内蒙古大学传感器与检测技术讲义第18章监测系统的抗干扰设计

第18章监测系统的抗干扰设计

电磁干扰是普遍存在且经常发生的。为了使硬件系统能和谐、正常地工作，不至于因电磁干扰而造成性能改变或受到损坏，设计者在设计系统时必须从各个侧面多方考虑。

18.1概述

1.抗干扰的三要素

形成电磁干扰必须同时具备以下3个因素：

电磁干扰源，是指产生电磁干扰的元件，器件、设备、分系统、系统或自然现象。

耦合途径，是指能把能量从干扰源耦合（或传输）到敏感设备上，并使该设备产生响应的媒介。

敏感设备（或称被干扰设备），是指对电磁干扰产生响应的设备。

所有的电磁干扰都是由上述3个因素的组合而产生的，把他们成为电磁干扰三要素。

敏感设备

耦合途径

电磁干扰源

图18-1电磁干扰的三要素

2.电磁干扰源的分类

电磁影响的起源可以来自自然界或是人为的。

电磁干扰源有许多种划分方法。按功能划分，有功能性干扰源和非功能性干扰源；按性质划分，有自然干扰源和人为干扰源；按传输方式划分，有传导干扰源和辐射干扰源；按频带划分，有窄带干扰源和宽带干扰源等。功能性干扰源是指设备实现功能过程中造成对其他设备的直接干扰；非功能性干扰源是指用电装置在实现自身功能的同时伴随产生或附加产生的副作用。

电磁干扰源通过传导或辐射形式施加电磁干扰。传导干扰是指干扰能量沿着导线以电流的形式传播；辐射干扰是指干扰能量以电磁波的形式传播。图18-2是干扰源的分类。

图18-2电磁干扰源的分类

3.电磁干扰的危害

电子设备和系统受强电设备干扰或系统内部的电磁影响造成性能下降或不能工作的情况是电磁干扰最为常见的危害。概括而言，电磁干扰对人类活动有三大危害：

=1\*GB3

①

电磁干扰会破坏或降低电子设备的工作性能；

=2\*GB3

②

电磁干扰可能引起易燃易爆物的起火或爆炸，造成武器系统的失灵、储油罐起火爆炸，带来巨大经济损失和人身伤亡；

=3\*GB3

③

电磁干扰可对人体组织器官造成伤害。危及人类的身体健康。

4.干扰的耦合方式

任何电磁干扰的发生都必然存在干扰能量的传输和传输途径。通常认为电磁干扰传输有两种方式：一种是传导方式，一种是辐射方式。因此，从被干扰的敏感角度来看，干扰的耦合方式可分为传导耦合和辐射耦合两类。

传导耦合

传到耦合按其机理可分为3种基本的耦合形式，即电阻性耦合、电感性耦合和电容性耦合。在实际情况中，他们往往是同时存在。互相联系的。

=1\*GB3

①

电阻性耦合

电阻性耦合是最常见最简单的传导性耦合方式。其耦合途径为载流导体，如两个电路的连接导线、设备之间的信号连线。电源负载之间的电源线等。

=2\*GB3

②

静电耦合

静电耦合又称为电容耦合，干扰源与被干扰电路之间存在着电容通路。显然，这种电容一般不是人为加上的，而是两者之间的分布电容。干扰脉冲或其他高频干扰就会经过分布电容耦合到电子线路中，如图18-3所示。

(a)示意图(b)等效电路

图18-3干扰的静电耦合

利用图18-3(b)等效电路，可以分析干扰的影响。若干扰信号U=5V，分布电容为0.1pF，信号频率为1MHz，放大器输入阻抗为100kQ，则此干扰在放大器输入端所造成电干扰信号Uz=3120mV。可见，干扰电压在放大器的输入端已达到314mV，经放大器放大则其影响是难以预料的。

=3\*GB3

③

电磁耦合

电磁耦合又称互感耦合，它是由于两电路之间存在着互感而产生，一个电路中电流的改变引起磁交链而耦合到另一电路。若某一电路有干扰，则同样可以通过互感而耦合到另一电路中。其等效电路如图18-4所示。

根据图18-4，若干扰源的电流为I，频率为f，而两电路的互感系数为M。则该干扰在电路负载Rz的干扰为：

（18-1）

可见，干扰的大小正比于干扰电流I、互感系数M和干扰的频率f。同时，需注意的是任何两电路，任何两条导线之间，必定存在着互感，只是互感系数的大小不同而已。

图18-4电磁耦合等效电路

18.2电源电路的抗干扰设计

电源电路是电子电路能量供应部分。现在一般的电子电路几乎都采用由市电变换成直流来供电的，由于电子电路通过电源电路接到试点电网，所以电网的噪声通过电源电路干扰电子电路，这是电子电路受干扰的主要原因之一。所以电源电路是电子电路的抗干扰的一个关键所在。

电源变压器的抗干扰措施

（1）变压器初、次级的屏蔽

电源变压器的初次级之间存在着分布电容。由于初级和次级线圈靠的很近，因此它们之间的分布电容可以大到数百pF。这种分布电容不仅电容量大，而且有十分好的频率特性，对高频噪声有很低的阻抗。要抑制这种电容性耦合的噪声，很自然的想到加静电屏蔽的方法。在初次级之间加屏蔽，并将屏蔽层接地，如图18-5所示。

图18-5变压器一次侧、二次侧的屏蔽

在图18-5中，在初级加屏蔽并接地，就可以大大减小初次级的分布电容。例如，一个约200V的小型电源变压器，其初级或次级对屏蔽层的容量为500pF，也就是说如果屏蔽层不接地，初次级的分布电容大约为250pF，当屏蔽接地之后可减小到20pF以下，如果再加上Cp1和Cp2这两个0.047pF电容，并且与屏蔽层共同接地，则变压器的屏蔽能力会更加完善。

（2）电源变压器初级线圈的平衡式绕制

将初级线圈分作两部分同时绕制，再将它们串联在一起，这就是所谓初级平衡式绕法。这样的绕法可以减小漏电流，还对抑制共模干扰有一定效果。

（3）防雷变压器

这种变压器实际上就是一个加屏蔽的绝缘变压器，附加附加避雷器、浪涌吸收器件、电容器等组成。

防雷电变压器除了能够抑制因雷击或雷电感应所产生的浪涌电压外，它对抑制电网中的其他干扰也具有十分良好的性能。一种常用的小型防雷电变压器的结构如图18-6所示。

图18-6小型防雷电变压器的结构

图18-6所示的防雷电变压器有以下的特点：

=1\*GB3

①

绝缘变压器的初级和次级均采用平衡式绕制。

=2\*GB3

②

初级绕组和次级绕组之间加静电屏蔽。

=3\*GB3

③

如果以防浪涌为目的，则保留浪涌吸收器SVA1～SVA4并去掉避雷器SZ。

=4\*GB3

④

次级加两个容量为10μF的金属化纸介电容器。

=5\*GB3

⑤

该变压器还可以抑制共模和串模干扰。（SVA1和SVA2可以有效地抑制共模干扰，而SVA3和SVA4对串模干扰有着较好的抑制作用）

（4）减少电源变压器的泄漏磁通

电源变压器的泄漏磁通本身就是一种干扰，必须采取措施尽可能减少泄漏发生。通常可采用下述的一些措施：

=1\*GB3

①

采用平衡绕制法在初级和次级各在左右铁心上两边绕制相同的圈数，而后再各自并接。（串接也有相同效果）

=2\*GB3

②

采用泄漏小的铁心，一般来说，EI型铁心变压器的漏磁要大一些，而环型铁心变压器的漏磁要小一些。

=3\*GB3

③

在变压器铁心上加短路环，短路环中电流产生的磁通可抵消漏磁通。

=4\*GB3

④

改变变压器的安装位置，可以抑制磁通的泄漏及其影响。

（5）噪声隔离变压器

噪声隔离变压器是近年来为抗干扰而专门研制的一种电源变压器。它的性能比屏蔽变压器更好。

噪声隔离变压器的铁心材料与一般变压器不同，其导磁率在高频时会急剧下降。同时，这种变压器在其绕组和变压器外部都采取了多层电磁屏蔽措施。正是它的这些特性，使它在抗共模及差模干扰性能上更加优越。

