第七章 抗干扰技术

1、第七章 抗干扰技术l7.1噪声干扰的形成噪声干扰的形成l7.2硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术l7.3软件抗干扰技术软件抗干扰技术按噪声产生原因分类： 1）放电噪声 2）高频振荡噪声 3）浪涌噪声噪声的定义：指电路或系统中出的非期望的电信号1、内部噪声源1) 电路元器件产生的固有噪声2）感性负载切换时产生的噪声干扰3）接触噪声噪声干扰的三个要素：噪声源、对噪声敏感的接收电路、噪声源到接收电路间的耦合通道一、噪声源一、噪声源2、外部噪声源、外部噪声源1）天体和天电干扰2）放电干扰3）射频干扰4）工频干扰二、噪声的耦合方式l1、静电耦合（电容耦合）l2、电磁耦合（电感性耦合）l3、漏电耦合（电阻耦合）

2、l4、共阻抗耦合1、静电耦合（电容耦合）、静电耦合（电容耦合） 由于两个电路之间存在寄生电容，产生静电效应而引起的干扰2、电磁耦合（电感性耦合）、电磁耦合（电感性耦合）电磁耦合是由于两个电路间存在互感3、漏电耦合（电阻耦合）、漏电耦合（电阻耦合）是测试时由于绝缘不良，流经绝缘电阻R的漏电流使电测装置引起的干扰4、共阻抗耦合、共阻抗耦合1）电源内阻抗的耦合干扰当用一个电源同时对几个电路供电时，电源内阻R0和电阻R就成为几个电路的公共电阻，当某一电路中电流的变化，在公共阻抗上产生的电压就成了对其他电路的干扰源减少措施：减小电源内阻，在电路中增加电源退耦滤波电路2）公共地线耦合干扰）公共地线耦合干扰

3、 由于地线本身就有一定的阻抗，当其中有电流通过时，在地线上必产生电压，该电压就成为对有关电路的干扰电压3）输出阻抗耦合干扰）输出阻抗耦合干扰 当信号输出电路同时向几路负载供电时，任何一路负载电压的变化都会通过线路公共阻抗耦合而影响其他路的输出，产生干扰三、噪声的干扰模式1、差模噪声 差模噪声是指能够使接收电路的一个输入端相对另一个办输入端产生电位差的噪声，这种噪声通常与输入信号串联，也叫串模噪声2、共模噪声、共模噪声 共模噪声是相对于公共的电位基准点，在系统的接收电路的两个输入端上同时出现的噪声7.2 硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术7.2.1接地技术7.2.2屏蔽技术7.2.3长线传输的干扰及抑

4、制7.2.4共模干扰的抑制硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术第一节：接地技术“大地”（安全地） 地“系统基准地”（信号地） 接地就是指在系统与某个电位基准面之间建立低阻的导电通路。 1、2、测控系统的中的地线种类（1）信号地：信号地是各种物理量信号源零电位的公共基准地线。（典型电路图） 一、基本概念 硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术 硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术（2）模拟地：模拟地是模拟电路零电位的公共基准地线。 （3）数字地：数字地是数字电路零电位的公共基准地线。 （4）负载地：大功率负载或感性负载的地线。（5）系统地：系统接地就是使系统建立与大地的连接，使设备防止干扰并正常地工作。 系统的接地应当注

5、意以下几点：参照设备的接地注意事项； 设备外壳用设备外壳地线和机柜外壳相连； 机柜外壳用机柜外壳地线和系统外壳相连； 对于系统，安全接地螺栓设在系统金属外壳上，并保持良好电气连接； 硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术3、共地和浮地共地：系统与大地相连。共地系统与大地点位相同。一般的工业电子控制装置宜采用共地系统，它有利于信号线的屏蔽处理，机壳接地可以免除操作人员的触电危险。浮地：系统不与大地相连。系统与大地之间无直流联系，阻断了干扰电路的通路，明显地加大了测量电路放大器公共线与地(或机壳)之间的阻抗，因此浮地与共地相比能大大减小共模干扰电流。 硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术其缺点是该电路易受寄生电容的

6、影响，而使该电路的地电位变动和增加了对模拟电路的感应干扰。 一个折衷方案是在浮地与公共地之间跨接一个阻值很大的泄放电阻，用以释放所积累的电荷。注意控制释放电阻的阻抗，太低的电阻会影响设备泄漏电流的合格性。 4、接地方式单点接地与多点接地低频电路中，布线和元件间的寄生电感影响不大，频率小于1MHz时，因而常采用单点接地。单点接地有串联接地和并联接地两种方式，如图所示。 硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术 硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术串联方式不利于噪声的抑制，低频电路非常适用并联接地方式。 高频电路中，布线元件间的寄生电感及分布电容将造成各接地线之间的耦合，影响比较突出，频率处于110MHz之间时，若其

