在使用数控装置时,我们经常会遇到这样的情况:一台数控设备在实验室里安装调试完毕,一切逻辑动作正常,但一旦搬到生产现场去使用,就出现数字乱跳、动作乱套的现象。这时我们就说:是干扰在作怪。
干扰源和干扰波的传播
干扰是电子设备在工作中遇到的主要的也是令人头痛的问题之一。干扰有的来自设备内部、有的来自设备外部。有的干扰看得见、听得着,我们容易感觉到它的存在。比如:一个很好的电视节目,可能会因为附近汽车摩托车的点火干扰,使得我们无法收看下去。附近日光灯的启动和天空中的雷电,会使收音机里优美动听的音乐夹杂着一些“喀啦、喀啦”的讨厌声音。但还有许多不用专门仪器就看不见、听不到的干扰广泛存在着,对于一般数控装置来说,最常遇到的危害最大的干扰是工业干扰。任何电路,如果时开时关,电路中的电流或电压急剧地变化着,就是干扰的源泉。如果在开关时还产生火花或电弧,干扰就更为强烈。所以交流接触器、电钻、电铃、电焊机、电梯、电扇、日光灯、电气医疗设备、汽车和摩托车的点火装置等等都是干扰源。
干扰源产生的干扰波,一般通过以下几种途径到达被干扰的电子设备:(1)通过电容的静电耦合。这些电容往往是寄生电容,如两根平行导线靠得较近时,它们之间的耦合电容就比较大。(2)通过互感引起的电磁耦合,如线圈或变压器的漏磁引起的耦合。(3)通过公共阻抗的耦合,如通过电源的输出阻抗和接地线阻抗的耦合。(4)通过电磁波的辐射、电源线、长的信号输入线、输出线和控制线等都具有天线效应,它们都能辐射或接收干扰波。
干扰对电路的影响
干扰毕竟是一种外部的原因,它是如何通过电路的内在因素而起破坏作用的呢?让我们通过数控装置中用得最普遍的非门单元来分析一下这个问题。
图1是一个典型非门电路的输入—输出特性(有时也叫电压传输特性或转换特性)曲线。以T060型为例,它的输出高电平V\(_{OH}\)≥3V,输出低电平VOL≤0.35V,关门电平V\(_{off}\)≥0.8V,开门电平Von≤ 2.0V。现在我们将输入电压(V\(_{in}\))、输出电压(Vout)和转换特性画在同一张图上(图2),这是没有任何干扰存在时的理想情况。实际上,通过各种途径进来的干扰电压会迭加在正常输入电压V\(_{in}\)上,这时的情况如图3所示。设在t1时刻,某个正向干扰脉冲的幅度已使输入电压大于关门电平V\(_{off}\),这势必引起电路的翻转,于是输出Vout便由“1”(高电平)跳到“0”(低电平)。干扰脉冲过后,输出电压V\(_{out}\)又恢复到正常的“1’状态。在t2时刻是正常的工作信号使V\(_{out}\)由“l”跳到“0”。而在t3时刻,某个负向干扰脉冲的幅度又使输入电压V\(_{in}\)的值降到开门电平Von以下,因而电路再一次翻转,输出V\(_{out}\)又由“0”跳到“1”。干扰脉冲过后,Vout又恢复正常的“0”状态。



如果在该非门电路后面带的是计数器,那么,除了在t\(_{2}\)时刻的正常翻转使计数器计数外,在t1和t\(_{3}\) 时刻非门的两次翻转也将发出计数脉冲,显然计数器就错误地多计下两个数了。
由上面的分析可看出,(V\(_{off}\)—VOL)的值决定了当输入为低电平时电路的抗干扰能力,而(V\(_{OH}\)—Von)的值则决定了当输入为高电平时电路的抗干扰能力。一般总是(V\(_{off}\)—VOL)<(V\(_{OH}\)—Von),因此当输入为低电平时受干扰的可能性较大,这就是设计电路时,为什么一般总希望把常态时的输入电平安排在高电平的道理。
一些抑制干扰的措施
1.在生产车间,数控仪表往往和机械设备放在一起。为了共用一套配电装置,有时采用如图4所示的电路分别给电机和仪表供电。这时因为交流接触器的触点在通断(特别是断开)时打火,极易给仪表带入干扰信号。为了防止干扰的进入,可采取以下几种措施(见图5):(1)在接触器三对触点间分别加RC灭火花电路;(2)将仪表电源线单独从电网中引出;(3)在仪表电源变压器的初次级间加静电屏蔽层;(4)在仪表电源线的入口处加高频滤波器。其中采用高频滤波器是一种相当有效的方法(电路如图6所示,LC的数据本刊1976年第1、2期已有文章介绍)。此滤波器不但能抑制因火花产生的、直接由线路传播来的干扰,还能抑制电源线由于静电感应、电磁感应及天线效应接收到的其他干扰电压。应注意的是电路中电容器C\(_{1}\)和C2的中间一点接地必须十分可靠。否则,在接地不好的情况下,因这一点从电网中分得110V的电压又与地时通时不通产生打火,反而造成严重干扰。