噪声隔离变压器最大的优点是在初级输入有较大的高频噪声干扰时，此干扰也很少能耦合到变压器的次级。它可以抑制电网中幅度高达5000V的高频脉冲干扰。同时，这种变压器对雷电引起的浪涌也有很大的抑制效果。

噪声隔离变压器常用于如下的场合中：

1)当硬件系统采用浮地时；

2)电网中干扰的频率范围很宽时；

3)当低频共模干扰比较严重时；

4)当不允许系统的干扰反馈到电网中去时。

电源滤波器

电源滤波器是一种让电源频率附近的频率成分通过，而给高于这种频率成分以很大衰减的电路。

电源滤波器不仅可以接在电网输入处，以阻止电网中的噪声进入，也可以接在输出处，以抑制噪声输出。它不仅可以接在交流的输入输出上，也可以接在直流的输入输出上。

（1）交流电源滤波器

=1\*GB3

①

电容滤波器这是最简单的滤波器，就是在交流输入端并上两个电容，可以滤除电网中的一些高频干扰。

（a）(b)

图18-7电容滤波器

=2\*GB3

②

电容电感滤波器电容滤波器尽管简单，但效果较差。为此，可采用如图18-16所示的电容电感滤波器。

(b)

图18-8电容电感滤波器

=3\*GB3

③

使用抗共模扼流圈的电源滤波器一种能够抑制共模及串模干扰的电源滤波器如图18-9所示。

图18-9抑制串模和共模干扰的电源滤波器

选择不同的电源滤波器的电感和电容参数，可滤除不同频段上的干扰。当选择的参数大时，可以滤除频率低的干扰；反之，可以滤除频率高的干扰。前者体积、重量较大；而后者则小。

滤波防雷模块

目前，厂家为用户提供了许多专门用于电源的滤波防雷模块。例如，587B×××LPE系列模块就具有防雷电（浪涌）及交流滤波双重功能，这类模块的引线如图18-10所示。

（a）二极管（b）三极管

图18-10气体放电管的符号

图18-11587B×××LPE系列滤波防雷模块引线图

图18-11所示的587B×××LPE系列防雷模块的主要技术参数为

最高输入相电压（对中线）：240V；

最大输入电流：6～30A（视型号而定）；

保护峰值电压：6000V；

瞬时峰值电流：3000A。

电源稳压器

当电网电压发生过高或过低的情况时将输入电网电压大的波动进行稳压，保证在输入电网电压变化时使其输出的交流电压保持不变或变化很小。

交流稳压器分为两大类：电磁式交流稳压器和电子式交流稳压器。经验表明电磁式交流稳压器的抗干扰性能优于电子式交流稳压器。有关交流稳压器的原理这里不做说明。在设计电源系统时，可根据系统设计要求选用稳压精度和合适功率的交流稳压器。

瞬态抑制器

在交流电网进线端并联压敏电阻、瞬变电压抑制器（TVS）、气体放电咱、管和固体放电管等瞬态抑制器，用于吸收电网中的浪涌电压。同时还可以作为一种防雷措施。

压敏电阻和瞬变电压抑制器（TVS）是具有非线性伏安特性曲线的器件，可以作为浪涌电压的钳位元件。气体放电管（包括固体放电管在内）是一种引导型元件，在遭受浪涌电压激励之后，由于器件的负阻特性，转为低阻抗、低电压、大电流的导通状态，通过它能较好的转移浪涌锁拥有的能量。因此在那些可能经常受到雷击影响的地方，在电源的输入端可并接上气体放电管。

18.3处理器（计算机）部分的抗干扰设计

在检测系统中，计算机既可以购买现成的，进行系统集成，也可以自己进行设计。在许多情况下，检测系统在结构、规模、体积、重量、安装方式、耗电等方面有特殊要求，很可能无现成计算机可用，这时就需自行设计。无论是系统集成还是自行设计，在整个系统设计过程中，均需要从抗干扰角度出发，采取一定的措施。

单片机系统是一个含有多种电子元器件和电子部件（乃至子设备和子系统）的复杂电子系统，外来的电磁辐射和传导干扰，以及内部元器件之间、部件之间、子系统之间、各传送通道之间的相互干扰对单片机及其数据信息所产生的干扰与破坏，严重影响了单片机系统的工作稳定性、可靠性和安全性。所以对单片机系统的开发设计人员来说，要保证系统各项功能实现的同时，对其运行过程中出现的各种干扰信号以及来自于系统外部的干扰信号进行有效的抑制，是决定系统可靠性的关键。

1.单片机系统电磁干扰的来源

单片机的干扰是以脉冲形式进入单片机系统的，其主要渠道有3条，即空间、供电系统及信号通道。

空间干扰多发生在高电压、大电流、高频磁场附近，通过静电感应。电磁感应等方式入侵系统内部。

供电系统的干扰通过同一电网里用电设备工作时产生的噪声干扰和瞬变干扰来影响单片机工作。

信号通道的干扰则通过输入通道和输出通道侵入系统。

此外，接地的不可靠也是产生系统干扰的重要原因。

2.干扰的不良影响

(1)数据采集误差加大

当干扰侵入单片机系统的前向通道，叠加在有用信号之上，会使数据采集误差增大。如果有用信号比较微弱，那么干扰就更加严重。

控制状态失灵

单片机系统中，控制状态输出常常是依据某些条件的输入和条件状态的逻辑处理结果。在这些环节中，由于干扰的侵入，都会造成条件状态偏差、失误，致使输出控制误差加大，甚至控制失灵。

数据发生变化

在单片机控制系统中，虽然ROM能避免干扰破坏，但单片机片内、外RAM以及片内各种特殊功能寄存器等的状态都有可能受干扰而变化，造成数值误差，程序状态改变，导致系统工作不正常。

程序运行失常

单片机应用系统的程序运行正常与否与单片机中程序计数器PC的正常状态息息相关，一旦外部干扰使PC值产生改变，程序运行就会偏离原来设定的方向，致使程序失控，甚至会使程序陷入死循环而导致系统崩溃。

3.单片机系统抗电磁干扰的措施

单片机系统的抗干扰就是针对干扰产生的性质、传播途径、侵入的位置和侵入的形式，采取相应的方法消除干扰源，抑制干扰传播途径，减弱电路或元件对噪声干扰的敏感性，使单片机系统能正常、稳定的运行。干扰的抑制方法，一般分为硬件抗干扰和软件抗干扰。

硬件抗干扰技术

硬件抗干扰是单片机系统抗干扰设计的重要途径，其涉及面非常广泛，在设计过程中应遵循的基本原则是抑制干扰源、隔断干扰传播路径、提高敏感器件的抗干扰性能。主要从以下几个方面进行设计:

