数采系统抗干扰技术和设计PPT课件

1、1.从干扰的来源划分从干扰的来源划分(1)内部干扰内部干扰指系统内部电子电路所产生的各种干扰。指系统内部电子电路所产生的各种干扰。比如：电阻热噪声、放大电路正反馈引起的自激振荡等比如：电阻热噪声、放大电路正反馈引起的自激振荡等(2)外部干扰外部干扰指由外界传入到系统内的各种干扰。指由外界传入到系统内的各种干扰。比如：接触点所产生的放电、自然界的闪电等比如：接触点所产生的放电、自然界的闪电等参考：参考：依据干扰源分类依据干扰源分类自然干扰自然干扰人为干扰人为干扰功能性干扰功能性干扰非功能性干扰非功能性干扰第第2页页/共共32页页第1页/共32页2.按干扰出现的规律划分按干扰出现的规律划分(1)固

2、定干扰固定干扰指系统附近固定的电气设备运行时发出的干扰。指系统附近固定的电气设备运行时发出的干扰。比如：邻近的比如：邻近的“强电强电”设备的启停有可能引入一个固定的干扰设备的启停有可能引入一个固定的干扰(2)半固定干扰半固定干扰指某些偶然使用的电气设备引起的干扰。指某些偶然使用的电气设备引起的干扰。(3)随机干扰随机干扰指偶发性的干扰。指偶发性的干扰。第第3页页/共共32页页第2页/共32页3.按干扰产生和传播的方式划分按干扰产生和传播的方式划分(1)静电干扰静电干扰指电场通过电容耦合的干扰。指电场通过电容耦合的干扰。(2)磁场耦合干扰磁场耦合干扰指通过传输线和磁场耦合串入到有效信号中的干扰。

3、指通过传输线和磁场耦合串入到有效信号中的干扰。(3)电磁辐射干扰电磁辐射干扰指高频工作装置所产生的高频电磁波所产生的干扰。指高频工作装置所产生的高频电磁波所产生的干扰。(4)电导通路耦合干扰电导通路耦合干扰指构成电回路的各单元之间的公共阻抗产生的干扰。指构成电回路的各单元之间的公共阻抗产生的干扰。(5)漏电耦合干扰漏电耦合干扰指由于仪器内部的电路绝缘不良而出现的漏电流引起指由于仪器内部的电路绝缘不良而出现的漏电流引起的电阻耦合产生的干扰。的电阻耦合产生的干扰。第第4页页/共共32页页第3页/共32页静电耦合静电耦合互感耦合互感耦合公共阻抗耦合公共阻抗耦合漏电流耦合漏电流耦合第第5页页/共共32

4、页页第4页/共32页4.按干扰输入信号的关系划分按干扰输入信号的关系划分(1)串模（差模）干扰串模（差模）干扰指干扰信号与被测信号串联在一起，形成对结果产生指干扰信号与被测信号串联在一起，形成对结果产生影响的干扰。影响的干扰。(2)共模干扰共模干扰指在信号地和仪器地（大地）之间产生的干扰。指在信号地和仪器地（大地）之间产生的干扰。产生共模干扰的原因：产生共模干扰的原因：附近有大功率的电气设备。附近有大功率的电气设备。电源绝缘不良引起漏电，存在较电源绝缘不良引起漏电，存在较大的对地电流和电位大的对地电流和电位漏电阻、寄生电容等对地构成的漏电阻、寄生电容等对地构成的回路形成干扰回路形成干扰第第6页

5、页/共共32页页第5页/共32页两个与电磁干扰相关的概念：两个与电磁干扰相关的概念：电磁敏感度（电磁敏感度（EMS）：指在存在电磁干扰）：指在存在电磁干扰的情况下电子设备等性能下降的容易程度。的情况下电子设备等性能下降的容易程度。电磁兼容性（电磁兼容性（EMC）：指设备所产生的）：指设备所产生的电磁能量即不对其他设备产生干扰，也不电磁能量即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。受其他设备的电磁能量干扰的能力。第第7页页/共共32页页第6页/共32页形成干扰的三大基本要素：形成干扰的三大基本要素：干扰源：干扰源：产生干扰的元件、设备或信号。产生干扰的元件、设备或信号。用数学语