滤波器各元件间及它们与电源变压器之间连线应尽量短。输入端(A、B)不要与输出端(C、D)相距太近,以防止A、B端的干扰信号不经滤波器而直接感应到C、D端去。因我们采用磁棒结构,这一点一般是容易做到的(图7)。

2.仪表的电源线、控制线以及其它设备的动力线等各种导线靠在一起,是容易产生干扰的原因。

有人作过这样的试验:在300米长的同一平面上,排列着平行的三根导线(图8),在A线上对地加100V的电压,用另外二根导线B、C作为信号线,并用3KΩ电阻于一端短接,在另一端测得的感应电压如图所示。由试验可看出,当B、C与地不连接即“浮接”状态时,具有最小的感应电压。因此,当我们在生产现场进行布线时,应使容易接受干扰的敏感线路尽量远离其它动力线,如能使之处于“浮接”状态则更好。有时为了尽量减小外来干扰,可将整个数控装置处于“浮接”状态,即仪表中的接地线及仪表外壳均不与电源中性线或大地相连。
为了减小感应干扰电压,所有敏感部分的连接线要尽量短,或采用屏蔽线。有时屏蔽线的屏蔽层还必须两端都接地。但在某些情况下多点接地反而形成干扰。为了说明这个问题,可参看图9。图的上半部分是一个信号放大电路,由于信号输入线较长,采用了金属屏蔽线,而且是两端接地的。图中下半部分是一个执行机构的驱动电路,由于工作的需要接入了一只开关K。接线时,为了图方便,利用了上半部A、B两个接地点。从电路原理上讲,这样作似乎没有什么错误。但实际上因为屏蔽层(其他接地线也是这样)总存在一定的阻抗,当开关K通断时有干扰电流流过A、B,在这一“地阻抗”上产生了干扰电压,而屏蔽层又和里边的信号线非常靠近,所以干扰电压将在信号输入线上产生很大的感应。为了消除这一缺点,可将下半部电路的两个接地点改为一点接地,或干脆改到其他地方去接地。

3.为了抑制脉冲型的干扰,可在线路中采用简单的RC积分电路,图10说明了这个问题。RC的数值可由试验决定,总的原则是不要影响前后级电路的正常工作,不要把有用信号也抑制掉了。

在积分电路之后,再加限幅措施,能更有效地抑制干扰。比如加稳压管限幅或利用三极管的基—射结限幅等。
4.应尽量防止电路中出现打火的情况。例如元件的焊接必须牢靠;电源部分需要连接的地方最好不用接线端子,以防生锈、振动等原因造成接触不良打火;数控仪输出的控制信号最后总要带动执行机构,如继电器、电磁阀等,如条件许可,应尽量采用无触点开关来控制;如设备需要装用报警装置,最好不用带触点的讯响器,而用无触点的带扬声器的电路。
设备上往往需要在操作的地方使用一些手动开关来处理运行中临时发生的故障,这些开关与仪表直接连接的导线应采用屏蔽线,开关应尽量安排在电路中低电压、小电流的部分。
5.有时触发器要直接带动执行机构的驱动电路,若这时触发器输出端引线离驱动器外部引线较近(图11),也往往会因为感应带入干扰,使触发器误触发。除了在制作印刷电路时要注意让它们尽量远离以外,还可以在触发器输出端加一只电容器滤除干扰(比如0.047μ左右)。

综上所述,干扰虽是个比较复杂的问题,但只要把它的来龙去脉基本搞清楚,也是可以设法解决的。由于产生干扰的因素较多,每台装置碰到的具体情况也不一样,因此就得根据具体情况采取不同的方法去对待。一般总是在干扰源、传播途径和采用抗干扰能力较强的元器件等方面采取措施加以抑制。(任亢建)