1）合理选择处理器及元器件

选择合适的处理器，对实现用户需求、提高系统性能、降低系统成本和缩短开发周期都是十分重要的。

=1\*GB3

①

单片机的选择不光考虑硬件配置、存储容量等，更要选择选择抗干扰能力强的单片机。

=2\*GB3

②

应选择接口驱动能力强的单片机。

=3\*GB3

③

时钟是高频的噪声源，对系统内、外都能产生干扰，因此在满足需要的前提下，选用频率低的单片机是明智之举。

2）电源设计

在单片机控制系统中，危害最严重的干扰来自电源的噪声。因此，应选择性能好、抗干扰能力强的供电系统，尽量减少从电源引入的干扰。使用交流稳压电源，可以保证供电系统的稳定性，防止电源系统的过压或欠压，电源采用隔离变压器或超隔离变压器，以提高抗共模干扰的能力；根据干扰源的特性、频率范围、电压和阻抗等参数及负载特性的要求，选择合适的滤波器。

3）光电隔离技术

单片机与输入、输出通道进行信息传送时，信号可能会出现延时、衰减、畸变，另外还有通道干扰。因此，在输入和输出信号加光电耦合器隔离，将微机系统与各种传感器、开关、执行机构从电气上隔离开来，可有效地使很大一部分干扰被阻挡。

4）屏蔽技术

对容易产生干扰和被干扰的部件及电路使用金属盒进行屏蔽，如开关电源、高灵敏度的弱信号放大电路等。屏蔽措施可以防止电子设备向外辐射干扰电磁波，也可以削弱电磁干扰源对电子设备的干扰。屏蔽本身要真正接地，从而使干扰电磁波短路接地。

5）印制电路板的工艺技术

在印制电路板设计中可采取以下抗干扰设计：尽量采用多层印制电路板，多层板可提供良好的接地网，防止产生地电位差和元器件的耦合。印制电路板要合理分区，模拟电路区、数字电路区、功率驱动区要尽量分开；若设计只由数字电路组成的印制电路板的接线系统，将接地线做成网络提高抗干扰能力；可以元件面和焊接面应采用相互垂直、斜交、或者弯曲走线，避免相互平行以减少寄生耦合；使用满足系统要求的最低频率的时钟，时钟发生器要尽量靠近该时钟的器件，石英晶体振荡器外壳要接地，时钟线要尽量短并远离I/O线；闲置不用的IC管脚不要悬空以避免干扰引入；IC器件尽量直接焊在电路板上，少用IC座。如不用的运算放大器正输入端接地，负输入端接输出，不用的I/O口定义成输出等。

软件抗干扰技术

干扰信号产生的原因很复杂，且有很大的随机性，硬件抗干扰措施不可能完全解决抗干扰问题，还须结合软件抗干扰措施构成双重抑制以提高系统的稳定性。常见的软件抗干扰方法主要有睡眠抗干扰、指令冗余、软件陷阱、“看门狗”电路等。

1）睡眠抗干扰

CPU很多情况下处于等待状态，这时，它虽没有工作但却清醒，很易受干扰。若让CPU在无正常工作时休眠，必要时再由中断系统来唤醒它，可以使其受到的干扰大大降低，同时功耗也大大降低。

2）指令冗余

以MCS-51为例，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，程序便会脱离正常轨道，出现/乱飞0，如当乱飞到某双字节指令，若取指令时刻落在操作数上，误将操作数当作操作码，程序将出现混乱。这时若在一些双字节、三字节指令后面插入两个单字节指令NOP或在一些对程序的流向起决定作用的指令(如RET、LCALL、SJMP等)前面插入两条NOP指令，即可使乱飞的PC指针指向程序运行区，使程序执行恢复正常。这种抗干扰方法称为指令冗余。

3）软件陷阱

当跑飞的程序进入非程序区，冗余指令便不起作用，这时可通过软件陷阱拦截跑飞的程序，将其引向指定位置，再进行出错处理。软件陷阱是用来将捕获的跑飞程序强行引向专门处理错误的程序的入口地址。假设这段处理错误的程序入口地址为ERROR，则下面三条指令即组成一个软件陷阱:NOPNOPLJMPERROR通常在EPROM非程序区填入这样的软件陷阱。由于软件陷阱都安排在正常程序执行不到的地方，故不会影响程序的执行效率。

4）软件“看门狗”

如果跑飞的程序落到一个临时构成的死循环中，冗余指令和软件陷阱都将无能为力。这时，可用软件程序来形成“看门狗”，使CPU复位。“看门狗”是根据程序在运行指定时间间隔内未进行相应的操作，即未按时复位“看门狗”定时器，来判断程序运行出错的。通过不断检测程序循环运行时间，若发现程序循环时间超过最大循环运行时间，则可以认为系统陷入“死循环”，需进行出错处理。

18.4数字电路的抗干扰设计

1.数字电路的抗干扰容限

对于模拟电路，在正常的输入信号上即使混有很小的干扰噪声，在其输出也一定会看到噪声的影响。然而，在数字电路中却不然，在输入信号中混有的噪声电压，只要它的幅度不超过这个电路的阈值电压UT，那么在输出中就不会看到这种噪声的影响。

干扰能量容限NE表示如下

(18-2)

式中，UT为数字电路刚刚能翻转的阈值电压；Tp为电路翻转的传输延迟时间；UT/Ro是形成干扰电压的干扰电流；Ro为电路的输出阻抗。

从式(18-2)可以看出，一个数字电路产生误动作的能量容限既与加在电路上的干扰电压UT有关，又与电路的速度和输出阻抗有关。电路的速度越快（即TP愈小）、内阻越大（即Ro越大），则电路的能量容限就越小，越容易受到干扰。

2.数字电路的负载能力

在数字集成电路芯片的使用中，应注意到它们的驱动能力及不用输入端的处理。如果某一数字电路接的负载太多，超出了它的负载能力，其工作必定不可靠。数字电路输入及输出引线尽可能短，平行走向的引线不要太长，以减小冲击电流的影响。

在TTL电路中，遇到容性负载时要特别小心。因为容性负载会使下一级输入波形边沿变慢，而缓慢边沿输入会在数字电路状态变换过程中产生幅度较大的振荡，形成一个干扰源。遇到这种情况，可以利用施密特触发器首先对波形整形，而后再送到下一级电路。也可以利用DTL电路来处理容性负载的输出，它不会因为前沿慢而产生振荡。

同样，在遇到感性负载时，在电流关断瞬间会产生很高的感应电压，它会使电路元件击穿。也会产生干扰，必须加以克服。通常可以在电感负载上并上保护二极管或电阻和电容。

对于CMOS电路来说，同样存在TTL电路中的问题。若输入信号在CMOS的转换特性的过渡段里产生波动，则在其输出端必然会出现振荡，其原因是过渡段具有放大倍数很大的放大特性，如图18-11所示。

图18-11输出的振荡波形

根据图18-11所示的波形可以想到，数字电路的输出端出现振荡的原因是因为输入信号变化太慢，尤其是在过渡过程中由于电源或其他途径混入电压波动。当输入电压的过渡时间大于lμs时，这种输出振荡就会产生。

克服这种干扰的方法就是减小输入电压的过渡时间。更有效的方法就是采用施密特电路。

在电路设计中可能会遇到这样的情况：要获得的信号必须经过一段很恶劣的干扰环境才能到达信号的输入端，而信号源在这段恶劣环境中会耦合上比信号本身还大的干扰，使系统无法正常工作。为了克服干扰的影响，可以在信号源处，先对信号进行放大，使信号幅度足够大；在目的地的输入端再进行衰减。例如，5V的信号首先放大到100V，传输后再衰减为5V。那么，即使干扰环境造成2V的干扰，经衰减也微不足道了。

