第9章計算機控制系統的電磁兼容與抗干擾設計

在實驗室運行良好的一個實際計算機控制系統安裝到工業現場，由于強大干擾等原因，導致系統不能正常運行，嚴重者造成不良后果，因此對計算機控制系統采取抗干擾措施是必不可少的。干擾可以沿各種線路侵入計算機控制系統，也可以以場的形式從空間侵入計算機控制系統，供電線路是電網中各種浪涌電壓入侵的主要途徑。系統的接地裝置不良或不合理，也是引入干擾的重要途徑。各類傳感器、輸入輸出線路的絕緣不良，均有可能引入干擾，以場的形式入侵的干擾主要發生在高電壓、大電流、高頻電磁場（包括電火花激發的電磁輻射）附近。它們可以通過靜電感應、電磁感應等方式在控制系統中形成干擾，表現為過壓、欠壓、浪涌、下陷、降出、尖峰電壓、射頻干擾、電氣噪聲、天電干擾、控制部件的漏電阻、漏電容、漏電感、電磁輻射等等。9.1電磁兼容性概述9.1.1電磁兼容技術的發展電磁兼容是通過控制電磁干擾來實現的，因此電磁兼容學是在認識電磁干擾、研究電磁干擾、對抗電磁干擾和管理電磁干擾的過程中發展起來的。電磁干擾是一個人們早已發現的古老問題，1881年英國科學家希維塞德發表了《論干擾》一文，從此拉開了電磁干擾問題研究的序幕。此后隨著電磁輻射、電磁波傳播的深入研究以及無線電技術的發展，電磁干擾控制和抑制技術也有了很大的發展。顯而易見，干擾與抗干擾問題貫穿于無線電技術發展的始終。電磁干擾問題雖然由來已久，但電磁兼容這一新的學科確是到近代才形成的。在干擾問題的長期研究中，人們從理論上認識了電磁干擾產生的問題，明確了干擾的性質及其數學物理模型，逐漸完善了干擾傳輸及耦合的計算方法，提出了抑制干擾的一系列技術措施，建立了電磁兼容的各種組織及電磁兼容系列標準和規范，解決了電磁兼容分析、預測設計及測量等方面一系列理論問題和技術問題，逐漸形成了一門新的分支學科——電磁兼容學。早在1993面IEC就成立了國際無線電干擾特別委員會（CISPR），后來又成立了電磁兼容技術委員會（TC77）和電磁兼容咨詢委員會（ACEC）。20世紀60年代以后，電氣與電子工程技術迅速發展，其中包括數字計算機、信息技術、測試設備、電信、半導體技術的發展。在所有這些技術領域內，電磁噪聲和克服電磁干擾產生的問題引起人們的高度重視，促進了在世界范圍內的電磁兼容技術的研究。進入20世紀80年代以來，隨著通信、自動化、電子技術的飛速發展，電磁兼容學已成為十分活躍的學科，許多國家（如美國、德國、日本、法國等）在電磁兼容標準與規范，分析預測、設計、測量及管理等方面均達到了很高水平，有高精度的EMI及電磁敏感度（EMS）自動測量系統，可進行各種系統間的EMC試驗，研制出系統內及系統間的各種EMC計算機分析程序，有的程序已經商品化，形成了一套較完整的EMC設計體系。9.1.2電磁干擾1.電磁干擾的定義⑴電磁騷擾（EMD，ElectroMagneticDisturbance）電磁騷擾是指“任何可能引起裝置、設備或系統性能降級或對有生命或無生命物質產生作用的電磁現象。電磁騷擾可能是電磁噪聲、無用信號或傳播媒介自身的變化”。⑵電磁干擾（EMI,ElectroMagneticInterference）

電磁干擾是指“電磁騷擾引起的設備、傳輸通道或系統性能的下降”。電磁騷擾僅僅是電磁現象，即客觀存在的一種物理現象，它可能引起設備性能的降級或損害，但不一定已經形成后果。而電磁干擾是由電磁騷擾引起的后果。2.電磁干擾源的分類 電磁干擾的分類可以有許多種分法。按傳播途徑分，有傳導干擾和輻射干擾，其中傳導干擾的傳輸性質有電耦合、磁耦合及電磁耦合；按輻射干擾的傳輸性質分，有近區場感應耦合和遠區場輻射耦合；按頻帶分，有窄帶干擾和寬帶干擾；按實施干擾者的主觀意向分，可分為有意干擾源和無意干擾源；按干擾源性質分，有自然干擾和人為干擾。電磁干擾源的分類如圖9-1所示。

圖9-1電磁干擾源分類對于傳導干擾按其傳導模式分為串模干擾和共模干擾。⑴串模干擾所謂串模干擾是指疊加在被測信號上的干擾噪聲。這里的被測信號是指有用的直流信號或者變化緩慢的交變信號，而干擾噪聲是指無用的變化較快的雜亂交變信號，如圖9-2和圖9-3所示。

圖9-2串模干擾形式1圖9-3串模干擾形式2由圖9-2和圖9-3可知，串模干擾和被測信號在回路中所處的地位是相同的，總是以兩者之和作為輸入信號。⑵共模干擾被控制和被測試的參量可能很多，并且分散在生產現場的各個地方，一般都用很長的導線把計算機發出的控制信號傳送到現場中的某個控制對象，或者把安裝在某個裝置中的傳感器所產生的被測信號傳送到計算機的A/D轉換器。因此被測信號的參考接地點和計算機輸入端信號的參考接地點之間往往存在著一定的電位差，如圖9-4所示。圖9-4共模干擾示意圖3.電磁干擾的三要素所有的電磁干擾都是由3個基本要素組合而成的，它們是：電磁干擾源；對該干擾能量敏感的設備；將電磁干擾源傳輸到敏感設備的媒介，即傳輸通道或耦合途徑。電磁干擾源作用于敏感設備的耦合途徑如圖9-5所示。

