现代检测技术与系统胡向东电子课件第13章节

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1、第13章 检测系统的抗干扰,13.1 噪声与干扰的危害 13.2 干扰的来源 13.3 干扰的耦合方式 13.4 干扰的抑制方法,学习导航,所谓干扰，就是能与被测信号一起被测试仪器检取的非被测信号。 形成电磁干扰有三个要素： 噪声源：指产生噪声干扰的元件、设备或信号。 传播干扰的途径（噪声的耦合和辐射）：指干扰从噪声源传播到敏感器件的通路或媒介，典型的干扰传播途径是导线的传导或空间的辐射。 敏感器件（受扰设备）：指容易被干扰的对象，如：A/D、D/A转换器件、单片机、数字IC、弱信号放大器等。 抗干扰技术就是在电路设计、现场安装与调试中采取适当措施应对电磁干扰，包括抑制噪声源、切断干扰传播途径

2、和提高敏感器件的抗干扰能力，从而保证智能检测系统高质量地正常工作。,13.1 噪声与干扰的危害,噪声是影响检测系统信号检测结果的重要因素，如果能够有效地克服噪声，就可以提高信号检测的灵敏度 噪声无处不在，而且总是与信号共存，在进行信号检测时，应首先设法尽量抑制噪声，然后再提取噪声中的有用信号 噪声是对有用信号的某种不期望的干扰，包括非被测信号或非测量系统所引起的噪声和来自于被测对象、传感器、测量系统内部的噪声两种情况 前者可能是来自于自然界的宇宙射线、电磁干扰或人为引起的开关电火花、较强的广播信号、市电的干扰等，这些外界干扰的影响通过适当的屏蔽措施是可以减小或消除的 后者是由组成电路的器件材料

3、的物理性质及温度等引起电荷载流子不规则运动而产生的自然扰动，是存在于电路内部的一种固有的扰动信号，这些噪声是随机的，不能精确预见，也不能彻底排除，只能设法减少或控制,噪声的类型,热噪声 散粒噪声 暗电流噪声 接触噪声 低频噪声,热噪声,任何电子器件中总有电传导载流子，当处于绝对温度0度以上的一定温度场中，这些载流子将作无规则的热运动，这种无规则的热运动叠加在器件中载流子的有规则定向流动上时，就会引起定向流动的载流子运动偏离而发生起伏，这种无规则的起伏称为热噪声 热噪声的大小与温度、电阻值和电信号的带宽有关。带宽越宽，噪声越大；在其它参数确定的情况下，对于不同频率的电信号，只要其带宽相同，引起的

4、热噪声大小是相同的，故通常称热噪声为“白噪声”。减小热噪声的方法可以是降低温度、缩窄系统允许通过的带宽,散粒噪声,是一种电流噪声。在电子管、双极晶体管和半导体二极管等器件中流动的电流不是平滑和连续的（即不均匀），而是各个载流子流动产生的电流脉冲之和，是微观随机结果的一个宏观平均效应。原因在于这些器件中存在势垒，载流子通过势垒是一个随机发生的独立事件。这种由于载流子各自独立而随机地运动所引起的噪声，称为散粒噪声 散粒噪声都是白噪声。减小散粒噪声的途径包括减小接收器带宽和减小背景光功率（以减小电流强度平均值）,暗电流噪声,有的传感器（如光电式传感器）在热激发载流子等条件下，即使没有信号输入，也会有

5、电流输出，形成暗电流噪声 减小暗电流噪声的方法：降温减小暗电流，或减小接收器带宽,接触噪声,两种不同性质的材料接触时，会造成其导电率发生变化，这是因为不同材料中自由电子的密度是不同的。这种导电率的变化将会导致噪声的出现，这类噪声称为接触噪声。如晶体管焊接处接触不良、开关和继电器的接触点等均会产生接触噪声 减小直流电流、降低信号带宽或增大工作信号频率都有助于减小接触噪声,低频噪声,也称闪烁噪声，其产生的原因较复杂，与材料的表面状态、PN结的漏电流等多种因素相关。如表面的污染与损伤、材料中的晶体缺陷、重金属离子的沉积等都会影响低频噪声。低频噪声广泛存在于有源和无源器件中 由于低频噪声强度与频率的倒

6、数成正比，故也称为 噪声。如果系统带宽 不变，则工作频率越低，噪声越大,信噪比,为了表征信号的优劣，衡量信号与噪声的相对比例，以判断噪声对测量精度的影响，通常用有用信号和噪声信号的有效值之比来描述，称为信噪比,干扰的危害,干扰对检测系统造成的危害主要表现在以下三个方面： 测量数据误差加大或测量困难 影响存储器中数据的准确性 检测程序运行失常,13.2 干扰的来源,干扰是影响测量结果准确性的重要因素，干扰源广泛地存在于测试系统本身（内部干扰）及被测对象所处的测量环境（外部干扰）中。,13.2.1 内部干扰,内部干扰是指测试系统本身（包括被测对象）的各种器件、电路、负载、电源等引起的各种干扰。 内