施密特触发器的输入和输出具有滞后特性。利用这种特性，可以对输入端的干扰产生较好的抑制。在设计电路时，遇到干扰比较大的地方，可以采用这种电路。

幅度大而宽度小的干扰，在电路中利用低通滤波器滤除。因为，这种干扰频率比信号的频率高，简单的RC低通滤波器就能奏效。

3.数字电路输入端的措施

在数字电路的输入端上采取必要的措施，以利于消除干扰的影响。所采取的措施主要有：

（1）若信号传输线上有比较大的干扰，则可以在传输前将信号加以放大，在输入端再进行衰减，从而消除干扰的影响。

（2）对于一些窄脉冲干扰，由于它的频带比数字电路的输入信号高得多。因此，可以在输入端加上积分电路（低通滤波器），从而消除干扰的影响。

（3）在输入按键的状态时，必须注意消除按键抖动的影响。在工程应用中可采用两种方法去除按键抖动的影响：

=1\*GB3

①

利用软件延时的方法，即当发现有键按下后，再延时几十ms，而后再去读取按键的状态。

=2\*GB3

②

采用硬件消抖动电路，有的厂家为用户生产硬件消抖动的集成电路芯片，在进行系统设计时，可以选用。例如，MOTOROLA公司的M14490就是六输入的硬件消抖动的集成电路芯片。也可以采用如图18-12所示的硬件消抖措施。

(b)

图18-12按键消抖动电路

（4）电源滤波

干扰信号经常会通过电源引入。因此，在进行数字电路设计时，在电路板的电源输入端并上多个电容，同时在芯片的电源到地端并上电容，以便消除干扰的影响。

（5）不用输入端的处理

门电路不用的输入端不能悬空，悬空会造成很大的干扰，以至于使电路不能正常工作。

=1\*GB3

①

与门、与非门空着不用的输入端，若是LS门可以直接接到+5V电源；若是其他类型门电路可经几kΩ的电阻接到+5V电源上；也可与其他有用输入端并接在一起；还可以将某反相器输入端接地，将空着不用的输入端接到该反相器的输出端上。

=2\*GB3

②

或门、或非门空着不用的输入端，可以直接接到地上；也可与其他有用输入端并接在一起；还可以将某反相器输入端接高电平，将空着不用的输入端接到该反相器的输出端上。

=3\*GB3

③

其他芯片的输入控制端也不可悬空，应根据芯片工作时的逻辑关系接上某一固定电平，以便保证芯片正常工作。

4．减小负载的影响

（1）容性负载

如果数字电路接有容性负载，则在接通负载时会产生很大的冲击电流。电路导通时的等效电路及电路中的电流如图18-13所示。当某一时刻数字电路导通时，会有较大的瞬时电流流过负载。这时刻的瞬时电流为Ucc/R。其中R为开关电路的内阻。瞬时的大的尖峰电流会对其他电路构成干扰。

为了减少尖峰电流的影响，可用加大电阻R的方法，减小尖峰电流。例如在负载边

串联一定的电阻。另外，也可以在负载边串联上一个小电感，用此电感来减小尖峰脉冲。

图18-13容性负载电路的等效电路

（2）感性负载的影响

在检测系统中经常会遇到感性负载。例如在开关电源实例中，电子开关的负载就是变压器的绕组。感性负载在开关电路断开时，会在电感上感应出很高的反峰电压，其示意图如图18-14所示。

（a）（b）

图18-14感性负载及其开关特性

当数字电路的开关K由闭合到断开时，电感两端形成的反峰电压为

（18-3）

由式(18-3)可以看出，当开关闭合导通时，流过电感L的电流愈大，电感L的电感量愈大，在开关断开时所产生的反峰电压会愈高。反峰电压的峰值可达到供电电源电压的10～200倍。为了抑制在电感负载两端所产生的瞬间反峰电压，可在电感两端并联反峰电压抑制电路。常用的反峰电压抑制电路如图18-15所示。

（a）（b）（c）（d）（e）（f）

图18-15常用的反峰电压抑制电路

18.5模拟电路的抗干扰设计

在检测系统中，一般采用模拟集成电路（或称线性集成电路）来放大微弱信号或产生某种波形信号，或向负载提供一定的功率等。模拟器件易受干扰的影响，又会产生干扰影响其他器件。

1．晶体管放大器的抗干扰措施

双极型晶体三极管放大器或场效应管放大器在低频放大或高频放大中经常被使用。它的优点是寿命长，工作频率高等，它的缺点是即使输入为零，也仍有一定输出电压，这种电压也是一种噪声。它主要由下列噪声因素所构成：外界电磁场的噪声；晶体管开关元件本身的噪声；开关元件因不是理想开关而造成的输出端残余电压；由于晶体管极间电容造成尖峰电压等。其中，主要的因素是晶体管的残余电压。

（1）抑制晶体管残余电压的措施

首先，选择适当的晶体管类型。 晶体管的反向电流及饱和压降越小，它的残余电压也越小，锗管的饱和压降比硅管小，但它的反向电流较大且随温度而变化，所以他将引起残余电压的漂移。硅管的反向电流较小，饱和压降大。在使用温度高、负载电阻及信号源内阻较大时还是用硅管较为有利。

（2）抑制场效应管的尖峰电压

尖峰电压主要是由极间电容引起的，所以要抑制尖峰电压，应减小极间分布电容，可以选用极间电容小的器件，还应该注意各极的引线分布电容。

抑制尖峰电压还可以采用补偿的方法，在尖峰电压上叠加一极性相反的尖峰电压，使两者相互抵消。但是这种方法因种种原因不能完全抵消尖峰电压，而只能在一定程度上闭合，将放大器输入端钳制在定的电位，如钳制在零电位。这就限制了尖峰电压通过放大器，抑制了尖峰电压对放大器的影响。

2．运算放大器的抗干扰设计

在检测系统中，运算放大器多用于微小信号的放大或微小电流向电压的变换。这样的运算放大器输入信号小、输入阻抗高，极易受到干扰的影响。

干扰及噪声

在运算放大器用于放大小信号时，这些信号通常是mV级甚至是μV级的信号。除了在本章开始时所提到的各种干扰会对运算放大器构成影响外，还必须注意运算放大器自身及其所采用的元器件的噪声。尽管噪声也是一种干扰，但它们是由元器件自身产生的。主要有闪烁噪声、散粒噪声、热噪声和爆裂噪声等。

另外，运算放大器的自激振荡、静电耦合、电磁耦合和公共阻抗耦合也会对产生对运算放大器的影响

（2）运算放大器的自激振荡的抑制

在实际应用中，为提高运算放大器的运算精度，有时必须提高其开环放大倍数。同时，电路中总有一些附加的电抗元件或分布寄生参数，这些参数会使信号产生相移。当满足一定条件时，放大器出现正反馈，从而产生自激振荡。自激振荡必须被消除，否则运算放大器将无法正常工作。

