第6章检测系统抗干扰技术

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1、第第6章章 检测系统抗干扰技术检测系统抗干扰技术6.1 干扰的分类干扰的分类6.2 干扰的引入干扰的引入6.3 干扰的抑制方法干扰的抑制方法第第6章章 检测系统抗干扰技术检测系统抗干扰技术 测量过程中常会遇到各种各样的测量过程中常会遇到各种各样的干扰干扰，不仅能造成逻辑不仅能造成逻辑关系混乱，使系统测量和控制失灵，以致降低产品的质量，关系混乱，使系统测量和控制失灵，以致降低产品的质量，甚至造成系统无法正常工作，造成损坏和事故。甚至造成系统无法正常工作，造成损坏和事故。尤其是电子尤其是电子装置的小型化、集成化、数字化和智能化的广泛应用和迅速装置的小型化、集成化、数字化和智能化的广泛应用和迅速发展

2、，有效地排除和抑制各种干扰，已是必需考虑并解决的发展，有效地排除和抑制各种干扰，已是必需考虑并解决的问题。问题。 而而提高检测系统抗干扰能力提高检测系统抗干扰能力，首先应分析干扰产生的原，首先应分析干扰产生的原因、干扰的引入方式及途径，才可有针对性地解决系统抗干因、干扰的引入方式及途径，才可有针对性地解决系统抗干扰问题。扰问题。 在电子系统设计和实现的过程中在电子系统设计和实现的过程中，一个必须面对的问题，一个必须面对的问题就是如何在各种各样的电磁干扰源作用下仍能使系统正常工就是如何在各种各样的电磁干扰源作用下仍能使系统正常工作，这一般称为作，这一般称为电磁兼容性（电磁兼容性（EMC）。形成干

3、扰的三个要素：形成干扰的三个要素：1、干扰源、干扰源 产产生生干干扰扰信信号号的的设设备备被被称称为为干干扰扰源源，如如变变压压器器、继继电电器器、微微波波设设备备、电电机机、无无绳绳电电话话和和高高压压电电线线等等都都可可以以产产生生空中电磁信空中电磁信 2、传播途径、传播途径 传播途径是指干扰信号的传播途径是指干扰信号的传播路径传播路径。 3、接收载体、接收载体 接接收收载载体体是是指指受受影影响响的的设设备备的的某某个个环环节节，该该环环节节吸吸收收了干扰信号，并转化为对系统造成影响的电器参了干扰信号，并转化为对系统造成影响的电器参数。数。 6.1 干扰的分类干扰的分类 干扰来自干扰来自

4、干扰源干扰源，在工业现场和环境中干扰源是各种各样的。，在工业现场和环境中干扰源是各种各样的。按干扰的来源，可以将干扰分为按干扰的来源，可以将干扰分为内部干扰内部干扰和和外部干扰外部干扰。 电气设备、电子设备、通信设施等高密度的使用电气设备、电子设备、通信设施等高密度的使用，使得空间，使得空间电磁波污染电磁波污染越来越严重。由于自然环境的日趋恶化，越来越严重。由于自然环境的日趋恶化，自然干扰自然干扰也也随之增大。随之增大。外部干扰外部干扰就是指那些与系统结构无关，由使用条件和就是指那些与系统结构无关，由使用条件和外界环境因素所决定的干扰外界环境因素所决定的干扰。它主要来自于自然界的干扰以及周。它

5、主要来自于自然界的干扰以及周围电气设备的干扰。围电气设备的干扰。 自然干扰自然干扰主要有地球大气放电主要有地球大气放电(如雷电如雷电)、宇宙干扰、宇宙干扰(如太阳产如太阳产生的无线电辐射生的无线电辐射)、地球大气辐射以及水蒸气、雨雪、砂尘、烟、地球大气辐射以及水蒸气、雨雪、砂尘、烟尘作用的静电放电等，以及高压输电线、内燃机、荧光灯、电焊尘作用的静电放电等，以及高压输电线、内燃机、荧光灯、电焊机等电气设备产生的放电干扰。机等电气设备产生的放电干扰。这些干扰源产生的辐射波频率范这些干扰源产生的辐射波频率范围较广、无规律。围较广、无规律。6.1.1 外部干扰外部干扰 各种各种电气设备电气设备所所产生

6、的干扰产生的干扰有有电磁场、电火花、电弧焊接、电磁场、电火花、电弧焊接、高频加热、可控硅整流等强电系统所造成的干扰高频加热、可控硅整流等强电系统所造成的干扰。这些干扰。这些干扰主主要是通过供电电源对测量装置和微型计算机产生影响要是通过供电电源对测量装置和微型计算机产生影响。在大功。在大功率供电系统中，大电流输电线周围所产生的率供电系统中，大电流输电线周围所产生的交变电磁场交变电磁场，对安，对安装在其附近的装在其附近的智能仪器仪表也会产生干扰智能仪器仪表也会产生干扰。此外，地磁场的影。此外，地磁场的影响及来自电源的高频干扰也可视为外部干扰。响及来自电源的高频干扰也可视为外部干扰。 自然干扰自然干

7、扰主要来自天空，主要来自天空，以电磁感应的方式通过系统的壳以电磁感应的方式通过系统的壳体、导线、敏感器件等形成接收电路，造成对系统的干扰体、导线、敏感器件等形成接收电路，造成对系统的干扰。尤。尤其对通讯设备、导航设备有较大影响。其对通讯设备、导航设备有较大影响。 在检测装置中已广泛使用在检测装置中已广泛使用半导体器件半导体器件，在，在光线作用下光线作用下将激将激发出电子发出电子-空穴对，并空穴对，并产生电动势产生电动势，从而影响检测装置的正，从而影响检测装置的正常工作和精度。所以，半导体元器件均应常工作和精度。所以，半导体元器件均应封装在不透光的壳体封装在不透光的壳体内内。对于具有光敏作用的元

