测控系统干扰成因及其抑制

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测控系统干扰成因及其抑制 文章来自
    [摘要]随着现代计算机科学技术的快速发展,各类自动化测试控制系统越来越广泛应用于各类工业生产活动中,它对推动今天高科技的发展进程起着巨大作用。本文简略分析了当今自动化测控系统的发展情况,侧重阐述了测控系统中常见的各类干扰及其干扰源,同时对其产生的原因进行较详细的分析,并针对干扰的特性,分别指出了它们的危害范围、影响程度及相关抑制方案,以便于对各类干扰进行抑制处理,从而提高测控系统精度和准确度。
    [关键词]测控系统;干扰;干扰源;抑制
    1 什么是测控系统
    计算机自动测量和控制(computer Automated Measurement And Control)系统(简称测控系统)是一门新兴技术,它是自动化控制技术、计算机科学、微电子技术和通信技术有机结合、综合发展的产物。测控系统包含的内容十分广泛,它包括各种数据采集和处理系统、自动测量系统、生产过程控制系统、导弹与卫星的检测及发射控制系统等,广泛应用与航空/航天、核科学研究、工厂自动化、实验室自动测量和控制、以及办公自动化、商业自动化、家庭自动化等人类生活的各个领域[1]。
    今天,计算机已经大量进入各个工业部门。承担着在生产过程的控制、监督和管理等任务。在工厂的控制室里,操作人员可以通过显示终端对生产过程进行监督和操作,键盘和显示屏幕代替了庞大的控制仪表盘以及大量的开关和按纽,控制室已变的越来越小,只需很少人就能完成对生产过程进行监督和操纵的任务。计算机可以实现复杂的数学分析计算,以便对生产过程实行更有效的控制。管理人员和工程师可以通过计算机测控系统获取大量的有关生产装置工作状态的信息和分析计算的结果,以便及时做出正确的决策,使生产装置更有效的发挥效能。    
    又如,在航空和航天领域中,计算机测控系统已经代替了大量的测试仪器,担负着实验室、导弹总装厂和发射场的各种测试及发射控制任务,使得测试和发射准备时间大大缩短,操作人员和特种车辆大量减少。发射场的指挥员在控制室或指挥车里就可以观察到导弹或卫星各系统的工作情况和各种参数,以便做出正确判断,对发射过程进行有效的控制。
    2 现代测控技术的发展
    现代测控系统将机械、电气、计算机、通信和自动控制技术有机结合,它是自动化控制技术、计算机科学、微电子技术和通信技术的有机结合。一个现代测控系统往往包含成千上万个现场传感器、执行器,这些传感器、执行器通过智能控制节点实施现场监控。测控系统包含的内容十分广泛,它包括各种数据采集和处理系统、自动测量系统、生产过程控制系统、导弹与卫星的检测及发射控制系统等。
    随着国民经济的迅速提高和社会生产的飞速发展,测控技术已广泛应用于科学技术、工业生产和国防等诸领域中。测控技术的现代化,已被公认为科学技术和生产现代化的重要条件和明显标志。在现代测控领域中,各种先进的测控技术、测控设备和远程通信手段层出不穷。目前应用比较广泛、技术比较成熟的远程测控系统主要有以下几大类[2]:
    2.1 应用专线的远程测控系统
    对于测控距离较短、通信数据量大、通信频繁且实时性、可靠性和保密性要求都很高的远程分布式测控系统,一般采用自行架设专线(如电缆)作为数据传输的通道。其系统组成框图如下图a所示:
    a.应用专线的远程测控系统
    2.2 利用公用电话网的远程测控系统
    在通信不是很频繁、通信数据量较小、实时性和保密性要求不高的场合,可以租用公用电话网,采用拨号方式建立临时连接的方式来实现远程测控。其系统组成框图如下图b所示:
    b.利用公用电话网的远程测控系统
    2.3 采用光纤通道的远程测控系统
    利用光缆传输测量与控制数据,可以充分发挥光缆传输的稳定性好、抗干扰能力强、传输容量大等优点。其系统组成框图如下图c所示:
    c.采用光纤通信的远程测控系统
    2.4 基于Internet Intranet的远程测控系统
    测控系统以计算机为中心、以网络为核心的特征日益明显。使用Internet Intranet的远程测控系统,人们从任何地点,在任何时刻获取到测量信息(或数据)的愿望成为现实。其系统组成框图如下图d所示:
    d.基于Internet Intranet的远程测控系统
    2.5 基于无线通信的远程测控系统
    对于工作点多、通信距离远、环境恶劣且实时性和可靠性要求比较高的场合,可以利用无线电波来实现主控站与各个子站之间的数据通信,采用这种远程测控方式有利于解决复杂连线,无需铺设电缆或光缆,降低了环境成本。其系统组成框图如下图e所示:
