测控系统原理与设计7-抗干扰技术

测控系统原理与设计第一节

干扰的形成

一、干扰与噪声

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测控系统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。二、分类干扰的类型机械干扰热干扰光干扰湿度干扰化学干扰电和磁干扰射线辐射干扰电磁干扰的分类从噪声产生的来源分类

1)固有噪声源2)人为噪声源3)自然噪声源和放电噪声从干扰的表现形式分类

1)规则干扰2)不规则干扰3)随机干扰从干扰出现的区域分类1)内部干扰2)外部干扰从干扰对电路作用的形式分类1)差模干扰2)共模干扰3)共模干扰抑制比三、噪声形成干扰作用的三要素

噪声源形成干扰必需同时具备三个要素，即噪声源、有对噪声敏感的接收电路和两者之间的耦合通道。三要素之间联系如下图所示。

噪声源耦合通道接收电路四、噪声源

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感性负载――交、直流继电器、接触器、电磁铁和电机等。感性负载切换时线圈两端会出现很高的瞬态电压，产生强烈的噪声干扰。3）接触噪声

图7－1－1感性负载的干扰抑制电路2、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

五、噪声的耦合方式

◆1、电容性耦合

～ZiCmENUNAB

图7－1－2静电电容耦合示意图结论：1、当干扰源的电压U1和角频率ω一定时，要降低静电电容性耦合效应就必须减小电路的等效输入阻抗R和寄生电容C12。2、小电流、高电压噪声源对测试系统的干扰主要是通过电容性耦合。电磁耦合是由于两个电路间存在互感。结论：1、干扰电压正比于干扰源角频率ω、互感系数M和干扰源电流。2、大电流低电压干扰源，干扰耦合方式主要为电感性耦合。◆2、电感性耦合（电磁耦合

）

UNMIN图7－1－3两个电路之间的互感◆3、共阻抗耦合电源内阻抗的共阻抗耦合公共地线的耦合信号输出电路的相互干扰

◆4、漏电耦合

UN～RmENBAZi◆传导耦合◆辐射电磁场耦合传导耦合是指经导线检拾到噪声，再经它传输到噪声接收电路而形成干扰的噪声耦合方式。大功率的高频电气设备，广播、电视、通信发射台等，不断地向外发射电磁波。智能仪器若置于这种发射场中就会感应到与发射电磁场成正比的感应电势，这种感应电势进入电路就形成干扰。

7.1.4干扰存在的形式干扰信号通常以串模干扰和共模干扰形式与有用信号一同传输。

1.串模信号 串模干扰是叠加在被测信号上的干扰信号，也称横向干扰。产生串模干扰的原因有分布电容的静电耦合、长线传输的互感、空间电磁场引起的磁场耦合以及50Hz的工频干扰等。在机电一体化系统中，被测信号是直流（或变化比较缓慢的）信号，而干扰信号经常是一些杂乱的波形并含有尖峰脉冲，如图所示。图中Us表示理想测试信号，Uc表示实际传输信号，Ug表示不规则干扰信号。干扰可能来自信号源内部（图7-2(a)），也可能来自于导线的感应（图7-2(b)）。图

串模干扰示意图

2.共模干扰

共模干扰往往是指同时加载在各个输入信号接口端的共有的信号干扰。图7-3所示的电路中，检测信号输入A/D转换器，A/D转换器的两个输入端上即存在公共的电压干扰。由于输入信号源与主机有较长的距离，输入信号Us的参考接地点和计算机控制系统输入端参考接地点之间存在电位差Ucm。这个电位差就在转换器的两个输入端上形成共模干扰。以计算机接地点为参考点，加到输入点A上的信号为Us+Ucm，加到输入点B上的信号为Ucm。图7-3共模干扰示意图抑制电磁干扰的基本方法消除或抑制噪声源破坏干扰的耦合通道消除接收电路对干扰的敏感性采用软件抑制干扰抑制干扰的措施很多，主要包括屏蔽、隔离、滤波、接地和软件处理等方法