圖9-5電磁干擾源作用于敏感設備的耦合途徑對抑制所有電磁干擾的方法也應由這三要素著手解決。電磁干擾源：指產生電磁干擾的任何元件、器件、設備、系統或自然現象。耦合途徑（或稱傳輸通道）：指將電磁干擾能量傳輸到受干擾設備的通道或媒介。敏感設備：指受到電磁干擾影響，或者說對電磁干擾發生響應的設備。

4.自然干擾（噪聲）

自然電磁干擾源存在于地球和宇宙，自然電磁現象會產生電磁噪聲。自然干擾主要分為宇宙干擾、大氣干擾、雷電干擾和熱噪聲。宇宙干擾是來自太陽系、銀河系及河外星系的電磁騷擾，主要包括太空背景噪聲和太陽、月亮、木星等發射的無線電噪聲。雷電干擾主要是由夏季本地雷電和冬季熱帶地區雷電放電所產生。

大氣干擾是指除雷電放電外大氣中的塵埃、雨點、雪花、冰雹等微粒在高速通過飛機、飛船表面時，由于相對摩擦運動而產生電荷遷移從而沉積靜電，當電勢升高到1MV時，就發生火花放電、電暈放電。熱噪聲是指處于一定熱力學狀態下的導體中所出現的無規則電起伏，它是由導體中自由電子的無規則運動引起的。

5.人為干擾（噪聲）有意發射干擾源：是專用于輻射電磁能的設備，例如廣播、電視、通信、雷達、導航等發射設備，是通過向空間發射有用信號的電磁能量來工作的，它們對不需要這些信號的電子系統或設備將構成功能性干擾，而且是電磁環境的重要污染源。無意發射干擾源：例如汽車的點火系統，各種不同的用電裝置和帶電動機的裝置，工業、科學和醫用設備以及接收機的本機震蕩輻射等都在無意地發射電磁能量。這種發射可能是向空間的輻射，也可能是沿導線的傳導發射，所發射的電磁能量是隨機的或是有規則的，一般占有非常寬的頻帶或離散頻譜，所發射的功率可從皮瓦到兆瓦量級。

