智能仪器技术 课件 21 抗干扰具体方法

智能仪器的准确性和可靠性设计揭秘线路干扰的抑制电源干扰的抑制软件抗干扰干扰的途径干扰源存在于仪表内、外部都有可能存在。仪表外部大功率用电设备，大功率变压器，电力网等都是干扰源仪表内部电源变压器，线圈，继电器，开关以及电源线等。1、信号源与仪表之间的连接导线、仪表内部的配线通过磁耦合在电路中形成干扰。2、干扰源通过电容的耦合在回路中形成干扰，它是两电场相互作用的结果。干扰的途径3、大地中各个不同点之间往往存在电位差，尤其在大功率用电设备附近，当这些设备的绝缘性能下降时，电位差更大。4、当仪表的桥路电源接地时，除桥路输出不平衡信号电压以外，信号线对地还有一公共电压，该公共电压不是所要测量的信号电压，而是共模干扰的一种表现。线路干扰的形式导线传输时，干扰的二种形态：共模干扰和差模干扰差模干扰差模信号是在两根导线分别做为往返线路传输，又称串模干扰。共模干扰共模信号是以两根导线做去路，地线做返回路传输。差模干扰和共摸干扰的识别差模干扰共模干扰从干扰源判断雷电、附近产生的电弧、附近的电台或其它大功率辐射装置在电缆上产生的干扰----共摸干扰同一路电力线上工作的马达、开关电源、可控硅等会在电源线上产生干扰----差模干扰差模干扰和共摸干扰的识别从频率上判断差模干扰频率比较低，主要集中在1MHz以下为主；共摸干扰主要集中在5MHz以上为主。共摸干扰通过空间感应到电缆上，这种感应只有在较高频率才容易发生。例外：当电缆从很强的磁场辐射源（开关电源）旁边通过时，也会感应上频率较低的共摸干扰。干扰的形式来自外界或电路其它部分的干扰电磁波在电缆与“地”的回路中感应产生的；系统中“地”电位不一致；（地线电阻不等于0）模拟信号系统对地的漏阻抗共模干扰的来源干扰的形式共模干扰共模抑制比：反映共模干扰的抑制能力

共模干扰电压共模干扰转换成串模干扰电压如果电路不平衡，在电缆中不同导线上的共模干扰电流的幅度、相位发生差异时，共模干扰则会转变成差模干扰。共模干扰单端对地输入双端不对地输入被测信号有单端对地和双端不对地两种输入方式。智能仪器的抗干扰具体措施单端对地输入方式，Ucm1=Ucm，CMRR=0，无共模干扰抑制能力。干扰的形式对于双端不对地的信号输入方式，共模干扰电压Ucm在A，B两端产生的共模电压分别为：

在A、B之间产生的等效串模干扰电压Un为：干扰的形式若Zs1=Zs2,Zc1=Zc2，则UAB=0，不会引入共模干扰。但实际上无法满足，总存在一定的共模干扰电压。当Zs1和Zs2越小，Zc1和Zc2越大，且Zc1和Zc2越接近时，共模干扰的影响就越小。一般情况下，共模干扰电压UAB总是转化成一定的串模干扰Un出现在两个输入端之间。智能仪器的抗干扰具体措施采用浮地输入双层屏蔽放大器来抑制共模电压屏蔽的方法使“模拟地”浮空绝缘阻抗，阻抗值很大为共模电流提供通路在输入回路中产生共模电流共模干扰的抑制---浮地屏蔽智能仪器的干扰技术由共模电压Ucm引入的串模干扰电压UAB非常弱。共模干扰的抑制--浮地屏蔽智能仪器的抗干扰具体措施共模干扰的抑制---隔离采用双端输入的差分放大器作为仪表输入通道的前置放大器；利用变压器或光电耦合器把模拟负载与数字信号隔离开来；有效的隔离两个地之间的电联系，以及采用被测信号的双端差动输入方式。具体的有变压器隔离、光电隔离等措施。智能仪器的干扰技术共模干扰的抑制--共模电感共模电感，也叫共模扼流圈，常用于电脑的开关电源中过滤共模的电磁干扰信号。共模电感的特点：对共模电流高阻抗，对差模电流（负载电流）无感抗