7、地线长度超过波长的1/20 一般采用多点接地。二、接地环路与共模干扰接地环路：当信号源和系统地都接大地时，两者之间就构成了接地环路。 硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术 硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术相串联作为放大器输入信号的一部分，形成了噪声干扰。这个干扰是由于两个信号输入电路上所加的共模电压 引起的，所以称为共模干扰在信号源和放大器两端接地的情况下，共模电压 是下列因素产生的：两个接地点之间存在电位差，信号源对地存在某一电压，低频噪声磁场在接地闭合回路中产生感性耦合以及噪声对两根信号传输线的容性和感性耦合。两点接地如果改为单点接地，并保持信号源与地隔离。如图所示。则干扰电压为 硬件抗干扰技术硬件抗

8、干扰技术 硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术三、系统接地设计接地设计的两个基本要求：1、消除各电路电流流径一个公共地线阻抗时所产生的噪声电压2、避免形成接地环路，引进共模干扰。系统接地设计包括：1、输入信号传输线屏蔽接地点的选择当放大器接地而信号源浮地时 硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术 硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术 硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术当信号源接地而放大器浮地时 硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术 硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术2、电源变压器静电屏蔽层的接地 硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术3、直流电源接地点的选择不同性质的电源地线不能任意互连，而应分别汇集于一点，再与系统地相连接。4、印刷电路板的地线布

9、局 (1)模拟地和数字地分设 （2）尽可能减少地线电阻 （3）系统复杂时，采取串联单点接地方案5、机柜地线的布局（1）各个单元电路的各种地线不得混接，并与机壳浮离 硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术（2）单元电路板不多时，可采用并联单点接地方案。（3）系统复杂时，采用串联单点接地方案。 第二节 屏蔽技术1、静电屏蔽：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。 硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术 2、电磁屏蔽、电磁屏蔽 电磁屏蔽是采用导电良好的金属

10、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3、磁屏蔽磁屏蔽 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。 硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术 第三节：长线传输干扰及其抑制长线传输是造成过程通道干扰的主要原因，且主频越高，长线传输造成的干扰越大。经验值：当主频

11、为1MHZ时，传输线在0.5m以上就要当作长线传输进行抗干扰性处理 当主频为4MHZ时，传输线在0.3m以上就要当作长线传输进行抗干扰性处理 解决 常见干扰及其抑制措施：1、长线感应干扰及其抑制： 硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术当控制系统的信号线较长时，通过电磁和静电耦合所产生的感应电压有可能达到与信号相同的数量级 ，并且，由于被测对象与测控系统相距很远，信号地与系统地之间的电位差即地电位差Um很大。因此存在长线感应干扰。当采用单线传输单端对地输入方式时，如图a所示 硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术此时，为了避免上述情况，采用双线传输双端差动输入的方式（如图b所示）此时 硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术

12、注意：两根传输线要处于完全相同的条件：产生的感应干扰电压完全相同；内阻相同；对地分布电容和漏电阻相同。通常采用双绞线。2、反射干扰及抑制反射干扰：由于传输线两端阻抗不匹配而出现的信号在传输线上反射的现象。抑制措施阻抗匹配长线驱动 硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术（1）阻抗匹配始端阻抗匹配终端阻抗匹配始端串联阻抗匹配（如图b）终端接钳位二极管匹配（如图d）终端并联隔直流匹配（如图c）终端并联阻抗匹配（如图a）四种形式 硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术 硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术（2）长线驱动驱动电路接收电路驱动电路：它将TTL信号转换成差分信号，再经长线传至接收电路。为了使多个驱动电路能公用一条传输线

13、，一般驱动电路都附有禁止电路，以便在该驱动电路不工作时，禁止其输出。接收电路：它具有差分输入端，把接收到的信号放大后，再转换成TTL信号输出。由于差动放大器有很强的共模抑制能力，而且工作在线性区，所以容易做到阻抗匹配。 硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术第四节 共模干扰的抑制一、隔离技术1、变压器隔离利用变压器把模拟信号电路与数字信号电路隔离开来，也就是把模拟地与数字地断开，以使共模干扰电压不成回路，从而抑制了共模干扰。注意，隔离前和隔离后应分别采用两组互相独立的电源，切断两部分的地线联系 。如图所示 硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术2、光电隔离光电隔离是利用光电耦合器完成信号的传送，实现电路的隔离。如