6、言可描述为用数学语言可描述为“du/dt或者或者di/dt大的地方大的地方就是干扰源就是干扰源”。传播途径：传播途径：指干扰从干扰源传播到敏感器件的指干扰从干扰源传播到敏感器件的通路或媒介。通路或媒介。典型的干扰传播路径有导线传导（传导干扰）典型的干扰传播路径有导线传导（传导干扰）和空间辐射（辐射干扰）。和空间辐射（辐射干扰）。敏感器件：敏感器件：指容易被干扰的对象。指容易被干扰的对象。常见的敏感器件有常见的敏感器件有A/D转换器、转换器、D/A转换器、弱转换器、弱信号放大器等。信号放大器等。第第8页页/共共32页页第7页/共32页形成供电系统的干扰的原因形成供电系统的干扰的原因供电电压的不稳

7、定供电电压的不稳定解决措施解决措施1.采用隔离变压器采用隔离变压器2.采用电源低通滤波器采用电源低通滤波器3.采用交流稳压器采用交流稳压器4.系统分别供电系统分别供电5.采用电源模块单独供电采用电源模块单独供电第第9页页/共共32页页第8页/共32页1.采用隔离变压器采用隔离变压器电网与数据采集系统分别有各自的地线。在应用中，如果直接电网与数据采集系统分别有各自的地线。在应用中，如果直接把数据采集系统与电网相连，两者的地线之间就存在了地电位把数据采集系统与电网相连，两者的地线之间就存在了地电位差差Ucm。当此电压存在时，就会形成环路电流，造成共模干扰。当此电压存在时，就会形成环路电流，造成共模

8、干扰。加入隔离变压器，使电网地线的干扰不能进入系统，加入隔离变压器，使电网地线的干扰不能进入系统，从而保证数据采集系统饿可靠工作。从而保证数据采集系统饿可靠工作。第第10页页/共共32页页第9页/共32页2.采用电源低通滤波器采用电源低通滤波器电网中存在的干扰大部分是高次谐波，因此采用低通电网中存在的干扰大部分是高次谐波，因此采用低通滤波器来滤除大于滤波器来滤除大于50Hz的高次谐波，以改善电源的波的高次谐波，以改善电源的波形。形。由电容和电感组成的滤波网络，能滤除电网噪声。由电容和电感组成的滤波网络，能滤除电网噪声。使用低通滤波器的注意事项：使用低通滤波器的注意事项：低通滤波器本身应评比，而

9、且屏蔽盒与系统的机壳要保持良好的接触；低通滤波器本身应评比，而且屏蔽盒与系统的机壳要保持良好的接触；为减少耦合，所有导线要靠近地面走线；为减少耦合，所有导线要靠近地面走线；低通滤波器的输入与输出要进行隔离；低通滤波器的输入与输出要进行隔离；低通滤波器的位置应尽量靠近需要滤波的地方，其间的连线也要进行屏蔽。低通滤波器的位置应尽量靠近需要滤波的地方，其间的连线也要进行屏蔽。第第11页页/共共32页页第10页/共32页3.采用交流稳压器采用交流稳压器用来保证交流供电的稳定性，防止交流电源的过压用来保证交流供电的稳定性，防止交流电源的过压或欠压。或欠压。4.系统分别供电系统分别供电为了阻止从供电系统串