9.2電磁兼容性設計 9.2.1電磁兼容的含義隨著各種電子電路和電力電子技術在家庭、工業、交通、國防領域日益廣泛的應用，電磁干擾（ElectromagneticInterference-EMI）和電磁敏感度（ElectromagneticSusceptibility-EMS）已成為現代電氣工程設計和研究人員在設計過程中必須考慮的問題。電磁兼容性（EMC）包括兩方面的含義：電子設備或系統內部的各個部件和子系統、一個系統內部的各臺設備乃至相鄰幾個系統，應具有一定的電磁敏感度，以保證它們對電磁干擾具有一定的抗擾度（ImmunitytoaDisturbance）。該設備或系統自己產生的電磁噪聲（ElectromagneticNoise-EMN）必須限制在一定的電平，使由它所造成的電磁干擾不致對它周圍的電磁環境造成嚴重的污染和影響其他設備或系統的正常運行。9.2.2電磁兼容控制技術在控制技術上，除了采用眾所周知的抑制干擾傳播的技術，如屏蔽、接地、搭接、合理布線等方法以外，還可以采取回避和疏導的技術處理。空間分離法電磁屏蔽是電磁兼容控制的重要手段。電磁屏蔽就是以金屬隔離的原理來控制電磁干擾由一個區域向另一個區域感應和輻射傳播的方法。屏蔽一般分為兩種類型：一類是靜電屏蔽，主要用于防止靜電場和恒定磁場的影響，另一類是電磁屏蔽，主要用于防止交變電場、交變磁場以及交變電磁場的影響。靜電屏蔽應具有兩個基本要點，即完善的屏蔽體和良好的接地。電磁屏蔽不但要求有良好的接地，而且要求屏蔽體具有良好的導電連續性，對屏蔽體的導電性要求要比靜電屏蔽高得多。因而為了滿足電磁兼容性要求，常常用高導電性的材料作為屏蔽材料，如銅板、銅箔、鋁板、鋁箔、鋼板或金屬鍍層、導電涂層。頻率管理法頻率管理法是指運用干擾抑制濾波技術來選擇信號和抑制干擾。電氣隔離法電源線是電磁干擾傳入設備和傳出設備的主要途徑。通過電源線，電網上的干擾可以傳入設備，干擾設備的正常工作。同樣，設備的干擾也可以通過電源線傳到電網上，對電網上其他設備造成干擾。為了防止這兩種情況的發生，必須在設備的電源入口處安裝一個低通濾波器，這個濾波器只允許設備的較低工作頻率（50Hz，60Hz，400Hz）通過，而對較高頻率的干擾有很大的損耗，由于這個濾波器專門用于設備電源線上，所以稱為電源線濾波器。傳輸通道抑制法在一個電子系統中，通道之間的信號輻射會產生電磁干擾。如果是兩個圖像通道的信號干擾，會產生圖像疊加、背景虛像等現象。如果是兩個音頻通道的信號干擾，則會出現串音現象。在印刷電路板上，信號線長距離高密度平行，就有可能出現傳輸通道干擾。改善傳輸通道干擾的方法是在設計PCB板時，高頻信號之間的布線盡量少平行，有條件的要插入地線，傳輸通道干擾的抑制方法有濾波、屏蔽、搭接、接地、改善布線等方法。時間分隔法讓電子設備工作在干擾源的時間間隙里，從而避免了電磁干擾。時間分隔法有雷達脈沖同步方法、主動時間分隔方法、被動時間分隔方法等。9.3干擾的耦合方式干擾源產生的干擾是通過耦合通道對計算機控制系統發生電磁干擾作用的。因此，需要弄清干擾源與被干擾對象之間的傳遞方式和耦合機理。干擾的傳遞幾乎都是通過導線，或者通過空間和大地傳遞的，如表9-1所示。傳遞途徑傳遞方式決定因素噪聲表現方式導線傳導經導線侵入傳導的模式串模干擾：疊加于往返兩線間的干擾共模干擾：疊加于線路和地線間的干擾侵入的線路電源線：從電源電路侵入的干擾信號線：從信號輸入線、輸出線侵入的干擾控制線：從控制線侵入的干擾空間輻射輻射電磁場距離輻射源的波長電磁波感應平行配線和多芯電纜等近距離電磁場靜電感應：高阻抗電場靜電耦合電磁感應：低阻抗磁場電磁耦合大地和接地電路地線傳導地線感應地線上出現的干擾電壓靜電耦合：由地線侵入的噪聲電導耦合：外電流流入裸線天線效應：接地線成為天線，輻射出干擾接地干擾地電流共模干擾：接地點間的電位差表9-1干擾的傳遞方式9.3.1直接耦合方式電導性耦合最普遍的方式是干擾信號經過導線直接傳導到被干擾電路中而造成對電路的干擾。在計算機控制系統中，干擾噪聲經過電源線耦合進入計算機電路是最常見的直接耦合現象。對這種耦合方式，可采用濾波去耦的方法有效地抑制或防止電磁干擾信號的傳入。公共阻抗耦合方式是干擾源和信號源具有公共阻抗時的傳導耦合。公共阻抗隨元件配置和實際器件的具體情況而定。例如，電源線和接地線的電阻、電感在一定的條件下會形成公共阻抗；一個電源電路對幾個電路供電時，如果電源不是內阻抗為零的理想電壓源，則其內阻抗就成為接受供電的幾個電路的公共阻抗。只要其中某一電路的電流發生變化，9.3.2公共阻抗耦合方式便會使其他電路的供電電壓發生變化，形成公共阻抗耦合。公共阻抗耦合一般發生在兩個電路的電流流經一個公共阻抗時，一個電路在該阻抗上的電壓降會影響到另一個電路。常見的公共阻抗耦合有公共地和電源阻抗兩種。為了防止公共阻抗耦合，應使耦合阻抗趨近于零，通過耦合阻抗上的干擾電流和產生的干擾電壓將消失。此時，有效回路與干擾回路即使存在電氣連接（在一點上），它們彼此也不再互相干擾，這種情況通常稱為電路去耦，即沒有任何公共阻抗耦合的存在。電容耦合方式是指電位變化在干擾源與干擾對象之間引起的靜電感應。又稱靜電耦合或電場耦合。計算機控制系統電路的元件之間、導線之間、導線與元件之間都存在著分布電容。如果某一個導體上的信號電壓（或噪聲電壓）通過分布電容使其他導體上的電位受到影響，這樣的現象就稱為電容性耦合。9.3.3電容耦合方式電磁感應耦合又稱磁場耦合。在任何載流導體周圍空間中都會產生磁場。若磁場是交變的，則對其周圍閉合電路產生感應電勢。在設備內部，線圈或變壓器的漏磁是一個很大的干擾；在設備外部，當兩根導線在很長的一段區間架設時，也會產生干擾。電磁場輻射也會造成干擾耦合。當高頻電流流過導體時，在該導體周圍便產生電力線和磁力線，并發生高頻變化，從而形成一種在空間傳播的電磁波。處于電磁波中的導體便會感應出相應頻率的電動勢。9.3.5輻射耦合方式9.3.4電磁感應耦合方式漏電耦合是電阻性耦合方式。當相鄰的元件或導線間的絕緣電阻降低時，有些電信號通過這個降低了的絕緣電阻耦合到邏輯元件的輸入端而形成干擾。干擾耦合到計算機控制系統的主要途徑有電源系統、傳導通路和空間電磁波的感應三個方面，如圖9-6所示。9.3.6漏電耦合方式圖9-6干擾耦合到計算機控制系統的途徑9.4計算機控制系統可靠性設計計算機控制系統的可靠性技術涉及到生產過程的多個方面，不僅與設計、制造、檢驗、安裝、維護有關，而且還與生產管理、質量監控體系、使用人員的專業技術水平與素質有關。下面主要是從技術的角度介紹提高計算機控制系統可靠性的最常用的方法。9.4.1可靠性設計任務影響計算機控制系統可靠性的因素有內部與外部兩方面。針對內外因素的特點，采取有效的軟硬件措施，是可靠性設計的根本任務。內部因素導致系統運行不穩定的內部因素主要有以下三點：(1)元器件本身的性能與可靠性。元器件是組成系統的基本單元，其特性好壞與穩定性直接影響整個系統性能與可靠性。(2)系統結構設計。包括硬件電路結構設計和運行軟件設計。(3)安裝與調試。元器件與整個系統的安裝與調試，是保證系統運行和可靠性的重要措施。盡管元件選擇嚴格，系統整體設計合理，但安裝工藝粗糙，調試不嚴格，仍然達不到預期的效果。外部因素外因是指計算機所處工作環境中的外部設備或空間條件導致系統運行的不可靠因素，主要包括以下幾點：(1)外部電氣條件，如電源電壓的穩定性、強電場與磁場等的影響。(2)外部空間條件，如溫度、濕度、空氣清潔度等等。(3)外部機械條件，如振動、沖擊等等。為了保證計算機系統可靠工作，必須創造一個良好的外部環境。如采取屏蔽措施、遠離產生強電磁場干擾的設備，加強通風以降低環境溫度，安裝緊固以防止振動等等。元器件的選擇是根本，合理安裝調試是基礎，系統設計是手段，外部環境是保證，這是可靠性設計遵循的基本準則，并貫穿于系統設計、安裝、調試、運行的全過程。為了實現這些準則，必須采取相應的硬件或軟件方面的措施，這是可靠性設計的根本任務。9.4.2可靠性設計技術1.元器件級元器件是計算機系統的基本部件，元器件的性能與可靠性是整體性能與可靠性的基礎。因此，元器件的選用要遵循以下原則：(1)嚴格管理元器件的購置、儲運元器件的質量是主要由制造商的技術、工藝及質量管理體系保證的。(2)老化、篩選和測試元器件在裝機前應經過老化篩選，淘汰那些質量不佳的元件。(3)降額使用所謂降額使用，就是在低于額定電壓和電流條件下使用元器件，這將能提高元器件的可靠性。