智能仪器的干扰技术共模干扰的抑制--共模电感智能仪器的干扰技术共模干扰的抑制--共模电感当工作电流流过两个绕向相反线圈时，产生两个相互抵消的磁场H1、H2，此时工作电流主要受到线圈欧姆电阻以及可忽略不计的工作频率下小漏电感的阻尼。如果干扰信号流过线圈时，线圈即呈现高阻抗，产生很强的阻尼效果，达到衰减干扰信号的目的。智能仪器的抗干扰具体措施差模干扰的抑制仪表输入端加滤波电路选择器件双积分AD转换器。如MC14433。抗干扰能力强的逻辑器件。尽早对被测信号进行前置放大，提高信噪比尽早的完成模数转换或采取隔离、屏蔽等措施良好的电磁屏蔽使用屏蔽电线或屏蔽电缆，屏蔽层采取一端接地的方式信号线远离强电磁场，不要与动力线太近电磁感应的串模干扰前提是减小共模干扰智能仪器的抗干扰具体措施差模干扰的抑制差模电感（差模线圈）绕在一个铁心上的一个线圈差模电感对于差模电流表现为高阻抗，对共模电流表现为零阻抗，它在电路中的作用是滤除电路当中的差模信号。智能仪器的干扰具体措施智能仪器的抗干扰具体措施安规电容安规电容主要有两大类：X安规电容，Y安规电容器。X系列安规电容即是金属化薄膜型安规电容器。

按耐压等级不同可分为X1、X2、X3。（uF级）X1耐高压＞2.5kV，≤4kV，需求不是太多X2耐高压≤2.5kV，使用量最大。Y系列安规电容（nF级）安规Y1额定电压是500VAC，耐压可以达到4000VAC；安规Y2额定电压为500VAC，耐压达到1800-2600VAC。智能仪器的抗干扰具体措施安规电容安规电容一般放置在开关电源输入的接口处，主要是安全和EMC两方面考虑。用法一:X电容跨接在开关电源输入线路之间用于抑制差模干扰，改善EMC性能。用法二:X电容与电阻并联后串联在电源输入接口处，用于阻容降压。X电容的用法：智能仪器的抗干扰具体措施差模干扰的抑制差模电感L1、L2与X电容串联构成回路。差模电感L特性：通低频阻高频，对高频差模干扰；X电容的特性：通高频阻低频，对频率较高的差模信号容抗较低，使得差模信号被短路，无法进入到后续电路。智能仪器的干扰技术又谈干扰三要素干扰源耦合途径受扰对象干扰性质电压型干扰源空间分布电容附近的导体共模性质电流型干扰源空间分布电感附近的回路差模性质电场耦合：磁场耦合：智能仪器的干扰技术分布电容形成干扰的机理干扰源：脉冲功率电压、交流高压耦合途径：分布电容受扰对象：附近的导体干扰性质：穿透分布电容的共模电流智能仪器的干扰技术分布电感形成干扰的机理干扰源：脉冲功率电流、大交流电流耦合途径：空间电感受扰对象：附近的回路干扰性质：差模电动势e结论：减小互感耦合的办法减小受扰回路的面积S增加距离d减小u--磁屏蔽

由于变压器的初级绕组接市电电网上，电网上的各种干扰会通过感应耦合等进入仪器系统。

仪器内部各单元电路由于电源公用，它们之间通过电源线也会产生相互干扰。智能仪器的干扰技术电源干扰类型电源线中的高频干扰；感性负载产生的瞬变噪声；晶闸管通断时产生的干扰；电网电压的短时下降干扰。

由于变压器的初级绕组接市电电网上，电网上的各种干扰会通过感应耦合等进入仪器系统。

仪器内部各单元电路由于电源公用，它们之间通过电源线也会产生相互干扰。电源干扰的抑制电源干扰引起电源电压异常的情况包括过压、欠压、瞬时停电（秒级）；浪涌和跌落（毫秒级）；瞬变脉冲（数百微秒级）；尖峰脉冲（微秒级）直流电源干扰的抑制智能仪器内部各个单元电路一般采用直流电源供电。直流电产生电网的交流电变压

整流

滤波

稳压直流电电源干扰的抑制直流电源系统的干扰整流电流输出脉动电压：脉动电压本身就是干扰。负载电流波动引起电源电压波动--干扰信号空间电磁波干扰变压器电磁干扰电源干扰的抑制

电源抑制方法主要有滤波法、隔离法和吸收法等。（1）滤波法在电源的输入端加入抗干扰滤波器，用于消除或降低传导干扰。电源干扰的抑制滤波电容的作用①

电源直流输出平稳；②

降低了交变脉动波纹对电子电路的影响；③

吸收电子电路工作过程中产生的电流波动和经由交流电源串入的干扰，使得电子电路的工作性能更加稳定。电源干扰的抑制滤波电容的选择稳定输出电源干扰的抑制滤波电容的选择考虑极性与耐压耐压值不低于实际电压的1.2倍耐压不足会漏电，电容发热甚至爆炸。考虑容量容量太小，电源波动大，纹波电压对电路信号干扰大桥式整流电源的滤波电容：

（IA/UV）×20000（uF）

可取计算值的1~3倍电源干扰的抑制滤波电容的选择考虑分布电感的影响考虑电容的体积大小两个极板间产生分布电感频率很低时，电感对电路没有影响。高频时，电解电容的分布电感不利于中高频滤波。解决方法实现高频滤波电源干扰的抑制（2）隔离法