8、器件，尤其要注意。对于具有光敏作用的元器件，尤其要注意光的屏蔽光的屏蔽问题。问题。（1）信号通道干扰）信号通道干扰 计算机检测系统的计算机检测系统的信号采集、数据处理与执行机构的控制信号采集、数据处理与执行机构的控制等，等，都离不开信号通道的构建与优化。在进行都离不开信号通道的构建与优化。在进行实际系统的信道设计时，实际系统的信道设计时，必须注意其间的干扰问题必须注意其间的干扰问题。信号通道形成的干扰主要有：。信号通道形成的干扰主要有：1）共模干扰）共模干扰 共模干扰对检测系统的放大电路的干扰较大。是指共模干扰对检测系统的放大电路的干扰较大。是指相对公共相对公共地电位为基准点，在系统的两个输入

9、端上同时出现的干扰地电位为基准点，在系统的两个输入端上同时出现的干扰，即两，即两个输入端和地之间存在地电压。个输入端和地之间存在地电压。6.1.2 内部干扰内部干扰 内部干扰内部干扰是指是指系统内部的各种元器件、信道、负载、电源系统内部的各种元器件、信道、负载、电源等引起的各种干扰等引起的各种干扰。下面简要介绍计算机检测系统重常见的。下面简要介绍计算机检测系统重常见的信信号通道干扰、电源电路干扰和数字电路干扰号通道干扰、电源电路干扰和数字电路干扰。2）静电耦合干扰）静电耦合干扰 静电耦合干扰静电耦合干扰的形成，是由于的形成，是由于电路之间的寄生电容电路之间的寄生电容使系统使系统内某一电路信号的

10、变化，从而影响其它电路内某一电路信号的变化，从而影响其它电路。只要电路中有。只要电路中有尖尖峰信号和脉冲信号等高频谱的信号存在峰信号和脉冲信号等高频谱的信号存在，就可能存在静电耦合，就可能存在静电耦合干扰。因此，检测系统中的干扰。因此，检测系统中的计算机部分和高频模拟电路部分计算机部分和高频模拟电路部分都都是产生静电耦合干扰的直接根源。是产生静电耦合干扰的直接根源。3）传导耦合干扰）传导耦合干扰 计算机检测系统中计算机检测系统中脉冲信号在传输过程中，容易出现延时、脉冲信号在传输过程中，容易出现延时、变形变形，并可能接收干扰信号，这些因素均会形成传导耦合干扰。，并可能接收干扰信号，这些因素均会形

11、成传导耦合干扰。（2）电源干扰）电源干扰 对于电子、电气设备来说，电源干扰是较为普遍的问题。对于电子、电气设备来说，电源干扰是较为普遍的问题。在计算机检测系统的实际应用中，大多数是采用是在计算机检测系统的实际应用中，大多数是采用是由工业用电由工业用电网络供电网络供电。工业系统中的某些大设备的启动、停机等，都可能工业系统中的某些大设备的启动、停机等，都可能引起电源的过压、欠压、浪涌、下陷及尖峰等，引起电源的过压、欠压、浪涌、下陷及尖峰等，这些也是要加这些也是要加以重视的干扰因素。同时，以重视的干扰因素。同时，这些电压噪声均通过电源的内阻，这些电压噪声均通过电源的内阻，耦合到系统内部的电路，耦合到

12、系统内部的电路，从而对系统造成极大的危害。从而对系统造成极大的危害。（3）数字电路引起的干扰）数字电路引起的干扰 从量值上看，从量值上看，数字集成电路逻辑门引出的直流电流一般只有数字集成电路逻辑门引出的直流电流一般只有mA级。级。由于一般的较低频率的信号处理电路中对此问题考虑不由于一般的较低频率的信号处理电路中对此问题考虑不多，所以容易使人忽略数字电路引起的干扰因素。但是，对于多，所以容易使人忽略数字电路引起的干扰因素。但是，对于高速采样及信道切换等场合高速采样及信道切换等场合，即，即当电路处在高速开关状态时，当电路处在高速开关状态时，就会形成较大的干扰就会形成较大的干扰。例如，例如，TTL门

13、电路在导通状态下，从直流电源引出门电路在导通状态下，从直流电源引出5mA左右左右的电流，截止状态下则为的电流，截止状态下则为1mA，在，在5ns的时间内其电流变化的时间内其电流变化为为4mA，如果在配电线上具有，如果在配电线上具有0.5H的电感，当这个门电路的电感，当这个门电路改变状态时，配电线上产生的噪声电压为：改变状态时，配电线上产生的噪声电压为： 如果把这个数值乘上典型系统的大量门电路的个数，可以看如果把这个数值乘上典型系统的大量门电路的个数，可以看到，虽然这种门电路的供电电压仅到，虽然这种门电路的供电电压仅5v，但引起的干扰噪声将是，但引起的干扰噪声将是非常显著的。非常显著的。 6.2

14、 干扰的引入干扰的引入 干扰是一种破坏因素，但干扰是一种破坏因素，但它必须通过一定的传播途径才能它必须通过一定的传播途径才能影响到测量系统影响到测量系统。所以。所以有必要对干扰的引入或传播进行必要的有必要对干扰的引入或传播进行必要的分析分析，切断或抑制耦合通道，采取使接收电路对干扰不敏感或，切断或抑制耦合通道，采取使接收电路对干扰不敏感或使用滤波等手段，有效地消除干扰。使用滤波等手段，有效地消除干扰。 干扰的引入和传播主要有以下几种：干扰的引入和传播主要有以下几种：静电耦合：静电耦合：又称静电感应，即干扰经杂散又称静电感应，即干扰经杂散电容电容耦合到电路中去。耦合到电路中去。电磁耦合：电磁耦合