降額使用多用于無源元件（電阻、電容等）、大功率器件、電源模塊或大電流高壓開關器件等。降額使用不適用于TTL器件，因為TTL電路對工作電壓范圍要求較嚴，不能降額使用。MOS型電路因其工作電流十分微小，失效主要不是功耗發熱引起的，故降額使用對于MOS集成電路效果不大。(4)選用集成度高的元器件近年來，電子元器件的集成化程度越來越高。系統選用集成度高的芯片可減少元器件的數量，使得印刷電路板布局簡單，減少焊接和連線，因而大大減少故障率和受干擾的概率。2.部件及系統級部件及系統級的可靠性技術是指功能部件或整個系統在設計、制造、檢驗等環節所采取的可靠性措施。元器件的可靠性主要取決于元器件制造商，部件及系統的可靠性則取決于設計者的精心設計。可靠性研究資料表明，影響計算機可靠性因素，有40%來自電路及系統設計。

(1)冗余技術冗余技術也稱容錯技術，是通過增加完成同一功能的并聯或備用單元數目來提高可靠性的一種設計方法。如在電路設計中，對那些容易產生短路的部分，以串聯形式復制；對那些容易產生開路的部分，以并聯的形式復制。冗余技術包括硬件冗余、軟件冗余、信息冗余、時間冗余等。硬件冗余是用增加硬件設備的方法，當系統發生故障時，將備份硬件頂替上去，使系統仍能正常工作，硬件冗余結構主要用在高可靠性場合。(2)電磁兼容性設計電磁兼容性是指計算機系統在電磁環境中的適應性，即能保持完成規定功能的能力。電磁兼容性設計的目的是使系統既不受外部電磁干擾的影響，也不對其他電子設備產生影響。

(3)信息冗余技術對計算機控制系統而言，保護信號信息和重要數據是提高可靠性的重要方面。為了防止系統因故障等原因而丟失信息，常將重要數據或文件多重化，復制一份或多份“拷貝”，并存于不同的空間。一旦某一區間或某一備份被破壞，則自動從其他部分重新復制，使信息得以恢復。(4)時間冗余技術為了提高計算機控制系統的可靠性，可以采用重復執行某一操作或某一程序，并將執行結果與前一次的結果進行比較對照來確認系統工作是否正常。(5)故障自動檢測與診斷技術對于復雜系統，為了保證能及時檢驗出有故障裝置或單元模塊，以便及時把有用單元替換上去，就需要對系統進行在線的測試與診斷。這樣做的目的有兩個：一是為了判定動作或功能的正常性；二是為了及時指出故障部位，縮短維修時間。

(6)軟件可靠性技術計算機運行軟件是系統欲實行的各項功能的具體反映。軟件的可靠性主要標志是軟件是否真實而準確地描述了欲實現的各種功能。因此，對生產工藝的了解熟悉程度直接關系到軟件的編寫質量。提高軟件可靠性的前提條件是設計人員對生產工藝過程的深入了解，并且使軟件易讀、易測和易修改。為了提高軟件的可靠性，應盡量將軟件規范化、標準化和模塊化，盡可能把復雜的問題化成若干較為簡單明確的小任務。把一個大程序分成若干獨立的小模塊，這有助于及時發現設計中的不合理部分，而且檢查和測試幾個小模塊要比檢查和測試大程序方便得多。

9.5抗干擾的硬件措施干擾對計算機控制系統的作用可以分為以下部位：輸入系統，它使模擬信號失真，數字信號出錯，控制系統根據這種輸入信息作出的反應必然是錯誤的。輸出系統，使各輸出信號混亂，不能正常反應控制系統的真實輸出量，從而導致一系列嚴重后果。如果是檢測系統，則其輸出的信息不可靠，人們據此信息作出的決策也必然出差錯。如果是控制系統，其輸出將控制一批執行機構，使其作出一些不正確的動作，輕者造成一批廢次產品，重者引起嚴重事故。控制系統的內核，使三總線上的數字信號錯亂，從而引發一系列后果。CPU得到錯誤的數據信息，使運算操作數失真，導致結果出錯，并將這個錯誤一直傳遞下去，形成一系列錯

誤。CPU得到錯誤的地址信息后，引起程序計數器PC出錯，使程序運行離開正常軌道，導致程序失控。在與干擾作斗爭的過程中，人們積累了很多經驗，有硬件措施，有軟件措施，也有軟硬結合的措施。硬件措施如果得當，可將絕大多數干擾拒之門外，但仍然有少數干擾竄入控制系統，引起不良后果。故軟件抗干擾措施作為第二道防線是必不可少的。

