第五章 抗干擾技術

1、 第五章第五章 抗干擾技術抗干擾技術第一節(jié)第一節(jié) 干擾的形成干擾的形成 一、干擾與噪聲一、干擾與噪聲 噪聲是絕對的，它的產生或存在不受接噪聲是絕對的，它的產生或存在不受接收者的影響，是獨立的，與有用信號無關。收者的影響，是獨立的，與有用信號無關。干擾是相對有用信號而言的，只有噪聲達到干擾是相對有用信號而言的，只有噪聲達到一定數值、它和有用信號一起進入測控系統一定數值、它和有用信號一起進入測控系統并影響其正常工作才形成干擾。并影響其正常工作才形成干擾。 噪聲與干擾是因果關系，噪聲是干擾之因，干擾是噪聲之果，是一個量變到質變的過程。 干擾在滿足一定條件時，可以消除。噪聲在一般情況下，難以消除，只能

2、減弱。二、分類二、分類干擾的類型 機械干擾熱干擾光干擾 濕度干擾 化學干擾電和磁干擾 射線輻射干擾電磁干擾的分類電磁干擾的分類從噪聲產生的來源分類從噪聲產生的來源分類 1)固有噪聲源固有噪聲源 2)人為噪聲源人為噪聲源 3)自然噪聲源和放電噪聲自然噪聲源和放電噪聲從干擾的表現形式分類從干擾的表現形式分類 1)規(guī)則干擾規(guī)則干擾 2)不規(guī)則干擾不規(guī)則干擾 3)隨機干擾隨機干擾從干擾出現的區(qū)域分類從干擾出現的區(qū)域分類 1)內部干擾內部干擾 2)外部干擾外部干擾從干擾對電路作用的形式分類從干擾對電路作用的形式分類 1)差模干擾差模干擾 2)共模干擾共模干擾 3)共模干擾抑制比共模干擾抑制比 三、噪聲形

3、成干擾作用的三要素三、噪聲形成干擾作用的三要素 噪聲源形成干擾必需同時具備三個噪聲源形成干擾必需同時具備三個要素，即要素，即噪聲源噪聲源、有對噪聲敏感的、有對噪聲敏感的接接收電路收電路和兩者之間的和兩者之間的耦合通道耦合通道。三要。三要素之間聯系如下圖所示。素之間聯系如下圖所示。 噪聲源耦合通道接收電路四、噪聲源噪聲源 1、內部噪聲源、內部噪聲源1）電路元器件產生的固有噪聲）電路元器件產生的固有噪聲2）感性負載切換時產生的噪聲干擾）感性負載切換時產生的噪聲干擾感性負載感性負載交、直流繼電器、接觸器、電磁交、直流繼電器、接觸器、電磁鐵和電機等。鐵和電機等。感性負載切換時線圈兩端會出現很高的瞬態(tài)電

4、感性負載切換時線圈兩端會出現很高的瞬態(tài)電壓，產生強烈的噪聲干擾。壓，產生強烈的噪聲干擾。3）接觸噪聲）接觸噪聲 圖圖511 感性負載的干擾抑制電路感性負載的干擾抑制電路2、外部噪聲源、外部噪聲源1）天體和天電干擾）天體和天電干擾2）放電干擾）放電干擾3）射頻干擾）射頻干擾4）工頻干擾）工頻干擾 五、噪聲的耦合方式五、噪聲的耦合方式 1 1、電容性耦合、電容性耦合 ZiCmENUNABnimimNEZCjZCjU1NimNEZCjU 圖圖512 靜電電容耦合示意圖靜電電容耦合示意圖112RUCUN結論：結論：1、當干擾源的電壓、當干擾源的電壓U1和角頻率和角頻率一定時，要一定時，要降低靜電電容性