15、：又称电磁感应，即干扰经又称电磁感应，即干扰经互感互感耦合到电路中去。耦合到电路中去。共阻抗耦合：共阻抗耦合：即电流经两个以上电路之间的即电流经两个以上电路之间的公共阻抗公共阻抗耦合到电路耦合到电路中去。中去。辐射电磁干扰和漏电流耦合：辐射电磁干扰和漏电流耦合：即在即在电能频繁交换的地方和高频换电能频繁交换的地方和高频换能装置能装置周围存在的周围存在的强烈电磁辐射强烈电磁辐射对系统产生的干扰和对系统产生的干扰和由于绝缘不由于绝缘不良由流经绝缘电阻的电流耦合到电流中去的干扰良由流经绝缘电阻的电流耦合到电流中去的干扰。 接地共阻抗干扰 共阻抗干扰共阻抗干扰是指电路各部分是指电路各部分公共导线阻抗公

16、共导线阻抗、地阻抗和电源地阻抗和电源内阻压降相互耦合形成的干扰内阻压降相互耦合形成的干扰,这是机电一体化系统普遍存在的这是机电一体化系统普遍存在的一种干扰。如图所示的串联接地方式，由于接地电阻的存在，一种干扰。如图所示的串联接地方式，由于接地电阻的存在，三个电路的接地电位明显不同。三个电路的接地电位明显不同。6.2.1 串模干扰串模干扰 串模干扰是叠加在被测信号上的干扰信号串模干扰是叠加在被测信号上的干扰信号，串模干扰又称为串模干扰又称为差模干扰，差模干扰，也称也称横向干扰横向干扰。，其等效电路如图，其等效电路如图6.1所示。其中，所示。其中，Us为输入信号为输入信号，Un为干扰信号为干扰信号

17、。抗串模干扰能力用。抗串模干扰能力用串模抑制比串模抑制比来表来表示：示：式中：Ucm为串模干扰源 的电压峰值； Un为串模干扰引起 的误差电压。图6.1 串模干扰等效电路 对于检测系统，对于检测系统，干扰引入的电路方式干扰引入的电路方式有有串模干扰串模干扰和和共模干共模干扰扰。 干扰信号通常以串模干扰和共模干扰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与有用信号一同传输传输。串模干扰示意图 产生串模干扰的产生串模干扰的原因原因有分有分布电容的静电耦合、长线传输的布电容的静电耦合、长线传输的互感、空间电磁场引起的磁场耦互感、空间电磁场引起的磁场耦合以及合以及50Hz的工频干扰等。的工

18、频干扰等。 在机电一体化系统中，被在机电一体化系统中，被测信号是直流（或变化比较缓慢测信号是直流（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，些杂乱的波形并含有尖峰脉冲，如图如图7-2(c)所示。所示。图图7-2中中Us表表示理想测试信号，示理想测试信号， U c表示实际表示实际传输信号传输信号，Ug表示不规则干扰表示不规则干扰信号。信号。干扰可能来自信号源内部干扰可能来自信号源内部（图（图7-2(a)），也可能来自于导），也可能来自于导线的感应（图线的感应（图7-2(b)）。）。6.2.2 共模干扰共模干扰 共模干扰共模干扰又称又称纵向干

19、扰、对地干扰、同相干扰、共态干扰纵向干扰、对地干扰、同相干扰、共态干扰等，它是等，它是相对于公共的电位基准点相对于公共的电位基准点(通常为接地点通常为接地点)，在检测仪，在检测仪器的两个输入端子上同时出现的干扰器的两个输入端子上同时出现的干扰。虽然它。虽然它不直接影响测量不直接影响测量结果结果，但是当信号，但是当信号输入电路参数不对称输入电路参数不对称时，它会转化为差模干时，它会转化为差模干扰，对测量产生影响。扰，对测量产生影响。共模干扰可以归纳为三类共模干扰可以归纳为三类：（1）由被测信号源的特点产生共模干扰）由被测信号源的特点产生共模干扰 如图如图6.2所示，具有所示，具有双端输出的双端输

20、出的差分放大器和不平衡电桥差分放大器和不平衡电桥等等不具有对地电位的形式产生的共模干扰。不具有对地电位的形式产生的共模干扰。图6.2 共模电压示意图（2）电磁场干扰引起共模干扰）电磁场干扰引起共模干扰 当当高压设备产生的电场高压设备产生的电场同时同时通过分布通过分布电容电容耦合到无屏蔽的耦合到无屏蔽的双输入线双输入线，而使之具有对地电位时，或者，而使之具有对地电位时，或者交流大电流设备的磁交流大电流设备的磁场场通过双输入线的通过双输入线的互感互感在双输入线中感应出相同大小的电动势在双输入线中感应出相同大小的电动势时，都有可能产生共模电压施加在两个输入端。时，都有可能产生共模电压施加在两个输入端

21、。 如图如图6.3a所示，若所示，若U H很高，通过局部电容很高，通过局部电容C C1，C C2，C C3，C C4耦合到无屏蔽双输入线上的对地电压是耦合到无屏蔽双输入线上的对地电压是U H在相应电在相应电容上的分压值容上的分压值U 1及及U 2: 如果如果U 1U 2，它们就是共模干扰，它们就是共模干扰；如果不相等，则既有；如果不相等，则既有共模干扰电压，又有差模干扰电压。共模干扰电压，又有差模干扰电压。图6.3 电磁场干扰引起共模电压图图6.3b表示大电流导体的表示大电流导体的电磁场电磁场在双输入线中感应产生的干在双输入线中感应产生的干扰电动势扰电动势E1及及E2也具有相似的性质。即也具有