10、入的干扰，一般采用下图所为了阻止从供电系统串入的干扰，一般采用下图所示的供电线路。示的供电线路。第第12页页/共共32页页第11页/共32页5.采用电源模块单独供电采用电源模块单独供电广泛采用广泛采用DC-DC电源电路模块组成稳压电源单独供电。电源电路模块组成稳压电源单独供电。优点：优点：灵活性好；灵活性好；有利于减小公共阻抗的相互耦合及公共电源的相互耦合，提高了供电系有利于减小公共阻抗的相互耦合及公共电源的相互耦合，提高了供电系统的可靠性；统的可靠性；总线上电压的变化，不会传递到数据采集卡上，有利于提高数据采集卡总线上电压的变化，不会传递到数据采集卡上，有利于提高数据采集卡的工作可靠性。的工

11、作可靠性。6.供电系统馈线的合理布线供电系统馈线的合理布线电源的引入线、输出线和公共线在布线时考虑：电源的引入线、输出线和公共线在布线时考虑：电源前面的一段布线：电源前面的一段布线：馈线要尽量用粗导线。馈线要尽量用粗导线。电源后面的一段布线：电源后面的一段布线：采用双绞线及有关线的分开布线。采用双绞线及有关线的分开布线。电路的公共线：电路的公共线：尽量避免出现公共线，确实需要，必须把公共线尽量避免出现公共线，确实需要，必须把公共线加粗以降低阻抗。加粗以降低阻抗。第第13页页/共共32页页第12页/共32页解决措施解决措施1.采用隔离技术隔离干扰采用隔离技术隔离干扰2.采用滤波器滤除干扰采用滤波

12、器滤除干扰3.采用浮置措施抑制干扰采用浮置措施抑制干扰4.长传输线的抗干扰措施长传输线的抗干扰措施5.A/D转换器的抗干扰措施转换器的抗干扰措施6.印刷电路板的抗干扰措施印刷电路板的抗干扰措施第第14页页/共共32页页第13页/共32页11.3.1 采用隔离技术隔离干扰采用隔离技术隔离干扰隔离干扰就是指把电路上干扰源和敏感电路隔离开，隔离干扰就是指把电路上干扰源和敏感电路隔离开，使他们之间不存在电的联系，或者削弱他们之间电的使他们之间不存在电的联系，或者削弱他们之间电的联系。联系。主要包括了光电隔离、电磁隔离等技术。主要包括了光电隔离、电磁隔离等技术。1 光电隔离光电隔离用于系统与外界的隔离用

13、于系统与外界的隔离用于系统电路之间的隔离用于系统电路之间的隔离第第15页页/共共32页页第14页/共32页2 电磁隔离电磁隔离在传感器和采集电路之间加入一个隔离放大器，利用在传感器和采集电路之间加入一个隔离放大器，利用隔离放大器的电磁耦合作用，将外界的模拟信号与系隔离放大器的电磁耦合作用，将外界的模拟信号与系统进行隔离传送。统进行隔离传送。第第16页页/共共32页页第15页/共32页11.3.2 采用滤波器滤除干扰采用滤波器滤除干扰滤波是一种只允许某一频带信号通过的抑制干扰措施滤波是一种只允许某一频带信号通过的抑制干扰措施之一，特别适合于抑制经导线传导耦合到电路中的噪之一，特别适合于抑制经导线

14、传导耦合到电路中的噪声干扰。声干扰。第第17页页/共共32页页第16页/共32页11.3.3 采用浮置措施抑制干扰采用浮置措施抑制干扰浮置又称浮空、浮接，是指数据采集电路的模拟信号浮置又称浮空、浮接，是指数据采集电路的模拟信号地不接机壳或大地。对于被浮置的数据采集系统，数地不接机壳或大地。对于被浮置的数据采集系统，数据采集电路与机壳或大地之间无直流联系。据采集电路与机壳或大地之间无直流联系。浮置的目的是为了阻断干扰电流的通路浮置的目的是为了阻断干扰电流的通路11.3.4 长线传输抗干扰措施长线传输抗干扰措施措施之一：阻抗匹配措施之一：阻抗匹配措施之二：长线驱动措施之二：长线驱动措施之三：用光电

