部分网友提到需要一些实际工作中的解决问题的手段,因此下面上传了几则我平时积累的一点东西,供大家分享.

（转帖说明：这篇关于工控技术抗干扰的文章编选自网上有关论文，特向孟传良、魏新胜等作者致谢。）

工业现场动力线路密布，设备启停运转繁忙，因此存在严重的电场和磁场干扰。而工业控制系统又有几十乃至几百个输入输出通道分布在其中，导线之间形成相互耦合是通道干扰的主要原因之一。它们主要表现为电容性耦合、电感性耦合、电磁场辐射三种形式。在工业控制系统中，由前两种耦合造成的干扰是主要的，第三种是次要的。它们对电路主要造成共模形式的干扰。可以等效为图1中的干扰源E_cm。

图1 地电位差和电磁干扰造成的共模电压的等效图

地球是一个静电容量很大的导体，其电位非常恒定。如果把一个导体与大地紧密连接，那么该导体的电位也是恒定的。通常我们把它的电位叫作零电位，它是电位的参考点。然而，工程上不可能做到这种紧密连接，总是存在一定的接地电阻。当有电流经该导体入地时，它的电位就有波动。于是，不同的接地点之间的电位就会有差异。当我们用一根导线连接不同的接地点时，在导线中就可能有电流流动，这称为地环电流。接地抗干扰技术就是解决以地环电流为中心的一系列技术问题。图1 等效示意了信号源地线和放大器地线之间的电位差形成的干扰源E_G，它对电路主要造成共模形式的干扰。

然而，由干扰源E_cm和E_G形成的共模电压，其中一部分会转换成差模电压， 直接对电路造成干扰。假设信号源E_s=0，即只考虑干扰源E_cm和E_G的作用时。因为i₁回路和i₂ 回路阻抗不相等，因此，回路电流i₁和i₂也不相等。于是两个电流的差在放大器的输入电阻上形成了差模电压。采取合适的屏蔽和正确的接地措施就可以减少和消除这些干扰。

本文着重就硬件的抗干扰技术做一阐述，软件的抗干扰技术请参见其他文章。

1 屏蔽抗干扰技术

1.1 电场耦合的屏蔽和抑制技术

克服电场耦合干扰最有效的方法是屏蔽。因为放置在空心导体或者金属网内的物体不受外电场的影响。请注意，屏蔽电场耦合干扰时，导线的屏蔽层最好不要两端连接当地线使用。因在有地环电流时，这将在屏蔽层形成磁场，干扰被屏蔽的导线。正确的作法是把屏蔽层单点接地，一般选择它的任一端头接地。

造成电场耦合干扰的原因是两根导线之间的分布电容产生的耦合。当两导线形成电场耦合干扰时，导线１在导线２上产生的对地干扰电压V_N为：

式中，V₁和ω是干扰源导线1的电压和角频率；R和C_2G是被干扰导线2的对地负载电阻和总电容；C₁₂是导线1和导线2之间的分布电容。通常C₁₂<<C_2G。

可以看出，在干扰源的角频率ω不变时，要想降低导线2上的被干扰电压V_N， 应当减小导线1的电压V₁，减小两导线之间的分布电容C₁₂，减小导线2对地负载电阻R以及增大导线2对地的总电容C_2G。在这些措施中，可操作性最好的是减小两导线之间的分布电容C₁₂。即采用远离技术：弱信号线要远离强信号线敷设，尤其是远离动力线路。工程上的“远离”概念，通常取干扰导线直径的40倍，即认为足够了。同时，避免平行走线也可以减小C₁₂。

1.2 磁场耦合的抑制技术

抑制磁场耦合干扰的好办法应该是屏蔽干扰源。大电机、电抗器、磁力开关和大电流载流导线等等都是很强的磁场干扰源。但把它们都用导磁材料屏蔽起来，在工程上是很难做到的。通常是采用一些被动的抑制技术。当回路1对回路2造成磁场耦合干扰时，其在回路2 上形成的串联干扰电压V_N为：

V_N=jωBAcosθ 　

式中，ω是干扰信号的角频率；B是干扰源回路1形成的磁场链接至回路2处的磁通密度；A为回路2感受磁场感应的闭合面积，θ是 和 两个矢量的夹角。可以看出，在干扰源的角频率ω不变时，要想降低干扰电压V_N，首先应当减小B。对于直线电流磁场来说，B与回路1流过的电流成正比，而与两导线的距离成反比 。因此，要有效抑制磁场耦合干扰，仍然是远离技术。同时，也要避免平行走线。

