第2章 2.6 硬件抗干扰技术

硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术在系统设计之初，要反复强调运用抗干扰措施，这是许多现实案例的经验教训对设计者的谨示。

这种技术措施是当今自动化控制系统中，克服前向过程通道最有效的抗干扰措施之一。

通常采用的方式有信号导线的扭绞、屏蔽、接地、平衡、滤波、隔离等各种方法，一般会同时采取多种措施。

串模干扰的抑制在控制系统中，主要的抗串模干扰措施是用低通输入滤波器滤除交流干扰，而对于直流串模干扰则采用补偿措施。

常用的低通滤波器有RC 网络、LC 网络、双T 网络及有源滤波器。

RC 网络的特点简单，成本低，不需要调整，串模抑制比(SMR)不高，需串联2～3 级RC 网络才达到指标，而RC 过大又影响放大器的动态特性。

LC 网络的SMR 较高，但需要绕制电容，体积大，成本高。

双T 网络对一固定频率的干扰具有很高的SMR，偏离该频率后SMR 下降。

主要用于滤除工频干扰，对高频不行，结构简单但调整比较复杂。

有源滤波器可获得较理想的频率特性，但作为仪表输入级，有源器件的共模抑制比(CMR)一般难以满足要求，本身带来的干扰也较大。

所以工程实践中经常采用的是RC 网络滤波，其典型应用原理图如图8.3 所示。

选择RC 参数时除了要满足SMR 指标外，还要考虑信号源的内阻抗，兼顾CMR 和放大器特性的要求，常用2 级RC 网络作为输入的滤波器。

此外双积分式A/D 转换器可以削弱周期性的串模干扰的影响。

因为A/D 转换器对输入信号的平均值而不是瞬时值进行转换，所以对周期性干扰有很强的抑制还可以通过提高阈值电平来抑制低噪声的干扰，或采用低速逻辑器件来抑制高频干扰；人为附加电容抑制高频干扰(脉冲干扰)。

若串模干扰的变化速度与被测信号相当，即频率相当时，则一般很难通过以上措施来抑制——对测量元器件或变送器进行良好的电磁屏蔽，信号线应选用带屏蔽的双绞线或电缆线，并应有良好的接地系统。

一般情况下可以考虑如下原则。

(1) 若串模干扰频率比被测信号频率高，则采用低通滤波器来抑制高频串模干扰。

常用硬件抗干扰技术针对形成干扰的三要素,采取的抗干扰主要有以下手段。

抑制干扰源抑制干扰源就是尽可能的减小干扰源的du/dt, di/dt。

这是抗干扰设计中最优先考虑和最重要的原则,常常会起到事半功倍的效果。

减小干扰源的du/dt主要是通过在干扰源两端并联电容来实现。

减小干扰源的di/dt则是在干扰源回路串联电感或电阻以及增加续流二极管来实现。

抑制干扰源的常用措施如下：（1）继电器线圈增加续流二极管,消除断开线圈时产生的反电动势干扰。

仅加续流二极管会使继电器的断开时间滞后,增加稳压二极管后继电器在单位时间内可动作更多的次数。

（2）在继电器接点两端并接火花抑制电路（一般是RC串联电路,电阻一般选几K到几十K,电容选0.01uF）,减小电火花影响。

（3）给电机加滤波电路,注意电容、电感引线要尽量短。

（4）电路板上每个IC要并接一个0.01μF～0.1 μF高频电容,以减小IC对电源的影响。

注意高频电容的布线,连线应靠近电源端并尽量粗短,否则,等于增大了电容的等效串联电阻,会影响滤波效果。

（5）布线时避免90度折线,减少高频噪声发射。

（6）可控硅两端并接RC抑制电路,减小可控硅产生的噪声（这个噪声严重时可能会把可控硅击穿的）。

3.2.4 单片机自身的抗干扰措施为提高单片机本身的可靠性。

近年来单片机的制造商在单片机设计上采取了一系列措施以期提高可靠性。

这些技术主要体现在以下几方面。

1.降低外时钟频率外时钟是高频的噪声源，除能引起对本应用系统的干扰之外，还可能产生对外界的干扰，使电磁兼容检测不能达标。

在对系统可靠性要求很高的应用系统中，选用频率低的单片机是降低系统噪声的原则之一。

以8051单片机为例，最短指令周期1μs时，外时钟是12mhz。

而同样速度的motorola单片机系统时钟只需4mhz，更适合用于工控系统。

近年来，一些生产8051兼容单片机的厂商也采用了一些新技术，在不牺牲运算速度的前提下将对外时钟的需求降至原来的1/3。

青岛大学教案学院：自动化工程学院教研室：控制系课程名称：微型计算机控制技术任课教师：丁军航1.课程性质：该课程是青岛大学自动化专业、电气工程及其自动化专业的主干专业课程，也是电子信息工程、计算机应用等专业的选修课，理论性、应用性、实践性和综合性强。

2.学习目的和要求目的:通过本课程的学习，使学生掌握计算机控制系统的理论与技术，受到较好的工程实践基本训练，具有分析、设计、开发和研究计算机控制系统的基本能力。

要求:（1）了解计算机控制系统的组成、接口和过程通道设计的基本知识；（2）掌握数字程序控制的基本原理和程序编制；（3）掌握常规及复杂控制策略、应用程序设计与实现技术；（4）学会计算机控制系统的硬件、软件设计与研制方法；（5）初步了解分散型测控网络技术和现场总线技术。

3.选用教材与课程地位（1）本课程选用的教材，由本课程组编写，是国家级“十一五”规划教材，由机械工业出版社2007 年6 月出版（2）本课程曾选用的教材，也由本课程组编写，2002 年获全国高等学校优秀教材二等奖。