22、相似的性质。即当当E1E2时，产生共时，产生共模干扰模干扰；当当E1E2时，既产生共模干扰又产生差模干扰电动时，既产生共模干扰又产生差模干扰电动势势EnE1E2。（3）由不同地电位引起的共模干扰）由不同地电位引起的共模干扰 当当被测信号源与检测装置相隔较远被测信号源与检测装置相隔较远，不能实现共同的，不能实现共同的“大地点大地点”上接地时，上接地时，由于来自强电设备的大电流流经大地或由于来自强电设备的大电流流经大地或接地系统导体，使得各点电位不同，并造成两个接地点的电接地系统导体，使得各点电位不同，并造成两个接地点的电位差位差Uce，即会产生共模干扰电压，即会产生共模干扰电压，如图，如图6.4

23、所示。图中所示。图中Re为为两个接地点间的等效电阻。两个接地点间的等效电阻。6.3 干扰的抑制方法干扰的抑制方法 目前在计算机检测系统中，主要从目前在计算机检测系统中，主要从硬件硬件和和软件软件两个方面来两个方面来考虑干扰抑制问题。其中，考虑干扰抑制问题。其中，接地、屏蔽、去耦，以及软件抗干接地、屏蔽、去耦，以及软件抗干扰扰等是抑制干扰的主要方法。等是抑制干扰的主要方法。6.3.1 计算机检测系统的接地计算机检测系统的接地 接地接地技术起源于技术起源于强电强电，其概念是，其概念是将电网的零线及各种设备将电网的零线及各种设备的外壳接大地，以起到保障人身和设备安全的目的的外壳接大地，以起到保障人身

24、和设备安全的目的。 在在电子装置与计算机系统中，接地又有了新的内涵电子装置与计算机系统中，接地又有了新的内涵，这里，这里的的“地地”是指是指输入信号与输出信号的公共零电位输入信号与输出信号的公共零电位，它本身可能它本身可能是与大地相隔离是与大地相隔离。而接地不仅是保护人身和设备安全，也是抑而接地不仅是保护人身和设备安全，也是抑制噪声干扰，保证系统工作稳定的关键技术。制噪声干扰，保证系统工作稳定的关键技术。在设计和安装过在设计和安装过程中，如果能把程中，如果能把接地和屏蔽接地和屏蔽正确地结合起来使用，是可以抑制正确地结合起来使用，是可以抑制大部分干扰的。因此，大部分干扰的。因此，接地是系统设计中

25、必须加以充分而考虑接地是系统设计中必须加以充分而考虑的问题的问题。6.3.2 接地的类型接地的类型 检测系统的接地主要有二种类型：检测系统的接地主要有二种类型：保护接地：保护接地： 保护接地是为了避免因设备的绝缘损坏或性能下降时，系保护接地是为了避免因设备的绝缘损坏或性能下降时，系统操作人员遭受触电危险和保证系统安全而采取的统操作人员遭受触电危险和保证系统安全而采取的安全措施安全措施。工作接地：工作接地： 工作接地是为了保证系统稳定可靠地运行，防止地环路引工作接地是为了保证系统稳定可靠地运行，防止地环路引起干扰而采取的起干扰而采取的防干扰措施防干扰措施。 通过通过正确的接地正确的接地，可消除各

26、电路电流流经，可消除各电路电流流经公共地线阻抗公共地线阻抗时时所产生的噪声电压；避免磁场和地电位差的影响，所产生的噪声电压；避免磁场和地电位差的影响，不使其形成不使其形成地环路地环路，避免噪声耦合的影响。，避免噪声耦合的影响。 （1）一点接地和多点接地）一点接地和多点接地 一般来说，系统内一般来说，系统内印制电路板接地的基本原则印制电路板接地的基本原则是是高频电路高频电路应就近多点接地应就近多点接地，低频电路低频电路应一点接地应一点接地。 因为在因为在低频电路低频电路中，布线和元件间的电感并不是大问题，中，布线和元件间的电感并不是大问题，而而公共阻抗耦合干扰的影响较大公共阻抗耦合干扰的影响较大

27、，因此，因此，常以一点为接地点常以一点为接地点。高频电路高频电路中各地线电路形成的环路会产生中各地线电路形成的环路会产生电感耦合电感耦合，增加了地，增加了地线阻抗，同时各地线之间也会产生电感耦合。在高频、甚高频线阻抗，同时各地线之间也会产生电感耦合。在高频、甚高频时，尤其是当时，尤其是当线长度等于线长度等于1/4波长的奇数倍时波长的奇数倍时，地线阻抗就会变，地线阻抗就会变得很高。这时的地线就变成了得很高。这时的地线就变成了天线天线，可以向外辐射噪声信号。，可以向外辐射噪声信号。所以这时的所以这时的地线长度应小于信号波长的地线长度应小于信号波长的1/2，才能防止辐射干扰，才能防止辐射干扰，并降低

28、地线阻抗。并降低地线阻抗。 一般，一般，频率在频率在1MHz以下以下，可用，可用一点接地一点接地；而；而高于高于10MHz时，则应时，则应多点接地多点接地。在。在110MHz之间之间时，如果采用一点接地时，如果采用一点接地的方式，其地线长度就不要超过波长的的方式，其地线长度就不要超过波长的1/20。否则，应采用多。否则，应采用多点接地的方式。点接地的方式。并联一点接地 如图所示是如图所示是并联一点接地并联一点接地方式。这种方式在方式。这种方式在低频低频时是最适时是最适用的，因为各电路的用的，因为各电路的地电位只与本电路的地电流和地线阻抗有地电位只与本电路的地电流和地线阻抗有关，不会因地电流而引

29、起各电路间的耦合关，不会因地电流而引起各电路间的耦合。 多点接地 若电路工作若电路工作频率较高频率较高，电感分量大，各地线间的互感耦合，电感分量大，各地线间的互感耦合会增加干扰。如图所示，各接地点会增加干扰。如图所示，各接地点就近就近接于接地汇流排或底座、接于接地汇流排或底座、外壳等金属构件上。外壳等金属构件上。 （2）交流地与信号地）交流地与信号地 在一段电源地线的两点间会有数毫伏，甚至几伏电压。对在一段电源地线的两点间会有数毫伏，甚至几伏电压。对低电平的信号电路来说，这是一个非常严重的干扰，必须加以低电平的信号电路来说，这是一个非常严重的干扰，必须加以隔离和防止，因此，隔离和防止，因此，交

