计算机控制系统信号传输通道的抗干扰措施

2016-10-24 13:33:39 | 人围观 | 评论:

　　信号传输通道的干扰（或称噪声），是由于电磁场耦合或地线环路引起的，下面介绍一些常用而有效的处理方法。
　　1. 抑制干扰源
　　在计算机控制系统中，输入输出通道的强信号线和动力线等，往往就是干扰弱信号的干扰源。为了消除耦合干扰影响,首先必须采取措施抑制干扰源。这里，我们介绍两种有效措施。
　　⑴ 远离技术
　　尽量避免平行布线并使强信号线与弱信号线互相远离，以使干扰源远离被干扰的信号线或回路，这是抑制干扰源的最有效的措施。具体做法是：
　　① 强电必须单独走线，绝对不能和信号线混拉在一起。
　　② 强信号线与弱信号线应尽量避免平行布线，应尽量使二者正交，以使电场耦合与磁场耦合形成的噪声信号降至最小。
　　③ 若受现场条件限制而做不到正交布线，也可平行布线。在这种情况下，不允许强信号线与弱信号线捆绑在一起，更不允许将强信号线与弱信号线分配至同一根多芯电缆内。平行的信号线间应互相远离，一般距离大于产生干扰的导线的线径的40倍即可。
　　⑵ 屏蔽干扰源
　　如果在干扰源的周围加上屏蔽体，并将屏蔽体一点接地，则电力线将终止于屏蔽体内。因此，只要加上屏蔽就可很容易地把电场形成的干扰源屏蔽掉，使它对邻近的导线或回路不产生干扰。
　　干扰源导线上流过电流I1时，在空间产生了磁通密度为B的磁场，并以磁场耦合形式干扰被干扰回路。屏蔽体对干扰源与被干扰回路间的几何形状或介质的磁特性并无影响，因此屏蔽体对磁场不起屏蔽作用。但假如能在屏蔽体造出一个电流IS，并使其大小与I1相同但方向相反，显然就会产生一个与B大小相同方向相反的磁通密度BS，那么BS和B就可抵消，从而达到抑制或去掉磁场干扰的效果。图1给出了两种抑制磁场辐射干扰的屏蔽接地方式。
　　

