1、2022-5-281第九章微机化仪表系统设计微机化仪表系统设计用数字技术代替模拟技术软件算法替代硬件功能网络通讯功能自诊断能力适应范围广2022-5-282第九章微机化仪表系统设计微机化仪表系统设计9.1 基本结构9.2 采样技术9.3 信号放大9.4 A/D转换9.5 D/A转换9.6 抗干扰技术2022-5-2839.1 基本结构基本结构增益控制采样保持A/D微机显示系统键盘系统输出系统信号处理信号处理信号处理信号处理放大多路开关2022-5-2849.2 采样技术采样技术串扰误差串扰误差1/2R11/2R1C1C3R3C11/2R2C21/2R2K1K2Vs1Vs2U02022-5-28
2、59.2 采样技术采样技术串扰误差串扰误差Vs2Vs1mTmT+h(m+1)T(m+1)T+h2022-5-2869.2 采样技术采样技术串扰误差串扰误差任何一次采样中采样信号包含上个通道的信息，叫串扰误差。串扰误差同T-h有关，即同系统采样速度有关增加C1会使误差下降，即设计输入滤波器时选择大的C和小的R可用短路开关法减小串扰误差2022-5-2879.2 采样技术采样技术连续采样误差连续采样误差1/2R11/2R1C1C3R3C1KVsU02022-5-2889.2 采样技术采样技术连续采样误差连续采样误差连续采样指对同一输入按一定周期间隔进行采样输入滤波电容C大或采样周期长会使误差下降2
3、022-5-2899.2 采样技术采样技术孔径时间误差孔径时间误差tutu2022-5-28109.2 采样技术采样技术孔径时间误差孔径时间误差对于二进制系统，n位，则最大分辨能力为fsfsnnVV212fsV为满量程允许信号的最大变化率fsnmaxVt2dudt 2022-5-28119.2 采样技术采样技术孔径时间误差孔径时间误差用正弦波表达sincosd AwtduAwwtdtdt则最大变化率在 处fsnmaxVt2duAwdt wt2022-5-28129.2 采样技术采样技术孔径时间误差孔径时间误差能采样的最大频率max22fsnVfAt 2022-5-28139.3 信号放大信号放
4、大可变增益放大器可变增益放大器-+ivovC1R2R1fknfiiicontrolTt占空比控制2022-5-28148.4.3 信号放大信号放大可变增益放大器可变增益放大器11Rivov21R1fknfiii0k2022-5-28158.4.3 信号放大信号放大可变增益放大器可变增益放大器01022111 11 ffkRkk kn RR nR k0k 放大倍数：2022-5-28169.3 信号放大信号放大仪用放大器仪用放大器-+1 iv-+2iv1RfRfR2RnR2ov1ov21fiRKR 2022-5-28179.3 信号放大信号放大时间比例型放大器时间比例型放大器-+iv1TRC -
5、+Tt12TRKRt模拟开关A/D双积分型或V/F型8253单稳1R2RC占空比使用条件：= TCTnAD转换时间2022-5-28189.4 A/D转换器转换器逐次比较型 AD574双积分型 ICL7109，MC1443V/F型 LM331 AD652 AD537 VFC32 -型 ADS1232 24位AD转换器 2022-5-28199.4 A/D转换器转换器ADS12322022-5-28209.4 A/D转换器转换器过采样技术过采样技术2022-5-28219.4 A/D转换器转换器过采样技术过采样技术对ADC测量数据求均值等价于一个降采样低通滤波器实现过采样和低通滤波器的数字信号处
6、理过程通常被称为插补从这个意义上说,用过采样实现两个ADC码之间的插值求均值的样本数量越大,则低通滤波器的选择性越强插值的效果就越好 2022-5-28229.4 A/D转换器转换器过采样技术过采样技术每增加一位分辨率信号必须被以4倍的速率过采样 4wossff其中: w 是所希望增加的分辨率位数 fs是初始采样频率要求 fos是过采样频率 2022-5-28238.4.4 A/D转换器转换器过采样技术条件过采样技术条件噪声必须逼近白噪声在整个有用频带内具有平均分布的功率谱密度 噪声幅度必须足够大能引起输入信号样本之间的随机变化变化幅度至少为两个相邻代码之间的距离即1 LSB输入信号可以用一个