30、流地和信号地不能共用交流地和信号地不能共用。 （3）浮地与接地）浮地与接地 多数的系统应接大地多数的系统应接大地，有些特殊的场合有些特殊的场合，如飞行器或船舰，如飞行器或船舰上使用的仪器仪表不可能接大地，则上使用的仪器仪表不可能接大地，则应采用浮地方式应采用浮地方式。系统的。系统的浮地浮地就是就是将系统的各个部分全部与大地浮置起来，即浮空，其将系统的各个部分全部与大地浮置起来，即浮空，其目的是为了阻断干扰电流的通路。目的是为了阻断干扰电流的通路。浮地后，检测电路的公共线浮地后，检测电路的公共线与大地（或者机壳）之间的阻抗很大，所以，与大地（或者机壳）之间的阻抗很大，所以，浮地同接地相比，浮地同

31、接地相比，能更强地抑制共模干扰电流能更强地抑制共模干扰电流。浮地方法简单，但全系统与地的。浮地方法简单，但全系统与地的绝缘电阻不能小于绝缘电阻不能小于50M。浮空容易产生静电浮空容易产生静电，也会导致干扰。，也会导致干扰。还有一种方法，将系统的还有一种方法，将系统的机壳接地，其余部分浮空机壳接地，其余部分浮空。这种方法。这种方法抗干扰能力强，而且安全可靠。抗干扰能力强，而且安全可靠。（4）数字地）数字地 数字地又称逻辑地数字地又称逻辑地，主要是逻辑开关网络，如，主要是逻辑开关网络，如TTL、CMOS等数字逻辑电路的零电位。等数字逻辑电路的零电位。印刷板中的地线应呈网状印刷板中的地线应呈网状，而

32、且而且其他布线不要形成环路其他布线不要形成环路，特别是环绕外周的环路，在噪声，特别是环绕外周的环路，在噪声干扰上这是很重要的问题。干扰上这是很重要的问题。印刷板中的条状线不要长距离平行印刷板中的条状线不要长距离平行，不得已时，应加隔离电极和跨接线不得已时，应加隔离电极和跨接线,或作屏蔽处理。或作屏蔽处理。（5）模拟地）模拟地 在进行数据采集时，利用在进行数据采集时，利用A/D转换为常用方式，而模拟量转换为常用方式，而模拟量的接地问题是必须重视的。当输入的接地问题是必须重视的。当输入A/D转换器的模拟信号较弱转换器的模拟信号较弱(050mV)时，模拟地的接法显得尤为重要。时，模拟地的接法显得尤为

33、重要。 数字信号地数字信号地与与模拟信号地模拟信号地分开连接分开连接，最终单点相连最终单点相连，消除地电路经过公共阻抗，消除地电路经过公共阻抗而产生的干扰。而产生的干扰。（6）信号地）信号地(传感器地传感器地) 在检测系统中，传感器是重要的组成部分，但在检测系统中，传感器是重要的组成部分，但一般的传一般的传感器输出的信号都比较微弱感器输出的信号都比较微弱，传输线较长传输线较长，这是，这是很容易受到很容易受到干扰的影响干扰的影响。所以，传感器的信号传输线应当采取。所以，传感器的信号传输线应当采取屏蔽措施屏蔽措施，以减少电磁辐射影响和传导耦合干扰。以减少电磁辐射影响和传导耦合干扰。 （7）屏蔽地）

34、屏蔽地 屏蔽接地的目的是屏蔽接地的目的是避免电场磁场对系统的干扰避免电场磁场对系统的干扰。实用中。实用中屏蔽的接法根据屏蔽对象的不同也各有不同：屏蔽的接法根据屏蔽对象的不同也各有不同： 电场屏蔽。电场屏蔽。电场屏蔽的目的是解决电场屏蔽的目的是解决分布电容分布电容的问题，一的问题，一般以接大地的方式解决。般以接大地的方式解决。 电磁场屏蔽电磁场屏蔽。主要是为了避免雷达、短波电台等高频。主要是为了避免雷达、短波电台等高频电电磁场的辐射干扰磁场的辐射干扰问题，屏蔽材料要利用低阻金属材料，最好问题，屏蔽材料要利用低阻金属材料，最好接大地。接大地。 6.3.3 隔离与耦合隔离与耦合 在抗干扰措施中，还采

35、用各种在抗干扰措施中，还采用各种隔离与耦合隔离与耦合的方式来的方式来提高系提高系统的抗干扰能力统的抗干扰能力。使用这种方法可以让两个电路相互独立而不使用这种方法可以让两个电路相互独立而不形成一个回路形成一个回路。 例如例如在系统中既有数字电路，又有模拟电路在系统中既有数字电路，又有模拟电路，当，当输入的模输入的模拟信号很小时，数字电路会对模拟电路产生较大的干扰拟信号很小时，数字电路会对模拟电路产生较大的干扰，所以，所以在实际的电路设计中应该在实际的电路设计中应该避免数字电路和模拟电路之间有共同避免数字电路和模拟电路之间有共同回路回路，即将二者加以隔离即将二者加以隔离。此外，检测系统中单片机与数

36、字电。此外，检测系统中单片机与数字电路、脉冲电路、开关电路的接口，一般也用路、脉冲电路、开关电路的接口，一般也用光电耦合器进行隔光电耦合器进行隔离离，以切断公共阻抗环路，避免长线感应和共模干扰。，以切断公共阻抗环路，避免长线感应和共模干扰。 常用的隔离方法常用的隔离方法有有光电耦合器件隔离光电耦合器件隔离、继电器隔离继电器隔离、隔隔离放大器隔离离放大器隔离和和隔离变压器隔离隔离变压器隔离等。等。 光电耦合器件光电耦合器件响应速度比变压器、继电器要快得多，对响应速度比变压器、继电器要快得多，对周围电路无影响，并且体积小、重量轻、价格便宜、便于安周围电路无影响，并且体积小、重量轻、价格便宜、便于安