14、图所示。根据所用的器件及电路不同，通过光电耦合器既可以实现模拟信号的隔离，更可以实现数字量的隔离。注意，光电隔离前后两部分电路应分别采用两组独立的电源。 硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术3、纵向扼流圈 当传输的信号中有直流分量或有很低的频率分量时，就不能利用隔离变压器，此时可用纵向扼流圈。 扼流圈的电感量L应具有以下关系：LRC/，式中为骚扰源的角频率，RC为扼流圈的绕组及连接导线的电阻。 硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术二、浮置技术（浮地技术） 浮置又称浮空、浮接，它指的检测装置的输入信号放大器公共线不接机壳或大地。这种被浮置的检测装置的测量电路与机壳或大地之间无直流联系，阻断了干扰电路的通路，明显

15、地加大了测量电路放大器公共线与地(或机壳)之间的阻抗，因此浮置与接地相比能大大减小共模干扰电流。 浮地技术的注意事项 1）尽量提高浮地系统的对地绝缘电阻，从而有利于降低进入浮地系统之中的共模干扰电流。 硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术2）注意浮地系统对地存在的寄生电容，高频干扰信号通过寄生电容仍然可能耦合到浮地系统之中。 3）浮地技术必须与屏蔽、隔离等电磁兼容性技术相互结合应用，才能收到更好的预期效果。 4）采用浮地技术时，应当注意静电和电压反击对设备和人身的危害。 硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术三、浮动电容切换法在数据采集系统中，如果输入信号上迭加的共模电压比较大，超过了MUX或PGA的额定输入电

16、压值，可以采用如图所示的浮动电容多路切换器。（如图所示） 硬件抗干扰技术硬件抗干扰技术 差模噪声可以简单的认为是与被测信号叠加在一起的差模噪声可以简单的认为是与被测信号叠加在一起的噪声，它可能是信号源产生的，也可能是引线感应耦合来噪声，它可能是信号源产生的，也可能是引线感应耦合来的。差模噪声与被测信号叠加在一起，所以对信号就会形的。差模噪声与被测信号叠加在一起，所以对信号就会形成干扰，即差模干扰。成干扰，即差模干扰。 抑制差模干扰一方面采取措施切断噪声耦合途径，抑制差模干扰一方面采取措施切断噪声耦合途径，如将引线屏蔽；另一方面利用干扰与信号的差别来把干扰如将引线屏蔽；另一方面利用干扰与信号的差

17、别来把干扰消除掉或减小到最小。常用的方法有以下几种。消除掉或减小到最小。常用的方法有以下几种。7.2.5 差模干扰的抑制差模干扰的抑制1 频率滤波法频率滤波法 该方法是利用差模干扰与有用信号在该方法是利用差模干扰与有用信号在 频率上的差异，频率上的差异，采用高（低）通滤波器滤除比有用信号频率低（高）的差采用高（低）通滤波器滤除比有用信号频率低（高）的差模干扰。模干扰。2 积分法 双积分双积分A/D转换器由积分器、过零比较器（转换器由积分器、过零比较器（C）、时钟脉冲控制）、时钟脉冲控制门（门（G）和定时器、计数器（）和定时器、计数器（FF0FFn）等几部分组成。）等几部分组成。C1nFFR1J

18、1KC1n-1FFR1J1KC11FFR1J1KC10FFR1J1K1111ACRCvOvCTCS2n级计数器DDDn-110.( MSB)( LSB)数字量输出Qn-1Q1Q0QnCR+A1ISVvREFSVB1CP&vG 工作原理：工作原理： （1）准备阶段）准备阶段 计数器清零，积分电容放电，计数器清零，积分电容放电， Uo=0V。 （2）第一次积分阶段）第一次积分阶段 t=0时，开关时，开关S1与与A端接输入电压端接输入电压Ui加到积分器的输入端。积分器加到积分器的输入端。积分器从从0开始分：开始分： 由于由于Uo0V，比较器输出，比较器输出Uc=0，控制门，控制门G被被关闭，