　　　　　　　　　图1抑制磁场辐射干扰的两种接地方式
　　图1(a)为两端接地方式，它对于频率大于屏蔽体截止频率50倍的磁场干扰源有很好的抑制效果。图1(b)为单端接地电路，由于干扰源电流I1全部流过屏蔽体，使IS与I1产生的磁场相抵消，因此磁场干扰抑制效果较好。
　　2. 使用双绞线和同轴电缆阻止耦合干扰的侵入
　　在计算机控制系统中，经常使用双绞线、同轴电缆、双绞的屏蔽线对等进行信号传输，并通过适当的接地处理，可以有效地防止电磁干扰侵入信号传输通道。这里仅介绍各种电缆的特点和作用，具体使用方法见本节“接地处理”部分。
　　⑴ 双绞线
　　双绞线通过绞扭将信号回路分隔成很多面积相等而法线方向相反的小回路，因此磁场干扰的影响可以相互抵消，能很好地抑制磁场耦合干扰。但由于绞扭所形成的各小块面积不可能绝对相等，方向也不可能绝对相反，所以只能抑制大部分而不是全部磁场干扰。双绞线只对磁场耦合干扰起抑制作用，对电场耦合干扰不起作用。
　　⑵ 同轴电缆
　　只要将同轴电缆的屏蔽体一点接地，就有良好的屏蔽电场耦合干扰的作用。使用同轴电缆时，应注意电缆端部的引出导线的外露部分和编织网式的屏蔽体的网孔，都会降低屏蔽效果，因此，应使两端的引线外露部分尽量短，必要时应选用无网孔的铝箔屏蔽电缆。
　　同轴电缆对磁场耦合干扰也有良好的抑制作用，其机理和使用方法见图10.6。根据前面的分析可知，单端接地方式比双端接地方式有更好的抑制效果。但是，单端接地方式仍然不可能将磁场耦合干扰抑制干净，这是因为单端接地方式是将屏蔽体作为回路的另一根导线，使得干扰电流IS必然要在屏蔽体电阻RS上产生压降ISRS，该压降串联于信号回路，势必还要形成残余的磁场干扰。
　　⑶ 双绞屏蔽线对
　　双绞屏蔽线对不仅对电场干扰有屏蔽作用，而且也对磁场干扰有抑制作用，它是双绞线和同轴电缆两者优点的结合，其抑制原理相同。采用双绞屏蔽线对的优点是不需要将屏蔽体作为回路的另一根导线，而且由于它多了一层屏蔽体从而增强了对磁场干扰的抑制作用，它对磁场干扰的抑制作用要强于双绞线。
　　3. 接地处理
　　接地处理是计算机控制系统设计的重要内容。设置地线的目的是为系统中各部分电路提供参考电位、形成信号通路、安全接地等，如果接地设计不合理，就可能引入干扰，影响系统正常工作，因此应充分考虑。
　　实际的计算机控制系统中，通道信号频率一般都在1MHz以下，对此一般采用如下方法提高抗干扰能力。
　　⑴ 接地原则
　　电路系统接地的原则是：各部分电路应该在一点接地，而不采用多点接地。多点接地时，由于各处接地导体的几何形状、导电率、埋地深度不可能完全相同，土壤的电阻率因地层结构不同也相差很大，使得接地电阻和接地电位有差异，从而造成不同接地点之间有电位差，形成接地环流噪声。采用一点接地时，可以避免形成接地环路，因此可以消除或抑制接地噪声。
　　一点接地有串联接地和并联接地两种方法，见图2。串联接地时，地线电阻r₁、r₂、r₃是串联的，各电路的接地电位不同，不利于防止噪声，一般用于各电路电流均不大且相差较小的场合，其优点是方法简单。并联接地的优点是各电路的接地电位只与本电路的地线电流和接地电阻有关，不会因为接地电流而引起各电路间的互相干扰，但并联接地需要很多地线，使用比较麻烦。
　　

　　　　　　　　　　　　　图2 一点接地的两种方法
　　⑵ 实用接地方法
　　在实际系统中，需要接地的电路和装置非常多，为了使系统接地符合噪声标准，并且简单易行，一般采用串并联混合的一点接地方法，即在系统中设置三条公共地线，分别为信号地线、功率地线和机壳地线，各部分电路通过它们接地。系统中的各低电平弱信号电路的地线串联相接后，经信号地线入地；电平较高、功率较大的各电路的地线串联后接入功率地线；为了安全和屏蔽的需要，设备的外壳、交流电源的地线等应接至机壳地线。图3示出了典型的计算机控制系统接地方法。
　　

　　　　　　　图3 实用接地方式
　　⑶ 输入输出通道的接地方法
　　① 信号回路的接地方法
　　一般采用单端接地方法，以消除信号源和接收设备之间的电位差及其引起的地线环流。接地点可据实际情况选定，既可以在信号源侧接地，也可以在放大器侧接地，如图4所示。
　　

　　　　　　　　　　　　　图4 电路一点接地方法
　　② 电缆屏蔽层的接地方法
　　当信号源采用一点接地时，电缆的屏蔽层也应该一点接地，如图5所示。若信号源不接地而放大器接地，输入信号的屏蔽层应接至放大器的公共端；信号源接地而放大器不接地时，输入线的屏蔽层应接至信号源的公共端。
　　

　　　　　　　　图5 屏蔽电缆的的单端接地方式
　　③ 信号隔离技术
　　当信号输入通道必须采用双端接地时，为防止产生地线环流噪声干扰，可以采用信号隔离技术将双方地线隔离开来。信号隔离方法主要有变压器隔离和光电隔离，变压器隔离适用于模拟信号隔离，光电隔离则特别适合数字信号的隔离。

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