5、耦合效應就必須減小電路的降低靜電電容性耦合效應就必須減小電路的等效輸入阻抗等效輸入阻抗R和寄生電容和寄生電容C12。2、小電流、高電壓噪聲源對測試系統的干擾、小電流、高電壓噪聲源對測試系統的干擾主要是通過電容性耦合。主要是通過電容性耦合。圖圖513 兩個電路之間的互感兩個電路之間的互感2 2、電感性耦合（、電感性耦合（電磁耦合電磁耦合 ） 電磁耦合是由于兩個電路間存在互感。電磁耦合是由于兩個電路間存在互感。 結論：結論：1、干擾電壓正比于干擾源角頻率、干擾電壓正比于干擾源角頻率、互感系、互感系數數M和干擾源電流。和干擾源電流。2、大電流低電壓干擾源，干擾耦合方式主要為電感、大電流低電壓干擾源，

6、干擾耦合方式主要為電感性耦合。性耦合。 NNMIjUUNMIN3 3、共阻抗耦合、共阻抗耦合 電源內阻抗的共阻抗耦合電源內阻抗的共阻抗耦合 公共地線的耦合公共地線的耦合 信號輸出電路的相互干擾信號輸出電路的相互干擾 4 4、漏電耦合、漏電耦合 NimiNEZRZUUNRmENBAZi傳導耦合傳導耦合 輻射電磁場耦合輻射電磁場耦合 傳導耦合是指經導線檢拾到噪聲，再經它傳導耦合是指經導線檢拾到噪聲，再經它傳輸到噪聲接收電路而形成干擾的噪聲耦合方傳輸到噪聲接收電路而形成干擾的噪聲耦合方式。式。 大功率的高頻電氣設備，廣播、電視、通大功率的高頻電氣設備，廣播、電視、通信發(fā)射臺等，不斷地向外發(fā)射電磁波。

7、智能儀信發(fā)射臺等，不斷地向外發(fā)射電磁波。智能儀器若置于這種發(fā)射場中就會感應到與發(fā)射電磁器若置于這種發(fā)射場中就會感應到與發(fā)射電磁場成正比的感應電勢，這種感應電勢進入電路場成正比的感應電勢，這種感應電勢進入電路就形成干擾。就形成干擾。 抑制電磁干擾的基本方法抑制電磁干擾的基本方法o 消除或抑制噪聲源 o 破壞干擾的耦合通道 o 消除接收電路對干擾的敏感性 o 采用軟件抑制干擾第二節(jié)第二節(jié) 硬件抗硬件抗干擾技術干擾技術 o接地技術接地技術 o屏蔽技術屏蔽技術 o長線傳輸的干擾及抑制長線傳輸的干擾及抑制 o 共模干擾的抑制共模干擾的抑制o 差模干擾的抑制差模干擾的抑制o 供電系統抗干擾供電系統抗干擾o

8、 印刷電路板抗干擾印刷電路板抗干擾5.2.1接地技術接地技術 一、接地的基本概念o “地”電路或系統中為各個信號提供參考電位的一個等電位點或等電位面o “接地”將某點與一個等電位點或等電位面之間用低電阻導體連接起來，構成一個基準電位。 1、測控系統中的地線種類 o 信號(源)地指傳感器本身的零電位基準線。o 模擬地模擬信號的參考點，即模擬電路的直流電源的參考點。o 數字地數字信號的參考點，即數字電路的直流電源的參考點。o 負載地指大功率負載或感性負載的地線。通常也稱為噪聲地。o 系統地整個系統的統一參考電位。系統或設備的機殼上的某一點通常與系統地相連接，供給系統各個環(huán)節(jié)的直流穩(wěn)壓或非穩(wěn)壓電源的