第二节硬件抗干扰技术

接地技术

屏蔽技术

长线传输的干扰及抑制共模干扰的抑制差模干扰的抑制

供电系统抗干扰

印刷电路板抗干扰7.2.1接地技术

一、接地的基本概念“地”――电路或系统中为各个信号提供参考电位的一个等电位点或等电位面“接地”――将某点与一个等电位点或等电位面之间用低电阻导体连接起来，构成一个基准电位。1、测控系统中的地线种类信号(源)地——指传感器本身的零电位基准线。模拟地——模拟信号的参考点，即模拟电路的直流电源的参考点。数字地——数字信号的参考点，即数字电路的直流电源的参考点。负载地——指大功率负载或感性负载的地线。通常也称为噪声地。系统地——整个系统的统一参考电位。系统或设备的机壳上的某一点通常与系统地相连接，供给系统各个环节的直流稳压或非稳压电源的参考点也都接在系统地上。2、共地和浮地共地浮地系统地与大地（地球）相连绝缘实现方法系统地接机壳且机壳接大地系统地不接机壳或机壳不接大地3、接地方式二、接地环路与共模干扰1、信号源和系统地都接大地――会形成接地环路两个接地点之间的电位差（地电压）将产生共模干扰：图7－2－4接地环路与共模干扰2、信号源和系统地不都接大地（例如只系统地接大地）由于信号源与大地绝缘，即漏电电阻很大，故形成的干扰很小：三、系统接地设计1、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。2、输入信号传输线屏蔽接地点的选择3、电源变压器静电屏蔽层的接地图7－2－8电源变压器静电屏蔽层的接地点4、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，再与系统地相接。5、印刷电路板的地线布局模拟地和数字地分设，通过不同的引脚与系统地相连，各个组件的模拟地和数字地引脚分别连到电路板上的模拟地线和数字地线上。尽可能减少地线电阻，因此地线越宽越好。模拟地线可用来隔离各个输入模拟信号之间以及输出和输入信号之间的有害耦合。数字信号亦可用数字地线进行隔离。6、机柜地线的布局在中、低频系统中，地线布局须采用单点接地方案，其原则是：各个单元电路的各种地线不得混接。单元电路板不多时，可把各单元的不同地线直接与有关电源参考端分别相接。单元电路板很多时，各印刷板一般被分装在多层框架上，在各个框架上安装几个横向汇流排，分别用以分配各种直流电源、沟通各个印刷板的各种地线。而各个框架之间安装若干纵向汇流排连接所有的横向汇流排。一、屏蔽的类型和原理7.2.2屏蔽技术

静电屏蔽电磁屏蔽磁屏蔽消除静电干扰抑制高频电磁场的干扰防止低频磁场干扰选用低电阻材料作屏蔽盒选用低内阻的金属材料用高导磁材料制成屏蔽罩屏蔽盒都应用良好的接地屏蔽盒都应用良好的接地二、屏蔽的结构形式屏蔽罩、屏蔽栅网、屏蔽铜箔、隔离仓电缆屏蔽线。★静电屏蔽+Q+Q+QAAABB★电磁屏蔽ieΦeΦN★低频磁屏蔽