37、装。装。 由于光电耦合器在传输信息时，不是将其输入和输出的由于光电耦合器在传输信息时，不是将其输入和输出的电信号进行直接耦合，而是电信号进行直接耦合，而是借助于光作为媒介物进行耦合借助于光作为媒介物进行耦合的，的，因而具有较强的隔离和抗干扰能力。因而具有较强的隔离和抗干扰能力。变压器隔离：变压器隔离： 对于对于交流信号的传输交流信号的传输,一般使用一般使用变压器隔离变压器隔离干扰信号的办干扰信号的办法。隔离变压器也是常用的隔离部件，用来法。隔离变压器也是常用的隔离部件，用来阻断交流信号中的阻断交流信号中的直流干扰和抑制低频干扰信号的强度直流干扰和抑制低频干扰信号的强度,如图所示的变压器耦合如图

38、所示的变压器耦合隔离电路。隔离变压器把各种模拟负载和数字信号源隔离开来，隔离电路。隔离变压器把各种模拟负载和数字信号源隔离开来，也就是把也就是把模拟地和数字地断开模拟地和数字地断开。传输信号通过变压器获得通路，。传输信号通过变压器获得通路，而共模干扰由于不形成回路而被抑制。而共模干扰由于不形成回路而被抑制。6.3.4 布线抗干扰措施布线抗干扰措施 在检测系统中，在检测系统中，印制板印制板上电力线、信号线等线路的布局、上电力线、信号线等线路的布局、板上器件空余管脚安排、测试设备与仪器仪表的信号传输线的板上器件空余管脚安排、测试设备与仪器仪表的信号传输线的连接等，都是实际应用中要考虑的问题。连接等

39、，都是实际应用中要考虑的问题。（1）走线原则）走线原则 在在长线传输长线传输中，为了防止窜扰，行之有效的办法是采用中，为了防止窜扰，行之有效的办法是采用交交叉走线法叉走线法。长线传送时，应遵循功率线、载流线和信号线要分。长线传送时，应遵循功率线、载流线和信号线要分开，电位线和脉冲线分开的原则。在传送开，电位线和脉冲线分开的原则。在传送050mv的小信号时，的小信号时，更应该如此。更应该如此。 电力电缆最好用屏蔽电缆电力电缆最好用屏蔽电缆，并且，并且单独走线单独走线，与信号线不能与信号线不能平行平行，更不能将电力线与信号线装在同一电缆中。，更不能将电力线与信号线装在同一电缆中。（2）元器件空余输

40、入端的处理）元器件空余输入端的处理 电路设计中常常会出现电路设计中常常会出现器件管脚空余器件管脚空余的现象，一般不能将的现象，一般不能将这些管脚随意处置，特别是元器件这些管脚随意处置，特别是元器件空余输入端空余输入端，处理不好往往，处理不好往往可能造成较大的干扰输入，所以应采取一定的处理方法，以降可能造成较大的干扰输入，所以应采取一定的处理方法，以降低干扰。实践中常采取如下方法：低干扰。实践中常采取如下方法： 把空余的输入端把空余的输入端与使用输入端并联与使用输入端并联。这种方法简单易行，。这种方法简单易行，但增加了前级电路的输出负担；但增加了前级电路的输出负担； 把空余的输入端把空余的输入端

41、通过一个电阻接高电平通过一个电阻接高电平。这种方法适用于。这种方法适用于慢速、多干扰的场合；慢速、多干扰的场合； 把空余的输入端把空余的输入端悬空，用一反相器接地悬空，用一反相器接地。这种方法适用于。这种方法适用于要求严格的场合，但多用了一个组件。要求严格的场合，但多用了一个组件。（3）数字电路的抗干扰措施）数字电路的抗干扰措施 每一块数字电路组件上，都有每一块数字电路组件上，都有高频去耦电容高频去耦电容，一般为，一般为0.010.02F。在布局上这些电容应。在布局上这些电容应充分靠近集成块充分靠近集成块，并且不应，并且不应集中在印刷板上每一端。每块印刷板上的集中在印刷板上每一端。每块印刷板上

42、的电源输入端电源输入端也应加也应加10100F的去耦电容。的去耦电容。（4 4） 印制板的布线的抗干扰设计印制板的布线的抗干扰设计 印印制制板板的的布布线线对对抗抗干干扰扰性性能能有有直直接接影影响响，现现在在补补充充介介绍绍到一些布线原则到一些布线原则：1 1）如果印制板上逻辑电路的）如果印制板上逻辑电路的工作速度低工作速度低，导线条的形状无什导线条的形状无什么特别要求么特别要求；若工作速度较高若工作速度较高使用高速逻辑器件，用作导线使用高速逻辑器件，用作导线的的铜箔在铜箔在9090转弯处的导线阻抗不连续，可能导致反射干扰转弯处的导线阻抗不连续，可能导致反射干扰的发生的发生，所以宜采用图中右

43、方的形状，把弯成，所以宜采用图中右方的形状，把弯成9090的导线改的导线改成成4545，这将有助于减少反射干扰的发生。，这将有助于减少反射干扰的发生。 2 2）不不要要在在印印制制板板中中留留下下无无用用的的空空白白铜铜箔箔层层，因因为为它它们们可可以以充充当当发发射射天天线线或或接接收收天天线线，可可把把它它们们就就近近接接地地。3 3）双双面面布布线线的的印印制制板板，应应使使双双面面的的线线条条垂垂直直交交叉叉，已减少磁场耦合，有利于抑制干扰。已减少磁场耦合，有利于抑制干扰。4 4）导导线线间间距距离离要要尽尽量量加加大大。对对于于信信号号回回路路，印印制制铜铜箔箔条条的的相相互互距距离