1.3 屏蔽线的使用

图2示出了屏蔽线使用的三种情况。图(a)是单端接地方式。假设信号电流i₁从芯线流入屏蔽线，流过负载电阻R_L之后，再通过屏蔽层返回信号源。因为i₁与i₂大小相等方向相反，所以它们产生的磁场干扰相互抵消。这是一个很好的抑制磁场干扰的措施。同时它也是一个很好的抵制磁场耦合干扰的措施。图(b)是两端接地方式。由于屏蔽层上流过的电流是i₂与地环电流i_G的迭加，所以它不能完全抵消信号电流所产生的磁场干扰。因此，它抑制磁场耦合干扰的能力也比图(a)差。图(a)和(b)都有屏蔽电场耦合干扰作用。图(c)的屏蔽层悬浮，因此，它只有屏蔽电场耦合干扰能力，而无抑制磁场耦合干扰能力。

(a)单端接地                      (b)两端接地                     (c)屏蔽层不接地        图2 屏蔽线的用法

如果把图(c)的抑制磁场干扰衰减能力定为0 dB，当图(a)、(b)、(c)的信号源内阻RS都为100Ω，负载电阻R_L都为1 MΩ，信号源频率在50 kHz（高于该电缆屏蔽体截频的５倍）时，根据国外专家实验测定，图(a)具有80 dB的衰减，即抑制磁场干扰能力很强。而图(b)具有27 dB的磁场干扰抑制能力。 图(a)的单端接地方式抗干扰能力最好。其接地点的选择可以是图(a)中的情况，也可以选择负载电阻R_L侧接地，而让信号源浮置。

1.4 双绞线的使用

图3 双绞线的用法及其抗磁场耦合干扰能力

双绞线的绞扭节距把式(3)中的A回路分隔成许多的小回路，如果双绞线的绞扭一致的话，那么这些小回路的面积相等而法方向相反，因此，其磁场干扰可以相互抵消。双绞线的结构对电场耦合干扰的抑制毫无能力。当给双绞线加上屏蔽层后，一个价廉物美的传输线就诞生了。图3示出了双绞线的使用方法。如果每2.54 cm扭6 个均匀绞扭的话，当采用上节约定的参数时，根据国外专家的实验测定，各用法对磁场干扰的抑制dB数如图所示。其中图(a)采用单端接地方式，因此对磁场干扰具有高达55 dB的衰减能力。可见，双绞线确实有很好的效果。而图(b)由于两端接地，地线阻抗与信号线阻抗不对称，地环电流造成了双绞线电流不平衡，因此降低了双绞线抗磁场干扰的能力，所以图(b)只有13 dB的磁场干扰衰减能力。图(c)使用屏蔽双绞线，由于其屏蔽层一端接地，另一端悬空，因此屏蔽层上没有返回信号电流，所以它的屏蔽层只有抗电场干扰能力，而无抑制磁场耦合干扰能力。所以图(c)的dB数与图(a)一样衰减55 dB。图(d)屏蔽层单端接地，而另一端又与负载冷端相连，因此它具有图2(a)的效果，但它的屏蔽层上的电流由于被双绞线中的一根分流，又比图2(a)稍差。具有77 dB的衰减。图(e)的屏蔽层双端接地，具有一定的抑制磁场耦合干扰能力，加上双绞线本身的作用，因此具有63 dB的衰减。图(f)的屏蔽层和双绞线都两端接地，因此其效果只是比图3(b)稍好。具有28 dB衰减。

双绞线最好的应用是作平衡式传输线路。因为两条线的阻抗一样，自身产生的磁场干扰或外部磁场干扰都可以较好的抵消。同时，平衡式传输又独具很强的抗共模干扰能力，因此成为大多数计算机网络的传输线。例如，物理层采用RS422A或RS485通信接口，就是很好的平衡传输模式。

2 接地抗干扰技术

NEC第100节对“接地”一词定义如下：电气回路或设备与大地，或与代替大地的导体之间的导电的连接，它可以是有意的连接，也可以是无意的连接。接地可起如下作用： ① 提供设备与近旁金属物体间的低阻抗连接，以减少人身电击危险。 ② 给接地故障电流提供返回电源的低阻抗通路，使熔断器或断路器得以动作。 ③ 给雷电感应电流提供低阻抗的对地泄放通路。 ④ 给静电电荷提供对地泄放通路，以防产生电火花或电弧。接地抗干扰技术的主要内容，其一是避开地环电流的干扰；其二是降低公共地线阻抗的耦合干扰。“一点接地”有效地避开了地环电流；而在“一点接地”前提下，并联接地则是降低公共地线阻抗的耦合干扰的有效措施；它们是工业控制系统采用的最基本的接地方法。