7.2.3长线传输的干扰及抑制

一、长线感应干扰的抑制方法

1、采用双线传输2、采用电流信号传输3、采用数字信号传输或频率信号传输二、反射干扰及抑制1、阻抗匹配2、长线驱动7.2.4共模干扰的抑制

一、隔离技术――断开地环路，阻止共模噪声通过但允许差模信号通过。图7－2－14隔离原理1、隔离变压器适用于50Hz以上的信号，不适用于低频，特别是超低频。当信号频率很低，或者共模电压很高，或者要求共模漏电流非常小时，常在信号源和检测系统输入通道之间(通常在输入通道前端)插入一个隔离放大器2、纵向扼流圈结构特点：双线并绕在同一铁芯上，故允许差模信号通过阻止共模噪声通过3、光电耦合器（1）抑制干扰的原理：“电—光—电”转换在完全密封条件下进行，不会受到外界光的影响。光耦合器的输入阻抗很低，干扰源的内阻一般很大，使馈送到光电耦合器输入端的噪声自然很小，不能使二极管发光，从而被抑制掉。光耦合器的输入端与输出端的寄生电容极小，而绝缘电阻又非常大，因此光耦合器一边的各种干扰噪声都很难通过光耦合器馈送到另一边去。（2）光耦合器的线性范围比较小，所以它主要用于传送数字信号。（3）注意：在光电耦合器的输入部分和输出部分必须分别采用独立的电源，如果两端共用一个电源，则光电耦合器的隔离作用将失去意义。二、浮置技术(浮地技术)1、浮置的概念浮置是指把仪器中信号放大器的公共线不接外壳或大地的抑制干扰措施。浮置与屏蔽接地相反，浮置是阻断干扰电流的通路，明显地加大了系统的信号放大器公共线与地(或外壳)之间的阻抗，减少了共模干扰电流。2、双层浮地屏蔽——减小共模电流图7－2－17双层浮地屏蔽抑制干扰的原理

双芯屏蔽线的电阻r1、r2、导线屏蔽层电阻RC都远小于信号源内阻Ri，而Ri又远小于输入端A、B对仪表模拟地的电阻RL1、RL2，RL1、RL2又远小于绝缘电阻R1、R2，因此上式可简化为三、浮动电容切换法工作过程：第i路开关S1-i导通，S2断开，第i路信号差动电压存储在电容C上，共模输入电压被抵消。第i路S1-i断开后，S2接通，电容C上的差动电压加到放大器(PGA)输入端。采用这种方法来克服共模电压的影响。7-2-18浮动电容切换法抵消共模电压7.2.5差模干扰的抑制

一、频率滤波法——利用信号和干扰在频率上的差别抑制干扰采用高通滤波器滤除比有用信号频率低的差模干扰，采用低通滤波器滤除比有用信号频率高的差模干扰，采用50Hz陷波器滤除工频干扰。二、积分法——利用双积分式A/D削弱周期性差模干扰

假设被测信号Us上叠加有干扰电压Un，即Ux=Us+Un，并假定则双积分式A/D转换结果为：在时，误差项为：由上式可见，当为整数时，。因此，为了抑制50Hz工频干扰，双积分式A/D的定时积分时间T1应选定为干扰噪声周期的整数倍，即三、电平鉴别法——利用信号和噪声在幅值上的差别抑制幅值较小的干扰

1、采用脉冲隔离门抑制干扰2、采用削波器抑制干扰图7－2－20削波器四、脉宽鉴别法——利用信号和噪声的宽带差别抑制窄脉冲干扰

一般要求RC积分电路的时间常数要大于噪声的脉宽而小于信号的脉宽。信号脉冲宽，积分后信号幅度高；干扰脉冲窄，积分后信号幅度小。用一门坎电平将幅度小的干扰脉冲去掉，即可实现抑制干扰脉冲的作用。图7-2-21用积分电路消除脉冲干扰7.2.6供电系统抗干扰

一、从供电系统窗口窜入的干扰大功率的感性负载或可控硅切换时，在电网中产生的瞬态高压对系统形成严重的干扰。当采用整流方式供电时，滤波不良会产生纹波噪声，这是一种低频干扰噪声。当采用直流——直流变换器或开关稳压电源时，则会出现高频的开关噪声干扰。电源的进线和输出线也很容易受到工业现场以至天电的各种干扰噪声。二、供电系统抗干扰措施1、电源滤波和退耦——抑制电源干扰的主要措施图7-2-22电源滤波和退耦技术LC低通滤波器——滤除交流进线上引入50Hz的高次谐波干扰，改善电源的波形。变阻二极管(或压敏电阻)——抑制交流电源线上的瞬时干扰。电源变压器采用双重屏蔽措施——使混入初级的噪声干扰不致进入次级。整流滤波电路（采用了电解电容和无感高频电容的并联组合）——减小高频噪声。稳压——抑制电网电压的波动。每个电路的RC或LC退耦滤波电路——避免通过电源内阻造成几个电路间互相干扰。2、采用不间断电源和开关式直流稳压电源3、系统分别供电和采用电源模块单独供电系统分别供电——向采集系统电路供电的线路应与向继电器等供电的线路分开，以避免在供电线路之间出现相互干扰。供电线路如图7-2-23所示。图7-2-23系统分别供电的线路采用电源模块单独供电——有利于减小公共阻抗的相互耦合及公共电源的相互耦合，大大提高供电系统的可靠性，也有利于电源的散热。4、供电系统馈线要合理布线。(1)电源前面的一段布线——尽量用粗导线。(2)电源后面的一段布线①均应采用双绞线，无法扭绞时，应把馈线之间的距离缩到最短。②交流线、直流稳压电源线、逻辑信号线和模拟信号线、继电器等感性负载驱动线、非稳压的直流线均应分开布线。(3)电路中应尽量避免出现公共线。若公共线不能避免，则必须把公共线加粗。7.2.7印刷电路板抗干扰

