【畢業(yè)學位論文】(Word原稿)全方位超聲測距系統(tǒng)設(shè)計

1 全方位超聲測距系統(tǒng) 摘要： 本設(shè)計基于超聲波測距原理，以單片機（ +為控制核心，采用渡越時間測量法測距，步進電機配合完成正反轉(zhuǎn)等各種動作，實現(xiàn)了全方位超聲測距。系統(tǒng)可在 實時顯示溫度、距離和角度 。 本設(shè)計 考慮到溫度會對本系統(tǒng)測量的影響， 根據(jù)超聲波傳播速度與溫度的數(shù)學補償公式，采取軟件編程的方式予以科學合理的補償，大大減少了溫度變化對測量的影響，提高了測量精度。另一方面，在實現(xiàn)計數(shù)功能的設(shè)計方面，我們用 片取代了單片機外圍擴展硬件電路，提高了計數(shù)的穩(wěn)定性、可靠性、精 確度，從而提高了超聲波往返時間 t 的測量精度，最終達到了提高測距精度的目的。步進電機采用四相八拍工作方式，步進 相角測量也達到了很高的精度 。 關(guān)鍵字 ：超聲波 電動機 單片機 渡越時間測量法 。 注釋：本設(shè)計技術(shù)是雷達原理的的縮影，是用來精密測量周圍 360度內(nèi)的物體，并能準確判斷方向，是對專業(yè)高科技技術(shù)的很好的學習和應(yīng)用，有利于今后的學習和深造。它的 意義是深遠的。 目 錄 2 1. 系統(tǒng)設(shè)計 4 1 1 設(shè)計要求 1 1 任務(wù) 4 1 2 設(shè)計總體方案 . 2 1 設(shè)計思路和部分原理論證 4 （ 1）渡越時間測量法原理 4 （ 2） 超聲波發(fā)射器原理 5 （ 3） 盲區(qū)及發(fā)、收時序 6 （ 4 溫度補償 6 （ 5 步進電機測相原理 6 案論證與比較 10 （ 1） 控制方案 10 （ 2）距離測量 10 （ 3）超聲波發(fā)送脈沖的產(chǎn)生 硬件電路設(shè)計 13 聲波發(fā)送部分 13 波接收及處理部分 13 進電機部分 15 示部分 16 分 16 源部分 16 .3 字系統(tǒng)與模擬系統(tǒng) 18 源的干擾與抑制 19 地技術(shù) 20 離技術(shù)與屏蔽線的使用 21 波技術(shù) 22 用芯片的抗干擾措施 23 激振蕩及其消除方法 24 放參數(shù)測量介紹 26 .件流程圖 序列單 軟件 使用方法 . 37 .測量儀器及型號 .測試方法 . 測量數(shù)據(jù) 69 驗誤差分析 .論 70 參考文獻 70 附錄 元器件清單 71 后續(xù) 73 4 1系統(tǒng)設(shè)計 5 計要求 務(wù) 設(shè)計并 制作一個 超聲波 測距系統(tǒng)，實現(xiàn)全方位距離的實時測量。測量距離大于 1 米， 并能測方向。 精度小于 1區(qū)盡量小。 計總體方案 計思路 和部分原理論證 整個系統(tǒng)由發(fā)射、接收、回波處理、系統(tǒng)控制、顯示、電機控制和電源七個部分組成。發(fā)射部分的任務(wù)是將 生的 40號放大后提供給超聲波換能器，由此將超聲波發(fā)射出去；接收電路則接收由被測物反射回來的回波信號，然后經(jīng)回波處理部分放大、濾波、整形、反相后形成寬脈沖觸發(fā)信號對判決電路進行觸發(fā)；系統(tǒng)控制電路的作用是對整個系統(tǒng)進行控制和管理；顯示部分負責將距離、角 度信息顯示出來；電機部分則控制發(fā)射、接收換能器的動作，實現(xiàn)全方位掃描；電源為整個系統(tǒng)提供電源?？驁D如下： F P G 換能 器發(fā) 送 換能 器單片機系統(tǒng)顯 示 放 大整 形測 溫放 大驅(qū) 動 模 塊 步 進 電 機濾 波反 相反 相鍵 盤1 2 1 圖系統(tǒng)總體框圖 （ 1）渡越時間測量法原理 檢測從超聲波發(fā)射器發(fā)出的超聲波，經(jīng)氣體介質(zhì)的傳播到接收器的時間，即渡越時間。渡越時間與氣體中的聲速相乘，就是聲波傳輸?shù)木嚯x?？紤]實際情況，采用異地脈沖反射式來測距，即需測距離式聲波傳輸距離的一半： 12L 中， L 為待測距離， v 為超聲波的聲速， t 為渡越時間。由下式計算測量誤差 6 式中， L 為測距誤差， 為聲 速， t 為時間測量誤差， 為聲速誤差。若要求測距誤差小于 知聲速 344m/s(20時 )，忽略聲速誤差，那么測量時間的誤差： （ 6） 顯然，直接用秒表測時間是不現(xiàn)實的。因此，實現(xiàn)聲波測距必須避開直接測量時間的方法，才能獲得實用的測長精度。 