15、耦合器隔离、浮置传输线措施之三：用光电耦合器隔离、浮置传输线始端匹配始端匹配终端匹配终端匹配始端串联电阻匹配始端串联电阻匹配始端上拉电阻或阻容匹配始端上拉电阻或阻容匹配终端并联阻抗匹配终端并联阻抗匹配终端阻容匹配终端阻容匹配终端接钳位二极管匹配终端接钳位二极管匹配第第18页页/共共32页页第17页/共32页长线传输的使用长线传输的使用屏蔽线的使用屏蔽线的使用同轴电缆的使用同轴电缆的使用双绞线的使用双绞线的使用扁平带状电缆的使用扁平带状电缆的使用第第19页页/共共32页页第18页/共32页1.A/D转换器的抗干扰措施转换器的抗干扰措施 （1）抗串模干扰的措施）抗串模干扰的措施 （2）抗共模干扰的

16、措施）抗共模干扰的措施2.A/D转换器的位置确定转换器的位置确定11.3.5 A/D转换器的抗干扰转换器的抗干扰第第20页页/共共32页页第19页/共32页 （1）抗串模干扰的措施）抗串模干扰的措施在串模干扰严重的场合，可以用积分式或双斜积在串模干扰严重的场合，可以用积分式或双斜积分式分式A/D转换器。（原因：转换的平均值）转换器。（原因：转换的平均值）对于高频干扰，可以采用低通滤波器加以滤波再对于高频干扰，可以采用低通滤波器加以滤波再转换；而对于低频干扰，可以采用同步采样的方式转换；而对于低频干扰，可以采用同步采样的方式加以消除。加以消除。尽量把尽量把A/D转换器直接附在传感器上以减小传输转

17、换器直接附在传感器上以减小传输线带入的误差。线带入的误差。当传感器和当传感器和A/D转换器离的比较远的情况下，容转换器离的比较远的情况下，容易引起的干扰解决办法就是：用电流来代替电压传易引起的干扰解决办法就是：用电流来代替电压传输。输。1.A/D转换器的抗干扰措施第第21页页/共共32页页第20页/共32页 （2）抗共模干扰的措施）抗共模干扰的措施采用三线采样双层屏蔽浮置技术。采用三线采样双层屏蔽浮置技术。采用隔离技术。采用隔离技术。采用电容记忆法。采用电容记忆法。利用屏蔽法来改善高频共模抑制比。利用屏蔽法来改善高频共模抑制比。1.A/D转换器的抗干扰措施第第22页页/共共32页页第21页/共

18、32页2.A/D转换器的位置确定转换器的位置确定靠近微型计算机放置。靠近微型计算机放置。好处：好处：便于将便于将A/D转换器产生的并行数字化信息传送到微型计算机中，而且有转换器产生的并行数字化信息传送到微型计算机中，而且有利于微型计算机对利于微型计算机对A/D的控制。的控制。缺点：缺点：模拟信号的传送线路太长。模拟信号的传送线路太长。靠近采集现场放置。靠近采集现场放置。优点：优点：模拟信号传送线不长，降低分布参数以及干扰的影响，保证了转换精度。模拟信号传送线不长，降低分布参数以及干扰的影响，保证了转换精度。传送数字信号，抗干扰能力强。传送数字信号，抗干扰能力强。缺点：缺点：传输线过多或传输速度

19、慢，控制不方便。传输线过多或传输速度慢，控制不方便。第第23页页/共共32页页第22页/共32页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 2. 合理分配印刷电路板插脚合理分配印刷电路板插脚3. 印刷电路板合理布线印刷电路板合理布线4. 电源线和接地线的布置电源线和接地线的布置5. 印刷电路板的屏蔽印刷电路板的屏蔽6. 去耦电容器的配置去耦电容器的配置7. 数字电路的抗干扰措施数字电路的抗干扰措施11.3.6 印刷电路板及电路的抗干扰设计措施印刷电路板及电路的抗干扰设计措施第第24页页/共共32页页第23页/共32页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 总

