1、l l 第第9章章 干扰及抗干扰技术干扰及抗干扰技术 9.1 干扰信号的来源和传播途径l干扰是指有用信号以外的噪声造成设备或系统发生故障的情况。l9.1.1 干扰的来源干扰的来源 l干扰的来源主要有内部干扰和外部干扰。l1.内部干扰内部干扰 l内部干扰是由系统结构和制造工艺等因素决定的。内部干扰主要包括交流声、分布电容、分布电感引起的耦合感应或电磁场辐射感应，多点接地造成的电位差引起的干扰，长线传输的反射波，寄生振荡引起的干扰，元器件产生的热噪声干扰等。l 2.外部干扰 l外部干扰是由外界环境因素决定的。l外部干扰主要包括太阳和其他天体辐射的电磁波以及广播电视发射的电磁波;供电电源和各种电器装
2、置（包括工厂、家用电器乃至交通工具）发出的电磁波;气象条件包括雷电、温度、湿度甚至地磁场的影响;火花放电、弧光放电、辉光放电等产生的电磁波等。l9.1.2 干扰的种类干扰的种类 l1.按干扰作用的方式分类 l（1）常态干扰 l常态干扰是叠加在被测信号上的干扰，如图9-1所示。常态干扰可能是信号源的一部分，也可能是由长线引入的。由于它和信号所处地位相同，因此又称为串模干扰，也叫正态干扰。l（2）共模干扰 l共模干扰是测控系统模拟量输入通道的A/D 转换器两个输入端上共有的干扰电压。l2.按干扰的来源分类 l按干扰的来源分类，可以将干扰分为内部干扰和外部干扰。l9.1.3 干扰传播途径干扰传播途径
3、 l各种干扰必须经由某种途径才能进入到微机测控系统的某个敏感接收部位，其中主要的传播途径如图9-3所示。在干扰的进入途径上采取有效措施，就可能使微机测控系统避免干扰的入侵。图9-3 干扰传播途径9.2 硬件抗干扰措施l9.2.1 电源系统的抗干扰措施电源系统的抗干扰措施 l1.交流电源系统的抗干扰措施 l（1）选用供电比较稳定的进线电源 l（2）利用干扰抑制器消除尖峰干扰l（3）采用电子交流稳压器 l（4）利用UPS消除尖峰干扰 l（5）掉电保护 l2.直流电源系统的抗干扰措施 l（1）采用直流开关电源 直流开关电源是一种脉宽调制型电源，由于脉冲频率高达20 kHz，甩掉了传统的工频变压器，具
4、有体积小、重量轻、效率高（90%）、电网电压范围大（-20%10%）220 V、电 网电压变化时不会输出过电压或欠电压、输出电压保持时间长等优点。l（2）采用DC-DC变换器 l如果系统供电电网波动较大，或者对直流电源的精度要求较高，可以采用DC-DC变换器。l（3）每块电路板的直流电源 l当一台微机测控系统有几块逻辑电路板时，可以采取以下措施:l用短线向印刷线路板并行供电，而且印刷线路板里的电源线采用格子形状或多层板，即做成网眼结构以降低线路的阻抗。l在每块板的电源和地线的引入处附近并接一个10100F的大电容和一个0.01 0.1 F的瓷片电容。l每块板上装一个或几个稳压块，使每块板形成独
5、立的供电环境，不会因为某个稳压块出现故障而使整个系统遭到破坏。l（4）集成电路块的VCC加旁路电容l9.2.2 接地系统的抗干扰措施接地系统的抗干扰措施 l微机测控系统中有许多地线，包括:l数字地即逻辑地，是微机测控系统中数字电路的零电位。l模拟地是微机测控系统中使用的传感器、变送器、放大器、A/D和D/A转换器中模拟信号的零电位。l信号地是传感器的地。l交流地是交流电源的地。交流地上任意两点之间，往往很容易有几伏甚至几十伏的电位差。而且，交流地也很容易带来各种干扰。因此，交流地绝对不可与其他地相连接。l直流地是直流电源的地。l功率地是大电流网络部件的零电位。l屏蔽地即机壳地，也叫安全地，目的