消除自激振荡的方法是在电路中加校正网络。其目的是使电路的幅频特性和相频特性发生变化，破坏自激振荡的条件。图18-17所示的是消除运算放大器自激振荡的方法。

（a）

（b）

图18-16消除运算放大器自激振荡的方法

在图18-16(a)中，运算放大器的输出端接有容性负载。容性负载使相移增加，容易引起自激振荡。在电路中加上由Rf和Cf构成的校正元件，它们的超前与容性负载的滞后相抵消，可有效地避免自激振荡的发生。在图18-17(b)中，由于运算放大器的输入传输线比较长，其线间及传输线对地的电容比较大（如图中C3、C2、Cl所示），容易造成电路工作不稳定，产生自激振荡。可以在输入／输出端并联Cf，也可以在输入端并接RC校正网络。

（1）减少运算放大器的共模干扰

共模干扰电压往往是由于信号源一方与接受回路一方之间产生的接地电位差所造成的，其间距越大，共模干扰电压也越大。如图18-17所示。这种共模干扰电压的频率可从市电频率50Hz到数百MHz，要在如此广的频率范围内全部消除这种共模噪声的影响是及其困难的，但在某个频带范围内较有效的抑制也是可以办到的。

单个运算放大器的共模抑制能力很有限。在那些要求高的地方，为了能提高抗共模干扰的能力，可以用三个运算放大器，如图18-18所示。

图18-17运算放大器共模干扰示意图

图18-18三个运算放大器抗共模干扰

利用图18-18所示的三个运算放大器构成的放大部件可以获得更高的抗共模干扰的能力。而且，利用调节电位器R3可以改变整个放大电路的增益。这种由三个运算放大器构成的放大电路经常用在高精度的测量仪器中的小信号放大。

当信号源对地有较大的绝缘电阻时，也就是RG比较大时，共模干扰UCM的影响就比较小。而且，如RG越大，共模干扰UCM的影响就越小。

因此，在实际应用中尽量使信号不接地，使其对地电阻大一些，这对减小共模干扰是十分有利的。

另外，采用隔离措施抗共模干扰也是一种十分有效的方法。

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①

采用变压器隔离。变压器隔离的思想就是使变压器的一次侧和二次侧不共地。一次侧的电信号先转变成磁场，经磁场传送（耦合）到二次侧再转变成电信号。磁场的传送（耦合）不需要共地，故可以将一次侧、二次侧的地进行隔离。

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②

采用光电耦合器隔离。其思路是将电信号转变成光信号，光信号传送到接收边再转换成电信号。由于光的传送不需要共地，故可以将光电耦合器两边的地加以隔离。

=3\*GB3

③

继电器隔离。利用继电器将控制边与大功率外设边的地隔离开。

（4）电源电压的影响

用于小信号放大的模拟电路，除了要注意到干扰及噪声的影响外，还要注意电源电压对放大器的影响。选用电源的稳定性要好，同时要选用低波纹、低噪声的电源。

电源电压的变动可以折算为放大器输入端的信号变化。例如，如果运算放大器的电源电压抑制比为120μV/V，则电源电压有1V的变化，折算到运算放大器的输入端就有120μV变化。显然，这对于放大微弱信号（信号为mV级甚至μV级）放大器来说，其影响可能是不能接受的。

电源中会包含高频干扰。特别是前面提到的开关电源，如果滤波不彻底，就会混有高频干扰。同时，如果电源靠近高频辐射源，也会在电源中造成高频干扰。而运算放大器对电源中高频干扰抑制能力很低。当干扰频率达到MHz时，运算放大器对它们几乎无任何抑制能力。因此，如果电源在这样的频率上有lmV的干扰，则该干扰几乎全部加到放大器的输入端上。可以想像，对那些微小信号放大器来说，这是一种多么严重的干扰。

为了克服电源电压对微小信号放大器的影响，对微小信号放大器的电源需专门采取措施，即采用高稳定的电源电路，减小电源内阻，尽量减小供电线路的长度，以及加粗加宽供电线，采用更多的电源滤波措施。

18.6信号传输回路的抗干扰

在信号传输过程中，信号Us、串模干扰信号UN、共模干扰信号UCM的关系如图18-19所示。

信号传输线通常是比较长的，短则数米，长则几十米甚至超过百米。信号在长距离的传输中一定会混入各种串模干扰。而由于传输线很长，传输线两端的地肯定有电位差，那就是共模干扰。在某种特定的场合中共模干扰甚至可以达到2000V。

图18-19信号与共、串模干扰的关系

1.减少串（差）模干扰

(1)串模干扰的产生

产生干扰的干扰源有多种，这些干扰源所发出的干扰可以经过不同的途径进入信号的传输线中形成串模干扰（也有人称之为差模干扰）。了解了产生的原因，就可以有的放矢地采取措施来克服它的影响。

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①

信号源本身产生的干扰

信号源本身产生的干扰与信号源的有用信号叠加在一起，形成串模干扰。如图18-20中a点所示。

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②

与信号源配套的元器件产生的干扰

信号源工作时与之配套工作的电子元器件也会产生噪声干扰。这些干扰与信号源的有用信号叠加在一起，形成串模干扰。如图18-20中b点所示。

图18-20串模干扰示意图

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③

传输线的接插头产生的干扰

信号源产生的信号需用传输线传送到远距离的主机端。通常信号源与传输线都会利用插头插座相互连接。插头插座的接触电阻或接触电势是一种典型的串模干扰源，如图18-20中c点所示。

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④

辐射性串模干扰

传输信号的传输线无疑于无线电接收天线，传输线附近的高频电磁场一定会在传输线上产生串模干扰。这种电磁干扰的强度与电磁辐射的强度有关，也与传输线的长度及两传输线间的距离有关，如图18-20中d点所示。

(2)抑制串模干扰

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①

选择信号源应选用噪声干扰小的信号源、元器件，噪声小的不易氧化的插头、插座，使串模干扰减到最小。

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②

在接收端加上滤波器一般地说，无论是信号源本身产生的串模干扰，还是由于高频电磁辐射所产生的串模干扰，其频率都比较高，而有用信号的频率都很低。基于这种情况，可以在信号传输线的终端（即接收湍）加一低通滤波器，将高频的串模干扰滤除，只留下低频有用信号。

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③

采用双绞线传输高频辐射性串模干扰与传输线所围成的面积有关。若将两传输线紧紧地绞在一起，可将所围成的面积减到最小。同时，由于绞线的方向每一循环变化一次（如图18-21所示），则每一循环中所感应的干扰信号的极性刚好相反，故可以相互抵消。实际上完全抵消是不可能做到的，但这种措施会大大地减小辐射性串模干扰的影响。

图18-21采用双绞线抵消辐射性串模干扰

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④

采用屏蔽电缆当串模干扰是在信号传输线上耦合产生的时候，采用屏蔽电缆传输信号可以有效地屏蔽高频辐射干扰的影响。在使用中，将传输线外面的屏蔽层有效地接地，从而使其内部的传输线不受辐射的干扰。具体连接可采用如图18-22所示三种方法中的任一种。

在这三种方法中，所不同的仅仅是接地的方式不同。其中图(a)和图(b)均采用单端接地；而图(c)是因为信号源和放大器必须接地，在这种情况下只好将屏蔽电缆的屏蔽层连接到两边的地上。

另外需注意的是，屏蔽双绞线适合于传送直流及变化缓慢的信号。由于传输线与屏蔽层之间的分布电容比较大，不适于传送高频信号。而且，这些分布电容会降低整个传输电路的共模抑制比。

图18-22屏蔽电缆的三种接法

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⑤

采用同轴电缆双绞线及屏蔽双绞线通常用于传送直流及频率不太高的信号，例如1MHz以下。而对于几十MHz以上的信号，多采用同轴电缆进行传送，其形式如图18-23所示。