我們利用 脈沖計數(shù)的方法，間 接測量時間 ，可以把聲波的時間精度提高到所需的準確度，也就是把超聲波往返時間轉(zhuǎn)化為對計數(shù)脈沖個數(shù) N 的測量，所以上式可寫成 2/ 式中， S 為等效標尺， ， f 為計數(shù)脈沖的頻率， v 為聲速，所以 )2/( 在本系統(tǒng)中，計數(shù)脈沖的頻率 f 40 （ 2） 超聲波發(fā)射器原理 總體上講超聲波發(fā)生器可以分為兩大類 :一類使用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型，磁致伸縮型和電動型等 ;機械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。我們選用壓電型。 壓電式超聲波發(fā)生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波發(fā)生器內(nèi)部有兩個壓電晶片和一個共振板 ,當它的兩極外加脈沖信號 ,其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時 ,壓電晶片將會發(fā)生共 振 ,并帶動共振板振動 ,便產(chǎn)生超聲波。反之 ,如果兩電極間未外加電壓 ,當共振板接收到超聲波時 ,將壓迫壓電晶片作振動 ,將機械能轉(zhuǎn)換為電信號 ,這時它就成為超聲波接收器了。經(jīng)分析和大量實驗表明，頻率為 40右的超聲波在空氣中傳播的效率最佳，同時為了處理方便，發(fā)射的超聲波被調(diào)制成 40右、具有一定間隔的調(diào)制脈沖波信號。 7 （ 3） 盲區(qū)及發(fā)、收時序 由于電聲換能器的電氣阻尼振蕩和機械阻尼振動共同作用下，產(chǎn)生余振阻尼衰減信號，在換能器由發(fā)射狀態(tài)轉(zhuǎn)入接收狀態(tài)后，首先接收到的信號是這種余振信號（繞射），在此信號衰減到 足夠小的時間內(nèi)，換能器接收到的回波信號與阻尼衰減信號疊加混淆，使電路鑒別不出真正的回波。在這段時間內(nèi)收到的回波，系統(tǒng)應(yīng)對其進行屏蔽，以免發(fā)生誤判。這樣就導(dǎo)致了盲區(qū)的產(chǎn)生。 工作時序示意圖如下： a a ab c b bc a 脈沖為發(fā)送端的置位脈沖，同時作為計時器的起始脈沖； b 脈沖為虛假脈沖 (由繞射產(chǎn)生，應(yīng)避開 )； a 、 b 的時間間隔為盲區(qū)； c 脈沖為接受端接收到的有效回波脈沖，用于停止計時器的計時。程序的主要任務(wù)就是檢測 a 、 啟停計時器的計時，進而得出時間，再由數(shù)據(jù)處理 、修正單元計算出實際距離，然后供顯示。 （ 4） 溫度補償 聲音在 25空氣中傳播速度的理論值為 344m/s，這個速度在 0時降為334m/s。超聲波在媒質(zhì)中的傳播速度和溫度關(guān)系很大，為提高測距精度，我們必須要采取溫度補償措施，降低溫度變化對測量精度的影響。聲速和溫度的關(guān)系可以用以下公式來表示 : v = 3 3 1 . 4 5 12 7 3 . 1 6t （ m/s） 我們采用數(shù)字溫度傳感器 8溫，然后利用 上式算出當前聲速，從而得到精確的距離。 （ 5） 步進電機測相原理 8 步進電機有兩種基本的形式：可變磁阻型和混和型。步進電機的基本工作原理，結(jié)合圖 1 的結(jié)構(gòu)示意圖進行敘述。 圖 1 是一種四相可變磁阻型的步進電機結(jié)構(gòu)示意圖。這種電機定子上有八個凸齒，每一個齒上有一個線圈。線圈繞組的連接方式，是對稱齒上的兩個線圈進行反相連接 ，如圖中所示。八個齒構(gòu)成四對，所以稱為四相步進電機。 它的工作過程是這樣的：當有一相繞組被激勵時，磁通從正相齒，經(jīng)過軟鐵芯的轉(zhuǎn)子，并以最短的路徑流向負相齒，而其他六個凸齒并無磁通。為使磁通路徑最短，在磁場力的作用下，轉(zhuǎn)子被強迫移動，使最近的一對齒與被激勵的一相對準。在圖 1(a)中 A 相是被激勵，轉(zhuǎn)子上大箭頭所指向的那個齒，與正向的 這個位置再對 圖 1中的 (b)，轉(zhuǎn)子向反時針轉(zhuǎn)過 15 。若是 D 相被激勵，如圖 1 中的 (c)，則轉(zhuǎn)子為順時針轉(zhuǎn)過 15 。下一步是 C 相被激勵。因為 C 相有兩種可能 性： A B C D 或 A D C B。一種為反時針轉(zhuǎn)動；另一種為順時針轉(zhuǎn)動。但每步都使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動 15 。電機步長 (步距角 )是步進電機的主要性能指標之一，不同的應(yīng)用場合，對步長大小的要求不同。改變控制繞組數(shù) (相數(shù) )或極數(shù) (轉(zhuǎn)子齒數(shù) )，可以改變步長的大小。