6、是使设备机壳和大地等电位，以便防止静电感应、电磁感应，保证人身安全。l系统地是上述几种地的最终回流点，直接和大地相连。l1.低频电路单点接地，高频电路就近多点接地 l根据接地理论分析，低频电路应单点接地，高频电路应就近多点接地。一般来说，当频率低于1 MHz时，可以采用单点接地方式;当频率高于10 MHz时，可以采用多点接地方式。在110 MHz之间，如果采用单点接地方式，其地线长度不得超过波长的1/20，否则应采用多点接地。单点接地的目的是避免形成地环路，因为地环路产生的电流会引入到信号回路内引起干扰。在工业过程测控系统中，信号频率大多小于1 MHz，所以通常采用一点接地法，如图9-10所示
7、。图9-10 一点接地法l2.各种地采用分别回流法单点接地 l微机测控系统中，各种地一般应采用分别回流法单点接地。模拟地、数字地、安全地的分别回流法接地示例如图9-11所示。汇流条由多层铜导体构成，截面呈矩形，各层之间有绝缘层。采用多层汇流条可减少自感，减少干扰的窜入途径。在要求较高的系统中，分别使用横向汇流条及纵向汇流条，机柜内各层机架之间分别设置汇流条，以最大限度减小公共阻抗的影响。在空间将数字地汇流条与模拟地汇流条间隔开，以避免通过汇流条间电容产生耦合。安全地（机壳地）始终与模拟地和数字地隔离开。这些地之间只是在最后才汇聚一点，而且常常通过铜接地板交汇，然后用线径不小于30 mm2的多股
8、铜软线焊接在接地板上深埋地下。图9-11 分别回流法接地示例 l3.输入系统的接地 l对于屏蔽层的接地要慎重，也应遵守单点接地原则。输入信号源有接地和浮地两种情况，接地电路也有两种情况。在图9-12（a）中，热电偶（信号源端）接地，而放大器（接收端）浮地，则屏蔽层应在信号源端接地（A点）。而图9-12（b）却相反，图中信号源浮地，而接收端接地，则屏蔽层应在接收端接地（B点）。这样分别接地是为了避免流过屏蔽层的电流，通过屏蔽层与信号线间的电容产生对信号线的干扰。图9-12 输入系统接地方式l4.印刷线路板的地线分布 l印刷线路板的设计应遵守下列原则，以免系统内部地线产生干扰。lTTL、CMOS器
9、件的地线要呈辐射状，不能形成环形;l印刷线路板上的地线要根据通过的电流大小决定其宽度，不要小于3 mm，在可能的情况下，地线越宽越好;l旁路电容的地线不能太长，应尽量缩短;l功率地应尽量宽，而且必须和小信号地分开。l5.主机系统的接地 l（1）全机一点接地 l计算机的主机架内采用图9-11所示的分别回流法接地方式。主机地与外部设备地连接后，采用一点接地，如图9-13所示。为了避免多点接地，各机柜用绝缘板垫起来。这种接地方式安全可靠，有一定的抗干扰能力，一般接地电阻选410左右。接地电阻越小越好，但接地电阻越小，接地极的施工就越困难。图9-13 全机一点接地l（2）主机外壳接地，机芯浮空 图9-
10、14 主机外壳接地，机芯浮空l（3）多机系统的接地 l在计算机网络系统中，多台计算机之间相互通信，资源共享。如果接地不合理，将使整个网络系统无法正常工作。近距离的几台计算机安装在同一机房内，可采用类似图9-13那样的一点接地方法。对于远距离的计算机网络，多台计算机之间的数据通信，可以采用隔离的办法把地分开。例如，采用变压器隔离技术、光电隔离技术或无线通信技术。l9.2.3 I/O接口的抗干扰措施接口的抗干扰措施 lI/O接口的抗干扰措施对系统的影响十分重要，通常采取下列措施。l1.对信号加硬件滤波器 l将信号加到输入通道之前，可先用硬件低通滤波器滤除交流干扰。在微机测控系统中，常用的低通滤波器
