信号频率低于1MHz时，采用单点接地方式；2）信号频率高于10MHz时，采用多点接地；3）频率处于1-10MHz之间的系统；a、采用单点接地方式：地线长度应小于信号波长的1／20。b、如不满足这一要求，应采用多点接地。NUST自动化学院微机测控技术21低频系统接地方式要求：1）串联和并联相结合的单点接地方式；2）兼顾抑制公共阻抗耦合噪声；3）系统布线不过于复杂。方式：1）系统所有地线根据电流变化性质分若干组；2）性质相近的电路共用一根地线(串联接地)；3）将各组地线汇集于系统地上(并联接地)。NUST自动化学院微机测控技术22(二)、系统接地设计基本要求：1）消除电流经公共地线阻抗产生的噪声电压；2）避免形成接地环路，引进共模干扰；电路中地线特点：1）系统中具有多种地线；2）各环节与系统中一种或几种地线发生联系。NUST自动化学院微机测控技术23地线处理的基本原则1）尽量避免或减少由接地所引起的各种干扰，2）便于布线；3）节省成本。NUST自动化学院微机测控技术24系统接地设计的主内容1）输入信号传输线屏蔽接地点的选择2）电源变压器静电屏蔽层的接地3）直流电源接地点的选择4）印刷电路板的地线布局5）机柜地线的布局NUST自动化学院微机测控技术251、直流电源接地点的选择系统电源的特点：1）具有多种直流电源，有供给模拟电路工作用的和供给数字电路工作用的电源，都是稳压电源；2）可能存在非稳压直流电源，供显示、控制等用；3）不同性质的电源地线不能任意互连，应分别汇集于一点，再与系统地相接。NUST自动化学院微机测控技术262、印刷电路板的地线布局常用印刷电路板的特点：1）包含模拟电源和数字电源，即包含模拟地、数字地；2）一般的，一个系统中不可能为单一地信号。NUST自动化学院微机测控技术27地线处理原则1）模拟地和数字地分别设置；通过不同的引脚各元器件的模拟地和数字地分别连到电路板上的模拟地线和数字地线。2）减小地线电阻；选用较宽的地线（支线宽度通常不小于2-3mm，干线宽度不小于8-10mm)；不能随意增大地线面积，避免增大电路和地线之间的寄生电容。NUST自动化学院微机测控技术283）采用地线隔离信号之间的耦合；a、模拟地线可隔离输入模拟信号间及输出和输入信号间的耦合；b、在需要隔离的两信号线之间增设模拟地线；c、数字信号可用数字地线进行隔离。NUST自动化学院微机测控技术29二、屏蔽技术屏蔽前提：1）仪表或系统的工作现场存在强电设备；2）强电设备的磁力线或电力线干扰仪表或系统的正常工作。屏蔽措施：采用低电阻的导电材料或高导磁率的铁磁材料制成容器，对易受干扰的部分实行屏蔽，阻断或抑制各种场干扰。NUST自动化学院微机测控技术30(一)、屏蔽的类型和原理屏蔽的类型：1）静电屏蔽2）电磁屏蔽3）磁屏蔽NUST自动化学院微机测控技术311、静电屏蔽静电屏蔽的原理：1）静电场作用下，如果空心导体腔内没有净电荷，导体内和空腔内任何一点处的场强都等于零，剩余电荷只能分布在外表面。2）把某一物体放入空心导体的空腔内，该物体就不受任何外电场的影响。NUST自动化学院微机测控技术32静电屏蔽作用1）在空心导体(金属盒)B的空腔内放有一个带电体A：2）由于静电感应，金属盒B的内外表面分别出现等量异号的感应电荷；3）B外表面电荷产生的电场对外界产生影响：NUST自动化学院微机测控技术334）将金属盒B接地，则外表面的感应电荷将因接地而消失，相应的电场也随之消失；5）可消除金属盒内带电体对盒外的影响。