9.5.1抗串模干擾的措施

串模干擾通常疊加在各種不平衡輸入信號和輸出信號上，還有很多情況下是通過供電線路竄入系統的。因此，抗干擾電路通常便設置在這些干擾必經之路上。1.光電隔離在輸入和輸出通道上，采用光電隔離器進行信息傳輸，它將控制系統與各種傳感器、開關、執行機構從電氣上隔離開來，很大一部分干擾（如外部設備和傳感器的漏電現象）將被阻擋。2.繼電器隔離繼電器的線圈和觸點之間沒有電氣上的聯系，所以可利用繼電器的線圈接收信號，通過觸點發送和輸出信號，從而避免強電和弱電信號之間的直接接觸，達到了抗干擾的目的。3.變壓器隔離脈沖變壓器可實現數字信號的隔離。脈沖變壓器的匝數較少，而且一次和二次繞組分別纏繞在鐵氧體磁芯的兩側，分布電容僅幾pF，所以可作為脈沖信號的隔離器件。4.布線隔離合理布線，滿足抗干擾技術的要求。控制系統中產生干擾的電路主要有：(1)指示燈、繼電器和各種電動機的驅動電路，電源線路、晶閘管整流電路、大功率放大電路等。(2)連接變壓器、蜂鳴器、開關電源、大功率晶體管、開關器件等的線路。(3)供電線路、高壓大電流模擬信號的傳輸線路、驅動計算機外部設備的線路和穿越噪聲污染區域的傳輸線路等。 信號線和動力線之間應保持的最小間距如表9-2所示。動力線容量與信號線的最小間距125V10A30cm250V50A45cm440V200A60cm5KV800A120cm以上表9-2動力線和信號線之間的最小間距5.硬件濾波電路濾波是為了抑制噪聲干擾，在數字電路中，當電路從一個狀態轉換成另一個狀態時，就會在電源線上產生一個很大的尖峰電流，形成瞬變的噪聲電壓。當電路接通與斷開電感負載時，產生的瞬變噪聲干擾往往嚴重妨害系統的正常工作。所以在電源變壓器的進線端加入電源濾波器，以消弱瞬變噪聲的干擾。濾波器按結構分為無源濾波器和有源濾波器。由無源元件電阻、電容和電感組成的濾波器為無源濾波器；由電阻、電容、電感和有源元件（如運算放大器）組成的濾波器為有源濾波器。在抗干擾技術中，使用最多的是低通濾波器，其主要元件是電容和電感。采用電容的無源低通濾波器如圖9-7所示。圖9-7采用電容的無源低通濾波器圖9-7a結構可抗串模干擾，圖9-7b結構可抗共模干擾，圖9-7c結構既可抗串模干擾，又可抗共模干擾。6.過壓保護電路

如果沒有采用光電隔離措施，在輸入輸出通道上應采用一定的過壓保護措施，以防引入過高電壓，侵害控制系統。過壓保護電路由限流電阻和穩壓管組成，限流電阻選擇要適宜，太大了會引起信號衰減，大小了起不到保護穩壓管的作用。9.5.2抗共模干擾的措施

共模干擾通常是針對平衡輸入信號而言的，抗共模干擾的方法主要有以下幾種：

1.平衡對稱輸入在設計信號源（通常是各類傳感器）時，盡可能做到平衡和對稱，否則有可能產生附加的差模干擾，使后續電路不易對付。

2.選用高質量的差動放大器高質量差動放大器的特點為高增益、低噪聲、低漂移、寬頻帶。由它構成的運算放大器將獲得足夠高的共模抑制比。

3.控制系統的接地技術

(1)浮地—屏蔽接地在計算機控制系統中，通常是把數字電子裝置和模擬電子裝置的工作基準地浮空，而設備外殼或機箱采用屏蔽接地。

(2)接地點的種類在計算機控制系統和其它電子設備中，安全接地一般均采用一點接地，工作接地分一點接地和多點接地。9.5.3采用雙絞線屏蔽信號線的辦法，一種是采用雙絞線，其中一根用作屏蔽線，另一根用作信號傳輸線；另一種是采用金屬網狀編織的屏蔽線，金屬編織作屏蔽外層，芯線用來傳輸信號。一般的原則是：抑制靜電感應干擾采用金屬網的屏蔽線，抑制電磁感應干擾應該用雙絞線。

1.雙絞線的抗干擾原理雙絞線對外來磁場干擾引起的感應電流情況如圖9-8所示。雙絞線回路空間的箭頭表示感應磁場的方向。圖9-8雙絞線間電路磁場感應干擾情況2.雙絞線的應用在計算機控制系統的長線傳輸中，雙絞線是比較常用的一種傳輸線。另外，在接指示燈、繼電器等時，也要使用雙絞線。但由于這些線路中的電流比信號電流大很多，因此這些電路應遠離信號電路。在數字信號的長線傳輸中，除對雙絞線的接地與節距有一定要求外，根據傳送的距離不同，雙絞線使用方法也不同。9.5.4反射波干擾及抑制電信號（電流、電壓信號）在沿導線傳輸過程中，由于分布電感、電容和電阻的存在，導線上各點的電信號并不能馬上建立，而是有一定的滯后，離起點越遠，電壓波和電流波到達的時間越晚。這樣，電波在線路上以一定的速度傳播開來，從而形成行波。反射噪聲干擾對電路的影響，依傳輸線長度、信號頻率高低、傳輸延遲時間而定。在計算機控制系統中，傳輸的數字信號為矩形脈沖信號。當傳輸線較長，信號頻率較高，以致于使導線的傳輸延遲時間與信號寬度相接近時，就必須考慮反射的影響。影響反射波干擾的因素有兩個：其一是信號頻率，傳輸信號頻率越高，越容易產生反射波干擾，因此在滿足系統功能的前提下，盡量降低傳輸信號的頻率；其二是傳輸線的阻抗，合理配置傳輸線的阻抗，可以抑制反射波干擾或大大削弱反射次數。9.5.5正確連接模擬和數字地