11、有 RC滤波器、LC滤波器、双T滤波器及有源滤波器，它们的原理图如图9-15所示。图9-15 常用滤波器原理图l2.差动方式传输和接收 l利用差动方式传输和接收信号，是抑制共模噪声的一个主要方法。由于差动放大器只对图9-17 所示的差动信号u1 u2起放大作用，而对共模电压ucm不起放大作用，因此能够抑制共模噪声的影响，差动放大器具有良好的抑制共模噪声的能力。图9-17 信号传输中的串模和共模噪声l3.采用浮地输入双层屏蔽放大器抑制共模干扰 l如图9-18所示，这种方法是利用屏蔽技术使输入信号的模拟地浮空，从而达到抑制共模干扰的目的。图9-18 浮地输入双层屏蔽放大器抑制共模干扰l4.利用线性
12、光电耦合器隔离模拟信号 l利用线性光电耦合器隔离模拟信号如图9-19所示，但是要使信号落在线性光电耦合器的线性区内，而且即使是线性区，也还存在非线性失真，需要进行非线性校正。图9-19 利用线性光电耦合器隔离模拟信号l5.脉冲信号、数字量、开关量信号采用光电隔离 l图9-20中，A/D转换器输出的数字量通过光电耦合器施加到单片机的I/O接口上，使主机和输入通道实现了隔离;同样，单片机输出的数字量通过光电耦合器施加到D/A转换器的数字量输入端，使主机和输出通道又实现了隔离。这样就组成了所谓全浮空系统。图9-20 数字量光电隔离l6.使用V/F转换器减少光耦数量 l如图9-21所示，当使用V/F转
13、换器把模拟信号转换成频率信号后，使用一个光电耦合器，就可以实现输入通道的隔离，与图9-20的隔离方法相比可以简化电路，节省大量光电耦合器，降低系统成本。图9-21 使用V/F转换器的光电隔离技术l9.2.4 输入输入/输出传输线的抗干扰措施输出传输线的抗干扰措施 l1.信号采用电流传送 l信号采用电流传送是抗干扰的基本措施。干扰信号主要是通过输入线侵入微机测控系统的，尤其是当变送器远离微处理器时，长距离的传输线十分容易接受干扰。这些干扰包括共模干扰和电磁感应电压，在多对数的电缆中还会相互干扰。用电流方式传送信号，负载串联在变送器内部的电路中，在传输线上形成一个来回，电磁场相互抵消，共模电压和电
14、磁感应电压很难产生，可以大大提高信息在传送中的信噪比。l2.采用双绞线传送抑制串模干扰 l双绞线每一个小环路上感应的电势会互相抵消，可以使干扰抑制比达到几十分贝，表9-1列举了不同节距的双绞线对串模干扰的抑制效果。l3.采用屏蔽信号线 l在精度要求高、干扰严重的场合，应当采用屏蔽信号线。l4.利用光导纤维克服电磁干扰的影响 l对周围电磁干扰比较大的系统可以采用光导纤维进行传送。用光导纤维传送数字脉冲，传输过程可以不受任何形式的电磁干扰影响，而且光导纤维具有很高的绝缘强度，传输损耗又极小。l 5.长线传输干扰的抑制 l在计算机系统中，1 m左右的传输线就要算作长线了。长线传输除了会受到外界干扰和
15、引起信号延迟外，还可能产生波反射。如果传输线的终端阻抗和传输线的波阻抗不匹配，入射波达到终端时会引起反射，反射波达到始端后，如果和始端阻抗不匹配，又会引起新的反射。如此反复，在信号中引进许多干扰.l6.信号线的敷设 l选择了合适的信号线，还必须合理地进行敷设。否则，不仅达不到抗干扰的效果，反而会引进干扰。信号线的敷设要注意以下事项:l（1）要绝对避免信号线与电源线合用同一股电缆。l（2）屏蔽信号线的屏蔽层要一端接地，同时要避免多点接地。l（3）信号线的敷设要尽量远离干扰源，如避免敷设在大容量变压器、电动机等电器设备的附近。如果有条件，将信号线单独穿管配线，在电缆沟内从上到下依次架设信号电缆、直