7、部干扰可以概括为四种情形：电路性干扰（由两个回路经公共阻抗耦合产生的电流干扰）、电容性干扰（干扰源与受扰设备间存在变化的电场引起的电压干扰）、电感性干扰（干扰源中存在变化的电流，在受扰设备中产生干扰感应电压）和电磁波干扰（传导电磁波引起的传导电流和传导电压干扰，或空间电磁波引起的电磁强度或磁场强度干扰）。,13.2.2 外部干扰,外部干扰是指由使用条件和外界环境因素所引起的干扰，它主要来自于自然界和被测对象周围的电气设备。自然干扰主要有地球磁场、地球大气放电（如雷电）、宇宙干扰（如太阳产生的无线辐射、太阳黑子活动）以及水蒸气、雨雪、沙尘、烟尘等静电作用，这些干扰以电磁感应的方式通过系统的壳体、

8、导线、敏感器件等形成接收电路，造成对系统的干扰，主要危害通信设备、导航设备等；电气设备的干扰主要来源于高压输电线、内燃机、电焊机、放电管、高频加热、可控硅整流、大功率发射装置等强电系统产生的火花放电、电弧放电、辉光放电、脉冲冲击等，形成电磁场、电火花，而检测装置中广泛使用的半导体器件在光线作用下将激发出电子空穴对，产生电动势，从而影响检测装置的正常工作和测量精度。,13.3 干扰的耦合方式,干扰必需通过一定的耦合方式和传输途径进入测量系统，才会对测量结果造成影响。干扰的耦合方式主要有以下几种，如图8.1所示。,图13.1 干扰耦合模型,13.4 干扰的抑制方法,13.4.1 抗干扰设计的基本原

9、则： 根据干扰对智能检测系统的影响原理，抗干扰设计的基本原则主要体现在三个方面，即消除或抑制干扰源、破坏干扰途径和提高敏感器件的抗干扰能力。 抑制干扰源的常用措施包括： （1）尽量选用频率低的微控制器，能用低速芯片就不用高速的。 （2）在继电器线圈上反向并联续流二极管，消除断开线圈时产生的反电动势干扰。 （3）在继电器接点两端并接火花抑制电路（一般是RC串联电路，电阻一般选几K到几十K，电容选0.01uF），减小电火花影响。,（4）给电机加滤波电路，电容、电感引线要尽量短。 （5）电路板上每个集成电路要在电源端并接一个0.01F0.1F的高频电容，以减小电源对集成电路的影响。 （6）布线时尽量

10、使用135度折线而避免90度的折线，以减少高频噪声发射。 （7）可控硅两端并接RC抑制电路，减小可控硅产生的噪声（这个噪声严重时可能会把可控硅击穿）。 （8）使用满足系统要求的最低频率时钟。时钟产生器尽量靠近用该时钟的器件。石英晶体振荡器外壳要接地。用地线将时钟区圈起来，时钟线尽量短。,切断干扰传播途径的常用措施包括： （1）充分考虑电源对智能检测系统中单片机的影响。 （2）如果单片机的I/O口用来控制电机等可能产生较大噪声的器件时，在I/O口与噪声源之间应加隔离电路。 （3）注意晶振的布线。晶振与单片机引脚尽量靠近，用地线把时钟区隔离起来，晶振外壳接地并固定。 （4）电路板合理分区，如强、弱

11、信号，数字、模拟信号应在电路板上分区域布置，尽可能让干扰源 （如电机，继电器）与敏感元件（如单片机）远离。,（5）用地线把数字区与模拟区隔离，数字地与模拟地要分离，最后在一点接电源地。 （6）单片机和大功率器件的地线要单独接地，以减小相互干扰。大功率器件尽可能放在电路板边缘。 （7）在单片机I/O口、电源线、电路板连接线等关键地方使用抗干扰元件，如磁珠、磁环、电源滤波器，屏蔽罩，可显著提高电路的抗干扰性能。,提高敏感器件抗干扰性能的常用措施包括： （1）布线时尽量减小回路环的面积，以降低感应噪声。 （2）布线时，电源线和地线要尽量粗。 （3）对于单片机闲置的I/O口，不要悬空，要接地或接电源。

