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1、第五章 单片机应用系统的抗干扰技术设计51 干扰源我们要进行抗干扰措施，首先就得仔细研究干扰产生的原因、途径，掌握或了解其规律后，才能有针对性地提出各种抗干 扰的理论和措施。5.1.1 干扰与噪声的区别(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应用系统并影响其正常工作时才形成干扰。(2) 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。5.1.2 分类根据产生干扰的物理原因，干扰可以分为如下几种类型：机械干扰、热干扰、光干扰、湿度干扰、化学干扰、电和磁的干扰、射线辐
2、射干扰。其中，电和磁的干扰是最为普遍和严重的干扰，下面对电磁干扰作重点论述。电磁干扰的分类：(1) 从噪声产生的来源分类可以分为：固有噪声源 固有噪声是指器件内部物理性的无规则波动所形成的噪声。人为噪声源 人为噪声源主要是各种电气设备所产生的噪声，主要有以下几种：1. 工频噪声，大功率输电线是典型的工频噪声源。低电平的信号线只要有一段长度与输电线平行，就会受到明显的干扰；即使一般室内的交流电源线，对输入阻抗低和灵敏度高的传感器来说也会是很大的干扰源。在传感器的内部，由于工频感应也会产生交流噪声，它所形成的干扰也不可忽视。2. 射频噪声， 高频感应加热、高频焊接等工业电子设备以及广播、电视、雷达
3、及通信设备等通过辐射或通过电源线会给附近的传感器系统带来干扰。3. 电子开关，由于电子通断的速度极快，使电路中的电压和电流发生急剧的变化，形成冲击脉冲，从而成为噪声干扰源。自然噪声源和放电噪声 自然噪声主要指天电形成的放电现象。放电现象的起因不仅是天电，还有各种电气设备所造成的，主要有：电晕放电、火花放电、放电管放电等。(2) 从干扰的出现区域来分可分为内部干扰和外部干扰。(3) 从干扰对电路作用的形成分类差模干扰 也称为串联干扰，差模干扰进入电路后，使传感器系统 的一个信号输入端子相对于另一个信号输入端子的电位发生变化，即干扰信号与有用信号按电势源串联起来作用于输入端。因为这种干扰和有用信
4、号叠加起来直接作用于输入端，所以它直接影响到测量结果。（a）串联电压源形式 （b）并联电流源形式图5-1 差模干扰等效电路共模干扰 它是相对于公共的电位基准点，在传感器系统的两个输入端子同时出现同向干扰。它虽然不直接对测量结果造成影响，但当信号输入电路不对称时，它会转化为差模干扰，进而对测量产生影响。在实际工作中，由于共模干扰电压一般比较大，而且它的耦合机理和耦合电路不易搞清楚、排除困难，所以共模干扰对测量的影响更为严重。图5-2 共模干扰等效电路(4) 共模干扰抑制比 为了衡量传感器系统对共模干扰的抑制能力，引入共模干扰抑制比，其定义为：作用于传感器系统的共模干扰信号与这个共模干扰信号转换为
5、差模干扰信号之比，通常以对数形式表示： (dB) (5-1)式中，实际的共模干扰电压；共模干扰电压转换成的差模干扰电压。 共模干扰抑制比也可以定义为差模增益与共模增益之比，其表达式为 (dB) (5-2)式中, 差模增益；共模增益。从以上定义式，可以看出共模干扰抑制比是传感器系统对共模干扰抑制能力的量度，CMRR越大，说明抑制共模干扰的能力越强。(5) 噪声形成干扰的三要素噪声形成干扰必需具备三个条件，即三要素。这三要素是有噪声源、有对噪声敏感的接收电路和噪声源到接收电路之间的耦合通道。三者之间的联系如图5-3所示：噪声源耦合接收电路 图5-3 耦合通道分析干扰问题时，要根据这三要素进行，搞