16、流电源电缆、交流低压电缆、交流高压电缆。l（4）信号电缆与电源电缆必须分开，并尽量避免平行敷设。如果现场条件有限，信号电缆与电源电缆不得不敷设在一起时，则应满足以下条件:l电缆沟内要设置隔板，且使隔板与大地连接.l电缆沟内用电缆架或在沟底自由敷设时，信号电缆与电源电缆间距一般应在15 cm以上。如果电源电缆无屏蔽，交流电压220 V、电流10 A 时，两者间距应在60 m以上。l电源电缆使用屏蔽罩。l9.2.5 静电和电磁干扰的抑制静电和电磁干扰的抑制 l在静电场中，导体表面的不同部分会感应出不同的电荷，或导体上原有的电荷经感应重新分配。人体或处于浮动状态的设备都可能产生静电，所积累的电压会很
17、高，以至干扰微处理器工作。接地是消除静电干扰的最简单和最基本的方法。设备或机器的外壳应接到屏蔽地上，接地电阻越小越好，接地线不能太细。机房装修时，不要用绝缘材料作墙壁和天花板，因为空调机排出的气流和绝缘好的墙壁摩擦时，更容易引起静电积累，时间一长会使机房内形成高压静电。为了减少人体静电电容干扰，机房地板最好采用木板，而且工作人员应穿鞋底较厚的鞋子。机房内还应保持一定的湿度，以减少静电积累。由于人体可能带有静电，不要用手触摸集成芯片和印刷线路板。l为了防止电磁干扰，凡对系统构成干扰源的设备或部件都应尽可能地屏蔽起来。系统中检测端附近有强干扰源时，为尽量避免电磁感应，应将检测端的外围屏蔽起来。当常
18、态干扰主要来自电磁感应时，对被测信号应尽早进行前置放大，或尽早完成A/D转换，或进行隔离或屏蔽。9.3 软件抗干扰措施l9.3.1 数字信号的抗干扰措施数字信号的抗干扰措施 l1.数字输入信号软件抗干扰措施 l数字信号主要来自各种开关型状态传感器，如操作按钮、电气触点、限位开关等，对这些信号不能使用前面介绍的数字滤波法。干扰信号多呈毛刺状，而且作用时间短，而数字信号作用时间相对要长得多。根据这一特点，在采样某一数字信号时，可多次重复采样，直到连续两次或两次以上采样结果完全一致方为有效。如果多次采样后，信号始终变化不定，则说明干扰严重，就应停止采样，并且发出报警信号。l2.数字输出信号软件抗干扰
19、措施 l为了防止受数字输出信号控制的输出设备受干扰产生误动作，最有效的方法是不断重复输出数字输出信号，并且在可能条件下，输出的重复周期越短越好。外设接收一个错误的信息后，还来不及做出有效的反应，下一个正确的输出信息又到来了，就可以及时防止错误动作的发生，克服干扰的影响。l9.3.2 CPU及程序的抗干扰措施及程序的抗干扰措施 l干扰严重时，有可能使程序不能正常运行，即跑到不知什么地方执行，这就是通常所说的程序“跑飞”或“死机”，一般用下列几种方法防止程序“跑飞”或“死机”。l1.指令冗余 l程序“跑飞”以后，往往将一些操作数作为指令码执行，从而引起整个程序的混乱。所谓“指令冗余”就是在一些关键