NUST自动化学院微机测控技术34静电屏蔽的效果及措施静电屏蔽的效果：1）用金属屏蔽盒罩住被干扰的电路，且将金属盒接地，可消除外部的静电干扰；2）用金属盒罩住干扰源，且将金属盒接地，则可抑制干扰源对外部的干扰。NUST自动化学院微机测控技术35静电屏蔽的措施：1）为达到较好的静电屏蔽效果，选用低电阻材料作屏蔽盒，以铜或铝为佳；2）屏蔽盒应有良好的接地；3）伸出屏蔽盒以外的导线越短越好。NUST自动化学院微机测控技术362、电磁屏蔽电磁屏蔽的目的：抑制高频电磁场的干扰。电磁干扰的产生：导体上通过高频变化电流时，周围空间产生相应变化的电磁场，变化的电磁场可在邻近的电路引起电磁感应，又向外辐射，干扰周围电路。电磁干扰的特点：1）电磁场变化的频率越高，辐射越强；2）电磁场屏蔽中，包括电磁感应的屏蔽，及辐射干扰的屏蔽。NUST自动化学院微机测控技术37电磁干扰的消除—措施：1）环绕导体加一个与导体中电流方向相反的变化电流，该电流产生的磁场与导体中电流产生的磁场方向相反，产生抵消作用，减弱对外界的干扰；2）反方向的电流由导体的接地屏蔽罩来产生；3）高频电磁场在导电性能良好的金属导体内产生涡流，涡流的磁场与原磁场方向相反，抵消高频干扰磁场，达到电磁屏蔽的目的。4）因为屏蔽罩接地，所以也可实现电场屏蔽。NUST自动化学院微机测控技术38电磁屏蔽的效果1）屏蔽罩的厚度对屏蔽效果影响不大；2）屏蔽罩是否连续及网孔大小，直接影响到涡流的大小，影响屏蔽的效果；3）屏蔽越严密，屏蔽效果越好；4）电磁屏蔽的材料应选用低内阻的金属材料，例如铜、铝或镀银铜板等。NUST自动化学院微机测控技术393、磁屏蔽磁屏蔽的适用范围：防止低频磁场干扰。(电磁屏蔽不适用在低频磁场干扰场合)屏蔽的方式：利用高导磁材料制成屏蔽罩，使低频磁场干扰的磁力线大部分在屏蔽罩内构成回路，泄漏到屏蔽罩外干扰磁通很少，达到抑制低频磁场干扰目的。NUST自动化学院微机测控技术40三、长线传输的干扰及抑制长线传输干扰的产生：测控系统中，当被测对象与测控系统相距较远时（几十米或更长），产生较大的干扰。长线干扰的主要类型：1）长线感应干扰2）反射干扰NUST自动化学院微机测控技术41(一)长线感应干扰及抑制长线感应干扰的产生：干扰源通过电磁或静电耦合在传感器信号线上产生干扰信号。NUST自动化学院微机测控技术42长线感应干扰的特点1）传感器信号线过长，干扰源在信号线上产生的感应电压较大；2）输电线与信号线平行敷设时，信号线上的电磁感应电压和静电感应电压分别可达mV级(传感器的有效信号电压一般为几十mV甚至小于干扰电压)；3）信号地与系统地间的电位差(地电压Um)可达几V至十几V甚至更大。NUST自动化学院微机测控技术43单线传输特点1）感应干扰电压Un和地电压Um与被测信号Us串联，形成差模干扰电压：rs、rm、r、R为信号源内阻、两地间地电阻、传输线电阻和系统输入电阻，rmrrsR：UNn≈Un，UNm≈Um2）地电压和感应干扰电压无抑制成为对干扰电压，使信号电压被干扰电压淹没。RrrrRUUmsnNnRrrrRUUmsmNmNUST自动化学院微机测控技术44双线传输抑制方式增设一条同样长度的传输线。1）两传输线上的感应干扰电压相等即Un1＝Un2＝Un；2）rmrrsR，感应干扰电压Un和地电压Um形成