抗干扰技术

§2抗干扰技术§2.1干扰的来源和传播途径§2.2硬件抗干扰技术§2.3软件抗干扰技术§2.4接地技术§2.1干扰的来源和传播途径一、干扰的来源检测系统所受到的干扰源分为外部干扰和内部干扰。1、外部干扰外部干扰的主要来源有：电源电网的波动、大型用电设备(如天车、电炉、大电机、电焊机等)的启停、高压设备和电磁开关的电磁辐射、传输电缆的共模干扰等。2、内部干扰内部干扰主要有：分布电容或分布电感产生的干扰、多点接地造成的电位差给系统带来的影响等。3、表征一个系统干扰的主要指标是“信噪比”。信噪比S／N指的是在信号通道中，有用信号成分与噪声信号成分之比NNUUslg20PPslg10S/N§2.1干扰的来源和传播途径二、干扰的作用途径1、静电耦合干扰信号通过分布电容进行传递称为静电耦合。系统内部各导线之间，印刷线路板的各线条之间，变压器线匝之间的绕组之间以及元件之间、元件与导线之间都存在着分布电容。具有一定频率的干扰信号通过这些分布电容提供的电抗通道穿行，对系统形成干扰。§2.1干扰的来源和传播途径2、电磁耦合电磁耦合是指在空间磁场中电路之间的互感耦合。因为任何载流导体都会在周围的空间产生磁场，而交变磁场又会在周围的闭合电路中产生感应电势，所以这种电磁耦合总是存在的，只是程度强弱不同而已。§2.1干扰的来源和传播途径3、公共阻抗耦合公共阻抗耦合是指多个电路的电流流经同一公共阻抗时所产生的相互影响。例如系统中往往是多个电路共用一个电源，各电路的电流都流经电源内阻和线路电阻，成为各电路的公共阻抗。每一个电路的电流在公共阻抗上造成的压降都将成为其它电路的干扰信号。§2.1干扰的来源和传播途径EnUNZiREnRZiUN4、漏电流耦合由于绝缘不良，流经绝缘电阻R的漏电流所引起的噪声干扰叫做漏电流耦合。漏电流耦合经常发生在：用仪表测量较高的直流电压时；在检测装置附近有较高的直流电压源时，在高输入阻抗的直流放大器中。设直流放大器的输入阻抗Zi=10^8，干扰源电动势En=15V，绝缘电阻R=10^10。下面估算漏电干扰对此放大器的影响。根据上述给出的数据可以得出从上述估算可知，对于高输入阻抗放大器来说，即使是微弱的漏电流干扰，也将造成严重的后果。所以必须严密注意与输入端有关的绝缘水平，以及它周围的电路安排。V149.0V15101010EZRZU8108niiN§2.1干扰的来源和传播途径三、干扰的作用形式各种干扰信号通过不同的耦合方式进入系统后，按照对系统的作用形式又可分为共模干扰和串模干扰。1、共模干扰共模干扰是在电路输入端相对公共接地点同时出现的干扰，也称为共态干扰、对地干扰、纵向干扰、同向干扰等。共模干扰主要是由电源的地、放大器的地以及信号源的地之间的传输线上电压降造成的，如图所示。§2.1干扰的来源和传播途径共模电压对放大器的影响，实际上是转换成串模干扰的形式而加入到放大器的输入端。当放大器为单端输入时，共模电压Vc引入放大器输入端的串模干扰电压为Vn1=IcZs=VcZs/(Zs+Zr)Zs为信号源内阻；Zr为放大器输入阻抗；ZrZs因此，Vn1≈VcZs/Zr§2.1干扰的来源和传播途径当放大器为双端输入时，共模电压Vc引入放大器输入端的串模干扰电压为Vn2=Ic1Zs1–Ic2Zs2=VcZs1/(Zs1+Zr1)–VcZs2/(Zs2+Zr2)Zs1、Zs2为信号源内阻；Zc1、Zc2为放大器输入端对地的漏阻抗；Zc1Zs1Zc2Zs2因此，Vn2≈Vc(Zs1/Zc1–Zs2/Zc2)当Zs1/Zc1=Zs2/Zc2时Vn2＝0§2.1干扰的来源和传播途径2、串模干扰就是指串联叠加在工作信号上的干扰，也称之为正态干扰、常态干扰、横向干扰等。常用的干扰抑制技术屏蔽技术接地技术浮置平衡电路滤波技术静电屏蔽在静电场作用下，导体内部无电力线，即各点等电位。