它們之間的相互關(guān)系，可由下式計算： 360 PN 式中： 步長； P 為相數(shù)； N 為轉(zhuǎn)子齒數(shù)。在圖 1 中，步長為 15 ，表示電機轉(zhuǎn)一圈需要 24 步。 混和步進電機的工作原理 在實際應(yīng)用中，最流行的還是混和型的步進電機。但工作原理與圖 1 所示的 9 可變 磁阻型同步電機相同。但結(jié)構(gòu)上稍有不同。例如它的轉(zhuǎn)子嵌有永磁鐵。激勵磁通平行于 X 軸。一般來說，這類電機具有四相繞組，有八個獨立的引線終端，如圖 2a 所示。或者接成兩個三端形式，如圖 2b 所示。每相用雙極性晶體管驅(qū)動，并且連接的極性要正確。 圖 3 所示的電路為四相混和型步進電機晶體管驅(qū)動電路的基本方式。它的驅(qū)動電壓是固定的 。表 1 列出了全部步進開關(guān)的邏輯時序。 其中，用“ 表“ 1”，“ 表“ 0”。 四相混和型步進電機，有一特點 很有用處。它可以用半步方式驅(qū)動。就是說，在某一時間，步進角僅前進一半。用單個混合或用雙向開關(guān)即可實現(xiàn)，這種邏輯時序由表 2 列出。 四相混和型步進電機，也能工作于比額定電壓高的情況。這可以用串聯(lián)電阻 10 進行降壓。因為 1 相和 2 相， 3 相和 4 相是不會同時工作的，所以每對僅一個降壓電阻，串接在圖 3 中的 X 和 Y 點之間 。 值得注意的是，電機步進為 1 2 3 4 的順序。在同一時間，有兩相被激勵。但是 1 相和 2 相， 3 相和 4 相絕對不能同時激勵。 由此上述原理即可設(shè)計出步進電機的驅(qū)動時序。 我們選用四相步進電機 ,其中有四個電磁鐵線圈 ,也 就是有四相 ,每兩個組成一組 ,如下圖所示 . 對 A 相加脈沖時 ,在外側(cè)定子線圈的上方為 N 極 ,下方為 S 極 S 極在上側(cè)面 N 極在下側(cè) ,若對 B 加脈沖 ,則定子的右側(cè)為 N 極 ,左側(cè)為 S 極 ,轉(zhuǎn)子向右 90 方向 由于加上 A 相 B 相脈沖 ,轉(zhuǎn)子向右轉(zhuǎn)動 . 這樣在電機上按 A 相 B 相順序加上脈沖 ,則電機可繼續(xù)向右旋轉(zhuǎn) 這時的轉(zhuǎn)速與所加脈沖的頻率成比例 頻率高轉(zhuǎn)速快 ,電機的轉(zhuǎn)速完全能由數(shù)字決定 或旋轉(zhuǎn)一周所需要的脈沖數(shù) ,本電機為 脈沖 給步進電機的脈沖為 40以步進電機轉(zhuǎn) 360 需要的時間 t: 3 6 0 1 100 . 9 / 4 0t m Z 脈 沖滿足題目步進電機在 100 秒內(nèi)轉(zhuǎn)動一周（ 360）的要求。 步進電機在 40沖的控制下，將準確地每次轉(zhuǎn)動 ，對 40脈沖計數(shù)，就可準確得到對應(yīng)的角度。 11 案論證與比較 （ 1） 控制方案 方案一 ：單片機方案；采用單片機定時器產(chǎn)生超聲波發(fā)射器所需 40K 方波，發(fā)射時間由單片機測取。步進電機亦由單片機控制。當按鍵輸入開始掃描命令時，步進 電機開始旋轉(zhuǎn)，超聲波發(fā)射器開始發(fā)射一次超聲波群，同時開始計時，當超聲波接收器接受到經(jīng)反射得到的回波時，單片機產(chǎn)生一次中斷，中斷中停止計時得到所需時間數(shù)據(jù)（步進電機計時器不停），計算得到障礙物的距離、角度，顯示并發(fā)往 。然后開始下一次測量。 方案二：單片機 +案；由 生超聲波發(fā)射器所需的脈沖群和步進電機所需的驅(qū)動信號，以及記時工作；單片機控制裝置的開始和結(jié)束以及每一次測量的起停。每次測量由單片機計算處理、顯示。 方案一系統(tǒng)規(guī)模小，有一定靈活性，但是需要的定時器數(shù)目很多，且單片機（ 89生 40K 的方波信號有較大誤差，將使超聲波發(fā)射接收裝置的靈敏度降低，且控制難度大，控制效果不理想，難以達到題目要求。方案二充分考慮了單片機控制功能力強和 速、易操作的特點，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰、規(guī)模較小、可以實現(xiàn)復(fù)雜控制，且精度高，易于擴展。 鑒于以上分析，本系統(tǒng)使用方案二。 （ 2）距離測量 方案一：相位檢測法；通過比較發(fā)射波和反射波的相位，推算出時間 t，進而得出距離。此法精度高，但檢測的范圍有限。且要做到精確的相位檢測，硬件電路相當復(fù)雜。 方案二：聲波幅值檢測法；檢測回射波的幅值。在發(fā)射功率一定的情況 下，回射波幅值隨測量距離的增大而衰減，而回射波幅至的大小將直接影響測量的精度。