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浅谈计算机控制系统中的抗干扰技术

导读: 干扰使指有用信号以外的噪声或造成计算机设备不能正常工作的破坏因素。产生干扰信号的原因称为干扰源。干扰源通过传播途径影响的器件或系统称为干扰对象。

   1、抗干扰概述

  由于工业现场的工作境往往十分恶劣,计算机控制系统不可避免地受到各种各样的干扰。这些干扰可能会影响到测控系统的精度,使系统的性能指标 下降,降低系统的可靠性,甚至导致系统运行混乱或发生故障,进而造成生产事故。干扰可能来自外部,也可能来自内部;它通过不同的途径作用于控制系统,且其作用程度及引起的后果与干扰的性质及干扰的强度等因素有关。干扰是客观存在的,研究抗干扰技术就是要分清干扰的来源,探索抑制或消除干扰的措施,以提高计算机控制系统的可靠性和稳定性。

  2、干扰的概念

  干扰使指有用信号以外的噪声或造成计算机设备不能正常工作的破坏因素。产生干扰信号的原因称为干扰源。干扰源通过传播途径影响的器件或系统称为干扰对象。干扰源、传播途径和干扰对象构成了干扰系统的三个因素。抗干扰技术就是通过对这三要素中的一个或多个采取措施来实现的。为了有效的抑制和消除干扰,首先要分清干扰的来源、传播途径以及干扰的作用方式。

  3、干扰的来源

  计算机控制系统中干扰的来源是多方面的,有时甚至是错综复杂。总体上,按照来源,干扰可分为内部干扰和外部干扰。外部干扰与系统所在环境和使用条件有关,与系统内部结构无关。内部干扰则由系统结构布局、制造工艺等引入。

  外部干扰:与系统结构无关,是由使用条件和外部环境决定的。外部干扰主要有: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,如太阳或其它星球辐射的电磁波;周围电气设备发出的电磁波干扰;电源的工频干扰;气象条件引起的干扰,如湿度、温度等;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:是由系统的结构布局、线路设计、元器件性质变化和漂移等原因造成的,主要有:分别电容、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;寄生震荡引起的干扰以及热噪声、闪变噪声、尖峰噪声等。

  4、干扰的传播途径

  在计算机控制系统的现场往往有许多强电设备,它们在起动和生产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干扰,以及高压输电线周围交变磁场的影响等。干扰传播途径主要有:电场耦合、磁场耦合、公共阻抗耦合。

  电场耦合:又称静电耦合,是通过电容耦合窜入其它线路的。两根导线之间会构成分布电容,印制电路板上各印制电线之间、变压器线匝之间和绕线之间都会构成分布电容。这些分布电容的存在可以为干扰信号提供干扰电抗通道,电场干扰就可以由该通道窜入系统,形成干扰。

  磁场耦合:在任何载流导体周围都会产生磁场,当电流变化时会产生交变磁场,该磁场必然会在其周围的闭合回路中产生感应电势引起干扰,它是通过导体间互感耦合进来的。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。电磁辐射会造成磁场耦合干扰,如高频电流流过导体时,在该导体周围便产生了向空间传播的电磁波。这些干扰极易通过电源线和长信号线耦合到计算机中。另外,长线干扰具有天线效应,即能够辐射干扰波和接受干扰波。

  公共阻抗耦合: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。在计算机控制系统中,普遍存在公共耦合阻抗,例如,电源引线、印刷电路板上的地和公共电源线、汇流排等。这些汇流排都都具有一定的阻抗,对于多回路来讲,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中。同时,各回流条之间具有电容,数字脉冲可以通过这个电容耦合过来。印制板上的地,实质上就是公共回流线,由于它仍然具有一定的电阻,各电路之间就通过它产生信号耦合。

  5、干扰的作用方式

  按干扰作用方式的不同,干扰可分为:差模干扰、共模干扰和长线传输干扰。

  差模干扰:也称串模干扰,就是串联与信号源回路之中的干扰。它串联在信号源回路中,与被测信号相加后输入系统。产生差模干扰的因素主要有分布电容的静电耦合、空间的磁场耦合、长线传输的互感、50HZ的工频干扰,以及信号回路中元件的参数变化等。

  共模干扰:用于过程控制的计算机的地、信号放大器的地和现场信号源的地之间通常要隔一段距离,长达几十米甚至上百米,在两个接地点之间往往存在一个电位差,这个电位差对放大器的干扰,称为共模干扰,也称为共态干扰或纵向干扰。这种干扰可以是直流干扰也可以是交流干扰,其幅值可以是几伏甚至更高,取决于现场产生干扰的环境条件和计算机等设备的接地情况。

  长线传输干扰:在计算机控制系统中,现场信号到控制计算机以及控制计算机到现场执行机构,都需要一段较长的线路进行信号传输,即长线传输。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。

  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出现的波反射现象,二是具有信号延时,三是长线传输会遇到外界干扰。

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