1、第7章 数据采集系统抗干扰技术第 7 章 数据采集系统抗干扰技术7.1 7.1 干扰的形成与抗干扰设干扰的形成与抗干扰设计计7.2 7.2 硬件抗干扰技硬件抗干扰技术术7.3 7.3 软件抗干扰技软件抗干扰技术术第7章 数据采集系统抗干扰技术在数据采集系统的设计过程中要考虑抗干扰问题。一个数据采集系统设计的成败与否，很大程度上取决于该系统的设计是否充分考虑了干扰并采取了有效的抗干扰措施。本章第 7.1 节从产生干扰的三要素出发，讨论了抗干扰设计的一般原则和相应措施，第 7.2 节和第 7.3 节将从硬件和软件两方面分别讨论抗干扰技术的具体实施。第7章 数据采集系统抗干扰技术7.1 干扰的形成与
2、抗干扰设计干扰的形成与抗干扰设计本书所提到的“干扰”通常是指电磁干扰(ElectroMagneticInterference，EMI)。在进行电磁干扰分析时，应该分别考虑“电磁”和“干扰”两种因素。第7章 数据采集系统抗干扰技术静止的电荷称为静电。当不同的电荷向同一个方向移动时，便发生了静电放电，产生电流，电流周围产生磁场。如果电流的方向和大小持续不断变化就产生了电磁波。电以各种状态存在，通常把这些状态统称为电磁场。干扰是指设备受到电磁场的影响后性能降低，例如雷电使收音机产生杂音，摩托车在电视机附近行驶后电视画面出现雪花以及拿起电话后听到的无线电声音等。第7章 数据采集系统抗干扰技术与电磁场干
3、扰相关的概念还有电磁敏感度(ElectroMagneticSusceptibility，EMS)和电磁兼容性(ElectroMagneticCompatibility，EMC)。电磁敏感度(EMS)是指由于电磁场能量造成性能下降的容易程度。为了通俗易懂，可以将电子设备比喻为人，将电磁能量比喻成感冒病毒，敏感度就是是否易患感冒。如果不易患感冒，说明免疫力强，也就是英语单词 Immunity，即抗电磁干扰性强。电磁兼容性(EMC)指设备所产生的电磁能量既不对其他设备产生干扰，也不受其他设备的电磁能量干扰的能力。第7章 数据采集系统抗干扰技术7.1.1 干扰的形成干扰的形成1.干扰三要素干扰三要素可
4、以把形成干扰的基本要素概括为如下三种，分别是干扰源、传播路径和敏感器件。1)干扰源干扰都是由干扰源产生的。干扰源是指产生干扰的元件、设备或信号，用数学语言可描述为电压导数(d u/d t)和电流导数(d i/d t)大的地方就是干扰源，例如雷电、继电器、可控硅、电机、高频时钟和高频 PWM 信号等都可能成为干扰源。第7章 数据采集系统抗干扰技术2)传播路径传播路径指干扰从干扰源传播到敏感器件的通路或媒介。干扰通过传播路径到达敏感器件，典型的干扰传播路径有通过导线的传导和空间的辐射。电磁干扰按干扰的传播路径可分为传导干扰和辐射干扰两类。传导干扰是指通过导线传播到敏感器件的干扰;辐射干扰是指通过空
5、间辐射传播到敏感器件的干扰。第7章 数据采集系统抗干扰技术3)敏感器件敏感器件指容易被干扰的对象。干扰可通过敏感器件表现出来，并使敏感器件不能正常工作。常见的敏感器件包括 A/D 转换器、D/A 转换器、单片机、数字 IC 和弱信号放大器等。第7章 数据采集系统抗干扰技术2.干扰的分类干扰的分类干扰可以按照下面所列的六类进行划分:(1)按照发生源的不同可将干扰分为自然干扰和人为干扰。自然干扰包括大气干扰、雷电干扰和宇宙干扰。人为干扰包括功能性干扰及非功能性干扰。功能性干扰指系统中某一部分正常工作所产生的有用能量对其他部分的干扰，而非功能性干扰指无用的电磁能量所产生的干扰，例如发动机点火系统产生
6、的干扰。第7章 数据采集系统抗干扰技术(2)按照干扰传播途径的不同可以将干扰分为通过电源线、信号线、地线、大地等途径传播的传导干扰和通过空间直接传播的空间干扰两类。(3)按照产生原因的不同可将干扰分为电源干扰、反射干扰、振铃(LC 共振)干扰、上冲和下冲干扰、状态翻转干扰，串扰干扰(相互干扰、串音)以及直流电压跌落干扰。(4)按照不同设备工作原理的不同可以将干扰分为出现在输出入端子上的干扰(电流交流声、尖峰脉冲噪声、回流噪声)和影响内部工作的干扰(开关干扰、振荡、再生噪声)。第7章 数据采集系统抗干扰技术(5)按照发生的频率的不同可将干扰分为突发干扰、脉冲干扰、周期性干扰、瞬时干扰、随机干扰和