此法易受反射波的影響，反射回波幅值的大小直接影響者測量的精度，在發(fā)*射功率一定的情況下，隨著測量距離的增大，反射波幅度衰減較大，不易測量。因此該方案只適合粗略測量，精度達不到題目中的要求。 方案三：固定距離標定法；這種方法是指在現(xiàn)場先找一個固定距離 行 12 測量，其回聲時間為 段聲程內(nèi)的聲速為 后對待測目標物進行測量，若收到目標物 的回聲時間為 ： 1212F F XS v tS v t 式中 是已知的，且在相同條件下或兩聲速相差不大時， 式相除得到： 只要精確地測量出標定距離，取得正確的標定回波和目標回波時間，就能使測距值 所要求的準確度。此法對 依賴過大，在沒有精確測量工具的前提下，不太可取。而且，此法的主要目的就是避開溫度不均對聲速的影響，在實驗室環(huán)境下，溫度恒定，這種考慮就顯得沒有必要 了。 方案四：度越時間檢測法；檢測從超聲波發(fā)射器發(fā)出的超聲波，經(jīng)氣體介質(zhì)的傳播到接收器的時間，即度越時間。度越時間與超聲波在氣體中傳播速度相乘即得聲波傳播的距離。此法不用考慮反射信號的大小，只檢測反射信號的有無，通過精確的定時，即可求出距離。適當?shù)脑龃蟀l(fā)射功率可測量較長的距離。 要做到一定精度的定時，可采用對較高頻率脈沖計數(shù)的辦法；對反射信號的檢測只用檢測其有無，不檢測其大小，因此硬件電路將大大簡化。另外通過實時測溫，得出當前溫度，從而算出當前聲速。利用 12L 可以得到相當準確的結(jié)果。 鑒于以上分析，我們選用方案四。 （ 3）超聲波發(fā)送脈沖的產(chǎn)生 方案一 ： 單片機產(chǎn)生；該方案既可以采用單片機定時器產(chǎn)生 40K 方波，又可以對單片機 12振進行 300 分頻得到 40K 方波，但是這兩種方法都有一個共同的缺點：頻率誤差大。這樣就可能導(dǎo)致超聲波發(fā)射器達不到最大功率，使測量范圍受到影響。另外，此方案對于諧振頻率偏離 40換能器顯得有 13 些束手無策。 方案二 ： 脈沖輸出 其基本原理是：以頻率控制字 K 為步進，對相位增量進行累加，以累加器的最高位（進位位）作為輸出， 輸出頻率為： /2 f其中， 參考時鐘頻率， N 為累加器長度。 該方案穩(wěn)定度和精度都特別高，而且輸出頻率可以任意設(shè)定，對于諧振頻率偏離 40換能器而已，完全不受影響。 鑒于以上分析，我們采用方案二。 14 硬件電路設(shè)計 聲波發(fā)送部分 超聲波發(fā)送脈沖信號由 生 ,將脈沖信號放大用以驅(qū)動超聲波換能器發(fā)送超聲波。并由 制脈沖群的脈 沖個數(shù)（ 10 脈沖）及脈沖群之間的時間間隔（連續(xù)發(fā)送） ,其發(fā)送間隔取決于要求測量的最大距離。若在有效測距范圍內(nèi)有被測物 ,則在后一路探測波束發(fā)出之前應(yīng)當接收到前一路發(fā)出的反射波 ,否則認為前一路沒有探測到物體。按有效測距范圍及最大測量距離可以算出最短的脈沖群間隔發(fā)送時間。例如 ,最大測距距離為 2m 時 ,脈沖間隔時間 t=2D/C=22/340 12,實際應(yīng)取 t 12們最后確定為 50電路圖如下： 1 220。 1 超聲波發(fā)射部分 波接收及處理部分 超聲波接收是用來將探測波回波的聲能 轉(zhuǎn)換為電信號 ,實現(xiàn)超聲波回波的接收。在被測物距離較遠的情況下 ,回波很弱 ,一般在 ，為此需要將信號放大 1000 倍左右。放大后的信號經(jīng)濾波、整形后輸出一個方波信號 ,此方波信號經(jīng)反相器 74向 數(shù)控制器發(fā)出申請 ,停止計數(shù)器計數(shù)，單片機讀取時間計數(shù)器的計數(shù)值。電路圖如下： 15 1452 367867412V+1222456786 圖示 2。 2 超聲波接收部分電路圖 進電機部分 電機采用四相八拍工作方式，需要對電機的每“一相”進行驅(qū)動。驅(qū)動電路中，選用 林頓三極管，功率電阻 數(shù)為 8 、 2W，在 C 極與電機電源之間接入一個保護二極管 （型號 防止功率管 T 從工作狀態(tài)變?yōu)榻刂範顟B(tài)時，由于感性電機繞組電流的連續(xù)性而會在三極管 C 極上產(chǎn)生一個較強的反向電動勢（電流），而損害三極管 ;E 和 C 極間的二極管（型號 加入是為了增大三極管的反向耐壓值，起到泄流保護作用。驅(qū)動電路如下： V+12 。 3 步進電機驅(qū)動部分電路圖 其工作原理是：當在 A、 B、 C、 D 電平輸入端輸入高電平時，使中光敏二極光發(fā)光，從而光耦三極管工作。因三極管的 C 極、 E 極的電流大約滿足相等的關(guān)系，故 C 極與 E 極相當于導(dǎo)通，從而形成電源到地的回路，使次的達林頓三極管無法工作，再使電機的該相不能工作。