9、參考點也都接在系統地上。 2、共地和浮地 共地 浮地 系統地與大地（地球） 相連 絕緣 實現方法 系統地接機殼且機殼接大地 系統地不接機殼或機殼不接大地 3、接地方式 二、接地環(huán)路與共模干擾 1、信號源和系統地都接大地會形成接地環(huán)路o 兩個接地點之間的電位差（地電壓）將產生共模干擾： GGLiLGNUURRRRRRRU122圖圖524 接地環(huán)路與共模干擾接地環(huán)路與共模干擾 2、信號源不接大地（例如只系統地接大地） o 由于信號源與大地絕緣，即漏電電阻很大，故形成的干擾很?。?GGSiiSGNUURRRRRRU12三、系統接地設計 1、接地設計的兩個基本要求： 1)消除各電路電流流徑一個公共地線

10、阻抗時所產生的噪聲電壓； 2)避免形成接地環(huán)路，引進共模干擾。2、輸入信號傳輸線屏蔽接地點的選擇3、電源變壓器靜電屏蔽層的接地 圖圖528 電源變壓器靜電屏蔽層的接地點電源變壓器靜電屏蔽層的接地點 4、直流電源接地點的選擇o 不同性質的電源地線不能任意互連，而應分別匯集于一點，再與系統地相接。5、印刷電路板的地線布局 o 模擬地和數字地分設，通過不同的引腳與系統地相連，各個組件的模擬地和數字地引腳分別連到電路板上的模擬地線和數字地線上。o 盡可能減少地線電阻，因此地線越寬越好。o 模擬地線可用來隔離各個輸入模擬信號之間以及輸出和輸入信號之間的有害耦合。數字信號亦可用數字地線進行隔離。 6、機柜

11、地線的布局 在中、低頻系統中，地線布局須采用單點接地方案，其原則是：o 各個單元電路的各種地線不得混接。o 單元電路板不多時，可把各單元的不同地線直接與有關電源參考端分別相接。o 單元電路板很多時，各印刷板一般被分裝在多層框架上，在各個框架上安裝幾個橫向匯流排，分別用以分配各種直流電源、溝通各個印刷板的各種地線。而各個框架之間安裝若干縱向匯流排連接所有的橫向匯流排。 o 一、屏蔽的類型和原理 5.2.2屏蔽技術屏蔽技術 靜電屏蔽 電磁屏蔽 磁屏蔽 消除靜電干擾 抑制高頻電磁場的干擾 防止低頻磁場干擾 選用低電阻材料作屏蔽盒 選用低內阻的金屬材料 用高導磁材料制成屏蔽罩 屏蔽盒都應用良好的接地

12、屏蔽盒都應用良好的接地 二、屏蔽的結構形式 o 屏蔽罩、屏蔽柵網、o 屏蔽銅箔、隔離倉o 電纜屏蔽線。 靜電屏蔽+Q+Q+QAAABB電磁屏蔽ieeN低頻磁屏蔽 5.2.3長線傳輸的干擾及抑制長線傳輸的干擾及抑制 一、長線感應干擾的抑制方法 1、采用雙線傳輸 2、采用電流信號傳輸3、采用數字信號傳輸或頻率信號傳輸二、反射干擾及抑制 o 1、阻抗匹配 2、長線驅動 7.2.4共模干擾的抑制共模干擾的抑制 一、隔離技術斷開地環(huán)路，阻止共模噪聲通過但允許差模信號通過。 圖圖5214 隔離原理隔離原理1、隔離變壓器o 適用于50Hz以上的信號，不適用于低頻，特別是超低頻。o 當信號頻率很低，或者共模電

13、壓很高，或者要求共模漏電流非常小時，常在信號源和檢測系統輸入通道之間(通常在輸入通道前端)插入一個隔離放大器 2、縱向扼流圈 o 結構特點：雙線并繞在同一鐵芯上，故 o 允許差模信號通過 o 阻止共模噪聲通過 MLL213、光電耦合器 （1）抑制干擾的原理：o “電光電”轉換在完全密封條件下進行，不會受到外界光的影響。o 光耦合器的輸入阻抗很低，干擾源的內阻一般很大，使饋送到光電耦合器輸入端的噪聲自然很小，不能使二極管發(fā)光，從而被抑制掉。o 光耦合器的輸入端與輸出端的寄生電容極小，而絕緣電阻又非常大，因此光耦合器一邊的各種干擾噪聲都很難通過光耦合器饋送到另一邊去。 （2）光耦合器的線性范圍比較