    e.基于无线通信的远程测控系统
    以下是我国目前航天测控系统基本框图:
    其工作的基本原理是:将各种信息先分别调制在不同频率的副载波上,然后相加共同调制到一个载波上发出;在接收端先对载波解调,然后用不同频率的滤波器将各副载波分开:解调各负载信号使得到发送时的原始信息[3]。
    以上各类测控技术在我国方兴未艾,并且将随着我国相关技术的发展而不断完善和成熟……由于各种原因,这些测控系统信号在传送过程中或多或少的会受到一定的干扰,其对测控系统的精确度及其稳定性起到了直接的影响作用,严重时甚至可使测控系统瘫痪从而无法正常工作。因此,从系统的开发设计、制造、使用方式以及工作环境条件等各个方面看,都不得不优先考虑抗干扰问题。研究存在的干扰并对其进行抑制是研究测控技术的一个重要课题。
    测控系统设备内、外部各类干扰源发出干扰信号,经过耦合通道传送到感应设备上,这就是整个系统干扰的形成全过程。从干扰的全过程看,它可分为三个环节,称之为干扰系统的三要素,如图一所示。要想有效地抑制干扰,首要的是找到干扰的发源地,采取抑制发源处干扰的积极性措施,消除干扰源头,防患于未然。然而,当干扰的产生难以避免时,通过减弱通道对干扰的耦合、切断干扰途径以及采取相应技术措施加以抑制、提高感应设备的抗干扰能力也是非常重要的方法[4]。
    图一  干扰三要素的关系图
    由于测控信号往往是一种微弱的直流或变化缓慢的交变信号,最后还要通过长距离(有时长达几百米甚至更远)传输,因此像大功率马达和其它电气设备产生的磁场,高压电气设备产生的电场以及各种电磁波辐射等等的存在和变化都将以不同的途径和不同的方式混入测控系统中。一般来说干扰测控系统的干扰源主要有电力网络和电气设备的暂态过程、雷电等引起空间的辐射干扰和系统电源线、信号引线、接地等引起的系统外引线干扰。详细分析可分为辐射、温度、湿度、
    振动、传输、感应、电源、接地几个方面。现将干扰源总分为来自测控系统内部的和外部的两大类,分别进行系统的讨论。
    3 来自测控系统的内部的干扰及其抑制
    3.1 电源干扰
    这里所指的电源干扰主要是由于各种原因导致的电源、电压的异常变化,例如:过压、欠压、浪涌、下陷等。其大体上可分为电源噪声干扰和开关电源干扰两大类:
    3.1.1 电源噪声干扰
    我们知道电源产生的电压、电流信号在示波器中都是有波动的,且是一个有规则的波型,当受到干扰而引入其它信号时便会在此波型基础上叠加一个杂乱无章的波型,这就是电源噪声。电源噪声是电磁干扰的一种,其传导噪声的频谱大致为10kHz~30MHz之间,最高可达150MHz。
    我们将电网电压直接于示波器中观测可看出,市电并不是纯净的50Hz理想正弦波,而是在工频上叠加了各种频率噪声干扰的正弦波。电源噪声,特别是瞬态噪声干扰,其上升速度快、持续时间短、电压振幅度高、随机性强,对微机和数字电路易产生严重干扰。
    根据其传播方向的不同,电源噪声可分为两大类:
    ①一类是从电源进线引入的外界干扰;
    ②一类是由电子设备产生并经电源线传导出去的噪声。
    从形成特点看,噪声干扰分为串模干扰与共模干扰两种。
    ①串模干扰是两条电源线之间(简称线对线)的噪声,也即电源与输入输出电源线间的干扰,由于其在电源噪声中比重很小,在此不作讨论。
    ②共模干扰则是两条电源线对大地(简称线对地)的噪声。如下图所示:当外界干扰源导致IC变化时,会在系统串联的电流回路中引起共模电压V,影响测量结果[5]。
    3.1.2 开关电源干扰
    开关电源属于强干扰源,其本身产生的干扰直接危害着电子设备的正常工作。因此,抑制开关电源本身的电磁噪声,同时提高其对电磁干扰的抗扰性,在设计和开发过程中需要特别的关注。
    开关电源的干扰一般分为两大类:一是开关电源内部元器件形成的干扰,如在功率转换电路开关管从导通到截止或截止到导通的瞬态过程中,高速脉冲波形的电流、电压,尤其是脉冲上升、下降沿,其中包含丰富的高次谐波分量易产生噪声;高频开关电源开关整流二极管反向恢复时,若有异常引起短路会产生突变的尖峰电流,使变压器由漏电磁感应电压引起噪声,且噪声响应随突变尖峰电流大小而变化;在开关高速工作时,非线性元件、传输导线分布电感、电容容易发生寄生振荡,加上器件本身高频特性的差异均有可能产生噪声。二是由于外界因素影响而使开关电源产生的干扰。来自开关电源外部的噪声,如大负荷用电设备起动造成电网电压瞬时跌落、波形失真,大功率射频设备、电火花、无线电发射引起的噪声等。
    电源干扰是各类测控系统较常遇到的故障之

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