7、跳动干扰。(6)按照频率范围的不同可以将干扰分为低频干扰和高频干扰。干扰可以分成很多类别，这些干扰既产生于电气电子设备，又干扰电气电子设备，造成设备的故障和停用，使数据采集系统不能正常工作。第7章 数据采集系统抗干扰技术3.干扰的耦合方式干扰的耦合方式干扰耦合(或辐射)的形式一般包括静电耦合、互感耦合、公共阻抗耦合和漏电流耦合。1)静电耦合(电容性耦合)静电耦合是由电路间经杂散电容耦合到电路中的一种干扰与噪声耦合方式。图 7.1 所示的是静电耦合的电路模型。图中 U 1 为干扰电路在 a、b两点之间的电动势，Z 2 为受扰电路在 c、d 两点间的等效输入阻抗，C 为干扰源电路和受扰电路间存在的
8、等效寄生电容。受扰电路在点 c、d 间所感受到的干扰信号为第7章 数据采集系统抗干扰技术由此可见，受扰电路所感受到的干扰信号 U 2 随 U 1、C、Z 2 和干扰信号的频率 增大而增大。减小受扰电路的等效输入阻抗 Z 2 和电路间的寄生电容 C，可以降低静电耦合的干扰与噪声。第7章 数据采集系统抗干扰技术图 7.1 静电耦合电路模型第7章 数据采集系统抗干扰技术2)互感耦合(电感性耦合)互感耦合是由电路间寄生互感耦合到电路的一种干扰与噪声耦合方式。图 7.2 所示的是互感耦合的电路模型。图中 I1为干扰源电路在点 a、b 间的等效输入电流源，M 为干扰源电路和受扰电路间的等效互感，则受扰电路
9、在点 c、d 间所感受到的干扰信号为第7章 数据采集系统抗干扰技术由此可见，受扰电路所感受到的干扰信号 U 2随 I1、M和干扰信号的频率 增大而增大。减小受扰电路的寄生互感 M，可以降低互感耦合的干扰与噪声。图 7.2 互感耦合电路模型第7章 数据采集系统抗干扰技术 3)公共阻抗耦合公共阻抗耦合是由电路间的公共阻抗耦合到电路的一种干扰与噪声耦合方式。图 7.3所示的是公共阻抗耦合的电路模型。图中 I1为干扰源电路在点 a、b 间的电流源，Z 2 为受扰电路在点 c、d 间的等效输入阻抗，Z 1 为干扰源电路和受扰电路间的公共阻抗，则受扰电路在 c、d 间所感受到的干扰信号为第7章 数据采集系
10、统抗干扰技术由此可见，受扰电路所感受到的干扰信号 U 2随 I1、Z 1 的增大而增大。减小干扰电路和受扰电路的公共阻抗 Z 1，可以降低公共阻抗耦合的干扰与噪声。图 7.3 公共阻抗耦合电路模型第7章 数据采集系统抗干扰技术 4)漏电流耦合漏电流耦合是由电路间的漏电流耦合到电路的一种干扰与噪声耦合方式。图 7.4 所示是漏电流耦合的电路模型。图中 U 1 为干扰电路在点 a、b 之间的电动势，Z 2 为受扰电路在点 c、d间的等效输入阻抗，Z 1 为干扰源电路和受扰电路间的漏电电阻，则受扰电路在点 c、d 间所感受到的干扰信号为第7章 数据采集系统抗干扰技术由此可见，受扰电路所感受到的干扰信
11、号 U 2随 U 1 和 Z 2 的增大而增大，随 Z 1 的增大而减小。如果增大干扰电路和受扰电路间的漏电阻抗 Z 1，减小受扰电路的等效输入阻抗 Z 2，都可降低漏电流耦合的干扰与噪声。图 7.4 漏电流耦合电路模型第7章 数据采集系统抗干扰技术7.1.2 抗干扰设计抗干扰设计根据形成干扰的三要素，抗干扰设计的基本原则是抑制干扰源、切断干扰传播路径和提高敏感器件的抗干扰性能。1.抑制干扰源抑制干扰源抑制干扰源就是尽可能地减小干扰源的电压导数“d u/d t”和电流导数“d i/d t”的量值。这是抗干扰设计中最优先考虑的和最重要的原则，常常会起到事半功倍的效果。减小干扰源的“d u/d t
12、”主要是通过在干扰源两端并联滤波电容来实现的，减小干扰源的“d i/d t”则是通过在干扰源回路串联电感或电阻以及增加续流二极管来实现的。第7章 数据采集系统抗干扰技术抑制干扰源的常用措施如下:(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，若再增加稳压二极管，则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，电阻一般选几千欧到几十千欧，电容选 0.01 F)，减小电火花的影响。(3)给电机加滤波电路，电容和电感的引线要尽量短。第7章 数据采集系统抗干扰技术(4)电路板上每个 IC 要