一、合理布置印刷电路板上的器件1、为了减小器件之间的电气干扰，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：将电源变压器和输出驱动器件等大功率强电器件作为一类集中布置；将数字逻辑器件作为一类集中布置；将易受干扰的模拟器件作为一类集中布置。各类器件之间应尽量远离，以防止相互干扰。此外，每一类器件又可按照小电气干扰原则再进一步分类布置。2、应符合易于散热的原则对发热元器件要考虑通风散热，必要时要安装散热器。发热元器件要分散布置，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。二、合理分配印刷电路板插脚为了抑制线间干扰，对印刷电路板的插脚必须进行合理分配。1、将输入、输出线分置于印刷板的两侧，以便相互分离。2、地线设置在输入、输出信号线的两侧，以减小信号线寄生电容的影响。三、印刷电路板合理布线印刷板不能交叉配线。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，不得已而并行时，窄条间要再设置隔离用的窄条。旁路电容器的引线不能长，尤其是高频旁路电容器，应该考虑不用引线而直接接地。地线面积通常要选取大些，但又要避免增大电路和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。信号线尽可能短。元器件面和焊接面的各印刷引线最好相互垂直。尽可能不在集成芯片引脚之间走线。易受干扰的部位增设地线或用宽地线环绕。图7－2－24印刷电路的输入输出线布置四、电源线的布置电源线、地线的走向应尽量与数据传输的方向一致，且应尽量加宽其宽度，这都有助于提高印刷电路板的抗干扰能力。五、印刷电路板的屏蔽1、屏蔽线为了减小外界干扰作用于电路板或者电路板内部导线、元件之间出现的电容性干扰，可以在两个电流回路的导线之间另设一根导线，并将它与有关的基准电位(或屏蔽电位)相连，就可以发挥屏蔽作用。2、屏蔽环屏蔽环位于印刷电路板的边缘并围绕着该电路板，且只在某一点上与基准电位相连。它可对外界作用于电路板的电容性干扰起屏蔽作用。图7-2-27屏蔽环六、去耦电容器的配置在电源输入端跨接10μF～100μF的电解电容器。每个集成电路芯片都应配置一个0.01μF的陶瓷电容器。对于抗干扰能力弱，关断时电流变化大的器件和ROM、RAM存储器件，应在芯片的电源线(Vcc)和地线(GND)之间直接接入去耦电容器。电容引线不能太长，特别是高频旁路电容不能带引线。图7-2-28集成电路的工作状态图7-2-29集成电路干扰的抑制7.3软件抗干扰技术软件冗余技术软件陷阱技术“看门狗”技术故障自动恢复处理程序软件抗干扰的设置前提条件：在干扰作用下，微机系统硬件部分不会受到任何损坏，或易损坏部分设置有监测状态可供查询。程序区不会受干扰侵害。RAM区中的重要数据不被破坏，或虽被破坏可以重新建立。软件抗干扰技术所研究的主要内容：

1、采取软件的方法抑制叠加在模拟输入信号上噪声对数据采集结果的影响，如数字滤波器技术；2、由于干扰而使运行程序发生混乱，导致程序乱飞或陷入死循环时，采取使程序纳入正规的措施，如软件冗余、软件陷阱、“看门狗”技术。

