5.3 智能仪器抗干扰技术

内容提要：一、干扰和噪声二、干扰的分类及传播途径三、硬件的抗干扰技术四、软件的抗干扰技术§5.3智能仪器抗干扰技术P221-231一、干扰和噪声1、干扰与噪声干扰：来自信号外部、可以用屏蔽或接地的方法加以减弱或消除的影响。噪声：由于材料或器件内部的原因而产生的污染，无用的，不规则的。2、噪声的来源与特点噪声是来自元器件内部的一种信号污染源。3、干扰的来源和特点干扰窜入仪器的渠道主要有三个：（1）空间电磁场（2）传输通道（3）配电系统特点：来自测试系统外部，因此一般可以通过屏蔽、滤波或电路元器件的合理布局，通过电源线和地线的合理连接，引线的正确走向等措施加以减弱或消除。4、噪声和干扰的区别①噪声是绝对的，它的产生或存在不受接收者的影响，是独立的，与有用信号无关。干扰是相对有用信号而言的，只有噪声达到一定数值、它和有用信号一起进入智能仪器并影响其正常工作才形成干扰。②噪声与干扰是因果关系，噪声是干扰之因，干扰是噪声之果，是一个量变到质变的过程。③干扰在满足一定条件时，可以消除。噪声在一般情况下，难以消除，只能减弱。5、噪声形成干扰的三要素1）传导和辐射电磁能量的噪声源2）噪声传递的途径3）对干扰敏感的接收电路干扰源耦合通道接收电路噪声形成干扰的三要素二、干扰的分类及传播途径1、干扰的分类（根据产生干扰的物理原因）（1）机械干扰采取减振措施解决（2）热干扰采用热平衡、恒温措施、温度补偿元器件等来解决（3）光干扰采用光屏蔽来抑制（4）湿度干扰采取防潮措施，元器件或电路板浸漆，用环氧或硅橡胶灌封1、干扰的分类（根据产生干扰的物理原因）（5）化学干扰密封，保持清洁（6）电和磁干扰硬件、软件抗干扰（7）射线辐射干扰2、电磁干扰的分类噪声产生的来源：固有噪声、人为噪声、自然噪声、放电噪声。干扰的表现形式：规则干扰、不规则干扰干扰出现的区域：内部干扰、外部干扰干扰对电路作用的形式：差模干扰、共模干扰共模干扰：任何载流导体与参考地之间的不希望有的电位差；差模干扰：任何两个载流导体之间的不希望有的电位差高压电缆闪电雷达、电台等天线发射微机控制系统地电位波动电机、电焊机等大用电设备引入噪声交流动力线图8-1外部干扰环境外部干扰由使用条件和外部环境因素决定。天电干扰、天体干扰、电气设备的干扰、电源的工频干扰干扰传播的途径主要有三种：静电耦合，磁场耦合，公共阻抗耦合。1）．静电耦合3、干扰的传播途径–静电耦合是电场通过电容耦合途径窜入其它线路的。两根并排的导线之间会构成分布电容，如印制线路板上印制线路之间、变压器绕线之间都会构成分布电容。–图中给出两根平行导线之间静电耦合的示意电路，Cl2是两个导线之间的分布电容，C1g、C2g是导线对地的电容，R是导线2对地电阻。如果导线1上有信号V1存在，那么它就会成为导线2的干扰源，在导线2上产生干扰电压Vn。显然，干扰电压Vn与干扰源V1、分布电容Cl2、C2g的大小有关。如果导体1上有干扰源V1存在，导体2为接受干扰的导体，则导体2上出现的干扰电压Vn为1212121VCCRjRCjVgn)(112VRCjVnVn可近似表示为这表明干扰电压Vn与干扰源的角频率和幅值V1、导体2的负载电阻R、耦合电容C12成正比关系。当导体2对地电阻R很小，使1)(212gCCRj1)(212gCCRj121212VCCCVgn当导体2对地电阻R很大，使Vn可近似表示为在这种情况下，干扰电压Vn由电容C12和C2g的分压关系及V1所确定，其幅值比前种情况大的多。空间的磁场耦合是通过导体间的互感耦合进来的。在任何载流导体周围空间中都会产生磁场，而交变磁场则对其周围闭合电路产生感应电势。如设备内部的线圈或变压器的漏磁会引起干扰，还有普通的两根导线平行架设时，也会产生磁场干扰，如下图所示。•如果导线1为承载着10kA、220V的交流输电线，导线2为与之相距1米并平行走线10米的信号线，两线之间的互感M会使信号线上感应到的干扰电压Un高达几十毫伏。如果导线2是连接热电偶的信号线，那么这几十毫伏的干扰噪声足以淹没热电偶传感器的有用信号。2）．磁场耦合•公共阻抗耦合发生在两个电路的电流流经一个公共阻抗时，一个电路在该阻抗上的电压降会影响到另一个电路，从而产生干扰噪声的影响。3）．公共阻抗耦合如印刷电路板上的“地”，实质上就是公共回流线，由于它仍然有一定的电阻，各电路之间通过它产生信号耦合。可分为共电源干扰电压和共地干扰电压)(,),)((),(12221111nnpnnjjnpnpRRiRRiiRRi（1）、共电源干扰电压：如下图所示，在一块印刷线路板上各电路有公共电源线，各独立电路回流通过公共回流线电阻Rpi和Rni（I=1，2，…，n）产生压降公共电源线的阻抗耦合Rp1RpnRn2Rn1Rp2Rnnnjji121ii1i1i2ini它们分别耦合进各级电路形成干扰。