13、并接一个 0.010.1 F 高频电容，以减小 IC 对电源的影响。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 折线，减少高频噪声发射。第7章 数据采集系统抗干扰技术2.切断干扰传播路径切断干扰传播路径对于传导干扰，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，要特别注意处理。对于辐射干扰，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。第7章 数据采集系统抗干扰技术切断干扰传播路径的常用措施如
14、下:(1)充分考虑电源对单片机的影响。电源做得好，整个数据采集系统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)。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)。第7章 数据采集系统抗干扰技术(3)注意晶振布线。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。此措施可解决许多疑难问
15、题。(4)电路板合理分区。如强信号和弱信号分开，数字信号和模拟信号分开。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，厂家分配 A/D、D/A 芯片引脚排列时已考虑此要求。第7章 数据采集系统抗干扰技术(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，电源线和电路板连接线等关键地方使用抗干扰元件，如磁珠、磁环、电源滤波器和屏蔽罩，可显著提高电路的抗干扰性能。第7章 数据采集系统抗干扰技术3.提高敏感
16、器件的抗干扰性能提高敏感器件的抗干扰性能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。提高敏感器件抗干扰性能的常用措施如下:(1)布线时尽量减少回路的面积，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。(3)对于单片机闲置的 I/O 口，不要悬空，要接地或接电源。其他 IC 的闲置端在不改变系统逻辑的情况下接地或接电源。第7章 数据采集系统抗干扰技术(4)对单片机使用电源监控及看门狗电路，如 IMP809、IMP706、IMP813、X25043、X25045 等，可大幅度提高整个系统的抗干扰
17、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 插座。第7章 数据采集系统抗干扰技术7.2 硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术屏蔽、滤波、接地是解决电磁干扰问题的三种基本方法，下面分别讨论。第7章 数据采集系统抗干扰技术7.2.1 屏蔽屏蔽屏蔽是用导电或导磁体的封闭面将其内外两侧空间进行的电磁隔离。因此，从其一侧空间向另一侧空间传输的电磁能量，由于屏蔽而被抑制到极小量。这种干扰抑制效果称为屏蔽效能或屏蔽插入衰减，用分贝表示。令空间某点在没有屏蔽时的场强为 E o 或 H o，设计屏蔽后该点的场强为 E i 或 H i，于
18、是屏蔽效能 S 为第7章 数据采集系统抗干扰技术或屏蔽效能是频率和材料电磁参数的函数。另外，材料的厚度和屏蔽体的连接对屏蔽效能也有显著影响。第7章 数据采集系统抗干扰技术1.屏蔽的分类屏蔽的分类根据频率和作用机理不同，屏蔽可以分下面几种:(1)直流磁场屏蔽:其屏蔽效能取决于屏蔽材料的导磁系数 。(2)地磁屏蔽:地磁场接近于直流磁场，但实际上它是在 2050Hz 频率范围漂动。因此，对地磁屏蔽可看成是对叠加有效流场的直流磁场屏蔽。为了获得较好的屏蔽效能，屏蔽体应采用高导磁材料，通过控制剩余感应 B 来抵消外界直流磁场。控制的方法是，用一个高强度的高斯线圈放在屏蔽室中或靠近屏蔽室，进行急剧磁化和交
19、流去磁，以免屏蔽体磁化饱和或出现不希望的剩余感应，使剩余感应达到所期望的数值。第7章 数据采集系统抗干扰技术(3)低频磁场屏蔽:从狭义角度，是指甚低频(VLF)和极低频(ELF)的磁场屏蔽。主要屏蔽机理是利用高导磁材料具有低磁阻的特性，使磁场尽可能通过磁阻很小的屏蔽壳体，而尽量不扩散到外部空间。屏蔽壳体对磁场起磁分路作用。其屏蔽效能主要取决于屏蔽材料的导磁系数 ;随着频率增加，材料的电导率 也起一定作用。第7章 数据采集系统抗干扰技术(4)电磁屏蔽:从广义角度，所有屏蔽均属电磁屏蔽。但从狭义角度，电磁屏蔽是指从110kHz 到 40GHz 频率范围的屏蔽。电磁屏蔽的机理是磁感应现象。在外界交变