反之，當 A、 B、 C、 D 電平輸入為低時， 17 使用權(quán)光耦三極管不工作，從而使達林頓三極管工作，最終驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動。 示部分 單片機將所測得的數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的處理后，實時地將數(shù)據(jù)送給 128 64 液晶屏（ 示，顯示信息包括：距離、角度、狀態(tài)。 分 我們采用 沖發(fā)送控制、接受處理進行控制。單片機只控制整個系統(tǒng)的復(fù)位與啟動，在整個收發(fā)過程中，單片機完全不干預(yù)，而是由 部的狀態(tài)機來，控制脈沖發(fā)射的啟動與停止，控制回波計數(shù)器的啟動與停止，控制收發(fā) 干擾的消除。這樣，整個系統(tǒng)便工作在了極高的速度下，大大提高了測量的精度。并且，使單片機能集中在人機界面的處理。 部框圖如下： 8 9 s 5 2 單 片 機單 片 機 到 片 內(nèi)總 線 接 口片 內(nèi) 總 線總 線 到 鍵 盤 接 口 總 線 到 顯 示 接 口4 0 k H z 直 接 頻 率 合 成 系 統(tǒng)鍵 盤 顯 示脈 沖 輸 出F P G 控 制 器回 波 輸 入計 數(shù) 門 閘 控 制 計 數(shù) 器I O 接 口步 進 電 機 控 制圖 2。 5成框圖 18 源部分 電源部分輸出 5V， 12V 電壓供給整個系統(tǒng)。電源采用橋式全波整流，大電容濾波，三端穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓的方法，產(chǎn)生各種直流電壓。穩(wěn)壓芯片采用的是7805、 7905、 7812、 7912，典型電路如下： +-+-+電壓（ 5V、 12V）輸出前都經(jīng)過了電感 +電容組合網(wǎng)絡(luò)濾波，經(jīng)實測，紋 波均小于 3 19 3、 硬件設(shè)計時的抗干擾技術(shù) 單片機系統(tǒng)在電子設(shè)計的各領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，但在某些控制系統(tǒng)中若存在強靜電場 (如大功率電動機、發(fā)電機、磁力開關(guān)、變壓器 )，對單片機來講都是致命的干擾源，盡管電路和程序設(shè)計得都很合理但單片機在上述環(huán)境下也很難能正常工作。另外來自系統(tǒng)內(nèi)部和外部的各種干擾即使不會造成系統(tǒng)運行失常，也會引起數(shù)據(jù)采集測量誤差加大等問題，所以在設(shè)計系統(tǒng)時， 應(yīng)事先充分考慮抗干擾性的要求，避免在設(shè)計完成后再去進行抗干擾的補救措施。 單片機主要有以下幾種干擾： (1)(2)(3) 硬件抗干擾技術(shù)是設(shè)計系統(tǒng)時首選的抗干擾措施，它能有效抑制干擾源，阻斷干擾傳輸通道。只要合理地布置與選擇有關(guān)參數(shù)，硬件抗干擾措施就能抑制系統(tǒng)的絕大部分干擾。常用的硬件抗干擾措施有：接地技術(shù)、屏蔽技術(shù)、隔離技術(shù)及濾波技術(shù)等。 字系統(tǒng)與模擬系統(tǒng) 單片機系統(tǒng)多為數(shù)字系統(tǒng)與模擬系統(tǒng)相互聯(lián)系的混合系統(tǒng)，模擬信號與數(shù)字信號之間的最大差別在于用來代表這些信號的能量在頻域中的分布情況，因此數(shù)字信號更容易進入不屬于它們的電路中去，產(chǎn)生干擾。 數(shù)字電路除輸入引腳以外 的其它引腳 (電源腳、輸出腳等 )中輸 入外來信號很難影響電路的輸出， 而模擬電路很容易受到從芯片任何引腳輸入的信號的影響(最主要的是輸入信號和電源 )。模擬信號畸變的主要原因是來自數(shù)字信號、電源線和接地平面等其它信號源的電容耦合。對于最常見的數(shù) 字信號 (或時鐘信號 )與模擬信號的耦合，解決方法是： (1)就要求在電路設(shè)計時要使數(shù)字信號盡可能遠離模擬信號； (2) (3)盡可能以 90 交叉； (4)模 擬信號與數(shù)字信號之間設(shè)置屏蔽； (5)要使數(shù)字地或電源平面延伸到電路的模擬部分之 20 下； (6)盡可能的使用速度慢的邏輯系列； (7)振蕩。 數(shù)字信號中最為典型的是時鐘信號，常用于產(chǎn)生單片機的工作時序脈沖，不僅是受噪聲干擾最敏感的部位，同時也是單片機對外發(fā)射輻射干擾和引起內(nèi)部干擾的噪聲源。