7、在两个相邻ADC代码之间具有等概率分布的随机变量表示 过采样和求均值不能补偿ADC的积分非线性误差2022-5-28248.4.4 A/D转换器转换器过采样技术过采样技术2022-5-28259.4 A/D转换器转换器过采样技术过采样技术void ADC_isr (void) interrupt 0 /AD转换结束中断服务函数 static unsigned int_dec = 256; / 累加/抽取计数器 static long accumulator = 0L; / 用该变量累加ADC样本 accumulator += ADC_VALUE; / 读ADC值并加到运行总和变量 int_de
8、c-; / 更新抽取计数器 if (int_dec = 0) / 如果为0则执行抽取 int_dec = 256; / 复位计数器 result = accumulator 4; / 用移位执行除法操作 accumulator = 0L; / 累加器清0 2022-5-28269.5 D/A转换器转换器PWM发生器发生器clockCLK0CLK1G0OUT0 G1OUT1PWM输出5V8253定时器0 方式4或5定时器1 方式12022-5-28279.5 D/A转换器转换器电流转换器电流转换器ccVVPWMpRBwLw+-+BILILICRTV2022-5-28289.5 D/A转换器转换器
9、电流转换器电流转换器CBPtVI RTLWCVV/TLBPLWLLI RtIVWktWLLIIkt 2022-5-28299.6 抗干扰设计-硬件抗干扰形成干扰的基本要素： （1）干扰源。 指产生干扰的元件、设备或信号， 用数学语言描述如下：du/dt， di/dt大的地方就是干扰源。如：雷电、继电器、可控硅、电机、高频时钟等都可能成为干扰源。 （2）传播路径。 指干扰从干扰源传播到敏感器件的通路或媒介。典型的干扰传播路径是通过导线的传导和空间的辐射。 （3）敏感器件。 指容易被干扰的对象。如：A/D、 D/A变换器，单片机，数字IC，弱信号放大器等。 2022-5-2830常用硬件抗干扰技术
10、常用硬件抗干扰技术 针对形成干扰的三要素，采取的抗干扰主要有以下手段。 l抑制干扰源抑制干扰源 l切断干扰传播路径切断干扰传播路径 l提高敏感器件的抗干扰性能提高敏感器件的抗干扰性能 l其它常用抗干扰措施其它常用抗干扰措施 9.6 抗干扰设计-硬件抗干扰2022-5-2831 抑制干扰源就是尽可能的减小干扰源的抑制干扰源就是尽可能的减小干扰源的du/dtdu/dt， di/dtdi/dt。减小干扰源的减小干扰源的du/dtdu/dt主要是通过在干扰源两端并联主要是通过在干扰源两端并联电容来实现。电容来实现。减小干扰源的减小干扰源的di/dtdi/dt则是在干扰源回路串联电感或则是在干扰源回路串
11、联电感或电阻以及增加续流二极管来实现。电阻以及增加续流二极管来实现。 抑制干扰源抑制干扰源 9.1 硬件抗干扰2022-5-2832 （1）继电器线圈增加续流二极管，消除断开线圈时产生的反电动势干扰。仅加续流二极管会使继电器的断开时间滞后，增加稳压二极管后继电器在单位时间内可动作更多的次数。 （2）在继电器接点两端并接火花抑制电路（一般是RC串联电路，电阻一般选几K到几十K，电容选0.01uF），减小电火花影响。 （3）给电机加滤波电路，注意电容、电感引线要尽量短。 抑制干扰源常用措施抑制干扰源常用措施9.1 硬件抗干扰2022-5-2833 （4）电路板上每个IC要并接一个0.01F0.1