电源干扰的抑制采用带屏蔽层的隔离变压器。

共模干扰是一种相对于大地的干扰，主要通过变压器绕组间的耦合电容来传递。

如果在初、次级间用屏蔽层进行隔离并使之良好接地，便能使干扰电压通过屏蔽层旁路掉，从而减小输出端的干扰电压。

主要采用吸波器件将尖峰干扰电压吸收掉。

(3）吸收法吸波器件特点在阈值电压以下呈现高阻抗，而一旦超过阈值电压，阻抗便急剧下降，因此对尖峰电压有一定的抑制作用。吸波器件

压敏电阻、气体放电管、TVS管（瞬变电压抑制二极管）、固体放电管等。

电源干扰的抑制交流电源系统抗干扰设计电源与电网干扰的抑制抑制高频干扰减小其他各种干扰交流电路的滤波电容安规电容：X电容和Y电容X电容：高频滤波--差模滤波Y电容：高频滤波--共模滤波交流电源系统抗干扰设计智能仪器的抗干扰具体措施电源与电网干扰的抑制交流电源系统的不中断供电采用不间断电源即UPS向系统供电。智能仪器的软件抗干扰措施软件系统可靠性的主要标志是软件是否真实而准确地完成了欲实现的各种功能。提高软件可靠性的主要途径之一：软件编写规范化、标准化和模块化，把复杂问题都化成若干较为简单明确的小任务。软件抗干扰的主要研究内容：CPU的抗干扰

输入输出通道的抗干扰

系统的恢复智能仪器的软件抗干扰措施1.程序运行的监视系统看门狗（watchdogtimer,WDT）作用：防止程序“跑飞”/video/BV1mY411P7GF?spm_id_from=333.337.search-card.all.clickCPU抗干扰原理：在一定时间内被复位的计数器。“被狗咬”当看门狗启动后，计数器开始自动计数，经过一定时间，如果没有被复位，计数器溢出就会对CPU产生一个复位信号使系统重启。智能仪器的软件抗干扰措施1.程序运行的监视系统看门狗（watchdogtimer,WDT）作用：防止程序“跑飞”CPU抗干扰原理：在一定时间内被复位的计数器。“喂狗”系统正常运行时，在看门狗允许的时间间隔内对看门狗计数器清零，不让复位信号产生。如果系统不出问题，程序保证按时“喂狗”，一旦程序跑飞，没有“喂狗”，系统“被咬”复位。智能仪器的软件抗干扰措施1.程序运行的监视系统看门狗（watchdogtimer,WDT）步骤：①设置“看门狗”相关寄存器，启动看门狗

②

隔一段时间清零一次，“喂狗”

③

程序正常一直运行；程序出错，没有按时喂狗“看门狗”溢出系统复位。CPU抗干扰/html/2019/0116/6053003053002002.shtm智能仪器的软件抗干扰措施1.程序运行的监视系统看门狗（watchdogtimer,WDT）CPU抗干扰对电容进行放电，到达阈值前再次充电，保证电路不输出复位信号。1引脚为低电平，3引脚为高电平，电容C充电，5、6引脚为高电平，4引脚为低电平。不复位----“喂狗”操作智能仪器的软件抗干扰措施1.程序运行的监视系统看门狗（watchdogtimer,WDT）CPU抗干扰在C放电至阈值期间，给1引脚一个低电平，保证4引脚持续输出低电平。1引脚为高电平，3引脚为低电平，电容C放电。当C电位低于阈值时，5、6引脚为低电平，4引脚为高电平。-----复位。智能仪器的软件抗干扰措施CPU抗干扰2.掉电保护在电网瞬间断电或电压突然降低时，防止实时数据丢失，防止系统出现混乱。硬件组成：电源电压监测、后备电池和低功耗RAM软件组成：掉电中断子程序掉电发生时，Vr<VW,比较器输出低电平，发出掉电信息，CPU响应中断，系统进入掉电保护。智能仪器的软件抗干扰措施CPU抗干扰2.掉电保护以51单片机为例：PCON寄存器的PD=1，单片机进入掉电模式。掉电模式下，时钟振荡器的信号被封锁，振荡器停止工作，所有部件均停止工作。片内RAM和SFR的内容被保留。智能仪器的软件抗干扰措施软件程序的抗干扰软件冗余时间冗余：指令复执方法计算机检出错误以后，令当前指令重复运行。程序或硬件控制来实现。基本要求：当发现错误时，能准确保留现行指令的地址，以便重新取出执行现行指令使用的初始数据必须保留，以便重新执行时使用。执行过程类似于程序中断次数控制时间控制智能仪器的软件抗干扰措施软件程序的抗干扰软件冗余时间冗余：程序卷回方法一段程序重复执行。将程序分成若干小段，卷回时也就卷回一小段，而不是卷回到