1.地線連接方式A/D、D/A轉換電路要特別注意地線的正確連接，否則干擾影響將很嚴重。A/D、D/A芯片及采樣保持芯片均提供了獨立的數字地和模擬地，分別有相應的管腳。在線路設計中，必須將所有器件的數字地和模擬地分別相連，但數字地與模擬地僅在一點上相連。應特別注意，在全部電路中的數字地和模擬地僅僅連在一點上，在芯片和其他電路中不可再有公共點。地線的正確連接方法如圖9-9所示。圖9-9正確的接地方式2.PCB布線原則

(1)應盡量縮短傳輸導線長度。

(2)數字信號與模擬信號線盡量遠離。

(3)電源線和地線的電流密度不應太大，以減少電源線和地線引入的干擾。印刷電路中的導線寬度一般按2A/mm來確定。9.5.6電源的抗干擾措施在計算機控制系統中，為了保證各部分電路的工作，需要一組或多組直流電源。直流電源是由交流電（如市電220VAC）經過變壓、整流、濾波、穩壓后向控制系統提供的。由于直流電源的輸入直接接在電網上，因此電網上的各種干擾便會通過直流電源引入控制系統，對控制系統內部造成影響。同時，直流電源又是一個嚴重的干擾源，所以必須對電源采取抗干擾措施。1.電源干擾的類型

(1)電源線中的高頻干擾供電電力線相當于一個接收天線，能把雷電、開閉日光燈、啟停大功率的用電設備、電弧、廣播電臺等輻射的高頻干擾信號通過電源變壓器初級耦合到次級，形成對計算機的干擾。

(2)感性負載產生的瞬變噪聲切斷大容量感性負載時，能產生很大的電流和電壓變化率，從而形成瞬變噪聲干擾，成為電磁干擾的主要原因。

(3)晶閘管通斷時所產生的干擾晶閘管由截止到導通，僅在幾微秒的時間內使電流由零很快上升到幾十甚至幾百安培，因此電流變化率

很大。這樣大的電流變化率，使得晶閘管在導通瞬間流過一個具有高次諧波的大電流，在電源阻抗上產生很大的壓降，從而使電網電壓出現缺口。這種畸變了的電壓波形含有高次諧波，可以向空間輻射，或者通過傳導耦合，干擾其他電子設備。

(4)電網電壓的短時下降干擾當啟動如大電機等大功率負載時，由于啟動電流很大，可導致電網電壓短時大幅度下降。這種下降值超出穩壓電源的調整范圍時，也將干擾電路的正常工作。

(5)拉閘過程形成的高頻干擾當計算機與電感負載共用一個電源，拉閘時產生的高頻干擾電壓通過電源變壓器的初次級間的分布電容耦合到控制系統，再經該裝置與大地間的分布電容形成耦合回路。

2.電源抗干擾的基本措施

計算機控制系統有大部分干擾是通過電源耦合進來的。因此，提高電源系統的供電質量，對確保系統安全可靠運行是非常重要的。電源抗干擾的基本措施如下：

(1)采用交流穩壓器。當電網電壓波動范圍較大時，應使用交流穩壓器。若采用磁飽和式交流穩壓器，對來自電源的噪聲干擾也有很好的抑制作用。

(2)電源濾波器。交流電源引線上的濾波器可以抑制輸入端的瞬態干擾。直流電源的輸出也接入電容濾波器，以使輸出電壓的紋波限制在一定范圍內，并能抑制數字信號產生的脈沖干擾。

(3)在要求供電質量很高的特殊情況下，可以采用發電機組或逆變器供電，如采用在線式UPS不間斷電源供電。

(4)電源變壓器采用屏蔽措施。利用幾毫米厚的高導磁材料（如坡莫合金）將變壓器嚴密的屏蔽起來，以減小漏磁通的影響。

(5)在每塊印刷電路板的電源與地之間并接去耦電容，即5~10μF的電解電容和一個0.01~0.1μF的電容，這可以消除電源線和地線中的脈沖電流干擾。

(6)采用分立式供電。整個系統不是統一變壓、濾波、穩壓后供各單位電路使用，而是變壓后直接送給各單元電路的整流、濾波、穩壓。這樣可以有效地消除各單元電路間的電源線、地線間的耦合干擾，又提高了供電質量，增大了散熱面積。

(7)分開供電方式。把空調、照明、動力設備分為一類供電方式，把計算機控制系統分為一類供電方式，以避免強電設備工作時對控制系統的干擾。9.5.7壓敏電阻及其應用壓敏電阻是一種非線性電阻性元件，它對外加的電壓十分敏感，外加電壓的微小變動，其阻值會發生明顯變化。因此，電壓的微增量便可引起大的電流增量。壓敏電阻可分為氧化鋅（ZnO）壓敏電阻、碳化硅壓敏電阻和硅壓敏電阻等。ZnO壓敏電阻器的電氣特性曲線如圖9-10所示。圖9-10ZnO壓敏電阻I-V特性曲線1.壓敏電阻的電氣參數(1)壓敏電壓壓敏電壓又稱標稱電壓。當幾何形狀一定時，1mA電流相對應的電壓為壓敏電壓。(2)