由清华大学出版社出版，先后印刷21 次，发行量近12 万册，被许多高校选作教材，在国内产生了很大影响。

（2）本课程于2004 年被评为山东省精品课程。

4.内容简介全书共分9 章。

第1 章是绪论，介绍了计算机控制系统及其组成、计算机控制系统的典型型式、计算机控制系统的发展概况和趋势；第2 章讨论了计算机控制系统的硬件设计技术；第3 章讨论了数字控制技术，重点介绍了逐点比较法插补原理、多轴步进驱动控制技术和多轴伺服驱动控制技术；第4 章讨论了常规及复杂控制技术，主要介绍了数字控制器的各种控制算法；第5 章讨论了现代控制技术，主要介绍了采用状态空间的输出反馈设计法、极点配置设计法、最优化设计法；第6 章讨论了先进控制技术，重点介绍了模糊控制技术、神经网络控制技术、专家控制技术和预测控制技术；第7 章计算机控制系统的软件设计技术；第8 章讨论了分布式测控网络技术；第9 章讨论了计算机控制系统的设计原则、步骤和工程实现，并给出了设计实例。

抗干扰的硬件设计措施---刘必茂2009.06.25一、干扰和抗干扰的定义和理解1.干扰：又称电路噪声，是电磁兼容设计中的“服务对象”。

他的来源主要由空间电磁波、电力线终端负载、以及控制系统本身引起的大电流变化、电磁产生、高频辐射等。

是正常控制中不希望存在却又经常存在的电信号。

2.抗干扰：又称电磁兼容设计，是针对电路噪声（干扰）的一种应对统称，目的是为了抑制甚至消除电路噪声的手段称法。

二、地线的相关解释1.地线的理解：地线分安全地和信号地两大类，此处不对安全地探讨，主要探讨信号地，因为信号地是控制设计中，抗干扰设计的重点信号地的理论学界定义是：电路的零电位参考点。

这个定义是我们设计电路时的一个假设。

从这个定义是无法分析和理解一些地线干扰问题的。

作为电路控制设计人员，我们在分析电磁兼容问题时，应使用下面的定义。

地线是信号电流流回信号源的地阻抗路径。

既然地线是电流的一个路径，那么根据欧姆定律，地线上是有电压的；既然地线上有电压，说明地线不是一个等电位体，也就是说，并不是同一条电气连接的地线都可以等同零电位体。

这样，我们在设计电路时，关于地线电位一定的假设就不再成立，因此电路会出现各种错误。

这就是地线干扰的实质。

这样，我们就不难理解为什么在电路设计时地线的走法很讲究。

我们在设计时，往往会遇到这样一个难以理解的问题：我们在设计地线时，已经想尽办法使地线的电阻很小了，但是实际上地线上的电位差还是会大到导致电路干扰严重甚至信号出错的程度。

要理解这个问题，我们就要理解地线阻抗的组成。

地线的阻抗由电阻抗和感抗两部分组成，我们尤其要注意的是地线的感抗，地线走的越直，感抗越小，地线走的如果像羊肠小道，感抗就越大。

地线感抗是导致地线电位差的较重要因素。

2.地环路干扰地环路是指不同的用电设备、用电电路的地与地之间接地形成地线环路，由于地环路之间存在一定的阻抗，使得地环路内产生电流流动。

地环路干扰是一种较常见的干扰现象,常常发生在通过较长电缆连接的相距较远的设备之间。

第章硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术是一种用于处理电子设备之间相互干扰的方法。

在现代电子设备的发展中，我们常常面临着电磁干扰、信号噪声、电源噪声等不同形式的干扰。

这些干扰可能会对电子设备的正常运行和数据传输产生负面的影响。

因此，硬件抗干扰技术在现代电子设备中变得越来越重要。

1. 抗电磁干扰技术电磁干扰最常见的形式是由电磁波辐射而来的噪声。

现代电子设备的高密度集成和高速信号传输都会产生电磁波，从而导致电磁干扰。

抗电磁干扰技术通常包括以下几个方面的内容：1.1 电磁屏蔽电磁屏蔽是一种将电子设备内部电磁波与外部电磁波隔离的方法。

这种方法包括两种屏蔽方式：一种是屏蔽箱，即在电子设备外部设置一个屏蔽箱，将其内部的电磁波与外部的电磁波隔离。

另一种是屏蔽片，即在电子器件的电路板上添加一个屏蔽片，将它与电路板接地，从而有效地屏蔽电磁波。

1.2 电磁兼容性设计在电子设备的设计中，设计人员应当采取措施来保证设备对外部电磁环境的适应性，即保证设备的电磁兼容性。

电磁兼容性设计包括以下几个方面：电路板的布线设计、接地设计、信号线的长度和形状选定、射频滤波电路设计等。

2. 抗信号噪声技术信号噪声对于电子设备的正常工作具有很大的影响，容易导致误差信号和干扰信号产生。

因此，抗干扰技术十分必要。

在抗信号噪声技术中，常用的方法包括以下几种：2.1 信号滤波信号滤波是一种通过选定合适的滤波器，从信号中消除频率在一定范围内的噪声的方法。

常用的信号滤波器有低通滤波器、带通滤波器和陷波滤波器等。

2.2 信号匹配信号匹配是通过选定合适的电路参数，保证信号传输的稳定性和可靠性。

在信号匹配中，需要考虑信号传输线路的阻抗参数和传输电路的参数等因素。

3. 抗电源噪声技术电源噪声是指由电源引起的噪声信号，对电子设备的正常运行产生负面影响。

因此，抗电源噪声技术成为了一项十分重要的技术。

常用的方法包括以下几个方面：3.1 电源去耦电源去耦是一种对设备电源进行滤波和去除噪声的方法。