數(shù)字電路在時鐘邊沿存在著相當大的電源浪涌電流，浪涌電流與電源和地間的電阻共同作用會產(chǎn)生噪聲， 為使電源的浪涌電流盡可能小，應(yīng)提供良好的旁路電容。多數(shù)模擬信號以地信號為準，如果模擬地有任何干擾，則必將疊加到模擬信號上，同樣，與模擬器件相連的電源上的噪聲也會影響正在處理的信號。使用單獨的數(shù)字和模擬電源將有助于減少數(shù)字電路對模擬電路的干擾，在使用單獨電源有困難的情況下，可以對模擬電源進行單獨隔離。模擬電路除了要求電源本身具有較小噪聲外，還要在較寬的范圍內(nèi)有較低的輸出阻抗，這樣在電源上某部分產(chǎn)生的噪聲就不會傳輸?shù)狡渌牟糠秩ァｊP(guān)于接地和電源干擾的抑制，在后文中會有詳細介紹。另外，模擬電路越復(fù)雜，數(shù)字信號對其 影響的機會就越多，可能時用數(shù)字電路代替模擬電路，使模擬部分盡可能簡單。 源的干擾與抑制 (1)在直流電源電路中由于單片機及一些存儲器、接口電路等都是數(shù)字電路，所以在電源電路會產(chǎn)生峰值很大的尖峰電流， 供電電源是外部瞬時脈沖竄入系統(tǒng)的主要通道，必須對其采取必要的抗干擾措施，如電源濾波、變壓器屏蔽隔離等。設(shè)計系統(tǒng)時實用的一些措施有：采用 鉭電容或電解電容加在電源線與地線之間，作為旁路電容濾除紋波；在數(shù)字芯片的電源輸入處采用一個 20F 的電解電容并聯(lián)形成電荷池接地，有效地抑制了數(shù)字芯片對電源的影響。電容連線靠近電源端并盡量粗短，一般直接用焊錫連接；1 感組成的濾波網(wǎng)絡(luò)進行濾波，以除去干擾。電感采用雙線繞法 如圖 示；其中 F 電容用來抑制高頻， 100 F 電容用來抑制低頻分量電感線圈可以抑制其變化的電流電壓使電源具有一個穩(wěn) 圖 電源濾波電路 定的電壓輸出，使整個系統(tǒng)正常工作。 (2)在使用的市電供電電網(wǎng)中，正常的 50弦波形上疊加有許多高電壓的尖峰脈沖信號，這些信號 會嚴重影響系統(tǒng)的正常工作，可產(chǎn)生較大干擾。抑制和消除工頻干擾，常用的方法是在 A/D 轉(zhuǎn)換電路之前加 波器，或者采用采樣時間是 50工頻期整數(shù)倍的雙積分式 A/D 轉(zhuǎn)換器。硬件抗干擾措施無法完全抑制工頻干擾時，可采用軟件方法，具體 實現(xiàn)已在算法章節(jié)中的“ 軟件濾波 ” 做 過相應(yīng)介紹。 地技術(shù) 接地的目的有三個：為各電路的工作提供基準電位、安全和抑制干擾。據(jù)此可將接地方式分為三類：安全接地，作為一種保護措施，防止強電的高電壓、大容量危及人身安全，所有測試現(xiàn)場使用的電子設(shè)備的外殼、底盤、機座都應(yīng)接地；工作接地 ，信號回路接于基準導(dǎo)體或基準電位點；屏蔽接地，電纜、變壓器等屏蔽層的接地。屏蔽接地的具體注意事項在后文中會有所介紹。 接地連接可能構(gòu)成大量令人討厭的干擾源，特別是大型電子設(shè)備流入大地的電流將造成各接地連接之間的電位差，形成較強的干擾。同時適當?shù)?接地方法也是抑制干擾的 主要方法或?qū)ο到y(tǒng)的一種保護措施。 一般在控制系統(tǒng)中有三類地：(1)稱為工作地，指系統(tǒng)中小信號回路、控制電路、邏輯電路、直流電流電路的地線。 (2)被控制或被撿測對象比如繼電器、電磁閥等電器的地線。 (3)系統(tǒng)中 電 機 等構(gòu)件的接地。這三類地線最好相應(yīng)獨立，同時系統(tǒng)接地 常采用以下一些處理措施： (1)低頻電路全部于一點接地； (2)高頻電路就近分開接地； (3)數(shù)字地與模擬地分 開走線，只在一點匯在一起，或用電感相連。 22 電子設(shè)備種類繁多，頻率從直流到微波、能量從微弱信號到大功率都有，它們的接地應(yīng)該根據(jù)設(shè)備種類、性能、測試要求等不同分別予以考慮。 離技術(shù)與屏蔽線的使用 隔離技術(shù)是將易受干擾的部分和干擾源隔離開來，使兩者之間僅保持信號關(guān)系，但不直接發(fā)生電的關(guān)系，以此達到抗干擾的目的。常用的隔離方法為光電隔離、變壓器隔離 、繼電器隔離等。光電隔離是將兩個電路的電信號隔離開，通過光耦合來傳遞信號。這樣能保證信號的正確傳輸，又具有較高的電氣隔離和抗干擾能力。光耦合不僅可以隔斷噪聲信號還可以實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換；繼電器隔離是利用繼電器的線圈接受電氣信號，利用觸點發(fā)送和輸出信號，從而實現(xiàn)抗干擾隔離；脈沖變壓器可實現(xiàn)數(shù)字信號的隔離，但不能傳遞直流分量，常用于不要求傳遞直流分量的數(shù)字信號輸入 /輸出系統(tǒng)中。 