静电屏蔽就是利用了与大地相连接的导电性良好的金属容器，使其内部的电力线不外传，同时也不使外部的电力线影响其内部。静电屏蔽能防止静电场的影响，用它可以消除或削弱两电路之间由于寄生分布电容耦合而产生的干扰。在电源变压器的一次、二次侧绕组之间插入一个梳齿形薄铜皮并将它接地，以此来防止两绕组间的静电耦合，就是静电屏蔽的范例。电磁屏蔽电磁屏蔽是采用导电良好的金属材料做成屏蔽层，利用高频干扰电磁场在屏蔽体，内产生涡流，再利用涡流消耗高频干扰磁场的能量，从而削弱高频电磁场的影响。若将电磁屏蔽层接地，则同时兼有静电屏蔽的作用。也就是说，用导电良好的金属材料做成的接地电磁屏蔽层，同时起到电磁屏蔽和静电屏蔽两种作用低频磁屏蔽在低频磁场干扰下，采用高导磁材料作屏蔽层以便将干扰磁力线限制在磁阻很小的磁屏蔽体内部，防止其干扰作用。通常采用坡莫合金之类的对低频磁通有高导磁系数的材料。同时要有一定的厚度，以减少磁阻。EnABDCs1Cs2ZiR驱动屏蔽驱动屏蔽就是使被屏蔽导体的电位与屏蔽导体的电位相等。其原理如图所示。若1：1电压跟随器是理想酌，即在工作中导体B与屏蔽层D之间的绝缘电阻为无穷大，并且等电位。那么，在导体B与屏蔽层D之间的空间无电力线，各点等电位。这说明，导体A噪声源的电场En影响不到导体B。这时，尽管导体B与屏蔽层D之间有寄生电容Cs2存在，但是，因B与D是等电位，故此寄生电容也不起作用。因此，驱动屏蔽能有效地抑制通过寄生电容的耦合干扰。应该指出的是，在驱动屏蔽中所应用的1∶1电压跟随器，不仅要求其输出电压与输入电压的幅值相同，而且要求两者之间的相移亦为零。另一方面，电压跟随器的输入阻抗与导体B的对地阻抗Zi相并联，为减小其并联作用，则要求跟随器有无穷大的输入阻抗。实际上，这些要求只能在一定程度上得到满足。驱动屏蔽属于有源屏蔽，只有当线性集成电路出现以后，驱动屏蔽才有了实用价值，并在工程中获得愈来愈广泛的应用。接地技术一、地线系统的分析（1）模拟地。它是放大器，A/D，D/A转换器中的模拟电路零电位。（2）数字地，各种数字电路的零电位。（3）安全地：目的是使设备机壳与大地等电位，以避免机壳带电而影响人身及设备的安全（通常又称为保护地或机壳地）；（4）系统地：上述几种地的最终汇流点，直接与大地相连；（5）交流地。交流50Hz电源的地线，它是噪声地。接地技术汇流法单点接地接地技术二、主机系统的接地1、多机一点接地接地技术2、主机外壳接地及机芯浮空接地技术3、多机系统的接地近距离的计算机安装在同一机房内，可采用多机一点接地；远距离的计算机，多台计算机之间的数据通信，通过隔离的办法把地分开，例如：变压器隔离技术、光电隔离技术和无线通信技术。硬件抗干扰技术一、共模干扰的抑制抑制共模干扰的主要方法是设法消除不同接地点之间的电位差。1、变压器隔离硬件抗干扰技术2、光电隔离光电耦合具有以下特点：（1）密封在管壳内，不受外界光的影响；（2）靠光传输信号，切断了各电路之间地线的联系；（3）其发光二极管只有通过一定的电流时才能发光，从而有效的抑制干扰信号。硬件抗干扰技术模拟信号经放大后，再利用光电隔离的线性区，直接对模拟信号进行光电耦合传送。硬件抗干扰技术3、浮地屏蔽采用浮地输入双层屏蔽放大器来抑制共模干扰。所谓浮地，就是利用屏蔽方法使信号的“模拟地”浮空，从而达到抑制共模干扰的目的。4、采用具有高共模抑制比的仪表放大器作为输入放大器仪表放大器具有共模抑制能力强、输入阻抗高、漂移低、增益可调等优点，是一种专门用来分离共模干扰与有用信号的器件。硬件抗干扰技术二、串模干扰的抑制对于串模干扰的抑制比较困难。1、滤波如果串模干扰频率比被测信号频率高，则采用输入低通滤波器来抑制高频串模干扰；如果串模干扰频率比被测信号频率低，则采用高通滤波器来抑制低频串模干扰；如果串模干扰频率落在被测信号频谱的两侧，应采用带通滤波器。一般情况下，串模干扰均比被测信号变化快，故常用二阶阻容低通滤波网络作为模/数转换器的输入滤波器。