6、清噪声源是什么，噪声的接收电路是什么以及噪声与接收电路之间是通过什么途径进行耦合的。5.1.3 噪声的耦合方式噪声进入电路的方式，称为耦合方式,其有多种类型，归纳起来有以下几种：(1) 电容性耦合 它是由于两个电路之间存在寄生电容，使得一个电路的电荷变化影响到另一个电路。(2) 互感耦合 互感耦合又称电磁耦合。它是由于两个电路之间存在互感，使得当一个电路的电流变化时，通过磁交链影响到另一个电路。这种干扰耦合方式，多发生在两根导线在较长一段平行架设中，其中动力线或强信号线成为干扰源；在传感器系统内部的线圈或变压器漏磁也成为邻近电路的干扰源。图5-4 互感耦合等效电路(3) 共阻抗耦合 共阻抗耦合
7、是由于几个电路之间有公共阻抗，当一个电路中有电流渡过时，在公共阻抗上产生一个压降，这一压降对其它与公共阻抗相连的电路形成干扰。这种干扰耦合形式主要产生在下述几种情况：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 由于两部分电路之间绝缘不良，高电位电路通过绝缘电阻向低电平电路漏电，这种漏电电流对低电平电路形成干扰，其等效电路如图5-5所示：图5-5 漏电耦合等效电路(5) 传导耦合 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。最常见的是电源线经噪声环境，它把交变电磁场感应到电源回路中而形成感应电势，再经这条电源线传送到各自进入的电
8、子装置，形成干扰。这种干扰不易被发现且易 被人们所忽视。(6) 辐射电磁场耦合 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。传感器系统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。5.1.4 抑制电磁干扰的基本方法抑制干扰的基本方法是从形成干扰的三要素出发，在噪声源、耦合通道、接收电路方面采取措施。(1) 消除或抑制噪声源 消除或抑制噪声源是最积极主动的措施，因为它能从根本上消除或减少干扰，但在实际工作当中，消除或抑制噪声源是有一定限度的。(2) 破坏干扰的耦合通道 干扰的耦合通道，即传递方式可分为两大类，一种是以“路”的
9、形式，另一种是以“场”的形式。对不同传递形式的干扰，可采用不同的对策：对于“路”的形式侵入的干扰，可以采用阻截或给予低阻通路的办法，使干扰不能进入接收电路。对于以“场”的形式侵入的干扰，一般采用屏蔽措施并兼用“路”的抑制干扰措施，使干扰受到阻截并难以“路”的形式侵入电路。(3) 消除接收电路对干扰的敏感性 不同的电路结构形式对干扰的敏感程度不同。一般高输入阻抗电路比低输入阻抗电路易于接收干扰；模拟电路比数字电路易于接收干扰；布局松散的电子装置比结构紧凑的易于接收干扰。为消弱电路对干扰的敏感性，可以采用滤波、选频、双绞线、对称电路和负反馈等措施。(2) 采用软件抑制干扰 对于有些已进入电路的干扰
10、，用硬件措施又不易实现或不易奏效，可以考虑在采用微处理器的智能传感器系统中，通过编入一定的程序进行信号处理和分析判断，达到抑制干扰的目的。52 硬件抗干扰措施在上一节中提到，电磁干扰在所有干扰中对传感器系统或电子装置的影响最大，本节着重对其论述。常 采用的用于抑制电磁干扰的基本措施有以下几种：5.2.1 屏蔽利用低电阻材料或高磁导率材料制成容器，将需要防护的部分包起来，从而把电力线或磁力线的影响限定在某个范围或阻止它们进入某个范围。这种防静电或电磁感应所采取的措施称为“屏蔽”。屏蔽的目的是隔断“场”的耦合，即抑制各种场的干扰。屏蔽可分为静电屏蔽、电磁屏蔽和磁屏蔽。(1) 静电屏蔽原理 静电屏