14、小，所以它主要用于傳送數字信號。 （3）注意：在光電耦合器的輸入部分和輸出部分必須分別采用獨立的電源，如果兩端共用一個電源，則光電耦合器的隔離作用將失去意義。 5.2.6供電系統抗干擾供電系統抗干擾 一、從供電系統窗口竄入的干擾o 大功率的感性負載或可控硅切換時，在電網中產生的瞬態(tài)高壓對系統形成嚴重的干擾。 o 當采用整流方式供電時，濾波不良會產生紋波噪聲，這是一種低頻干擾噪聲。o 當采用直流直流變換器或開關穩(wěn)壓電源時，則會出現高頻的開關噪聲干擾。o 電源的進線和輸出線也很容易受到工業(yè)現場以至天電的各種干擾噪聲。二、供電系統抗干擾措施 1、電源濾波和退耦抑制電源干擾的主要措施 圖圖5-2-22

15、 電源濾波和退耦技術電源濾波和退耦技術o LC低通濾波器濾除交流進線上引入50Hz的高次諧波干擾，改善電源的波形。o 變阻二極管(或壓敏電阻)抑制交流電源線上的瞬時干擾。o 電源變壓器采用雙重屏蔽措施使混入初級的噪聲干擾不致進入次級。o整流濾波電路（采用了電解電容和無感高頻電容的并聯組合）減小高頻噪聲。o穩(wěn)壓抑制電網電壓的波動。o每個電路的RC或LC退耦濾波電路避免通過電源內阻造成幾個電路間互相干擾。 2、采用不間斷電源和開關式直流穩(wěn)壓電源3、系統分別供電和采用電源模塊單獨供電o 系統分別供電向采集系統電路供電的線路應與向繼電器等供電的線路分開，以避免在供電線路之間出現相互干擾。供電線路如圖5

16、-2-23所示。 圖圖5-2-23 系統分別供電的線路系統分別供電的線路o 采用電源模塊單獨供電有利于減小公共阻抗的相互耦合及公共電源的相互耦合，大大提高供電系統的可靠性，也有利于電源的散熱。 4、供電系統饋線要合理布線。 (1)電源前面的一段布線盡量用粗導線。(2)電源后面的一段布線均應采用雙絞線，無法扭絞時，應把饋線之間的距離縮到最短。交流線、直流穩(wěn)壓電源線、邏輯信號線和模擬信號線、繼電器等感性負載驅動線、非穩(wěn)壓的直流線均應分開布線。(3)電路中應盡量避免出現公共線。若公共線不能避免，則必須把公共線加粗。 5.2.7印刷電路板抗干擾印刷電路板抗干擾 一、合理布置印刷電路板上的器件 1、為了

17、減小器件之間的電氣干擾，應將器件按照其功率的大小及抗干擾能力的強弱分類集中布置：將電源變壓器和輸出驅動器件等大功率強電器件作為一類集中布置；將數字邏輯器件作為一類集中布置；將易受干擾的模擬器件作為一類集中布置。各類器件之間應盡量遠離，以防止相互干擾。此外，每一類器件又可按照小電氣干擾原則再進一步分類布置。 2、應符合易于散熱的原則o 對發(fā)熱元器件要考慮通風散熱，必要時要安裝散熱器。o 發(fā)熱元器件要分散布置，不能集中。o 對熱敏感元器件要遠離發(fā)熱元器件或進行熱屏蔽。 二、合理分配印刷電路板插腳 為了抑制線間干擾，對印刷電路板的插腳必須進行合理分配。 1、將輸入、輸出線分置于印刷板的兩側，以便相互