20、电磁场的作用下，通过电磁感应屏蔽壳体内产生感应电流，而该感应电流在屏蔽空间又产生了与外界电磁场方向相反的电磁场，从而抵消了外界电磁场，产生屏蔽效果。因此电磁屏蔽较适用于高频场合。低频时感应电流小，屏蔽效果较差。应保证屏蔽壳体各部分具有良好的电气连续，使感应电流能在壳体中畅流，以便产生足够大的感应电磁场来抵消外界电磁场，否则将影响屏蔽效果。第7章 数据采集系统抗干扰技术(5)静电屏蔽:用来防止静电耦合产生的感应。屏蔽壳体采用高电导率材料并良好接地，以隔断两个电路之间的分布电容耦合，达到屏蔽作用。静电屏蔽的屏蔽壳体必须接地。第7章 数据采集系统抗干扰技术2.屏蔽策略屏蔽策略只有如金属和铁之类导磁率
21、高的材料才能在极低频率下达到较高的屏蔽效率。这些材料的导磁率会随着频率增加而降低。另外，如果初始磁场较强也会使导磁率降低，采用机械方法将屏蔽罩做成规定形状同样会降低导磁率。综上所述，选择用于屏蔽的高导磁性材料非常复杂，通常要向 EMI 屏蔽材料供应商以及有关咨询机构寻求解决方案。第7章 数据采集系统抗干扰技术在高频电场下，采用薄层金属作为外壳或内衬材料可达到良好的屏蔽效果，但条件是屏蔽必须连续，并将敏感部分完全遮盖住，没有缺口或缝隙(形成一个法拉第笼)。然而在实际中要制造一个无接缝及缺口的屏蔽罩是不可能的，由于屏蔽罩要分成多个部分进行制作，因此就会有缝隙需要接合，另外通常还得在屏蔽罩上打孔，以
22、便安装与插卡或装配组件的连线。第7章 数据采集系统抗干扰技术设计屏蔽罩的困难在于制造过程中不可避免会产生孔隙，而且设备运行过程中还会需要用到这些孔隙。例如，电路板连线、通风口、外部监测窗口以及面板安装组件等都需要在屏蔽罩上打孔，从而大大降低了屏蔽性能。尽管沟槽和缝隙不可避免，但在屏蔽设计中对与电路工作频率波长有关的沟槽长度作仔细考虑是很有好处的。任一频率电磁波的波长为:波长()=光速(c)/频率(f)。第7章 数据采集系统抗干扰技术当缝隙长度为波长(截止频率)的一半时，RF 波开始以 20dB/10 倍频(1/10 截止频率)或 6dB/8 倍频(1/2 截止频率)的速率衰减。通常 RF 发射
23、频率越高，它的波长越短，衰减越严重。当涉及到最高频率时，必须要考虑可能会出现的任何谐波，不过实际上只需考虑一次及二次谐波即可。第7章 数据采集系统抗干扰技术一旦知道了屏蔽罩内 RF 辐射的频率及强度，就可计算出屏蔽罩的最大允许缝隙和沟槽。例如，对 1GHz(波长为 300mm)的电磁波来讲，若需要衰减 20dB，则缝隙应小于15mm(150mm 的 1/10);需要衰减 26dB 时，缝隙应小于 7.5mm(15mm 的 1/2);需要衰减 32dB 时，缝隙应小于 3.75mm(7.5mm 的 1/2)。可采用合适的导电衬垫使缝隙大小限定在规定尺寸内，从而实现这种衰减效果。第7章 数据采集系
24、统抗干扰技术7.2.2 滤波滤波滤波是为了抑制噪声干扰。在数字电路中，当电路从一个状态转换成另一个状态时，会在电源线上产生一个很大的尖峰电流，形成瞬变的噪声电压。当电路接通与断开电感负载时，产生的瞬变噪声干扰往往严重妨碍系统的正常工作。所以在电源变压器的进线端加入电源滤波器，以消弱瞬变噪声的干扰。滤波器按结构分为无源滤波器和有源滤波器。无源滤波器是由无源元件电阻、电容和电感组成的滤波器;有源滤波器是由电阻、电容、电感和有源元件(如运算放大器)组成的滤波器。第7章 数据采集系统抗干扰技术滤波器最重要的特性是其频率特性，可用对数幅频特性 20lg A 来表示。这在抗干扰技术中又称为衰减系数。式中，
25、U o 表示滤波器的输出信号;U i 表示滤波器的输入信号;表示信号的角频率。第7章 数据采集系统抗干扰技术信号通过滤波器，被滤除(或称被衰减)的信号频带称为阻带，被传输的信号频带称为通带。根据阻带和通带的频谱，又可将滤波器分为下面四种：(1)低通滤波器：允许低频信号通过，但阻止高频信号通过。(2)高通滤波器：允许高频信号通过，但阻止低频信号通过。(3)带通滤波器：允许规定的某频段信号通过，但阻止高于和低于该频段的信号通过。(4)带阻滤波器：只阻止规定的某频段信号，允许高于或低于该频段的信号通过。第7章 数据采集系统抗干扰技术1.差模干扰与共模干扰差模干扰与共模干扰若从噪声形成的特点来看，噪声