12、F高频去耦电容，以减小IC对电源的影响。注意高频电容的布线，连线应靠近电源端并尽量粗短，否则，等于增大了电容的等效串联电阻，会影响滤波效果。 （5）布线时避免90度折线，减少高频噪声发射。 （6）可控硅两端并接RC抑制电路，减小可控硅产生的噪声（这个噪声严重时可能会把可控硅击穿的）。抑制干扰源常用措施抑制干扰源常用措施9.1 硬件抗干扰2022-5-2834 按干扰的传播路径可分为传导干扰和辐射干扰两类。 所谓传导干扰是指通过导线传播到敏感器件的干扰。高频干扰噪声和有用信号的频带不同，可以通过在导线上增加滤波器的方法切断高频干扰噪声的传播，有时也可加隔离光耦来解决。电源噪声的危害最大，要特别注
13、意处理。 所谓辐射干扰是指通过空间辐射传播到敏感器件的干扰。一般的解决方法是增加干扰源与敏感器件的距离，用地线把它们隔离和在敏感器件上加屏蔽罩。 干扰传播路径干扰传播路径9.6 抗干扰设计-硬件抗干扰2022-5-2835 （1）充分考虑电源对单片机的影响。电源做得好，整个电路的抗干扰就解决了一大半。许多单片机对电源噪声很敏感,要给单片机电源加滤波电路或稳压器，以减小电源噪声对单片机的干扰。比如，可以利用磁珠和电容组成形滤波电路，当然条件要求不高时也可用100电阻代替磁珠。 （2）如果单片机的I/O口用来控制电机等噪声器件，在I/O口与噪声源之间应加隔离（增加形滤波电路）。 （3）注意晶振布线
14、。晶振与单片机引脚尽量靠近，用地线把时钟区隔离起来，晶振外壳接地并固定。 干扰传播路径措施干扰传播路径措施9.6 抗干扰设计-硬件抗干扰2022-5-2836 （4）电路板合理分区，如强、弱信号，数字、模拟信号。尽可能把干扰源（如电机、继电器）与敏感元件（如单片机）远离。 （5）用地线把数字区与模拟区隔离。数字地与模拟地要分离，最后在一点接于电源地。A/D、D/A芯片布线也以此为原则。 （6）单片机和大功率器件的地线要单独接地，以减小相互干扰。大功率器件尽可能放在电路板边缘。 （7）在单片机I/O口、电源线、电路板连接线等关键地方使用抗干扰元件如磁珠、磁环、电源滤波器、屏蔽罩，可显著提高电路的
15、抗干扰性能。 干扰传播路径措施干扰传播路径措施9.6 抗干扰设计-硬件抗干扰2022-5-2837 提高敏感器件的抗干扰性能是指从敏感器件这边考虑尽量减少对干扰噪声的拾取，以及从不正常状态尽快恢复的方法。 常用措施如下： 提高敏感器件的抗干扰性能提高敏感器件的抗干扰性能9.6 抗干扰设计-硬件抗干扰 （1）布线时尽量减少回路环的面积，以降低感应噪声。 （2）布线时，电源线和地线要尽量粗。除减小压降外，更重要的是降低耦合噪声。 2022-5-2838常用措施如下： （3）对于单片机闲置的I/O口，不要悬空，要接地或接电源。其它IC的闲置端在不改变系统逻辑的情况下接地或接电源。 （4）对单片机使用
16、电源监控及看门狗电路，可大幅度提高整个电路的抗干扰性能。 （5）在速度能满足要求的前提下，尽量降低单片机的晶振和选用低速数字电路。 （6）IC器件尽量直接焊在电路板上，少用IC座。 提高敏感器件的抗干扰性能提高敏感器件的抗干扰性能9.1 硬件抗干扰2022-5-2839 有以下几种地线：模拟地、数字地、信号地、系统地、交流地和保护地。1接地的设计方法接地的设计方法（1）单点接地就是把需要接地的电路、单元及屏蔽体都接到设备接地面的同一个接地点上。单点接地方式试用于低频电路。（2）多点接地就是把需要接地的电路、单元及屏蔽体用多条通路和设备接地面相连，多点接地降低了接地线的阻抗。多点接地方式试用于高
17、频电路。（3）悬浮接地就是把控制系统的地线与外壳或大地浮置，提高对电源、外壳引进干扰的抑制。接地技术接地技术9.1 硬件抗干扰2022-5-2840（1）出现地线环路问题时，应采用浮地隔离技术。（2）接地线应尽量的短，并具有良好的导电性（3）对于那些出现较大突变电流的电路，要采用单独接地的系统，以减小其它电路的瞬态耦合。（4）低电平接地线要和其它接地线隔离。（5）系统中数字地、模拟地应一点相连。（6）信号线和电源线交叉的地方要使导线相互垂直。（7）采用平衡差分电路，以尽量减小接地电路的干扰。（8）低电平传输时要使用多层屏蔽。2接地的设计原则9.6 抗干扰设计-硬件抗干扰2022-5-28419