44、离要要有有足足够够的的尺尺寸寸，而而且且这这个个距距离离要要随随信信号号频频率率的的升升高高而而加加大大，尤尤其其是是频频率率极极高高或或脉脉冲冲前前沿沿十十分分陡陡峭峭的的情情况况更更要要注注意意，只只有有这这样样才才降降低低导导线之间分布电容的影响。线之间分布电容的影响。5 5）高电压或大电流高电压或大电流线路对其它线路更线路对其它线路更容易形成干扰容易形成干扰，低电平或小电流低电平或小电流信号线路信号线路容易受到感应干扰容易受到感应干扰，布线，布线时使时使两者尽量相互远离两者尽量相互远离，避免平行铺设，采用屏蔽避免平行铺设，采用屏蔽等措施等措施。 7 7）所所有有线线路路尽尽量量沿沿直直

45、流流地地铺铺设设，尽尽量量避避免免沿沿交交流流地地铺设。铺设。8 8）电电源源线线的的布布线线除除了了要要尽尽量量加加粗粗导导体体宽宽度度外外，采采取取使使电电源源线线、地地线线的的走走向向与与数数据据传传递递的的方方向向一一致致，将将有助于增强抗噪声能力。有助于增强抗噪声能力。9 9）走线不要有分支走线不要有分支，这可避免在传输高频信号导致，这可避免在传输高频信号导致反射干扰或发生谐波干扰反射干扰或发生谐波干扰, ,如图所示。如图所示。 6.3.5 软件抗干扰措施软件抗干扰措施 干扰不仅影响检测系统的硬件，而且对其软件系统也会形成干扰不仅影响检测系统的硬件，而且对其软件系统也会形成破坏。如破

46、坏。如造成系统的造成系统的程序弹飞程序弹飞、进入、进入死循环或死机死循环或死机状态，使系状态，使系统无法正常工作统无法正常工作。因此，软件的抗干扰设计对计算机检测系统。因此，软件的抗干扰设计对计算机检测系统是至关重要的。是至关重要的。（1）干扰对系统软件的影响）干扰对系统软件的影响 外界的干扰对智能仪器仪表中外界的干扰对智能仪器仪表中单片机系统产生干扰单片机系统产生干扰后，可后，可能引起能引起RAM、程序计数器或总线上的数字信号发生错乱、程序计数器或总线上的数字信号发生错乱，CPU根据错误数据进行运算根据错误数据进行运算，得到错误的操作数和结果，在没有任，得到错误的操作数和结果，在没有任何纠错

47、措施的情况下，这个错误会一直传递下去。何纠错措施的情况下，这个错误会一直传递下去。CPU读取到读取到错误的地址码后，会造成程序运行偏离正常轨道，错误的地址码后，会造成程序运行偏离正常轨道，引起程序失引起程序失控控。程序失控后，有时可能又会回到正常运行状态，但是已经程序失控后，有时可能又会回到正常运行状态，但是已经造成一系列不良后果，或者对后续程序的正常运行埋下隐患，造成一系列不良后果，或者对后续程序的正常运行埋下隐患，这样的情形甚至可能使得程序这样的情形甚至可能使得程序进入死循环进入死循环，造成，造成系统的完全瘫系统的完全瘫痪痪。（2）软件抗干扰的主要措施）软件抗干扰的主要措施1）数字滤波）数

48、字滤波 检测系统的输入信号和检测系统的输入信号和外界的干扰有时是随机的外界的干扰有时是随机的，故其特性，故其特性往往只能往往只能从统计的意义上来描述从统计的意义上来描述。此时，经典滤波方法就不可能。此时，经典滤波方法就不可能把有用的信号从测量结果中分离出来。而数字滤波具有较强的自把有用的信号从测量结果中分离出来。而数字滤波具有较强的自适应性。所谓适应性。所谓数字滤波数字滤波，就是，就是通过一定的计算程序对采样信号进通过一定的计算程序对采样信号进行平滑处理，提高其有用信号，消除或减少各种干扰和噪音的影行平滑处理，提高其有用信号，消除或减少各种干扰和噪音的影响，以保证系统的可靠性响，以保证系统的可

49、靠性。 可参考可参考数字信号处理数字信号处理相关教材。相关教材。 例如，对于例如，对于N次等精度数据采集次等精度数据采集，存在着，存在着系统误差和因干系统误差和因干扰引起的粗大误差扰引起的粗大误差，使采集的数据偏离真实值。此时，可以，使采集的数据偏离真实值。此时，可以采用算术平均值的方法，求出平均值作为测量示值。还可以采用算术平均值的方法，求出平均值作为测量示值。还可以在此基础之上，将在此基础之上，将剔除了粗大误差的测量数据的平均值作为剔除了粗大误差的测量数据的平均值作为测量结果示值测量结果示值。这样既剔除了粗大误差，又可以消除一定的。这样既剔除了粗大误差，又可以消除一定的系统误差。在综合考虑

50、适当的系统误差。在综合考虑适当的N值后，可以在满足测量精度要值后，可以在满足测量精度要求的前提下，拥有足够的测量速度。求的前提下，拥有足够的测量速度。式（式（6.10）为该数字滤）为该数字滤波方法的表达式。波方法的表达式。（6.10） 式中， 为第i次的测量值，m为粗大误差数。2）软件）软件“陷阱陷阱” 从软件的运行来看，从软件的运行来看，瞬时电磁干扰瞬时电磁干扰可能会可能会使使CPU偏离预定偏离预定的程序指针的程序指针，进入未使用的进入未使用的RAM区和区和ROM区区，引起一些莫名其，引起一些莫名其妙的现象，其中妙的现象，其中死循环死循环和和程序程序“飞掉飞掉”是常见的。为了有效地排是常见的

