自动化系统抗干扰技术（三） 点击：5042 | 回复：17
发表于：2004-02-16 09:48:00
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1 综合布线抗干扰设计
综合布线本身是无源的，但它与各种高频网络设备联成系统后，就成为有源设备的重要组成部分，其受到的干扰种类较多，在实际工作中可能同时或交叉发生，所以需要抑制措施也较复杂。一般采取抑制噪声源、切断噪声途径、提高受扰设备对噪声免疫能力等方法。因此采用屏蔽(抑制噪声源，减少耦合电容与互感)、滤波(抑制噪声源)和合理布线(减少耦合电容与电感)，同时合理接地(必须屏蔽)。对于传输线上的反射波通过阻抗匹配解决，对导体还要采取特殊的生产工艺(双绞线)。
1.1 双绞线抗干扰
为了消除线对间的串扰，综合布线系统中使用双绞线作为传输媒介，它把电流方向相反流量相等的两根导线互相拧合。由于电流的方向相反，感应磁通引起的噪声电流互相抵消，不影响传输信号，其抑制线队间的串扰效果与绞距有关，见表1所示:
表1 双绞线绞距对抑制串扰的影响
绞 距 10 7.5 5 2.5
噪声衰减率/dB 23 37 41 43
两根线绞合在一起，除了可减小或消除串扰外，还可降低两导线间的非平衡性互电容，有利于平衡传输，还可以降低衰减，并保持恒定的特性阻抗。
1.2 非屏蔽与屏蔽线缆的选择
根据有无屏蔽层，双绞线可分为非屏蔽双绞线(UTP)与屏蔽双绞线(STP)。UTP除了采用合理的绞距消除线对之间的串扰外(可认为是内部干扰)，还利用平衡传输特性消除外界的电磁干扰，即外界干扰在一个线对的两根导线上的影响相同而互相抵消，接受器只对信号敏感而不受这种共模噪声的影响，其抗干扰能力≥40dB。在一般电磁环境中使用UTP已能满足性能要求。
(1) 超过6类标准的高速数据传输中，因TUP的极限是6类标准，而实现7类标准必须采用屏蔽系统。
(2) 有信息安全要求的场合，不允许电磁信息往外发射，若屏蔽系统尚不能达到要求，应采用光缆系统。
1.3 屏蔽系统
屏蔽电缆的芯线外由于有一层屏蔽网，因此其屏蔽效果是很明显的，但它的做法却要求很严格:
(1) 要求全程屏蔽。包括线缆、终端、信息插座、跳接线、配线架、集线器等在内的整个系统都需要完全连续屏蔽，不允许有一丝的间断或破损。
(2) 要求有良好、正确的接地。对系统的接地方式、接地电阻有较高的要求，确保把干扰引入大地，并不把新的干扰引入系统。
以上两点在实际工程中均很难完全做到，若不能做到，则其性能可能反而不如UTP，而且屏蔽系统成本较高。目前，对综合布线是采用屏蔽与非屏蔽是工程界争论的焦点。
屏蔽系统除了传输部分屏蔽外，设备间(如机房)也需屏蔽。在高频时屏蔽物宜用铜或铝，其厚度可很小，而低频时宜用铁磁材料作屏蔽层。
1.4 传输线路的反射抑制
传输线在接有阻抗值不同于其特性阻抗Zc处，其传输的信号会在该处发生反射，并叠加在传输信号上，造成信号波形畸变，可能会使传送信息产生错误，或使电压超过电路极限值，破坏电路的正常工作。
反射包括信号源的内阻抗与传输线路的特性阻抗不匹配，以及传输线的特性阻抗与负载阻抗不匹配，或两种不同的电缆相互连接。综合布线线缆特性阻抗我国标准规定为100Ω与150Ω(新国标只规定为100欧姆)，其偏差为±15Ω，设计时要注意阻抗匹配，以消除发射的形成。
1.5 滤波
滤波是抗干扰的一项重要手段。滤波器件分为模拟滤波器和数字滤波器，它们应用于信号电路时，都应无失真地让需要的信号通过，即在通频带内，其幅频特性应为一常数，而相频特性应为线性，设计时应以此为原则。
模拟滤波器既可用于电源线路，也可用于信号输入、输出电路，能衰减脉冲噪声、尖峰噪声、谐波与其他杂波信号。对于共模噪声，滤波器在电源线(信号线)和地线间构成通路，把噪声电流引入大地;对于常模噪声，滤波器在线间构成通路，把噪声电流在线间短路。
在高速数字传输系统中，例如前兆位以太网中，近端串扰严重，而且阻抗匹配也难以作到。在系统中除常见措施外，还需要采用数字滤波技术消除串扰与回波损耗。因为与模拟滤波相比，数字滤波具有精度高、稳定性好、改变系统特性容易(通过软件)、易集成等优点，随着高速DSP的发展，数字滤波较易实现。
1.6 接地
在系统中各种自动化装置的接地种类及接地的技术指标要求,因生产厂及设备功能不同而不同,下面以通用型自动化装置为例,阐述其接地的设计原则:
(1) 系统地应为一点地,所有自动化设备的系统地均应连接到一点后,再进行接地。
(2) 为作到等电位,应当在自动化设备较为集中处，如操作室、控制室、计算机室等区域建立接地网络。
(3) 在一个区域内,每台设备到区域接地点应呈放射式接线，距离不应大于20米。
(4) 接地电阻应小于自动化设备的要求值,微电子设备不应与非自动化设备共地,也不能利用钢结构及建筑物的基础接地。