26、干扰分为差模干扰与共模干扰两种。电磁干扰滤波器必须对差模干扰和共模干扰都起到抑制作用。设备的电源线或其他设备与设备之间相互交换的通信线路，至少要有两根导线，这两根导线作为往返线路输送电能或信号。但在这两根导线之外通常还有第三导体，这就是“地线”。这三根导线的接法通常有两种:一种是两根导线分别作为往返线路传输(如图 7.5所示);另一种是两根导线做去路，地线做返回路传输(如图 7.6 所示)。前者叫“差模”回路，后者叫“共模”回路。前者会产生差模回路干扰，后者会形成共模回路干扰。第7章 数据采集系统抗干扰技术图 7.5 差模干扰第7章 数据采集系统抗干扰技术图 7.6 共模干扰第7章 数据采集系
27、统抗干扰技术差模干扰回路中有一个差模干扰源 V DM，该差模干扰源通过相线(L)与中线(N)形成差模干扰，差模干扰电流为 I DM;共模干扰回路中有一个共模干扰源 V CM，该共模干扰源通过相线(L)、中线(N)与地线(E)形成共模干扰回路，共模干扰电流为 I CM。差模和共模回路的区别在于差模电流只在相线和中线之间流动，而共模电流不但流过相线和中线，而且还流过地线。第7章 数据采集系统抗干扰技术2.无源滤波器无源滤波器1)电容滤波器电容 C 的电抗与频率有关，所以电容常用做滤波元件。图 7.7 所示为三种结构的电容滤波器。图 7.7 电容滤波器(a)可抗差模干扰;(b)可抗共模干扰;(c)既
28、可抗差模干扰又可抗共模干扰第7章 数据采集系统抗干扰技术2)RC 低通滤波器RC 低通滤波器共有 L 型、型和 T 型三种结构，如图 7.8 所示。它们都具有通过低频信号、滤除高频信号的能力。图 7.8 RC 低通滤波器(a)L 型;(b)型;(c)T 型第7章 数据采集系统抗干扰技术3)LC 低通滤波器LC 低通滤波器由电感和电容组成，按电路的结构也可以分为三种:L 型、型和 T型，如图 7.9 所示。通常 LC 低通滤波器比 RC 低通滤波器具有更好的滤波性能。但是由于制造电感比较麻烦，不利于大规模生产，不便于集成化和小型化，因而使 LC 低通滤波器的应用范围受到局限。第7章 数据采集系统
29、抗干扰技术图 7.9 LC 低通滤波器(a)L 型;(b)型;(c)T 型第7章 数据采集系统抗干扰技术3.有源滤波器有源滤波器有源滤波器的组成元件中除了电阻和电容(或电感)之外，还有运算放大器。RC 有源滤波器可做成混合型集成电路，因而体积较小。RC 有源滤波器的谐振频率可由 RC 网络任意设定，网络的损耗由运算放大器补偿。另外，这种滤波器可做成高品质因数(Q)，并且当 Q 值一定时其谐可调。因此，RC 有源滤波器是当前应用较多的一种滤波器。第7章 数据采集系统抗干扰技术1)一阶有源低通滤波器如图 7.10 所示为一阶有源低通滤波器，其传递函数为用 j 代替传递函数变量 s 可得此滤波器的频
30、率特性为第7章 数据采集系统抗干扰技术由此可得，此滤波器的静态增益为-R 2/R 1(负号表示反向)，截止频率(转折频率)为1/(R 2 C)。一阶有源低通滤波器的另一种结构如图 7.11 所示。它的频率特性为它的截止频率(转折频率)为 1/(RC)。其中，集成运放工作在电压跟随器状态，有极高的输入阻抗和极低的输出阻抗，可减小后接负载对滤波器的影响。第7章 数据采集系统抗干扰技术图 7.10 一阶有源低通滤波器第7章 数据采集系统抗干扰技术图 7.11 一阶有源低通滤波器第7章 数据采集系统抗干扰技术2)二阶有源低通滤波器二阶有源低通滤波器电路如图 7.12 所示。其传递函数为其中在二阶有源低
31、通滤波器中，当 时，截止频率 c=n。具有这种特性的滤波器称为巴特沃思(Butterworth)滤波器。第7章 数据采集系统抗干扰技术图 7.12 二阶有源低通滤波器第7章 数据采集系统抗干扰技术4.数字电平滤波器数字电平滤波器以上介绍的滤波器都是针对模拟信号进行滤波的滤波器。一般说来，一个系统对模拟信号的精度要求比较高，模拟信号也比较容易受到干扰;而数字信号不易受到干扰，或者说数字信号受到微小干扰但只要不至于影响 TTL 逻辑电平也没关系。但当干扰很大时，字信号的逻辑电平也会受到严重干扰而使逻辑电平混乱。例如，屏蔽不好的 PWM 功放对后续数据采集系统的数字逻辑电平就会有严重的干扰。第7章