20、体原则：器件之间电气干扰小和易于散热总体原则：器件之间电气干扰小和易于散热干扰考虑：干扰考虑：按照器件功率的大小及抗干扰能力的强弱分类集中布置。按照器件功率的大小及抗干扰能力的强弱分类集中布置。各类不同抗干扰能力的器件间尽可能远离。各类不同抗干扰能力的器件间尽可能远离。每一类器件又可以按照相应规则再进一步分类布置。每一类器件又可以按照相应规则再进一步分类布置。散热考虑：散热考虑：对发热元器件要考虑通风散热，必要时安装散热器。对发热元器件要考虑通风散热，必要时安装散热器。发热元件要分散布置，不能集中。发热元件要分散布置，不能集中。对热敏感元器件要远离发热元器件或进行热屏蔽。对热敏感元器件要远离发

21、热元器件或进行热屏蔽。2. 合理分配印刷电路板插脚合理分配印刷电路板插脚 为了减小强信号输出线对弱信号输入线的干扰，多将输入、为了减小强信号输出线对弱信号输入线的干扰，多将输入、输出线分置于印刷板的两册，使两者相互远离。输出线分置于印刷板的两册，使两者相互远离。第第25页页/共共32页页第24页/共32页3. 印刷电路板合理布线印刷电路板合理布线印刷板是一个平面，不能交叉配线。（解决办法元器件跨接）印刷板是一个平面，不能交叉配线。（解决办法元器件跨接）配线不要做成环路，特别是不要沿印刷板周围做成环路。配线不要做成环路，特别是不要沿印刷板周围做成环路。不要有长段的窄条并行，不得已并行时中间设置隔

22、离用窄条。不要有长段的窄条并行，不得已并行时中间设置隔离用窄条。旁路电容器的引线不能太长，尤其是存在高频旁路电容器时。旁路电容器的引线不能太长，尤其是存在高频旁路电容器时。地线设置很重要，地线面积通常要选取大些，但不能随意扩地线设置很重要，地线面积通常要选取大些，但不能随意扩大地线面积，避免增大电路与地线之间的寄生电容。大地线面积，避免增大电路与地线之间的寄生电容。单元电路的输入线和输出线，应当用地线隔开。单元电路的输入线和输出线，应当用地线隔开。信号线劲可能短，优先考虑小信号线，采用双面走线，使线信号线劲可能短，优先考虑小信号线，采用双面走线，使线间间距尽可能宽些。间间距尽可能宽些。第第26

23、页页/共共32页页第25页/共32页4. 电源线的布置电源线的布置电源线、地线的走线应尽量与数据传输的方向一致，且应尽量电源线、地线的走线应尽量与数据传输的方向一致，且应尽量加大其宽度，这都有助于提高印刷电路板的抗干扰能力。加大其宽度，这都有助于提高印刷电路板的抗干扰能力。6. 印刷电路板的屏蔽印刷电路板的屏蔽（1）屏蔽线。）屏蔽线。（2）屏蔽环。）屏蔽环。7. 去耦电容器的配置去耦电容器的配置在印刷电路板的各个关键部位配置去耦电容，是避免各个集成在印刷电路板的各个关键部位配置去耦电容，是避免各个集成电路工作时对其他集成电路所产生干扰的一种常规措施。电路工作时对其他集成电路所产生干扰的一种常规措施。（1）在电源输入端跨接）在电源输入端跨接10100uF 的的电容器。的的电容器。（2）原则上每个集成电路芯片都应配置一个）原则上每个集成电路芯片都应配置一个0.01uF 的陶瓷电的陶瓷电容器。容器。（3）对于抗干扰能力弱，关断电流变化的器件和）对于抗干扰能力弱，关断电流变化的器件和ROM、RAM存储器件，应在芯片的电源线和地线之间直接接入去耦电容器。存储器件，应在芯片的电源线和地线之间直接接入去耦电容器。第第27页页/共共32页页第26页/共32页8. 数字电路的抗干扰措施数字电路的抗干扰措施（1）