19、计数停止。关闭，计数停止。ICnIPUTUTU21dtUUtUttREFPO)(1)(212 在此阶段结束时在此阶段结束时UO的表达式可写为：的表达式可写为： 设设T2=t2t1，于是有：，于是有： 设在此期间计数器所累计的时钟脉冲个数为设在此期间计数器所累计的时钟脉冲个数为，则：，则： T2=Tc 可见，可见，T2与与UI成正比，成正比，T2就是双积分就是双积分A/D转换过程的中间变量。转换过程的中间变量。0)(1)(212dtUUtUttREFPOICnREFUTTU22IREFCnUUTT22 假设被测信号假设被测信号Us上叠加有干扰电压上叠加有干扰电压Un，即，即Ui= Us Un ，

20、并，并假定假定 ,则转换结果为则转换结果为 误差项为误差项为 令令 T1=k/f 将其与将其与 代入上式得代入上式得IREFnCUUTT22)sin(tUUnmnnREFNSXUUUN2)2sin(2sin2)sin(1111011TTTUdttUTUNMTNMN)sin(sinkkkUUNMNf2 显然显然 干扰抑制效果为干扰抑制效果为 当定时积分时间当定时积分时间T1选定为干扰噪声周期的整数倍，即选定为干扰噪声周期的整数倍，即k为整数时，为整数时，NMR 。kkUnmsinmaxkkUNMRnmsinlg20lg20max 3 电平鉴别法 如果信号和噪声在幅值上有较大的差别，且信号幅值较大

21、，如果信号和噪声在幅值上有较大的差别，且信号幅值较大，噪声幅值较小，则可用电平鉴别法将噪声消除。噪声幅值较小，则可用电平鉴别法将噪声消除。 （1）采用脉冲隔离门抑制干扰）采用脉冲隔离门抑制干扰 可以用硅二极管的正向压降对幅度较小的干扰脉冲加以阻挡，可以用硅二极管的正向压降对幅度较小的干扰脉冲加以阻挡，而让幅度较大的脉冲信号顺利通过。如图所示。电路中的二极管而让幅度较大的脉冲信号顺利通过。如图所示。电路中的二极管最好选用开关管。最好选用开关管。 （2）采用削波器抑制干扰）采用削波器抑制干扰 当噪声电压低于脉冲信号波形的波峰值时，可以采用下图所示的当噪声电压低于脉冲信号波形的波峰值时，可以采用下图

22、所示的削波器。该削波器只让高于电压削波器。该削波器只让高于电压U的脉冲信号通过的脉冲信号通过,而低于电压而低于电压U的噪的噪声被削去。声被削去。 4 脉宽鉴别法 如果噪声幅值较高，但噪声波形的脉宽要比信号脉宽窄的如果噪声幅值较高，但噪声波形的脉宽要比信号脉宽窄的多，则可以利用多，则可以利用RC积分电路来有效的消除脉宽较窄的噪声。一积分电路来有效的消除脉宽较窄的噪声。一般要求般要求RC积分电路的时间常数要大于噪声的脉宽而小于信号的积分电路的时间常数要大于噪声的脉宽而小于信号的脉宽。脉宽。 RC积分电路原理图如下所示。积分电路原理图如下所示。RCuiiiu+uI-SoI12 uI=0，iI=0，因

23、此有因此有 i1=i2=i，电容电容C就以电流就以电流 i=uS/R进行充电。假设电进行充电。假设电 容容器器C初始电压为零，则初始电压为零，则 上式表明，输出电压上式表明，输出电压uO为输入为输入uS对时间的积分，负对时间的积分，负号表示它们在相位上是相反号表示它们在相位上是相反的。的。dtRuCdtiCidtCuuSOI1111（a）输入波形）输入波形 （b）输出波形）输出波形uuOOUUUomSSOS-tdtuRCuSO1 值得提出的是当值得提出的是当t= 时，时，uO=US。当当t 时，时，uO增增大，直到大，直到uO=+Uom，即运放输出电压的最大值即运放输出电压的最大值Uom受直受

24、直流电源电压的限制，致使运放进入饱和状态，流电源电压的限制，致使运放进入饱和状态，uO保持不保持不变，而停止积分。变，而停止积分。 1 从供电系统窜入的干扰从供电系统窜入的干扰 （1）大功率的感性负载或可控硅切换时，在电网中产）大功率的感性负载或可控硅切换时，在电网中产生的强大瞬态高压所对系统的严重干扰；生的强大瞬态高压所对系统的严重干扰； （2）采用整流方式供电时，由于滤波不良产生的纹波噪声；）采用整流方式供电时，由于滤波不良产生的纹波噪声； （3）采用直流直流变换器或开关稳压电源时，产生的高频开关噪声）采用直流直流变换器或开关稳压电源时，产生的高频开关噪声干扰；干扰； （4）电源的进线和输