然而，工业控制系统接地的含义不一定就是接大地。例如直流接地只是定义电路或系统的基准电位。它可以悬浮，但要求与大地严格绝缘。通常，其绝缘电阻要达到50 MΩ以上。直流地悬浮隔离了交流地网的干扰，经济简便，工程中经常使用。直流地悬浮的缺点是机器容易带静电，如果该静电电位过高，会损坏器件，击伤操作人员等等；而且，如果这时直流地与大地的绝缘电阻减小，可能会产生很多原先没有想到的干扰。直流地接大地，按照国家标准，要埋设一个不大于４ Ω的独立接地体。但无论直流地悬浮或者接大地，直流地与大地之间的电位都存在着间接或者直接的关系。工业控制机所操作的各种输入输出信号之间接地是否合理，不只是形成相互耦合干扰的问题，有时还危及计算机系统的安全。 在实际的工业控制系统中，各种通道的信号频率大多在１MHz内，属于低频范围。因此，本文只涉及低频范围的接地讨论。

2.1 串联接地和并联接地

在图4(a) 所示意的串联接地方式中，电路１、２、３各有一个电流i1、i2、i3流向接地点。由于地线存在电阻，因此，A、B、C点的电位不再是零， 于是各个电路间相互发生干扰。尤其是强信号电路将严重干扰弱信号电路。如果必须要这样使用，应当尽力减小公共地线的阻抗，使其能达到系统的抗干扰容限要求。串联的次序是，最怕干扰的电路的地接Ａ点，而最不怕干扰的电路的地应当接Ｃ点。但工业控制机中的模拟通道和数字通道不能这样串联接地。应当按照图4(b)所示意的并联接地方式使用。并联接地中各个电路的地电位只与其自身的地线阻抗和地电流有关，互相之间不会造成耦合干扰。因此，有效地克服了公共地线阻抗的耦合干扰问题，工业控制机应当尽量采用并联接地方式。值得注意的是，虽然采用了并联接地方式，但是地线仍然要粗一些，以使各个电路部件之间的地电位差尽量减小。这样，当各个部件之间有信号传送时，地线环流干扰将减小。

(a)串联接地方式(b)并联接地方式

图4 电路部件的一点接地

2.2 一个实际的信号采集系统接地方案

图5 一个实际的信号采集系统接地示意图

一个实际的信号采集系统接地示意图如图5所示。 多个模拟输入信号采用屏蔽双绞线接至工控数据采集处理机。所有模拟信号源都浮置，这对于多数工业变送器（传感器）来说，都能够满足这个要求。模拟输入信号采用一点接地，接地点选在微处理机的模入接口的模拟地G_A上。屏蔽层也采用一点接地，接在模拟地上。这与图3(c)的用法相同。这种用法靠双绞线抑制磁场耦合干扰，屏蔽层屏蔽电场干扰。虽然抑制dB数不算高，但它不会引入其它噪声，可靠性较好，不论在什么现场环境都可用。所有的模拟电路的地线并联于G_A点，然后用一根具有绝缘皮的低阻抗导线，将模拟地连接到专为工控机埋设的独立接地体的线鼻上。工控数据采集处理机的数字地也应并联于一点G_D，仍然用一根具有绝缘皮的低阻抗导线，将数字地G_D连接到专为工控机埋设的独立接地体的线鼻上。工控机的外设地线也应并联于该独立接地体的线鼻上。对于一般的工业现场，外设的保护地线、工控机柜、传感器柜、执行器柜等的保护地线都可以并联到该独立接地体的线鼻上。但是要求高的项目应当埋设专门的独立的安全保护地线，并把设备和机柜的保护地线并联地接于那里。国家标准规定，计算机的安全保护地线接地电阻不应大于4 Ω。严禁使用建筑物的避雷地作工业控制系统的任何地线使用。 如果把图5的计算机采集系统直流地悬浮运行，那么它的的模拟地、数字地仍然要用低阻抗导线短接，只是不接大地就行了。目前的工控机厂商提供的大部分产品都没有模拟地和数字地的接大地端子，它们的模拟地和数字地已在电路板上妥善短接。用户最简单的应用就是搞浮地运行。这对于使用标准变送器，检测标准模拟信号是没有大问题的。

3 结束语

工业现场的干扰来源是多渠道的，针对不同的项目和不同的现场，应该有不同的处理方法。屏蔽和接地是由工控系统开发者操作的一项技术内容。能否正确设计和利用它们，不仅关系到系统安全稳定地运行、良好地抑制干扰，而且是工控项目开发者是否成熟的重要标志。