图18-23利用同轴电缆传输信号

需要说明的是，在图18-23所示电路中采用放大器端一端接地。也可以在信号源端一端接地，还可以两端均接地。

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⑥

先放大后传送在传送微小信号前先进行放大，将信号放大到足够大再进行传送，这样可以有效地减小从传输线上耦合进入的串模干扰的影响。但是，这种思路具体实现起来会有困难。原因在于信号源经常放置在设备的现场，那里未必有现成的为前端放大器所需要的电源。而且，设备现场环境一般都比较恶劣，这必定有大量的干扰影响到前端放大器。要克服这些不利因素就要做很多工作。在系统设计中，是否值得这样做就需要仔细分析，权衡利弊。

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⑦

对运算放大器进行屏蔽接地与屏蔽是抑制辐射干扰最有效的方法。当微小信号经传输线到达运算放大器时，除了前面所提到的措施外，如果运算放大器处于高频辐射比较严重的场合，则可以将运算放大器整体屏蔽起来。同时，对运算放大器输入、输出及电源端加上滤波电容，如图18-24所示。

图18-24运算放大器的电磁屏蔽

在图18-25中，将整个运算放大器置于屏蔽盒内，并将屏蔽盒牢固接地，屏蔽掉电磁场的辐射。图中电容器C1～c4是用于对运算放大器的输入信号进行滤波，而C5～C8是用于对屏蔽盒内放大器正、负电源进行滤波。

以上所描述的是对串模干扰的抑制方法。在那些干扰不太严重的地方，这些方法可以单独使用。在那些干扰比较严重的地方，可以将几种措施结合在一起使用，以便达到更好地抑制串模干扰的目的。

2.减少共模干扰

(1)切断共模干扰的环路

对于微弱信号的放大电路，信号源与放大器之间存在着地电阻。当某种干扰电流流过此电阻时，就会形成共模干扰电压。放大器、信号源及其等效电阻如图18-26(a)所示。在地电阻如上所产生的干扰电压，即图18-25(a)中的Uc。当放大器和信号源同时接地时，其等效电路如图18-25(b)所示。

在图18-25(b)所示电路中，假设信号源内阻Rs=500Ω，引线电阻Rc=lΩ，地电阻RG=1Q，地电阻上的干扰电压Uo=10mV，放大器的输入电阻RL=10KΩ。可以利用图18-25(b)，计算出地电阻上的干扰加到放大器输入端上的干扰电压约为9mV，即地电阻上的干扰绝大部分都加到了放大器的输入端上。

(a)放大器与信号源接地

(b)两端接地等效电路

(c)单端接地等效电路

图18-25放大器及其接地

如果采取单端接地，可以切断共模干扰的通路。例如，信号源不接地，只将放大器接地，这种接地方式的等效电路如图18-25(c)所示。相当于在电路中串了一个电阻Rz，它是信号源到地的绝缘电阻。假定该绝缘电阻为1MΩ，这时利用图18-25(c)可计算出地电阻上的干扰加到放大器输入端上的干扰电压约为0.00001mV。可见，采取单端接地的方式，即切断共模干扰的环路可以大大降低地电阻所产生的共模干扰的影响。

在上述方法中，均假定共模干扰是直流或频率很低的电压。如果共模干扰为高频电压，则不仅要考虑绝缘电阻，还需要考虑信号源到地的分布电容。这种情况下，共模干扰的影响会大一些。

采用隔离措施

在介绍如何抑制运算放大器的共模干扰时，已经说明可以采用简单的单端隔离，或在发送端或在接收端隔离，这样做就能抑制共模干扰的影响。采用的隔离器件可以是光电耦合隔离器件、变压器隔离器件或专用的集成电路芯片隔离器件，从而达到抑制共模干扰的目的。在进行信号远距离传输时，所采用的光电隔离方法如图18-26所示。

图18-26光电耦合法

在图18-27所示电路中，由于通信距离比较远，两地间的电位差及传输线对地的高频辐射均会产生较强的共模干扰。为了实现计算机与计算机之间的远距离串行通信，必须采取措施抑制这种干扰，否则必将会使通信出现错误。同时采用光电隔离与20mA电流环来传输信号，光电隔离器件将通信双方的地隔离，公共地上的干扰将不再转化为串模干扰产生影响。

同时，采用电流环传送信号，将信号由电压转换成相应的电流进行传送，可以大大减小串模电压干扰的影响。因为传送的电流基本上只与信号和所采用的电源电压有关，而与干扰无关。显然，一般的干扰信号可以在高阻上感应出高的电压，但电流会非常小。也就是说干扰信号很难提供使传输产生错误的电流。

在图18-27所示电路中，传送的是开关量数字信号。如果传送模拟信号，可采用前面曾经提到的模拟光电耦合器件。当然，也可以采用变压器隔离方式，但遇到变化缓慢或直流信号时需进一步采取措施才行。

在一些简单的情况下，可以采用单端隔离措施，例如检测系统中的状态显示灯，继电器的控制输出和状态输入，控制台面板上的开关、按键等。但在一些复杂的情况下，在传送距离比较远的情况下，也可以采用双端隔离的措施，即在信号的发送端和信号的接收端均采取隔离的方式。例如，从国外引进的五万吨洗涤剂生产线，为了实现多机系统间的相互通信，采取了在信号发送端与接收端都采用隔离的措施，实现远距离的信息传送。

将输入电路浮地

在将信号源的小信号传送到检测系统的输入电路时，可将输入电路浮地，即将该电路“浮”在空中，不接地，如图18-28所示。可以看出，这相当于前面提到的信号源和放大器单端接地。放大器到地的电阻Rz可以是很大的。在这种情况下，共模干扰UCM的影响可以降至很小。

图18-27输入电路浮地

同时，黑线框表示的是一金属屏蔽盒，它将放大器屏蔽起来，可以使放大器免受电磁辐射干扰的影响。此屏蔽盒与机柜连起来，而机柜要接到大地上。

在传输线上加上磁珠

当传输信号线上有高频的共模干扰时，可在两传输线上套上磁珠。磁珠对有用信号不产生任何影响。磁珠对共模信号来说，就相当于在两条传输线上分别串进去一个电感，对高频共模干扰有很好的抑制效果。显然，也可以将传输线绕在磁环上，其抑制共模干扰的效果会更好。

(5)其他抑制共模干扰的方法

=1\*GB3

①

采用差分方式的传输和接收采用差分方式传送可以有效地抑制共模干扰，这种方式有现成的集成电路可以选用，实现起来不困难。

=2\*GB3

②

用强信号传输在发送端先将信号进行放大，提高信噪比之后再进行传送。

=3\*GB3

③

采用光纤传输光纤可以克服电气通信传输介质的许多缺点，使抗干扰能力有了突破性的进展。光纤的传输容量大，速率高、抗干扰性能好，是理想的传送介质，只是造价要高一些。

=4\*GB3

④

在信号传送过程中保持双线的平衡只有传输双线平衡时，才能将共模电压减到最小。否则，共模干扰会转化成串模干扰而造成影响。

=5\*GB3

⑤

限制传输线的长度一般来说，传输线长度越长，越容易受到干扰。这还与传输线的种类、结构、电路等有关。但无论什么样的情况，都有各自的最大长度的限制，在使用中应予以注意。

=6\*GB3

⑥

降低地电阻由于地电阻的存在，当有电流流过时就会在地电阻上产生电位差，所产生的电位差就成为共模干扰。地电阻总是存在的，但可以采取措施降低地电阻。当地电阻很小时，其上所产生的干扰也就会相应地减小。