(5) 综合布线系统的接地种类分为:数字电源地(DG),模拟电源地(AG),模拟信号地(SG),同轴电缆地(CXG),机柜地(CG)。
尽管系统中各公司生产的自动化装置，对接地的种类规定及接地电阻的阻值要求不尽相同，但设备的系统地要求比其它几种接地要求要严格得多，并有越来越高的趋势。为了避免诸“地”间相互干扰，上述几种地都应设置各自独立的接地网络。其接地线必须采用绝缘铜导线，连接到统一的接地点，以形成一个共同的电位点。为了研究上述各种接地系统间的关系，分析接地网体系的诸多因素及降低接地电阻的有效途径和具体方法，近年来“计算机接地工程学”作为一门崭新的学科，受到自动化控制领域的重视，也为微电子装置的接地系统的研究和实践奠定了理论基础。
1.7 电源干扰的抑制
电源干扰主要形式是:脉冲干扰与持续干扰。持续干扰主要指电源欠电压、过电压、频率偏移和波形畸变，其持续时间大于10ms。这些主要都是电能质量问题，应按照《计算机站场地技术要求》中对电源供电的要求，必要时采用电源净化器、多个供电电源与UPS结合冗余方式，一确保供电可靠性和质量要求。
脉冲干扰指的是电网脉宽小于1μs的脉冲，主要原因有:线路上断开感性负载、投入补偿电容器、雷击等。其抑制措施是采用瞬变干扰吸收器或浪涌电压保护器、线路滤波器、屏蔽，对感性负载两端并联放电回路，容性负载串联限流元件。
对电子设备损害较大的是电磁脉冲干扰(EMP)，除了合理的屏蔽、滤波与接地之外，还要在电源进线与信号线、电子设备等处装设多级浪涌电压保护器或称为电源避雷器。它的装设与参数选择应根据配电系统形式、接地系统是联合接地还是单独接地以及电源的过载、短路、漏电保护装置等配合。
对于共用接地系统，各接地极之间可不加浪涌保护器，若是单独接地的，应在接地端子间加装保护器。当装设在信号回路中时，应与工作频率、传输线的特性阻抗相匹配。
2 过程通道抗干扰设计
由自动化装置构成控制系统中必须妥善解决好接口信号的隔离，抑制传输过程中产生的各种干扰，才能使系统稳定可靠运行。接口与过程通道是自动化装置和外部设备、被控对象进行信息交换的渠道，对于接口和过程通道侵入的干扰主要是因公共地线所引起，其次，在信号微弱和传输线路较长时还会受到静电和电磁波的干扰。目前在自动化控制系统中，对于数字输入信号，大部分都利用光电隔离器，也有一些使用脉冲变压器隔离和运算放大器隔离;对于数字输出信号也是主要采用光电隔离器。对于模拟量输入信号，则许多场合下采用调制-解调式隔离放大器、运算放大器等，模拟量输出信号隔离则可采用直流电压隔离法及变换隔离法等。
2.1 光电耦合技术
光电偶合器件是利用光传递信息的，它是由输入端的发光元件和输出端的受光元件组成，输入与输出在电气上是完全隔离的。其体积小、使用简便，可视现场干扰情况的不同，可以组成各种不同的线路对共模和长模干扰进行抑制。
(1) 应用于输入输出的隔离
光电耦合器用在输入、输出间隔离情况下，线路是很简单的，由于避免形成地环路，而输入与输出的接地点也可以任意选择。这种隔离的作用不仅可以用在数字电路中，也可以用在线性(模拟)电路中。
(2) 用于消除与抑制噪声
光电耦合器用于消除噪声是从两个方面体现的:一方面是使输入端的噪声不传递给输出端，只是把有用信号传送到输出端。另一方面，由于输入端到输出端的信号传递是利用光来实现的，极间电容很小，绝缘电阻很大，因而输出端的信号与噪声也不会反馈到输入端。
使用光电耦合器时，应注意这种光电耦合器本身有10-30pF的分布电容，所以频率不能太高;另外在接点输入时，应注意加RC滤波环节，抑制接点的抖动。另外，用于低电压时，其传输距离以100米以内为限、传输速率在10Kbps以下为宜。
2.2 脉冲变压器隔离
脉冲变压器原付边绕组匝数很少，分别绕制在铁氧体磁芯的两侧，分布电容仅几微微法，可作为脉冲信号的隔离器件。对于模拟量输入信号，由于每点的采样周期很短，实际上的采样波形也为一脉冲波形，也可实现隔离作用。这种脉冲变压器隔离方式，线路中也应加滤波环节抑制动态常模干扰和静态常模干扰，这种脉冲变压器隔离方式已被用于几兆赫的信号电路中。
2.3 模/数变换隔离
模/数变换隔离电路，在自动化控制系统中常在现场就地进行模/数转换，利用模/数转换器将易受干扰的模拟信号转换为数字信号进行传输，在接收端在采用光电隔离，以增强其在信号传输过程中的抗干扰能力。而模/数转换器的安装位置，怎样才能有效地抑制干扰，是实际应用中很具体的问题。对于在工业生产现场应用的环境中，一是可以考虑将模/数转换器远离生产现场，放置主控室，二是将模/数转换器放在生产现场，远离主控室，两者各有利弊。
将模/数转换器放置于主控室，便于把模/数转换器产生的数字信息传送
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