18、.6 抗干扰设计-硬件抗干扰l 单片机的自动复位是单片机抗干扰技术的一种重要方法。当单片机受到干扰后，可以按下人工复位按钮，强制系统复位。l14060构成的自动复位电路 自动复位与电源的监测技术2022-5-28429.6 抗干扰设计-硬件抗干扰 2. MAX813L是MAX公司生产的P监控芯片。当单片机由干扰引起的系统失控时，为单片机提供可靠的上、掉电复位、电源监测、“看门狗”及电源管理功能。 VSSVCCVCCVSS80 51RESETP1.00INT0WDMRPFIWDIPF0RESETC813LVCCK2022-5-2843 （1）交流端用电感电容滤波:去掉高频低频干扰脉冲。 （2）变
19、压器双隔离措施:变压器初级输入端串接电容,初、次级线圈间屏蔽层与初级间电容中心接点接大地,次级外屏蔽层接印制板地,这是硬件抗干扰的关键手段。次级加低通滤波器:吸收变压器产生的浪涌电压。 （3）采用集成式直流稳压电源: 有过流、过压、过热等保护作用。 （4）I/O口采用光电、磁电、继电器隔离，同时去掉公共地。 其它常用抗干扰措施其它常用抗干扰措施9.6 抗干扰设计-硬件抗干扰2022-5-2844 （5）通讯线用双绞线:排除平行互感。 （6）防雷电用光纤隔离最为有效。 （7）A/D转换用隔离放大器或采用现场转换:减少误差。 （8）外壳接大地:解决人身安全及防外界电磁场干扰。 （9）加复位电压检测
20、电路。防止复位不充分, CPU就工作,尤其有EEPROM的器件,复位不充份会改变EEPROM的内容。 其它常用抗干扰措施其它常用抗干扰措施9.6 抗干扰设计-硬件抗干扰2022-5-2845 电源线加粗，合理走线、接地，三总线分开以减少互感振荡。 CPU、RAM、ROM等主芯片,VCC和GND之间接电解电容及瓷片电容，去掉高、低频干扰信号。 独立系统结构,减少接插件与连线，提高可靠性,减少故障率。 集成块与插座接触可靠,用双簧插座,最好集成块直接焊在印制板上，防止器件接触不良故障。 有条件的采用四层以上印制板,中间两层为电源及地。 其它常用抗干扰措施其它常用抗干扰措施-印制板工艺抗干扰9.6
21、抗干扰设计-硬件抗干扰2022-5-28461. 软件抗干扰措施 指令冗余 拦截技术 软件陷阱 软件看门狗 软件滤波2. 自恢复程序9.6 抗干扰设计-软件抗干扰2022-5-2847l软件冗余软件冗余 1安插NOP指令 2指令重复操作 l软件陷阱软件陷阱（1）未使用的中断向量区）未使用的中断向量区 当干扰进入到中断向量区时，并激活这些中断当干扰进入到中断向量区时，并激活这些中断时，就会进一步引起混乱。时，就会进一步引起混乱。（2）未使用的大片）未使用的大片ROM空间空间 在剩余的没有使用的程序存储器空间，设置在剩余的没有使用的程序存储器空间，设置成陷阱，就能捕捉到跑飞的程序。成陷阱，就能捕捉
22、到跑飞的程序。（3）表格）表格 为了不破坏表格的连续性，软件陷阱只能在表格的最后安放。为了不破坏表格的连续性，软件陷阱只能在表格的最后安放。（4）程序区）程序区 安排陷阱，应安放在如指令安排陷阱，应安放在如指令LJMP、SJMP、AJMP、RET、RETI等之后。等之后。 9.6 抗干扰设计-软件抗干扰2022-5-28489.6 抗干扰设计-软件抗干扰l软件看门狗技术能够使程序从死循环中恢复到正常状态。软件看门狗（WATCH DOG）也叫做程序运行监视系统。当程序运行受到干扰，程序飞到一个临时构成死循环中时，这时系统将面临着瘫痪。这时就需要人工复位或硬件复位，如果没有人工操作和硬件复位系统，利用软件看门狗技术同样也能使系统复位，恢复正常。2022-5-2849 设计 袁平