殘壓比殘壓是指壓敏電阻器流過某一脈沖電流時元件兩端的電壓峰值。殘壓比是這個峰值電壓與壓敏電壓的比值。顯然，對同一脈沖電流而言，殘壓比越小，說明元件非線性強；反之，則元件非線性差。(3)

C值在一定電流下，C值大的壓敏電阻器所對應的電壓值也高，所以有時稱C為非線性電阻值。對一定的材料來說，C值與器件的幾何尺寸有關。(4)

漏電流壓敏電阻在正常工作電壓下應是高阻態，也即是使其漏電流越小越好。因此，習慣上把ZnO壓敏電阻器正常工作時流過的電流稱漏電流。(5)通流容量又稱通流能力或通流量。把滿足V1mA要求下，壓敏電阻所能承受的最大沖擊電流（按規定波形）叫壓敏電阻器的通流容量。2.壓敏電阻的應用ZnO壓敏電阻與被保護的設備或過壓源并聯，而且安裝部位應盡可能靠近被保護的設備。壓敏電阻的主要作用是抑制浪涌電壓干擾。將壓敏電阻并聯在開關電源輸入端的電路如圖9-11所示。圖9-11壓敏電阻應用電路在圖9-11中，FU為保險絲，RV1為壓敏電阻，L為共軛扼流圈，它與電容C1、C2、C3、C4組成濾波電路。當L、N輸入電壓為220VAC時，可選RV1為TVR10471，直徑為10mm，壓敏電壓為470V。9.5.8TVS瞬變電壓抑制器及其應用瞬變電壓抑制器（TransientVoltageSuppressionDiode）又稱作瞬變電壓抑制二極管，是普遍使用的一種高效能電路保護器件，一般簡稱TVS，也可簡稱TVP等。TVS對靜電、過壓、電網干擾、雷擊、開關打火、電源反向及電機/電源噪聲振動保護尤為有效。TVS具有體積小、功率大、響應快、無噪聲、價格低等優點。目前廣泛應用于家用電器、電子儀表、通信設備、電源、計算機系統等領域。

1.TVS的特性

TVS瞬變電壓抑制器的V-I特性曲線如圖9-12所示。圖9-12TVS的V-I特性曲線TVS按極性可分為單極性及雙極性兩種。單極性只對一個方向的浪涌電壓起保護作用，對相反方向的浪涌電壓它相當于一只正向導通的二極管。雙極性可以對任何方向的浪涌電壓起鉗位作用。2.TVS的電氣參數

(1)最大反向漏電流IR和額定反向關斷電壓VR

VR是TVS最大連續工作的直流或脈沖電壓，TVS在這個反向電壓作用下處于反向關斷狀態，流過它的電流應小于或等于其最大反向漏電流IR。

(2)最小擊穿電壓VB和擊穿電流IT

VB是TVS最小的擊穿電壓（又稱雪崩電壓）。25℃時，當TVS兩極間電壓小于VB時，保證TVS是不導通的。當規定流過TVS的電流為1mA（IT）時，加于TVS兩極間的電壓定義為最小擊穿電壓VB。

(3)最大鉗位電壓VC和最大峰值脈沖電流IP-P當脈沖峰值電流IP-P流過TVS持續20μs時，在其兩極間出現的最大峰值電壓VC稱為鉗位電壓，是在峰值電流

下測得的最大電壓值。VC

、IP-P反映了TVS的浪涌抑制能力。(4)最大峰值脈沖功耗PmPm是TVS能承受的最大峰值脈沖功率耗散。在給定的最大鉗位電壓下，功耗Pm越大，其浪涌電流的承受能力越大；在給定的功耗Pm下，鉗位電壓VC越低，其浪涌電流的承受能力越大。

(5)鉗位時間tC

tC是從零到最小擊穿電壓VB的時間。單極性TVS小于1×10－12s；而雙極性TVS小于1×10－9s。3.TVS選取原則選取TVS應遵循以下原則：(1)若TVS有可能承受來自兩個方向的浪涌電壓沖擊，就應當選用雙極性的，否則就選用單極性的。(2)所選用的TVS的VC值應低于被保護元件的最高電壓。(3)TVS在正常工作狀態下不要處于擊穿狀態，最好處于VR以下，綜合考慮VR和VC兩方面的要求，選擇合適的TVS。(4)如果知道比較準確的浪涌電流IP-P，可以利用VC·IP-P來確定功率；如果無法確定IP-P的大致范圍，可選擇功率大些的TVS為好。4.TVS的應用

TVS的應用電路如圖9-13所示。圖9-13所示電路為智能測控節點常用電源電路，采用24V供電，通過DC-DC模塊B2405S-2W變成隔離+5V電源。其中24CA為雙極性TVS二極管，IN4001二極管為防止接反電源極性損壞DC-DC模塊。圖9-13TVS的應用電路9.6抗干擾的軟件措施9.6.1數字信號輸入輸出中的軟件抗干擾措施