25、出线很容易受到的工业现场以及天线的各种干扰）电源的进线和输出线很容易受到的工业现场以及天线的各种干扰噪声。噪声。2 供电系统抗干扰措施供电系统抗干扰措施（1）电源滤波和退耦）电源滤波和退耦 此方法是抑制电源干扰的主要措施。此方法是抑制电源干扰的主要措施。 （1）采用不间断电源（）采用不间断电源（UPS）和开关式直流稳压电源）和开关式直流稳压电源 UPS除了有很强的抗电网干扰的能力外，更主要的是万一电网除了有很强的抗电网干扰的能力外，更主要的是万一电网断电，它能以极短的时间切换到后备电源上断电，它能以极短的时间切换到后备电源上 去。去。 开关式稳压电源由于开关频率可达开关式稳压电源由于开关频率可

26、达1020kHz或更高，因而扼流圈和或更高，因而扼流圈和变压器都可小型化，高频开关晶体管工作在饱和截止状态，效率可达变压器都可小型化，高频开关晶体管工作在饱和截止状态，效率可达60%70%,抗干扰性能强，故被广泛应用。抗干扰性能强，故被广泛应用。 3 系统分别供电和采用电源模块单独供电系统分别供电和采用电源模块单独供电 当同时向两个易于相互干扰的电感设备供电时，供电线路要分当同时向两个易于相互干扰的电感设备供电时，供电线路要分开。开。 近年来，在一些数据采集板卡上，广泛采用近年来，在一些数据采集板卡上，广泛采用DC-DC电源电路模块，电源电路模块，或三端稳压集成块如或三端稳压集成块如7805等

27、组成的稳压电源单独供电。等组成的稳压电源单独供电。 采用单独供电方式与集中供电相比的优点有：采用单独供电方式与集中供电相比的优点有： 不致因个别电源影响整个系统；不致因个别电源影响整个系统； 有利于减小公共阻抗的相互耦合和电源散热；有利于减小公共阻抗的相互耦合和电源散热； 有利于提高板卡可靠性。有利于提高板卡可靠性。 4 供电系统馈线要合理布线供电系统馈线要合理布线 （1）从电源引入口经开关器件至低通滤波器之间的馈线尽量用）从电源引入口经开关器件至低通滤波器之间的馈线尽量用粗线；粗线； （2）电源后面的一段均应用双绞线且要短，还要分开布线；）电源后面的一段均应用双绞线且要短，还要分开布线； （

28、3）尽量避免公共线。）尽量避免公共线。 印刷电路板是测控系统印刷电路板是测控系统中器件、信号线、电源线中器件、信号线、电源线的高度集合体，印刷电路的高度集合体，印刷电路板设计的合理性，对抗干板设计的合理性，对抗干扰能力影响很大。从抗干扰能力影响很大。从抗干扰设计角度去看，通常有扰设计角度去看，通常有以下几种布线原则。以下几种布线原则。 1 合理布置印刷电路板上的器件合理布置印刷电路板上的器件 印刷电路板上器件的布置应符合器件之间电气干扰小和易于散热的印刷电路板上器件的布置应符合器件之间电气干扰小和易于散热的原则。原则。 （1）器件之间干扰）器件之间干扰 应将器件按照其功率的大小及抗干扰能力的强

29、弱分类集中布置。应将器件按照其功率的大小及抗干扰能力的强弱分类集中布置。 （2）散热问题）散热问题 散热器的安装；散热器的安装； 发热元件分散布置；发热元件分散布置； 热敏元件远离发热元器件。热敏元件远离发热元器件。 散热材料的选用散热材料的选用电路板电路板2 合理分配印刷电路板插脚合理分配印刷电路板插脚 当印刷电路板是插入当印刷电路板是插入PC及及S-100等总线扩展槽中使用时，为了等总线扩展槽中使用时，为了抑制线间干扰，对印刷电路板的插脚必须进行合理分配。抑制线间干扰，对印刷电路板的插脚必须进行合理分配。3 印刷电路板合理布线印刷电路板合理布线 （1）交叉配线最好改为通过）交叉配线最好改为通过 元器件实行跨接线方法；元器件实行跨接线方法； （2）配线不要做成环路；）配线不要做成环路；