32、数据采集系统抗干扰技术为了解决数字电平易受干扰的问题，现介绍一种数字电平滤波器，它由 D 触发器和门电路组成，使用效果相当好。其电路图如图 7.13 所示。如图 7.13 所示，数字电平滤波器的原理是，只有当 D 1、D 2、D 3、D 4 同时为高电平时，输出 Dout 才为高电平;当 D 1、D 2、D 3、D 4 同时为低电平时，D out 才为低电平。如果 D 1、D 2、D 3、D 4 四点电平不一致时，输出 D out 不改变。如果忽略门电路的延时，则整个电平滤波电路的延时取决于 CLK 时钟周期和 D 触发器的个数。图 7.13 所示的 TTL 电平滤波器的延时是 3 个时钟周期
33、。第7章 数据采集系统抗干扰技术根据信号受干扰的程度可选择 D 触发器的个数，逻辑电平 TTL 输入信号 Din 干扰得越厉害，选用的 D 触发器就越多，一般 3 个即可。滤波器的带宽可由时钟信号 CLK 控制。CLK 的时钟频率根据实际需要选择，CLK 时钟频率不可过高，否则带宽过大，噪声信号也能通过滤波器;CLK 时钟频率也不可过低，否则带宽过小，有用的数字电平信号将无法顺利通过该滤波器。第7章 数据采集系统抗干扰技术图 7.13 数字电平滤波器第7章 数据采集系统抗干扰技术7.2.3 接地接地1.接地的方式接地的方式接地是抑制噪声和防止干扰的重要措施。正确的接地可以减少或避免电路间的相互
34、干扰，根据不同的电路可用不同的方法。主要接地方式有单点接地和多点接地。1)单点接地单点接地就是把整个电路系统中某一点作为接地的基准点，其他信号的地线都连接到这一点上。单点接地又可分为两类:串联式单点接地(如图 7.14 所示)和并联式单点接地(如图 7.15 所示)。第7章 数据采集系统抗干扰技术图 7.15 并联式单点接地第7章 数据采集系统抗干扰技术串联式单点接地由于共用一条地线，易引起公共地阻抗干扰。从噪声的观点来看，串联式单点接地是最差的接地方法。因为任何导线都会有电阻(如图 7.14 所示)，故流经这些导线的电流会使导线产生压降，使 A、B、C 和“地”四点地电位互相不等。虽然串联式
35、单点接地有缺点，但由于其省工省料，故常被指标要求较宽的系统采用。这种接地法绝对不可用于功率强度相差甚远的系统之间，因信号功率较大的系统将会严重影响功率较小的系统。若某些场合非得使用此种接地方法时，应将最易受干扰的电路置于离接地点最近处，以图 7.14 为例，此点应为 A 点。第7章 数据采集系统抗干扰技术并联式单点接地是将每个电路单元单独地用地线连接到同一个接地点，在低频时，可有效避免各单元之间的地阻抗干扰。低频放大电路的地线设计宜采用这种并联式单点接地。但在高频时，相邻地线间的耦合增强，易造成各电路单元之间的相互干扰，所以并联式单点接地仅适用于 1MHz 以下电路。第7章 数据采集系统抗干扰
36、技术2)多点接地多点接地(如图 7.16 所示)是指设备(或系统)中各个接地点都直接接到距它最近的接地线上，使接地引线的长度最短。图 7.16 多点接地第7章 数据采集系统抗干扰技术在数字电路设计时，宜采用多点接地方式。多点接地系统的优点是电路构成比单点接地简单，而且由于采用了多点接地，接地线可能出现的高频驻波现象显著减少。但是，采用多点接地后设备会增加许多地线回路，它们会对设备内较低电平的信号单元产生不良影响。一般而言，1MHz 以下的电路最好采取单点接地;而10MHz 以上的电路最好采取多点接地的方法;介于 110MHz 之间的电路则视接地导线的长短来决定采用何种接地方法。如接地导线所需长
37、度少于 1/20 工作信号的波长时，则以单点接地较为合适，否则就需采用多点接地。第7章 数据采集系统抗干扰技术电路中既有低频电路又有高频电路时，低频电路宜采用单点接地方式，而高频电路需采用多点接地。对于单元电路一般采用单点接地方式，但多级电路地线设计，应根据信号通过频率的高低灵活采用各种不同的接地方式，有时可以采用混合接地措施，如图 7.17 所示。如图 7.17 所示，大部分系统至少要求三个分开的接地点。信号接地点用于低功率或低能量的电子电路，绝不能与继电器或电动机电路高噪声接地点混合使用。第三个机壳接地点专供机械外壳、机身、机架和机壳底盘等使用。如果电力输配线经过这些系统，则电力线接地点接
38、于机壳接地点上。以上三个接地点最后只能接于同一个接地点上。第7章 数据采集系统抗干扰技术图 7.17 混合接地第7章 数据采集系统抗干扰技术2.电缆屏蔽层的接地电缆屏蔽层的接地对于屏蔽层的接地，不仅应遵循一点接地，而且接地点不同其效果也不相同。按照单地原则，一个不接地信号源和一个接地的放大器相连时屏蔽端的接地应该接放大器的地端。同理，一个接地信号源和一个不接地的放大器相连时屏蔽端的接地应该接信号源的地端。若信号源和电路均接地，则屏蔽线两端也须接地，这时靠屏蔽体分流干扰，如图 7.18所示。如果远方电路不接地，则屏蔽也不接地，而是与电路相接，此时，地线变成单点接地，未形成干扰回路，如图 7.19