12、 （4）对单片机使用电源监控及看门狗电路，如IMP809，IMP706，IMP813等，可大幅度提高整个电路的抗干扰性能。 （5）在速度能满足要求的前提下，尽量降低单片机的晶振频率和选用低速数字电路。 （6）IC器件尽量直接焊在电路板上，少用IC底座。,13.4.2 硬件抗干扰,接地 接地是抑制噪音的重要手段。良好的接地可以在很大程度上抑制系统内部噪音耦合，防止外部干扰的侵入，提高系统的抗干扰能力。智能检测系统的接地有两种类型，即保护接地和工作接地。 屏蔽 屏蔽是利用铜或铝等低电阻材料制成的容器，或利用导磁性好的铁磁材料制成的容器将需要防护的部分包围起来，达到避免电场或磁场对系统带来干扰的目的

13、。屏蔽可分为静电屏蔽、电磁屏蔽和磁场屏蔽 。,隔离 隔离是抑制干扰的有效手段之一，隔离的目的是从电路上把干扰源和易受干扰的部分分隔开，破坏干扰途径、切断噪声耦合通道。常用的隔离方式有光电隔离、变压器隔离、继电器隔离和布线隔离等。隔离可分为空间隔离和器件隔离两大类。 共模干扰及其抑制 共模干扰的抑制方法：采用差分放大器；利用双端输入的运算放大器作为输入通道的前置放大器；利用隔离放大器、变压器或光电耦合器将信号源和仪器隔离；利用浮地输入双层屏蔽放大器，仪表的金属外壳作外屏蔽层，仪表的模拟部分置于内屏蔽层的内部。,串模干扰及其抑制 导致串模干扰的因素包括长线传输的互感、分布电容的相互干扰、50Hz的

14、工频干扰等。串模干扰通常来自于高压输电线、与信号线平行铺设的电源线及大电流控制线所产生的空间电磁场。 串模干扰的抑制方法：采用低通滤波器、双绞线传输、屏蔽等措施排除交流干扰，对于直流串模干扰则采用补偿措施。,共模干扰 串模干扰,13.4.3 软件抗干扰,由于干扰的随机性、不可预见性，硬件抗干扰可能不能完全阻止干扰进入智能检测系统，现在发展起来一种软件抗干扰技术，利用智能检测系统中微处理器在编程和信号处理方面的能力，进行数字滤波、选频等处理，排除噪声、提取有用信号，实现对硬件抗干扰的一种补充。实践证明：将软件抗干扰与硬件抗干扰措施结合起来，可以达到良好的干扰抑制效果，提高智能检测系统工作的可靠性

15、和测量结果的准确性。软件抗干扰方法具有简单、灵活方便、耗费低等特点，在智能检测系统中被广泛应用。,数字滤波 数字滤波是针对离散时间输入信号的一种滤波技术，即在对模拟信号多次采样的基础上，由一定的计算机程序基于某种算法对采样信号进行平滑处理，使感兴趣的频率成份从信号中突出出来，以达到滤除噪声、提取到最逼近真值数据目标的过程，即数字滤波是基于软件实现对干扰噪声的抑制。 数字滤波器的数学模型为差分方程，这区别于模拟滤波器的电路微分方程。数字滤波器具有高精度、高可靠性、可程控、便于集成等优点。数字滤波器在语音信号处理、图像信号处理、医学生物信号处理等领域得到了广泛的应用。,数字滤波器按照频率特性可分为

16、低通、高通、带通和带阻滤波器，这和模拟滤波器一致。按照数字滤波器的单位冲击响应是一个有限序列还是一个无限序列则可分为有限冲击响应滤波器和无限冲击响应滤波器。 与模拟滤波器相比，数字滤波器的一个突出优势表现为只需改变滤波器的算法程序而不需要改变硬件电路就能方便地改变其滤波特性。目前，已发展出多种数字滤波技术，如限幅滤波、中值滤波、平均值滤波等，每一种数字滤波技术都有其特点和适用场合，在实际使用中应根据具体要求选用适宜的数字滤波技术，以取得好的滤波效果。,软件冗余 干扰或噪声可能导致计算机程序执行混乱，脱离正常的运行时序，出现把操作数当作操作码来执行的情况（称为程序“跑飞”），引起操作错误或死机，软件冗余技术有助于克服这类问题。软件冗余实际上就是软件指令冗余，即在程序的一些关键部位（如跳转指令、三字节指令等前面）特意设置一些单字节的空操作指令，或将有效单字节指令重写（称为指令冗余），当出现执行代码跳变运行到所设置的单字节指令时，不会再发生将操作数当操作指令执行的情况，这样就使程序执行自动调节回到正常的轨道。,软件拦截技术 软件冗余