屏蔽是指用屏蔽體把通過空間進行電磁場耦合的部分隔離開來，阻斷空間場的耦合通道。設(shè)計中最常使用的屏蔽技術(shù)是利用屏蔽線對傳輸?shù)挠行盘栠M行保護。 屏蔽線有用于低頻設(shè)備的單芯、兩芯及多芯普通屏蔽線，雙絞屏蔽線和用于高頻設(shè)備的同軸電纜等。良好的屏蔽是和接地緊密相連的，由于其使用環(huán)境、條件及傳輸信號的不同，因此在實施屏蔽時的接地方式也不同。如果用于低頻設(shè)備測試連接的屏蔽線的屏蔽層有兩個以上接地點時，有可能通過屏蔽層構(gòu)成噪聲地線回路而產(chǎn)生噪聲電流，從而在屏蔽芯線上產(chǎn)生噪聲電壓，所以應(yīng)盡量采用單點接地方式。但即使采用單點接地，芯線與屏蔽層間的分布電容也將產(chǎn)生噪聲耦合，從而形成意想不到的干擾或造成屏蔽防護作用的降低。進行信號屏蔽線連接時應(yīng)注意以下幾個問題： (1) (2)空的屏蔽層往往會形成更嚴重的干擾； (3)測量設(shè)備的地極易形成噪聲干擾； (4)蔽層接測量設(shè)備的公共地； (5)蔽層接于信號源對地低阻抗端。 對高頻 設(shè)備屏蔽線，不宜繼續(xù)采用單點接地的方式，因為此時導(dǎo)線間的雜散 23 電容的影響作用已不可忽視。兩端接地是一種實用的接地方法，但對于長電纜傳輸信號的場合，應(yīng)多點接地，保證兩接地點間的電纜長度不超過信號波長的 1/4，以減少接 地阻抗和防止電纜傳輸中的反射干擾。 系統(tǒng)設(shè)計中較為實用的方法是使用雙絞線和同軸線：模塊與模塊之間的信號線用同軸線，這樣可以有效地屏蔽信號，防止信號與外部串擾；數(shù)字信號的走線則使用雙絞線，其中一根用作信號傳輸線，另一根用作屏蔽線，可以有效地抑制高頻毛刺。對于兩組平行放置的雙絞線，可采用彼此節(jié)距不同來抑制相互間的電磁感應(yīng)干擾。 波技術(shù) 濾波技術(shù)通常分為簡單的濾波電容的添加和無源、有源濾波器的使用。 在系統(tǒng)中，往往只需要在合適的位置添加合適的濾波電容就可以達到很好的抗干擾效果，這在接地技術(shù)和電源噪聲抑 制方法中已介紹過，具體的添加規(guī)律還要靠實驗經(jīng)驗的積累。另外常用無源或有源濾波器電路來濾除電路中已存在噪聲的干擾。 無源濾波器通常由電阻、電容、電感組成，電容、電感濾波器常用于抑制串模和共模干擾， 防止串模和共模干擾關(guān)系到整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。串模干擾是指疊加在被測信號上的干擾信號；共模干擾是指不同 “ 地 ” 之間存在共模電壓，以及模擬信號系統(tǒng)對地存在漏阻抗。較 圖 電容濾波 為典型的濾波電路如 圖 示。這種結(jié)構(gòu)能有效的抑制共模 (由 成 )和串模干 擾 (由 電 路成 )。 有源濾波器由電阻、電容和運 算放大器組成。 源濾波器中的 絡(luò)可以任意設(shè)定有源濾波器的諧振頻率，網(wǎng)絡(luò)的損耗由運算放大器補償，而且濾波器可以做成高品質(zhì)因數(shù)，并且當 Q 值一定時其諧振頻率可調(diào)，因此為當以前使用較多的一種濾波器?；緸V波器的設(shè)計有現(xiàn)成的濾波器設(shè)計表可參照，操作比較方便，在此不再累述。 24 用芯片的抗干擾措施 元器件及芯片的選擇是系統(tǒng)抗干擾的重要環(huán)節(jié)，通常遵循降額設(shè)計的準則，并盡量在一個系統(tǒng)中減少元器件品種、型號。另外，不同元器件的抗干擾措施也不盡相同。 (1)在元器件的使用時，尤其要注意電容 的選擇。電容按介質(zhì)材料分可分為云母電容、紙介電容、陶瓷電容、塑料介質(zhì)電容和電解電容。云母電容可用于中頻、高頻及要求耐壓高的電路，但價格較貴；紙介電容適用于頻率小于 電路中，但易損壞，使用年限短；陶瓷電容分低介電常 數(shù)型 (型 )、高介電常數(shù)型 (型 )和半導(dǎo)體型 ( 型 )三 種。 、 型和 型特性基本相同，但它們沒有溫度系數(shù)線性和容差偏差小的特點，適宜做高頻濾波電路。 型主要用于對溫度穩(wěn)定性要求比較高的電路，如晶振、 A/D 轉(zhuǎn)換、 V/F 轉(zhuǎn)換電路的積分電路等；塑料介質(zhì)電容耐壓高，穩(wěn)定，可用于高、中頻電路，但怕 高熱；電解電容中的鋁電解電容適用于做電源濾波及低頻旁路，鉭電解電容在頻率特性、漏電特性、溫度特性方面優(yōu)于鋁電解電容，低溫時應(yīng)選鉭電解電容。電容使用時必須注意極性，同時電解電容不宜使用在交流電路中，但可在脈沖電路中使用。電容使用不當也會成為噪聲源，如在處理微小信號時電容會因為漏電，或由于某些 原 因 (如溫度變化 )而形成新的噪聲源。 