（2）、共地干扰电压：如果系统的模拟信号和数字信号不是分开接地的，如图（A）（B）所示，则数字信号就会耦合到模拟信号中去。图（C）中模拟信号和数字信号是分开接地的，两种信号分别流入大地，这样，就可以避免干扰。模拟系统数字系统模拟系统模拟系统数字系统数字系统~~（A）（B）（C）公共地线的阻抗耦合三、硬件的抗干扰技术1、抑制干扰的基本方法消除或抑制噪声源；隔离或减弱噪声耦合途径；提高接收电路对电磁干扰的抵抗能力；采用软件抑制技术；2、抑制干扰的硬件措施总的方针是：屏蔽、接地、滤波、隔离。1）、屏蔽技术电场屏蔽磁场屏蔽电磁场屏蔽静电屏蔽原理2）、接地接地的目的和作用：保证人身和设备安全；抑制干扰。地线种类：安全地线、信号源地、信号地线、机壳地线常用的接地方法：单点接地（低频电路）多点接地（高频电路）数字地和模拟地3）、滤波滤波是一种只允许某一频带信号通过而阻止某一频带信号通过的抑制干扰措施之一。滤波方式有无源滤波、有源滤波和数字滤波，主要用于电源滤波和信号滤波。a、电源滤波：电源本身和电源线会引入干扰，交流供电电源的高低频干扰采用对称型滤波电路来抑制；直流电源采用去耦滤波器；B、信号滤波：在获取和传输信号的过程中可能会引进干扰；可在信号传输线上加滤波器，例如RC滤波，对信号有一定损失，对于微弱信号应注意这一点。C、有源滤波：有源选频电路，让指定频带的信号通过，低通、高通、带通、带阻、移相五种4）、隔离技术为了抑制地电位差所形成的干扰，运用隔离技术切断环路电流；主要用于信号隔离和电源隔离；包括：（1）电磁隔离：两个电路之间加一个隔离变压器；（2）光电隔离：两个电路之间加一个光电耦合器；四、软件的抗干扰技术常采用措施有：1、指令冗余技术多用单字节指令，在关键的地方插入NOP指令2、软件陷阱技术一条引导指令，强行将捕获的程序引向一个指定的地址3、看门狗技术（硬件看门狗、软件看门狗）代替人自动复位，能使CPU从死循环和弹飞状态中进入正常的程序流程。硬件看门狗电路作用：看门狗电路是独立于CPU的硬件，CPU在一个固定的时间间隔和看门狗打一次交道，表明系统工作正常。如果程序失常，系统陷入死循环中，看门狗得不到来自CPU的信息，就向CPU发出复位信号，使系统复位。硬件看门狗电路的实现方法：利用一个计数器，在CPU正常工作时，定时复位计数器PC，使得计数器的值不超过某一值；当CPU不能正常工作时，由于计数器不能复位，因此，计数器会超过某一值，从而产生复位脉冲，使CPU恢复正常工作状态。单片机有三种复位方法：CD4060由一振荡器和14级二进制计数器组成，振荡器的结构可以RC或晶振电路。注意：14级二进制计数器Q1-Q3不输出。RST：复位端，高电平有效；CIN：时钟输入端；COUNT：时钟输出端；时钟下降沿计数。：反相时钟输出端；COUNT硬件看门狗电路原理:环形振荡器：就是将奇数个反相器首位相接利用门电路固有的传输延迟时间构成的振荡器。带RC延迟电路的环形振荡器TfCRTTT12.2振荡频率振荡周期注意：4060的振荡频率f由RT、CT决定。RS用于改善振荡器的稳定性，RS要大于RT，一般取RS=10RT，且RT＞1kΩ，CT≥100pF。4060的振荡频率和Qi(i=4，5，…..,12,13,14)的选择要根据情况确定。例：看门狗电路在微处理器系统监控中有非常重要的作用。设系统实际运行的用户程序所需工作周期为2.5s，设计由14位计数器CD4060构成的看门狗电路，保证单片机系统正常工作。要求：写出设计过程，画出详细原理图。解：取CT=1uF,RT=10k,RS=100kT=2.2×RT×CT=0.022sCD4060的Q4脚输出信号周期=24×0.022s=0.352sCD4060的Q5脚输出信号周期=25×0.022s=0.704sCD4060的Q6脚输出信号周期=26×0.022s=1.408sCD4060的Q7脚输出信号周期=27×0.022s=2.816sCD4060的Q8脚输出信号周期=28×0.022s=5.632sCD4060的Q9脚输出信号周期=29×0.022s=11.264s应为系统实际运行的用户程序所需工作周期为2.5s，所以选择CD4060的Q8作为单片机的复位信号，Q8输出高电平要2.816s,如果系统工作正常，则单片机每隔2.5秒钟会对计数器CD4060清零，计数器总也计不满。如果系统工作不正常，单片机对CD4060发不出扫描信号，待计数器CD4060计满，即Q8输出高电平，利用此信号使单片机复位，重新开始工作。（Q8输出高电平的时间是Q8的半个周期时间）工作原理图