以上描述了多种共模干扰的抑制方法，在那些共模干扰不太严重的地方，可以单独使用。在那些共模干扰比较严重的地方，可以将几种措施结合到一起使用，以便达到更好地抑制共模干扰的目的。

18.7接地

接地是检测系统抗干扰的重要手段，是系统设计者提高检测系统可靠性所必须具备的技术素质之一。可以这样认为：接地与屏蔽是抗干扰的永恒主题，也是每个系统设计者都会遇到的问题。它看起来似乎简单，但如果处理不好，会使系统的干扰大大增加，甚至使系统无法工作。

1.接地的概念

地的含义

在电气设备中，其中也包括本书所涉及的检测系统，地的含义包括两种：

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①

代表一个系统或一个电路的等电位参考点，为系统或电路的各部分提供一个稳定的基准电位。这种地又称为信号地。显然，没有信号地，系统及电路是无法工作的。

=2\*GB3

②

是指地球的大地。系统或电路的某些部分需要与该地连接以提供安全及电磁屏蔽等。

接地的分类

接地按其作用可分为信号接地和安全接地两大类。其中信号接地又分为浮动接地、单点接地、多点接地与混合接地；安全接地分为设备安全接地、接零保护接地和防雷接地。

信号接地为设备、系统内部各种电路的信号电压提供一个零电位的公共参考点或面，以提高系统的稳定性。

安全接地就是采用低阻抗的导体将用电设备的外壳连接到大地上，以保证人身及财产的安全，同时也可以防雷击。

2.信号接地的方式

信号地的接地方式有多种，下面分别予以说明。

浮地

对电子设备而言，浮地是指设备地线系统在电气上与大地（隔离），这样可以减小由入地电流引起的电磁干扰。浮地方式的最大优点就是抗干扰性能好，主要适用于在杂散分布电容耦合通路可以忽略不计，和频率较低的场合。

浮地的主要缺点是设备不与公共地直接连接，容易产生静电积累，当电荷积累到一定程度时，在设备与公共地之间的电位差会引起强烈的静电放电，成为破坏性很强的干扰源。作为折中，可以采用浮地的设备与公共地之间接进一个阻值很大的电阻，以便泄放所积累的电荷。如图18-28所示。

图18-28输入电路浮地

=1\*GB3

①

单点接地

单点接地是指整个电路系统中，只有一个点被定义为接地参考点，其他各个需接地的点通过公共地线串联到该点，也可由个点分别引出独立地线直接接于该点。由于没有地回路的存在，因而也就没有干扰问题。

单点接地的最大缺点是，当系统工作频率很高，以至波长小到与系统接地线长度可以比拟时，就不能再用单点接地了。此时，这根接地线就好像是一根天线，通过它向外辐射电磁波，影响周围设备和电路的工作。在这种情况下，应用多点接地。

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②

多点接地

多点接地是指电子设备或系统中的各个接地点都直接接到距他最近的接地平面上，以使接地引线的长度最短。这种接地结构能够提供比较低的接地阻抗。适合在高频场合中使用。

多点接地的最大缺点是接地点多，因任何接地点上的腐蚀、松动都会使接地系统出现高阻抗，从而是接地效果变差，而且对维护也提出了更高的要求。

=3\*GB3

③

混合接地

因单点接地和多点接地的缺点促使人们想到了混合接地的方式，即个别要求高频接地的点选择多点接地，其余个点都采用单点接地。

3.安全接地的方式

(1)设备安全地

为了人、机安全，任何高压电气设备、电子设备的机壳、底座均需要安全接地，以避免高电压直接接触设备外壳，或者避免由于设备内部绝缘损坏造成漏电打火使机壳带电，伤及人身安全。

接零保护接地

用电设备通常采用220V或380V电源提供电力。设备的金属外壳除了正常接地外，还应与电网零线相连接，称之为接零保护。

防雷接地

防雷接地是将建筑物等设施和用电设备的外壳与大地连接，将零电电流引入大地，从而保护设施、设备和人身的安全，使之避免雷击，同时消除雷击电流窜入信号接地系统，以避免影响用电设备的正常工作。

4．印制电路板的地线设计

检测系统可由许多印制电路板组成。实践证明，印制电路板的制作与设计和系统的抗干扰性能有着很大的关系。这个课题包括的内容十分广泛且复杂。在计算机电路板设计时，应遵循数字电路电路板设计的原则。各芯片的电源到地之间加滤波电容；芯片不用的输入端应小心处理，不要悬空；采用加阻尼的办法减少信号的辐射，例如在有脉冲电流的引线上串上一个小磁珠。在电路板设计时，引线尽量短。线间的串扰问题也必须加以消除。下面仅就电路板的地线设计提出一些原则，在设计中应予以注意。

(1)引线阻抗印制电路板的印制线具有一定的电阻。当信号是脉冲信号或频率较高时，其电抗也将产生影响。在设计印制电路板时，要尽可能地加粗并缩短引线，以便减小引线阻抗的影响。尤其是对流过大电流的引线，如电源线、地线等要更加注意，要尽可能地减少其引线阻抗。对地线来说，应使它允许通过3倍以上的该电路板上的电流。如有可能，接地线的宽度应大于2mm。

(2)仔细设计地线地线上的公共电阻（抗）能产生干扰。在设计印制电路板时，要特别注意地线的安排。

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①

在设计多层印制电路板时，可以把其中一层或几层整个作为地线。这种大面积接地可以使地电阻减到最小。同时，利用平面接地，还可以起到层间的屏蔽作用。因此，在多层电路板设计中这种方法经常被采用。

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②

对于单面或双面电路板可将地线设计成网格状，这样做有利于降低接地电位差。

=3\*GB3

③

将电路板上的数字地与模拟地分开。如果电路板上既有数字电路又有模拟电路，应使它们尽量分开。低频电路应尽可能做到单点接地，如果布线上有困难，可部分串联后再并联到一点上接地。高频电路宜采用多点大面积接地。同时，将数字地和模拟地单点接到一起。

=4\*GB3

④

在数字电路的电路板上，可将接地线构成闭环回路，这样做可提高电路板的抗干扰能力。

18.8滤波、去耦及屏蔽

1.滤波

滤波器是一种对特定频率的信号具有选择性的网络。它对某一频率范围内的信号给以很小的衰减，使这部分信号能够顺利通过，而对其它频率的信号或干扰给以很大的衰减。滤波器通常由电容、电阻、电感或有源器件组成，作为电路中的选择性传输网络来完成选择性衰减输入信号中不需要的频率分量。

在设计滤波器时应注意一下几点：

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①

应明确工作频率和所要抑制的干扰频率，如两者非常接近，则需要应用频率特性非常陡峭的滤波器，才能把两者分离开来。

=2\*GB3

②

由于电磁干扰的形式和大小的多样性，滤波器的耐压必须足够高，以保证在高压情况下可靠的工作。

=3\*GB3

③

滤波器连续通过最大电流时，其温升要低，以保证以该额定电流连续工作时，不破坏滤波器中器件的工作性能。

=4\*GB3

④

为使工作时的滤波器频率特性与设计值吻合，要求与他连接的信号源阻抗和负载阻抗的数值等于设计时的规定值。

=5\*GB3

⑤

滤波器必须具有屏蔽结构，屏蔽箱盖和本体要有良好的电接触，电容引线应尽量短。

滤波器的分类

=1\*GB3

①

按照滤波原理，可分为反射式滤波器和吸收式滤波器。

=2\*GB3

②

按照工作条件，可分为无源滤波器和有源滤波器。

=3\*GB3

③

按照频率特性，可分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。

=4\*GB3

④

按照使用场合，可分为电源滤波器、信号滤波器、控制器滤波器、防电磁脉冲滤波器、防电磁信息泄漏滤波器、印制电路板专用微型滤波器等。

反射式滤波器

反射式滤波器通常友电抗元件如电感器和电容器组合构成，使在滤波器的通带内提供低的串联阻抗和高的并联阻抗，而在滤波器的阻带内提供大的串联阻抗和小的并联阻抗。反射滤波器是通过把不需要的频率成分的能量返回信号源而达到抑制的目的。器种类有带阻滤波器、带通滤波器、高通滤波器和低通滤波器。