39、 所示。第7章 数据采集系统抗干扰技术图 7.18 屏蔽体双点接地第7章 数据采集系统抗干扰技术图 7.19 屏蔽体单点接地第7章 数据采集系统抗干扰技术7.2.4 电源抗干扰电源抗干扰在数据采集系统中，为了保证各部分电路的工作，需要一组或多组直流电源。直流电源都是由交流电(如市电 220VAC)经过变压、整流、滤波、稳压后得到的。直流电源的输入直接接在电网上，因此电网上的各种干扰便会通过直流电源引入数据采集系统中，对数据采集系统内部造成影响。所以必须对电网电源采取抗干扰措施。第7章 数据采集系统抗干扰技术1.电源干扰的类型电源干扰的类型1)电源线中的高频干扰供电电力线相当于一个接收天线，能把
40、雷电、开闭日光灯、启停大功率的用电设备、电弧、广播电台等辐射的高频干扰信号通过电源变压器初级耦合到次级，形成干扰。2)感性负载产生的瞬变噪声切断大容量感性负载时，能产生很大的电流和电压变化率，从而形成瞬变噪声干扰，成为电磁干扰的主要原因。第7章 数据采集系统抗干扰技术3)晶闸管通断时所产生的干扰晶闸管由截止到导通，仅在几微秒的时间内使电流由零很快上升到几十甚至几百安培，因此电流变化率 d i/d t 很大。这样大的电流变化率，使得晶闸管在导通瞬间流过一个具有高次谐波的大电流，在电源阻抗上产生很大的压降，从而使电网电压出现缺口。这种畸变了的电压波形含有高次谐波，可以向空间辐射，或者通过传导耦合，
41、干扰其他电子设备。第7章 数据采集系统抗干扰技术4)电网电压的短时下降干扰当启动如大电动机等大功率负载时，由于启动电流很大，可导致电网电压短时大幅度下降。当下降值超出稳压电源的调整范围时，就会干扰电路的正常工作。5)拉闸过程形成的高频干扰当计算机与电感负载共用一个电源时，拉闸时产生的高频干扰电压通过电源变压器的初、次级间的分布电容耦合到数据采集系统，再经该装置与大地间的分布电容形成耦合回路。第7章 数据采集系统抗干扰技术2.常用电源抗干扰措施常用电源抗干扰措施1)电路滤波器电路滤波器的结构如图 7.20 所示，由纵向扼流圈 L 和滤波电容 C 组成。1、3 为交流电网电源输入端口，2 为外部接
42、地端，4、5 为电源输出端。恰当地确定 L 和 C 的数值，可有效地抑制电网中 100kHz 以上的干扰与噪声。第7章 数据采集系统抗干扰技术图 7.20 电源滤波器结构第7章 数据采集系统抗干扰技术2)切断噪声变压器切断噪声变压器的结构如图 7.21 所示。它的铁芯材料、形状以及线圈位置都比较特殊，可以切断高频噪声磁通，使之不能感应到二次绕组，既能切断共模噪声，也能切断差模噪声。第7章 数据采集系统抗干扰技术图 7.21 中，切断噪声变压器的一次、二次绕组分别绕在铁芯的不同处，且铁芯选用高频时有效磁导率尽量低的材料。干扰与噪声因频率高，在通过铁芯向二次绕组交连时被显著地衰减，而变压器中的有用
43、信号因频率较低，仍可被正常地传输。切断噪声变压器还将一次、二次绕组和铁芯分别予以屏蔽并接地，切断了更高频率的干扰与噪声通过分布电容向二次绕组的传播。采用切断噪声变压器，可使测控设备对电网干扰与噪声的抑制能力显著地提高，用脉冲干扰模拟器测得对电网干扰抑制的敏感阈值可达 5000V 以上。第7章 数据采集系统抗干扰技术图 7.21 切断噪声滤波器结构第7章 数据采集系统抗干扰技术7.3 软件抗干扰技术软件抗干扰技术软件抗干扰技术是硬件抗干扰技术的一个补充和延伸，软件抗干扰技术运用得法可以显著提高数据采集系统的可靠性，并且在一定程度上避免和减轻不必要的损失。第7章 数据采集系统抗干扰技术软件抗干扰的
44、工作主要集中在 CPU 抗干扰技术和输入/输出信号的抗干扰技术两个方面。前者主要是抵御因干扰造成的程序“跑飞”，后者主要是用各种数字滤波方法消除信号中的干扰以提高系统精度。这里着重讲解 CPU 抗干扰技术，至于各种数字滤波方法将在第 10 章中进行介绍。CPU 软件抗干扰技术通常包括:广布陷阱法、重复功能设定法、指令冗余、设置监视跟踪定时器和重要数据备份法。下面分别进行具体介绍。第7章 数据采集系统抗干扰技术1.广布陷阱法广布陷阱法有时一个意想不到的干扰就 能破坏和中 断所有程序 的正常运行。此时程 序指针(ProgrammCounter，PC)值可能在程序区内，也可能在程序区之外，要使其能够