11、蔽原理 由静电学知道，在静电平衡状态下的导体内部，各点等电位，即导体内部无电力线，利用金属导体的这一性质，并加上接地措施，则静电场的电力线就在接地的金属导体处中断，从而直到电场隔离的作用。驱动屏蔽 上述屏蔽原理是在静电平衡条件下，才能实现安全屏蔽。如果导体A上电荷变化较快，那么在接地线上就会有对应于电荷变化的随时间变化的电流渡过，则在导体B外侧剩余电荷，于是在导体B 的外部空间将出现静电场和感应电磁场，因此，这时的屏蔽是不完全的。这对于要求高的场合，就不能满足要求了，这时可以考虑采用驱动屏蔽。其原理如图5-6所示。若1：1电压跟随器是理想的，即在工作中导体B 与屏蔽层C之间的绝缘电阻为无穷大，
12、并且等电位，那么在B 导体之外与屏蔽层内侧之间的空间无电力线，各点等电位。这说明，导体A 产生的噪声电场影响不到导体B。这时，尽管导体B 与屏蔽层C之间有寄生电容存在，但是因为B与C等电位，故此寄生电容也不起作用。因此，驱动屏蔽能有效地抑制通过寄生电容的耦合干扰。 图5-6 驱动屏蔽（2）电磁屏蔽 电磁屏蔽主要用来防止高频电磁场的影响，对于低频电磁场干扰的屏蔽效果是不明显的。电磁屏蔽是采用导电良好的金属材料做成屏蔽层，利用高频电磁场对金属屏蔽层的作用，在屏蔽金属内产生电涡流，由涡流主生的磁场抵消或减弱干扰磁场的影响，从而达到屏蔽的目的。(3) 低频磁屏蔽 低频磁屏蔽主要用于防止低频磁场的干扰。
13、它是采用高导磁材料作屏蔽层，使低频干扰磁通限制在磁阻很小的磁屏蔽层的内部，防止其干扰作用。5.2.2 接地 (一)接地的目的与作用保证人身和设备安全的需要抑制干扰的需要。良好、正确的接地，可以消除或降低各种形式的干扰，从而保证传感器系统、电子设备或控制系统可靠而稳定地工作。通过接地给干扰电压以低阻通路，以防止对电子设备形成干扰；消除各电路电流流经一公共地线阻抗所产生的噪声电压，即共阻抗干扰；避免磁场或地电位差的影响，使其不形成地环路。(二)地线的种类 根据设计的目的，地线可分为两大类，即实际地和虚地。实际地就是大地；虚地是不接大地的地，是作为信号的参考点，以建立系统的基准电位。在传感器系统、
14、电子设备或控制系统中，就形成了各种各样的地线：保安地线 信号源地线 信号地线（包括模拟信号地和数字信号地两种）负载地线 屏蔽层地线（机壳地线）(三)各种地线的处理原则 对于各种不同的地线，在实际的系统中怎样处理才合理，下面提出一些处理原则：（1）低频电路的一点接地原则 所谓低频电路的“一点接地，就是把多个接地点用导线把它们汇集到一点，再从这点接地。采用一点接地，可以有效地克服地电位差的影响和共用地线的共阻抗引起的干扰；（2）高频电路的多点接地原则 对于高频电路，地线上顺具有电感而示增加了地线阻抗，同时各地线间又产生互感耦合。当地线长度等于1/4波长的奇数倍时，地线阻抗就会变得很高，这时地线变成
15、了天线，而向外辐射噪声。为了防止辐射干扰，地线长度应小于信号波长的1/20，这时也同时降低了地线阻抗，在这种情况下，可采用一点接地。如果地线长度超过信号波长的1/20，则应采用多点接地；（3）强电地线与信号地线分开设置 所谓强电地线，主要是指电源地线、大功率负载地线等，它上边流过的电流大，在地线电阻上会产生几级电压降。若这种地线与信号地线共用，就会产生很强的干扰，因此，信号地线与它分别设置；（4）模拟信号地线与数字信号地分开设置 数字信号一般比较强，而且是交变的脉冲，流过它的地线 电流也呈脉冲。模拟信号比较弱。如果两种信号共用一条地线，数字信号就会通过地线电阻对模拟信号构成干扰，故这两种地线应分开设置。(四)接地方法常有：埋设铜板、接地棒、网状地线。5.2.3 浮置 它指的是电子设备的输入信号放大器公共线不接机壳或大地，测量放大器与机壳或大地之间无直流联系。浮置的目的在于阻断干扰电流的通路。5.2.4 对称电路 对称电路又称平衡电路