如果CPU工作正常，干擾只作用在系統的I/O通道上，可用如下方法減少干擾對數字信號的輸入輸出影響。1.數字信號的輸入方法干擾信號多呈毛刺狀，作用時間短，利用這一特點，在采集某一數字信號時，可多次重復采樣，直到連續兩次或兩次以上采集結果完全一致方為有效。若多次采集后，信號總是變化不定，可停止采集，給出報警信號。由于數字信號主要是來自各類開關型狀態傳感器，如限位開關和操作按鈕等，對這些信號的采集不能用多次平均法，必須絕對一致才行。2.數字信號的輸出方法計算機的輸出中，有很多是數字信號。例如顯示裝置、打印裝置、通信、各種報警裝置、步進電機的控制信號、各種電磁裝置（電磁鐵、電磁離合器、中間繼電器等）的驅動信號，即便是模擬輸出信號，也是以數字信號形式給出的，經D/A轉換后才形成的。計算機給出正確的數據輸出后，外部干擾有可能使輸出裝置得到錯誤的數據。不同的輸出裝置對干擾的耐受能力不同，抗干擾措施也不同。首先，各類輸出數據鎖存器盡可能和CPU安裝在同一電路板上，使傳輸線上傳送的都是已鎖存好的電位控制信號。有時這一點不一定能做到，例如用串行通信方式輸出到遠程顯示器，一條線送數據，一條線送同步脈沖，這時就特別容易受干擾。其次，對于重要的輸出設備，最好建立檢測通道，CPU可以通過檢測通道來檢查輸出的結果是否正確。在軟件上，最為有效的方法就是重復輸出同一個數據。只要有可能，其重復周期盡可能短。外部設備接收到一個被干擾的錯誤信息后，還來不及作出有效的反應，一個正確的輸出信息又傳送到，因此可及時防止錯誤的動作產生。另外，由于帶有復位端的可編程芯片復位，周期比CPU長，所以在初次上電時，不要立即對這些可編程芯片初始化，延時幾個ms即可。9.6.2CPU的抗干擾技術CPU的抗干擾技術除指令冗余，設置軟件陷阱外，主要是建立程序運行監視系統，這便是常說的看門狗電路（WatchDogTimer）——簡稱WDT。這種電路有些已做在CPU內部，有些CPU內部沒有這種電路，因此需要外加。每一種CPU均有一個復位引腳，有些是低電平有效，有些是高電平有效。當外加WDT電路時，可采用前面介紹的MAX705、MB3773等專用集成電路。為了保證系統出故障后WDT電路工作，必須采取軟硬件相結合的方法。由微控制器或微處理器內部定時器產生時鐘中斷。當系統出現故障，WDT電路工作后，系統進入初始狀態，如果RAM區內容沒有丟失，要保留現在運行參數，必須跳過RAM區初始化程序。判斷RAM區內容是否丟失，設置五個單元，不妨設為7F00H、7F01H、7F02H、7F03H、7F04H，在系統初始化之前，用程序判斷這五個單元內容是否為“0”，如果為全“0”，則跳過RAM區初始化。另外設置一計數單元7F05H，在中斷服務程序內對時鐘中斷進行計數，該計數值乘以中斷時間常數T0等于T3。在鍵盤掃描主程序中，判7F05H單元計數值，是否大于等于T3所對應的計數值，即是否時鐘到，如到，發出一脈沖，重復觸發WDT。其程序框圖如圖9-14所示。圖9-14WDT軟件流程圖這樣，當固化的軟件停止執行或鍵鎖時，此時不論定時器是否發中斷，由于停止執行主程序，不進行WDT再觸發，經暫穩態時間T1后，WDT回到穩態，WDT電路工作。當定時器不發中斷，7F05H停止計數，其內容保持不變，主程序一直認為時鐘T3不到，也不再觸發WDT，同樣，經T1后，WDT電路也開始工作，上數情況都使系統進入初始狀態。9.7計算機控制系統的容錯設計計算機控制系統能否正常運行是由很多因素決定的。其外因為各類干擾，其內因即為該系統本身的素質。如何提高計算機控制系統自身的素質，這就是本節要討論的問題。計算機控制系統本身的素質可分為兩方面：硬件系統和軟件系統。構成計算機控制系統的各種芯片、電子元件、電路板、接插件的質量，電路設計的合理性、布線的合理性、工藝結構設計等決定了系統的硬件素質，任何一個出了問題，都有可能使系統出錯。硬件容錯設計研究如何提高系統硬件的可靠性，使其能長期正常工作，即使出了問題，也能及時診斷出硬件故障類型，甚至診斷出故障位置，協助維修人員進行修復，并能及時采取相應的措施，避免事態擴大。一個計算機控制系統的軟件是不可能沒有錯誤的，更不要說沒有不足之處了。軟件容錯設計可以幫助我們盡可能減少錯誤，使系統由于軟件問題而出錯的概率低到人們完全可以接受的程度。9.7.1硬件故障的自診斷技術

自診斷俗稱“自檢”。通過自診斷功能，使人們增加了對系統的可信度。對于具有模擬信息處理功能的系統，自診斷過程往往包括自動校驗過程，為系統提供模擬通道的增益變化和零點漂移信息。供系統運算時進行校正，以確保系統的精度。自檢過程有三種進行方式：上電自檢：系統上電時自動進行，自檢中如果沒有發現問題，則繼續執行其它程序，如發現問題，則及時報警，避免系統帶病運行。定時自檢：由系統時鐘定時啟動自檢功能，對系統進行周期性在線檢查，可以及時發現運行中的故障，在模擬通道的自檢中，及時發現增益變化和零點漂移，隨時校正各種系數，為系統精度提供保證。鍵控自檢：操作者隨時可以通過鍵盤操作來啟動一次自檢過程。這在操作者對系統的可信度下降時特別有用，可使操作者恢復對系統的信心或者發現系統的故障。1.CPU的診斷

CPU是控制系統的核心，如果CPU有問題，系統也就不能正常工作了。對于CPU來說，診斷程序若在片外FLASH中，則CPU的診斷過程必須以三總線（包括地址鎖存器74HC373）沒有問題和FLASH中的診斷程序也正確為前提。指令系統能否被正確執行是診斷CPU中指令譯碼器是否