45、自恢复正常运行，只有依赖于广布“陷阱”的方式。第7章 数据采集系统抗干扰技术所谓“陷阱”，是指某些类型的 CPU 提供给用户使用的软中断指令或者复位指令。例如，Z80 指令 RST38H，其机器码为 FFH。CPU 执行该指令时，则将当前程序计数器 PC的值压入堆栈，然后转到 0038H 地址执行程序。如果把 0038H 作为一个重启动入口，则机器就可以恢复新的工作了。再如，INTEL8098、80198 系列的复位指令 RST，机器码也为FFH。CPU 执行该指令时，其内部进行复位操作，然后从 2080H 开始执行程序。当然，80198 系列还有更多的非法操作码可作为陷阱指令使用，这时只需要
46、在 2012H 的一个字的中断矢量单元里安排中断入口，并且编制一个处理非法操作码的中断服务程序，一遇非法操作码就能进行故障处理。第7章 数据采集系统抗干扰技术陷阱要广泛布置。陷阱不但需要在 ROM 的全部非内容区、RAM 的全部非数据区设置，而且在程序区的模块之间也要广泛布置。一旦机器程序跑飞，总会碰上陷阱，就可以救活机器。第7章 数据采集系统抗干扰技术2.重复功能设定法重复功能设定法一个完善的数据采集系统有很多功能需要设定，通常是在主程序开始时的初始化程序里设定的，以后再不必设定。这在正常情况下本无问题，但偶然的干扰会改变 CPU 内部的这些寄存器或者接口芯片的功能寄存器，例如，把中断的类型
47、、中断的优先级别、串行口、并行口的设定修改了，机器的运行肯定会出错。第7章 数据采集系统抗干扰技术因此，只要重复设定功能操作不影响程序连续工作的性能，都应当将功能设定纳入主程序的循环圈里。每个循环就可以刷新一次设定，避免了偶然不测事件的发生。对于那些重复设定功能操作会影响当前连续工作性能的，要尽量想法找机会重新设定。例如串行口，如果接收完某帧信息或者发送完某帧信息之后，串口会有一个短暂的空闲，就应作出判断并且安排重新设定一次的操作。第7章 数据采集系统抗干扰技术3.指令冗余指令冗余CPU 取指令过程是先取操作码，再取操作数。当 PC 受干扰出现错误时，程序便脱离正常轨道“跑飞”。对于机器代码而
48、言，“跑飞”到某双字节指令，若取指令时刻落在操作数上，误将操作数当作操作码，程序将会出错。若“跑飞”到了三字节指令，则出错机率更大。第7章 数据采集系统抗干扰技术在关键地方人为插入一些单字节指令，或将有效单字节指令重写称为指令冗余。通常是在双字节指令和三字节指令后插入两个字节以上的空操作指令(NoOperation，NOP)。这样即使程序“跑飞”到操作数上，由于 NOP 的存在，因而避免了后面的指令被当作操作数执行，程序会自动纳入正轨。此外，在对系统流向起重要作用的指令如 RET、RETI、LCALL、LJMP、JC 等指令之前插入两条 NOP，也可将“跑飞”的程序纳入正轨，确保这些重要指令的
49、执行。第7章 数据采集系统抗干扰技术4.设置监视跟踪定时器设置监视跟踪定时器程序运行监视定时器(WDT)，又被称为“看门狗”，是一种软硬件结合的对付程序“跑飞”的措施。它使用定时中断来监视程序运行状态。定时器的定时时间稍大于主程序正常运行一个循环的时间，在主程序运行过程中执行一次定时器时间常数刷新操作。这样，只要程序正常运行，定时器就不会出现定时中断。而当程序运行失常，不能及时刷新定时器时间常数而导致定时中断时，利用定时中断服务程序可将系统复位。第7章 数据采集系统抗干扰技术在 8031 应用系统中作为软件抗干扰的具体做法是:使用 8155 的定时器所产生的“溢出”信号作为 8031 的外部中
50、断源 INT1;用 555 定时器作为 8155 中定时器的外部时钟输入;8155 定时器的定时值稍大于主程序的正常循环时间;在主程序中，每循环一次，对8155 定时器的定时常数进行刷新;在主控程序开始处，对硬件复位还是定时中断产生的自动恢复进行分类判断处理。第7章 数据采集系统抗干扰技术5.重要数据备份法重要数据备份法系统中的一些关键数据，应当有且至少有两个以上的备份副本，当操作这些数据时，可以把主、副本进行比较，如其改变，就要分析原因，采取预先设计好的方法处理。还可以把重要数据采用校验和或者分组 BCH 校验(一种 CRC 校验方法)的方法进行校验。这两种方法一并使用则更可靠。第7章 数据