51、。为了有效地排除这种干扰故障，常采用除这种干扰故障，常采用软件软件“陷阱陷阱”法法。 这种方法的基本指导思想是，这种方法的基本指导思想是，把系统存储器（把系统存储器（RAM和和ROM）中没有使用的单元）中没有使用的单元用某一种重新启动的代码指令填满用某一种重新启动的代码指令填满，作为软件作为软件“陷阱陷阱”，以捕获，以捕获“飞掉飞掉”的程序。的程序。一般一般当当CPU执行该执行该条指令时，程序就自动转到某一起始地址条指令时，程序就自动转到某一起始地址，从这一起始地址开始，从这一起始地址开始存放一段使程序重新恢复运行的热启动程序，该热启动程序扫描存放一段使程序重新恢复运行的热启动程序，该热启动程

52、序扫描现场的各种状态，并根据这些状态判断程序应该转到系统程序的现场的各种状态，并根据这些状态判断程序应该转到系统程序的哪个入口，使系统重新投入正常运行。哪个入口，使系统重新投入正常运行。 从汇编语言的角度，软件陷阱可用一条从汇编语言的角度，软件陷阱可用一条长跳转指令长跳转指令来实现，来实现，如如MC-51单片机指令可用单片机指令可用LJMP ERTREAT3）“Watchdog”技术技术 “Watchdog”俗称看门狗俗称看门狗，即，即监控定时器监控定时器，是计算机检测，是计算机检测系统及智能仪器仪表系统中普遍采用的抗干扰和可靠性措施之系统及智能仪器仪表系统中普遍采用的抗干扰和可靠性措施之一。

53、一。 “Watchdog”有多种用法，其主要的应用则是有多种用法，其主要的应用则是用于因干扰用于因干扰引起的系统程序弹飞的出错检测和自动恢复引起的系统程序弹飞的出错检测和自动恢复。它。它实质上实质上是一个是一个可由可由CPU复位的定时器复位的定时器，原则上可由定时器以及与，原则上可由定时器以及与CPU之间的之间的适当的输入适当的输入/输出接口电路组成，如输出接口电路组成，如振荡器加上可复位的计数器振荡器加上可复位的计数器构成的定时；各种可编程的定时器构成的定时；各种可编程的定时器/计数器（如计数器（如Intel 82538254等）；单片机内部的定时等）；单片机内部的定时/计数器计数器等。等。

54、 如图如图6.8所示为所示为“Watchdog”的工作原理，两个计时周期不的工作原理，两个计时周期不同的定时器同的定时器T1、T2，例如两定时器的时钟源相同，设定，例如两定时器的时钟源相同，设定T11.0s, T2=1.1s，用用T1定时器的溢出脉定时器的溢出脉P1同时对同时对T2定时器复位定时器复位（此过程常称作（此过程常称作“喂狗喂狗”），那么只要那么只要T1定时器工作正常，则定时器工作正常，则T2定时器永远不会计时溢出。定时器永远不会计时溢出。一旦定时器一旦定时器T1不再计时，不再计时，T2定时定时器就会计时溢出，产生溢出脉冲器就会计时溢出，产生溢出脉冲P2，表明，表明T1出了故障。这里

55、出了故障。这里T1是应用程序的周期，是应用程序的周期，T2即是即是“Watchdog”，利用输出脉冲利用输出脉冲P2并并进行巧妙的程序设计，可以检测出系统的出错，使弹飞的程序重进行巧妙的程序设计，可以检测出系统的出错，使弹飞的程序重新回到正常轨道中。新回到正常轨道中。 图6.8 “Watchdog”工作原理 如图如图6.9所示为所示为“Watchdog”的构成的构成，实际上它是一个和，实际上它是一个和CPU构成闭合回路的构成闭合回路的定时器定时器。当程序。当程序飞到一个临时形成的死循环里，飞到一个临时形成的死循环里，或者或者PC指针落到指针落到EPROM芯片范芯片范围外，即全地址区之外时，系统

56、围外，即全地址区之外时，系统将完全瘫痪。将完全瘫痪。“Watchdog”可以可以代替人工对系统自动复位，代替人工对系统自动复位，使使CPU从死循环或弹飞状态回到正从死循环或弹飞状态回到正常的程序流程中。常的程序流程中。图6.9 “Watchdog”的构成 “Watchdog”的输出的输出连接到连接到CPU的的复位端复位端或或中断输入端中断输入端。 “Watchdog”的的每一次溢出输出都将引起系统的复位每一次溢出输出都将引起系统的复位，使，使系统重新初始化；系统重新初始化；或产生中断或产生中断，使系统进入故障处理程序，进，使系统进入故障处理程序，进行必要的处理，自动恢复正常的运行程序。行必要的

57、处理，自动恢复正常的运行程序。 只要在定时器的定时到脉冲产生之前，即只要在定时器的定时到脉冲产生之前，即“Watchdog”动动作之前，作之前，CPU访问定时器一次，使定时器均会重新开始计（访问定时器一次，使定时器均会重新开始计（“喂狗喂狗”），），故也不会有定时到脉冲的输出，否则有故也不会有定时到脉冲的输出，否则有定时器定时定时器定时到到脉冲输出，说明定时器脉冲输出，说明定时器这个这个“看门狗看门狗”所监视的程序进程发所监视的程序进程发生了问题生了问题，需要系统复位或中断。，需要系统复位或中断。 在一般的应用中，可以把一个程序分成若干的进程或者任在一般的应用中，可以把一个程序分成若干的进程或者任务，如图务，如图6.10所示，然后以所示，然后以不同的进程或任务分别设置不同的进程或任务分别设置“Watchdog”的定时值的定时值，从而达到监控每一个进程或任务的目，从而达到监控每一个进程或任务的目的。的。图6.10以进程设置“Watchdog”的定时值