數(shù)字電路中存在的電源線的阻抗問題和數(shù)字電路受高速跳變的電流作用時產(chǎn)生的阻抗噪聲都可由設(shè)置合適的去耦電容來解決。 列單片機最高晶振為 12個機器周期為 1s，去耦電容 可選 振低于 6，去耦電容選用 (2)、 D/A 轉(zhuǎn)換器的干擾抑制 A/D、 D/A 轉(zhuǎn)換器是系統(tǒng)與外部信息的交換通道，又是數(shù)字量與模擬量共存的部位，根據(jù)它們所處位置及功能特點，主要受到的干擾及其改善措施為： 來自輸入 /輸出電路的干擾。 A/D 轉(zhuǎn)換器的輸入模擬量一般來自傳感器或放大器的輸出，因此關(guān)于測量單元的抗干擾技術(shù)，如采用差動式測量放大器、輸 25 入濾波、隔離放大器、電壓 /電流變送器等，對 A/D 裝置的抗干擾是十分必要的。應(yīng)將輸出信號就近進行 A/D 轉(zhuǎn)換，用數(shù)字量進行信息傳輸將 增強系統(tǒng)的抗干擾性能。 D/A 轉(zhuǎn)換器的輸出信號一般很強，不易受外界干擾，但往往會形成對系統(tǒng)的干擾。因此，應(yīng)將模擬信號或數(shù)字信號進行隔離。 來自供電電源的干擾。通其他芯片采取同樣的抗干擾措施，具體方法前文已介紹。 數(shù)字信號對模擬信號的竄擾。 A/D、 D/A 轉(zhuǎn)換電路是數(shù)字信息與模擬信息共存的區(qū)域，同樣要注意避免數(shù)字信息對模擬信息的竄擾。 A/D 轉(zhuǎn)換中的混疊噪聲。模擬信號是非有限頻帶，無論采樣頻率取多高，各個頻譜間的重疊都是不可避免的。因此，在把實際信號作為頻帶有限信號處理時，應(yīng)根據(jù)采樣定理，結(jié)合對象及 精度要求，確定系統(tǒng)的采樣頻率，使混疊噪聲不影響系統(tǒng)的性能。 A/D 轉(zhuǎn)換中的量化噪聲。增加位數(shù) N 和提高采樣頻率就可以有效的降低量化噪聲。 (3)在有繼電器、接觸器、電磁閥等感性負載電路中，當電路斷開時會產(chǎn)生很高的電動勢，既會在線路上造成電磁感應(yīng)干擾，又會形成電弧干擾。抑制這種瞬變噪聲干擾的方法是在線圈兩端并聯(lián)吸收裝置，如并聯(lián)電阻、并聯(lián)放電二極管、并聯(lián)電阻和二極管、并聯(lián) 路、并聯(lián)雙向二極管或穩(wěn)壓管等。另外，值得提醒的是，固態(tài)繼電器內(nèi)部一般有 5 10漏電流，不宜用它直接控制很 小功率的負載。 激振蕩及其消除方法 自激振蕩現(xiàn)象在分立元件電路中比集成電路中更為普遍，它是由于放大器中的正反饋造成的。正反饋往往是由于安裝、布線不合理等因素造成的，可通過合理布線、在放大器的一級的基極對地及基極對集電極間并接一個小電 容 (稱中和電容 )，或 改善電源、在放大器各級之間加上 “ 去耦電路 ” ，以消除后級通過電源 26 與前級之間的耦合形成正反饋，或通過盡可能縮短各接地線之間的距離形成自激振蕩，或通過晶體管內(nèi)部反饋形成自激振蕩。 7、 2)雖然心電信號的最低可能頻率成分只達到 應(yīng)于心臟搏動 30次 /分 )，但為 抑制 極化電流，心電信號放大電路的低頻截止頻率必須達到心電信號的低頻截止頻率的 1/10，即 用簡單 通電路實現(xiàn)。 根據(jù) 路的傳輸函數(shù)，截止頻率為2 1，理論設(shè)計值為 10 、 3 ，電路如圖 6示。由于電容 電會引起以不應(yīng)選用電解電容，而應(yīng)使用介質(zhì)特性較好的鉭電容。 圖 6通 100 500低通濾波器 ， 采用專用濾波器設(shè)計軟件 計二階貝塞爾 濾波器 ，電路 分別 如圖 6圖 6示 ： 圖 6100通濾波器 圖 6500通濾波器 為了達到任務(wù)要求的帶外衰減速率，每個濾波網(wǎng)絡(luò)均使用兩級相同的濾波電路級聯(lián)，組成 4 階貝塞爾濾波器。 系統(tǒng)中還需用到 3低通濾波器模擬電話通道，為避免使傳輸?shù)男盘柺д?，仍采用?塞爾濾波器，設(shè)計電路及參數(shù)如圖 6 設(shè)計的電路參數(shù)分別為： 圖 63通濾波器 100通： 21 ， 042 ， 01 ， 22 ; 27 500通： 591R ， 52 ， ， ; 3通： 631R ， 52 ， ， 。 (3)降低穩(wěn)壓源的噪聲 是 減少 50頻干擾的主要措施，用普通集成三端穩(wěn)壓電路直接構(gòu)成穩(wěn)壓電源難以達到 “ # # # /*液晶顯示器的地址口 */ #;10;21;32; /*變量定義與說明 */ i,a=0; ,; c=0,e; d; 0=0 /*0顯示代碼數(shù)組 *