=1\*GB3

①

带阻滤波器是用做串联在负载和干扰源之间的抑制器件。

=2\*GB3

②

带通滤波器是并接于干扰线和地线之间，以消除电磁干扰。

=3\*GB3

③

低通滤波器常用于直流或者交流电源线路，对高于市电的频率进行衰减；用于放大器电路和发射机输出电路，让基波信号通过，而谐波和其他乱真信号受到衰减；用于在数字设备中消除脉冲信号的高次谐波等。

=4\*GB3

④

高通滤波器用于从信号通道上滤除交流电流频率或抑制特定的低频外界信号。

吸收式滤波器

吸收式滤波器是将干扰频率成分的能量损耗在滤波器内（使之转化成内能），而不是反射回去，因此这种滤波器又称为有耗滤波器。凡是缠绕在磁芯上的扼流圈、铁氧体磁环、内外表面镀上导体的铁氧体管所构成的传输线都可以作为吸收式滤波器。

2.去耦

无论是模拟信号还是数字信号，尤其是数字信号，在其工作过程中由于电流的突变，会在供电电源的电路上造成波动而使电源产生脉冲：这种脉冲通过电源将会对其他电路造成干扰。

减小电流突变影响的办法通常是在数字电路中减小电源内阻，减小电源引线电阻并在每块集成电路的电源到地之间并联电容器。一般并联电容的数值在0.0l～lμF之间。如前所述，在每块电路板的直流供电电源上并联多个大电容（滤除低频）和多个小电容（滤除高频）。

3.屏蔽

切断干扰源的耦合途径可以有效地减小干扰的影响。通常，干扰可以通过磁场、电场或电磁场耦合而进入检测系统。若能切断这些耦合的途径，就可以达到目的。

磁场屏蔽

在有干扰磁场发生的地方，只要有电感（当然也包括电路或设备的引线电感、分布电感），就会在这些电感上感应出干扰信号。所队磁场干扰也称电感耦合干扰。例如，电源变压器有漏磁场，则它就有可能通过电感而造成磁场干扰。

为消除磁场的干扰，可实行磁场屏蔽。正如式(18-1)所描述的那样，受磁场耦合干扰的大小由两个因素决定：干扰源电流的大小和互感的大小。因此，消除或减小磁场干扰就应从这两个方面来做工作。实现对磁场的屏蔽有多种形式，例如用低电阻率的金属材料做成盒子，将可能产生变化磁场的部件放在盒内，当部件工作时会在盒壁上产生涡流，抵消了部件产生的磁场，从而保证部件的磁场不致泄漏。显然，也可以用高磁导率材料做成盒子，将易受磁场干扰的电路放在盒内，外部干扰磁场可以通过高磁导率的盒子流过而不干扰电路。

电场屏蔽

电场屏蔽也称为静电屏蔽。电场的干扰主要是由分布电容的耦合产生的，因此抑制电场产生的干扰就是想办法将分布电容减到最小，同时用将电荷导入大地的办法消除静电荷的影响。例如，图18-7所示电路中利用在变压器的一次侧与二次侧之间插入金属导体接地，从而达到一次侧与二次侧电场屏蔽的目的。

电磁屏蔽

电磁屏蔽的目的包括两个方面：一是防止外部高频电磁场辐射对电路的干扰，二是防止

系统内部电路的辐射干扰其他电路。

屏蔽措施

采取屏蔽的手段是抑制磁场、电场及高频辐射干扰的有效方法。

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①

采用金属屏蔽箱

将电子系统放入金属屏蔽箱内，并将屏蔽箱接地。构成金属屏蔽箱的材料有多种，有的电阻率低而有的磁导率很高。在使用时可根据电子系统的具体情况选择不同的金属。例如，电阻率低的材料有银、铜等，而磁导率高的有坡莫合金、硅钢等。

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②

采用金属编织网

现在厂家为用户生产各式各样的金属编织网、金属编织网套管、带橡胶心的编织网屏蔽衬垫，它们可以用于机箱、机柜、屏蔽室的缝隙处的屏蔽。屏蔽箱上的通风孔、缝隙均有可能泄漏电磁干扰或导入电磁干扰。利用这种产品可以消除这种情况的发生。

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③

采用导电橡胶制品

厂家为用户生产各种导电橡胶制品，利用导电橡胶制成各种屏蔽衬垫、屏蔽板、屏蔽条，用户可将板、条贴在机箱内，也可以将导线放在衬垫或导电橡胶管中进行屏蔽。

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④

导电薄膜

如果电子设备放置在不导电的塑料箱中，为实现屏蔽可以采用将机箱涂上一层导电涂料或贴上一层导电薄膜，将整个机箱包起来。

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⑤

其他

在本章前面的抗干扰介绍中，曾多次提到同轴电缆、屏蔽双绞线、屏蔽线、屏蔽盒等。在它们的应用中都是用于电磁屏蔽的，经实践证明是行之有效的。当进行检测系统设计时，如果实际工程中需要，可加以采用。

18.9静电及其防护

静电对每一个人来说都会遇到。在干燥的秋冬季节，经常会出现静电放电现象。在检测系统中，会用到输入阻抗很高的场效应器件及MOS(CMOS)集成电路，静电有可能会损坏这些器件。因此，在系统设计时必须注意静电防护的问题。

1.静电的产生

静电的产生主要有如下两种方式。

(1)摩擦生电两种不同的物质接触、分离或摩擦均可以产生静电荷，这就是俗称的摩擦生电。静电荷只分布在物体的表面而不在其内部。而绝缘体上的电荷仅保留在产生静电的区域，只有该区域接地时电荷才会消失。导体的静电一旦接地立即消失。

(2)感应生电导体在静电场的作用下，其表面不同部位会感应出不同的电荷，使导体表面的电荷重新分布，从而使原先不带电荷的导体变成了带电导体。

2.静电的危害

据文献介绍人体的等效电容为50～250pF，而等效电阻为1～5kΩ。人体的电抗为两者串联。人体在不同的情况下所带静电电压是不一样的，最高可达20000V。如果静电电压很高时，必然会对电子元器件造成影响。

（1）使器件击穿或性能变坏

各种半导体器件，例如晶体二极管、晶体三极管、结型场效应管、运算放大器、TTL集成电路等，它们的耐静电放电的电压耐受力在几百伏到三千伏的范围。而MOS场效应管、EPROM芯片等器件的耐静电放电的电压耐受力低于200V。当带有数千伏乃至上万伏的人体接触这些器件产生直接放电时，很容易造成这些器件的损坏。

另外，由于静电感应或电磁感应而造成的器件的损坏也十分常见。当带有高静电压的电场接近那些静电敏感器件时，器件会因为极化而损坏。当带有高