20、的地方人为地插入一些单字节的空操作指令NOP。当程序“跑飞”到某条NOP指令上时，就不会发生将操作数作为指令码执行的错误，而是在连续执行几个空操作后，继续执行后面的程序，使程序恢复正常运行。l2.设置“软件陷阱”l采用“指令冗余”使“跑飞”的程序恢复正常运行是有条件的，首先“跑飞”的程序必须落到程序区，其次必须执行所设置的冗余指令。如果“跑飞”的程序落到非程序区（如EPROM中未使用的空间或某些数据表格等），则冗余指令就无能为力了。更完善的方法是设置“软件陷阱”。所谓“软件陷阱”，就是一条引导指令，强行将掉到陷阱中的程序引向一个处理错误的程序。假设该错误处理程序的入口地址为ERR，则下面三条指
21、令就组成一个“软件陷阱”。lNOP lNOP lLJMP ERR l除了在程序的关键位置设置“软件陷阱”外，在未使用的中断向量区和EPROM空间都应设置“软件陷阱”，在表格的最后也应安排“软件陷阱”。在EPROM允许的条件下，“软件陷阱”多设置一些为好。l如果“跑飞”的程序落到一个临时构成的死循环中时，冗余指令和软件陷阱都将无能为力，只能依靠Watchdog解决。l3.利用Watchdog（看门狗）使CPU复位 l程序“跑飞”后使其恢复正常运行的最简单有效的方法是使CPU复位。现在通常使用程序运行监视器实现CPU的自动复位。图9-28 用单稳触发器构成的程序运行监视器l程序运行监视器（Watc
22、hdog）原理 l程序运行监视器俗称看门狗（Watch-dog），图9-28是利用单稳触发器构成的程序运行监视器。图中CC4098是单稳触发器，它的反端与8031单片机的复位端RESET相连接。其基本工作原理是:程序中每隔一定时间t发出“CLR P1.3”和“SETB P1.3”指令，因此在P1.3端就输出一个频率为f的脉冲序列，使单稳触发器的反端输出总是为0。t时间的长短可根据程序运行要求而定。一旦程序受干扰进入死循环或“跑飞”，P1.3端的脉冲不再出现，单稳触发器CC4098的Q端将输出正脉冲，从而形成给单片机RESET端的复位信号，强迫系统复位。l利用P监控电路实现程序运行监控和掉电保护
23、 l现在已经有许多P监控电路可供选择，它们具有很多种类和规格，有的除了看门狗功能外，还具备下列功能:l上电复位;l监控电压变化，范围可从1.65 V;l片使能 WDO ;l备用电源切换开关。l图9-29是利用MAX815组成的Watchdog和电源监控电路。图中，用微处理器的一位I/O口控制Watchdog的输入端WDI，即当微处理器正常运行时，软件不断地从该I/O口向WDI发脉冲，因而输出始终保持高电平。一旦微处理器工作不正常，如发生程序“跑飞”或“死循环”，软件就不可能再像正常时那样定期地向WDI发脉冲，当WDI没有脉冲输入的时间间隔超过Watchdog的时钟脉冲宽度twp时，将变成低电平
24、，此低电平将使微处理器产生一个NMI（非屏蔽中断），在NMI的中断服务程序中，对系统进行适当的处理，如停机或复位。也可把接到MR（手动复位）端，直接产生一个复位信号，使系统重新工作。图9-29 利用MAX815组成的Watchdog和电源监控电路图9-30是用MAX793组成的防止程序“跑飞”和掉电保护电路。在图9-30中，MAX793的管脚BATT接备用电池，管脚BATT ON外接一个PMOS场效应管开关，OUT管脚用来给RAM供电。当VCC端电压高于复位阈值（VSW）或备用电池电压（VBATT）时，MAX793使BATT ON为低电平，使OUT管脚通过场效应管开关与VCC相连接，由VCC供电;当VCC端电压下降到低于VSW和VBATT时，MAX793使BATT ON变高电平，OUT和BATT相连接，由备用电池给RAM供电。图9-30 用MAX793组成的防止程序“跑飞”和掉电保护电路