7.3.1软件冗余技术

一、指令冗余技术为了使“乱飞”程序在程序区迅速纳入正轨，应该多用单字节指令，并在关键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写，称之为指令冗余。1、NOP的使用

在双字节指令和3字节指令之后插入两个单字节NOP指令

对程序流向起决定作用的指令(如RET、RETI、ACALL、LCALL、LJMP、JZ、JNZ、JC、JNC、DJNZ等)和某些对系统工作状态起重要作用的指令(如SETB、EA等)之前插入两条NOP指令

2、重要指令冗余

对于程序流向起决定作用的指令(如RET、RETI、ACALL、LCALL、LJMP、JZ、JNZ、JC、JNC等)和某些对系统工作状态有重要作用的指令(如SETB、EA等)的后面，可重复写上这些指令，以确保这些指令的正确执行。

二、时间冗余技术

时间冗余方法是通过消耗时间资源达到纠错目的。

1、重复检测法：对接口中的输入数据信息进行多次检测，若检测结果完全一致，则是真的输入信号；若相邻的检测内容不一致，或多次检测结果不一致，则是伪输入信号。

图7－3－1重复检测法2、重复输出法：对于那些用锁存器输出的控制信号，采取重复输出的办法。输出重复周期尽可能短些。

3、指令复执技术：这种技术是重复执行已发现错误的指令（一旦发现错误、就重新执行被错误破坏的现行指令），如故障是瞬时的，在指令复执期间，有可能不再出现，程序可继续执行。

4、程序卷回技术程序卷回不是某一条指令的重复执行，而是一小段程序的重复执行。为了实现卷回，也要保留现场。这种卷回方法可卷回若干次，直到故障排除或显示故障为止。5、延时避开法当系统要接通或断开大功率负载时，使CPU暂停工作，待干扰过去以后再恢复工作，这比单纯在硬件上采取抗干扰措施要方便许多。7.3.2软件陷阱技术

一、软件陷阱软件陷阱，就是用引导指令强行将捕获到的乱飞程序引向复位入口地址0000H，在此处将程序转向专门对程序出错进行处理的程序，使程序纳入正轨。软件陷阱可采用两种形式，如表7-3-1所示。

形式软件陷阱技术对应入口形式形式一NOPNOPLJMP0000H0000H:LJMPMAIN；运行程序::形式二LJMP0202HLJMP0000H0000H:LJMPMAIN

；运行主程序::0202H:LJMP0000H::二、软件陷阱的安排

未使用的中断区未使用的EPROM空间非EPROM芯片空间运行程序区中断服务程序区RAM数据保护的条件陷阱7.3.3“看门狗”技术

“看门狗”技术就是不断监视程序循环运行时间，若发现时间超过已知的循环设定时间，则认为系统陷入了“死循环”，然后强迫程序返回到0000H入口，在0000H处安排一段出错处理程序，使系统运行纳入正规。“看门狗”技术既可由硬件实现，也可由软件实现，还可由两者结合来实现。

一、硬件“看门狗”电路

1、单稳态型“看门狗”电路

图7－3－4单稳态“看门狗”电路图7－3－574LS123管脚排列与功能图7－3－6单稳态“看门狗”程序框图2、计数器型“看门狗”电路

图7－3－7计数器型“看门狗”电路3、采用微处理器监控器实现“看门狗”功能

二、软件“看门狗”技术

基本思路：在主程序中对T0中断服务程序进行监视；在T1中断服务程序中对主程序进行监视；T0中断监视T1中断。

图7－3－10主程序流程图图7－3－11T1中断程序流程图7－3－12T0中断程序流程三、软硬件结合的“看门狗”技术

图7－3－13主程序流程图图7－3－16主程序流程图若测控功能模块程序较短，执行一次时间内不足以使T0、T1发生定时中断，这时可采用右图所示的方案。

7.3.4故障自动恢复处理程序

一、上电标志设定程序的执行总是从0000H单元开始，即微机启动。启动方式：1、冷启动：即上电复位。冷启动的特征