本贴转自http://www.eebyte.com   电子工程师网站
1 印刷电路板设计中的电磁兼容性
1.1 印刷线路板中的公共阻抗耦合问题
数字地与模拟地分开，地线加宽。
1.2 印刷线路板的布局
※对高速、中速和低速混用时，注意不同的布局区域。
※对低模拟电路和数字逻辑要分离。
1.3 印刷线路板的布线（单面或双面板）
※专用零伏线，电源线的走线宽度≥1mm。
※电源线和地线尽可能靠近，整块印刷板上的电源与地要
呈“井”字形分布，以便使分布线电流达到均衡。
※要为模拟电路专门提供一根零伏线。
※为减少线间串扰，必要时可增加印刷线条间距离，在意
安插一些零伏线作为线间隔离。
※印刷电路的插头也要多安排一些零伏线作为线间隔离。
※特别注意电流流通中的导线环路尺寸。
※如有可能在控制线（于印刷板上）的入口处加接R-C去
耦，以便消除传输中可能出现的干扰因素。
※印刷弧上的线宽不要突变，导线不要突然拐角(≥90度)。
1.4 对在印刷线路板上使用逻辑电路有益建议
※凡能不用高速逻辑电路的就不用。
※在电源与地之间加去耦电容。
※注意长线传输中的波形畸变。
※用R-S触发的作按钮与电子线路之间配合的缓冲。
1.4.1 逻辑电路工作时，所引入的电源线干扰及抑制方法
1.4.2 逻辑电路输出波形传输中的畸变问题
1.4.3 按钮操作与电子线路工作的配合问题
1.5 印刷线路板的互连
主要是线间串扰，影响因素：
※直角走线
※屏蔽线
※阻抗匹配
※长线驱动
2 开关电源设计中的电磁兼容性
2.1 开关电源对电网传导的骚扰与抑制
骚扰来源：
①非线性流。
②初级电路中功率晶体管外壳与散热器之间的容光焕发
性耦合在电源输入端产生的传导共模噪声。
抑制方法：
①对开关电压波形进行“修整”。
②在晶体管与散热器之间加装带屏蔽层的绝缘垫片。
③在市电输入电路中加接电源滤波器。
2.2 开关电源的辐射骚扰与抑制
注意辐射骚扰与抑制
抑制方法：
①尽可能地减小环路面积。
②印刷线路板上正负载流导体的布局。
③在次线整流回路中使用软恢复二极管或在二极管上并
联聚酯薄膜电容器。
④对晶体管开关波形进行“修整”。
2.3 输出噪声的减小
原因是二极管反向电流陡变及回路分布电感。二极管结电容等形成高频衰减振荡，而滤波电容的等效串联电感又削弱了滤波的作用，因此在输出改波中出现尖峰干扰解决办法是加小电感和高频电容。
3 设备内部的布线
3.1 线间电磁耦合现象及抑制方法
对磁场耦合：
①减小干扰和敏感电路的环路面积最好办法是使用双绞
线和屏蔽线。
②增大线间距离（使互感减小）。
③尽可有使干扰源线路与受感应线路呈直角布线。
对电容耦合：
①增大线间距离。
②屏蔽层接地。
③降低敏感线路的输入阻抗。
④如有可能在敏感电路采用平衡线路作输入，利用平衡
线路固有的共模抑制能力克服干扰源对敏感线路的干扰。
3.2 一般的布线方法：
按功率分类，不同分类的导线应分别捆扎，分开敷设的线
束间距离应为50～75mm。
4 屏蔽电缆的接地
4.1 常用的电缆
※双绞线在低于100KHz下使用非常有效，高频下因特性阻抗不均匀及由此造成的波形反射而受到限制。
※带屏蔽的双绞线，信号电流在两根内导线上流动，噪声电流在屏蔽层里流动，因此消除了公共阻抗的耦合，而任何干扰将同时感应到两根导线上，使噪声相消。
※非屏蔽双绞线抵御静电耦合的能力差些。但对防止磁场感应仍有很好作用。非屏蔽双绞线的屏蔽效果与单位长度的导线扭绞次数成正比。
※同轴电缆有较均匀的特性阻抗和较低的损耗，使从真流到甚高频都有较好特性。
※无屏蔽的带状电缆。
最好的接线方式是信号与地线相间，稍次的方法是一根地、两根信号再一根地依次类推，或专用一块接地平板。
4.2 电缆线屏蔽层的接地
总之，将负载直接接地的方式是不合适的，这是因为两端接地的屏蔽层为磁感应的地环路电流提供了分流，使得磁场屏蔽性能下降。
4.3 电缆线的端接方法
在要求高的场合要为内导体提供360°的完整包裹，并用同轴接头来保证电场屏蔽的完整性。
5 对静电的防护
静电放电可通过直接传导，电容耦合和电感耦合三种方式进入电子线路。
直接对电路的静电放电经常会引起电路的损坏，对邻近物体的放电通过电容或电感耦合，会影响到电路工作的稳定性。
防护方法：
①建立完善的屏蔽结构，带有接地的金属屏蔽壳体可将放电电流释放到地。
②金属外壳接地可限制外壳电位的升高，造成内部电路与外壳之间的放电。
③内部电路如果要与金属外壳相连时，要用单点接地，防止放电电流流过内部电路。
④在电缆入口处增加保护器件。
⑤在印刷板入口处增加保护环（环与接地端相连）。