硬件抗干扰技术2、采用双绞线作为信号线若串模干扰和被测信号的频率相当，则很难用滤波的方法消除。此时，必须采用其它措施，消除干扰源。通常可在信号源到计算机之间选用带屏蔽层的双绞线或同轴电缆，并确保接地正确可靠。采用双绞线作为信号引线的目的是减少电磁干扰。双绞线能使各个小环路的感应电势相互抵消。一般双绞线的节距越小抗干扰能力越强。硬件抗干扰技术3、电流传送当传感器信号距离主机很远时很容易引入干扰。如果在传感器出口处将被测信号由电压转换为电流，以电流形式传送信号，将大大提高信噪比，从而提高传输过程中的抗干扰能力。软件抗干扰技术一、输入/输出软件抗干扰措施1、开关量(数字量)信号输入抗干扰措施对于开关量的输入，为了确保信息准确无误，在软件上可采取多次读取的方法(至少读两次)，认为无误后再行输入。软件抗干扰技术2、开关量(数字量)信号输出抗干扰措施软件抗干扰技术当计算机输出开关量控制闸门、料斗等执行机构动作时，为了防止这些执行机构由于外界干扰而误动作，比如已关的闸门、料斗可能中途打开；已开的闸门、料斗可能中途突然关闭。对于这些误动作，可以在应用程序中每隔一段时间(比如几个ms)发出一次输出命令，不断地关闭闸门或者开闸门。这样，就可以较好地消除由于扰动而引起的误动作(开或关)。软件抗干扰技术二、软件冗余技术1、数据冗余数据冗余就是将要保护的原始数据在另外两个区域同时存放，建立两个备份，当原始数据块被破坏时，用备份数据块去修复。备份数据的存放地址应远离原始的存放地址以免被同时破坏。数据区也不要靠近栈区，以防止万一堆栈溢出而冲掉数据。软件抗干扰技术2、指令冗余当CPU受到干扰后，往往将一些操作数当作指令码来执行，引起程序混乱。当程序弹飞到某一单字节指令上时，便自动纳入正轨。当弹飞到某一双字节指令上时，有可能落到其操作数上，从而继续出错。当程序弹飞到三字节指令上时，因它有两个操作数，继续出错的机会更大。因此，我们应多采用单字节指令，并在关键的地方人为地插入一些单字节指令(NOP)或将有效单字节指令重复书写，这便是指令冗余。软件抗干扰技术三、程序运行失常的软件抗干扰1、设置软件陷阱当干扰导致程序计数器PC值混乱时，可能造成CPU离开正确的指令顺序而跑飞到非程序区去执行一些无意义地址中的内容，或进入数据区，把数据当作操作码来执行，使整个工作紊乱，系统失控。针对这种情况，可以在非程序区设置陷阱，一旦程序飞到非程序区，很快进入陷阱，然后强迫程序由陷阱进入初始状态。所谓软件陷阱，就是一条引导指令，强行将捕获的程序引向一个指定的地址，在那里有一段专门对程序出错处理的程序。软件陷阱安排在以下4种地方：（1）未使用的中断向量区；(2)未使用的大片ROM空间；(3)表格；(4)程序区。软件抗干扰技术2、设置监视跟踪定时器也称为看门狗定时器(Watchdog)，可以使陷入“死机”的系统产生复位，重新启动程序运行。这是目前用于监视跟踪程序运行是否正常的最有效的方法之一，近来得到了广泛的应用。在程序运行的每个循环周期内，对定时器重新初始化。如果程序运行失常，跑飞或进入局部死循环，不能按正常循环路线运行，则Watchdog定时器得不到及时的重新初始化而使定时时间到，引起复位。软件抗干扰技术监控电路实例（MAX1232）（1）MAX1232基本功能电源供电监控功能。手动复位输入可编程的监控定时器（2）监控定时器设定TD＝0，复位时间＝150ms；TD＝开路，复位时间＝600ms；TD＝VCC，复位时间＝1200ms；§2.3软件抗干扰技术（3）电源电压允许限TOL＝0电源电压允许限＝5％；TOL＝VCC电源电压允许限＝10％；电压突然下降将使计算机系统陷入混乱状态，电压恢复正常后，计算机系统难以恢复正常。（4）复位信号的产生系统上电；VCC低于允许限；监控定时器在规定时间内未被清零；手动复位输入；