18、分離。 2、地線設置在輸入、輸出信號線的兩側，以減小信號線寄生電容的影響。 三、印刷電路板合理布線 o 印刷板不能交叉配線。o 配線不要做成環(huán)路，特別是不要沿印刷板周圍做成環(huán)路。o 不要有長段的窄條并行，不得已而并行時，窄條間要再設置隔離用的窄條。o 旁路電容器的引線不能長，尤其是高頻旁路電容器，應該考慮不用引線而直接接地。 o 地線面積通常要選取大些，但又要避免增大電路和地線之間的寄生電容。o 單元電路的輸入線和輸出線，應當用地線隔開。o 信號線盡可能短。元器件面和焊接面的各印刷引線最好相互垂直。盡可能不在集成芯片引腳之間走線。易受干擾的部位增設地線或用寬地線環(huán)繞。 圖圖7224 印刷電路的

19、輸入輸出線布置印刷電路的輸入輸出線布置四、電源線的布置 o 電源線、地線的走向應盡量與數據傳輸的方向一致，且應盡量加寬其寬度，這都有助于提高印刷電路板的抗干擾能力。 五、印刷電路板的屏蔽 1、屏蔽線o 為了減小外界干擾作用于電路板或者電路板內部導線、元件之間出現的電容性干擾，可以在兩個電流回路的導線之間另設一根導線，并將它與有關的基準電位(或屏蔽電位)相連，就可以發(fā)揮屏蔽作用。 2、屏蔽環(huán)o 屏蔽環(huán)位于印刷電路板的邊緣并圍繞著該電路板，且只在某一點上與基準電位相連。它可對外界作用于電路板的電容性干擾起屏蔽作用。 六、去耦電容器的配置 o 在電源輸入端跨接10F100F的電解電容器。o 每個集成

20、電路芯片都應配置一個0.01F的陶瓷電容器。o 對于抗干擾能力弱，關斷時電流變化大的器件和ROM、RAM存儲器件，應在芯片的電源線(Vcc)和地線(GND)之間直接接入去耦電容器。o 電容引線不能太長，特別是高頻旁路電容不能帶引線。 圖圖5-2-28 集成電路的工作狀態(tài)集成電路的工作狀態(tài)圖圖5-2-29 集成電路干擾的抑制集成電路干擾的抑制5.3 軟件抗干擾技術o 軟件冗余技術o 軟件陷阱技術o “看門狗”技術o 故障自動恢復處理程序軟件抗干擾的設置前提條件：o 在干擾作用下，微機系統硬件部分不會受到任何損壞，或易損壞部分設置有監(jiān)測狀態(tài)可供查詢。o 程序區(qū)不會受干擾侵害。o RAM區(qū)中的重要數

21、據不被破壞，或雖被破壞可以重新建立。軟件抗干擾技術所研究的主要內容： o 1、采取軟件的方法抑制疊加在模擬輸入信號上噪聲對數據采集結果的影響，如數字濾波器技術； 2、由于干擾而使運行程序發(fā)生混亂，導致程序亂飛或陷入死循環(huán)時，采取使程序納入正規(guī)的措施，如軟件冗余、軟件陷阱、“看門狗”技術。 5.3.1軟件冗余技術軟件冗余技術 一、指令冗余技術 為了使“亂飛”程序在程序區(qū)迅速納入正軌，應該多用單字節(jié)指令，并在關鍵地方人為地插入一些單字節(jié)指令NOP，或將有效單字節(jié)指令重寫，稱之為指令冗余。1、NOP的使用 o 在雙字節(jié)指令和3字節(jié)指令之后插入兩個單字節(jié)NOP指令 o 對程序流向起決定作用的指令(如R

22、ET、RETI、ACALL、LCALL、LJMP、JZ、JNZ、JC、JNC、DJNZ等)和某些對系統工作狀態(tài)起重要作用的指令(如SETB、EA等)之前插入兩條NOP指令 2、重要指令冗余 o 對于程序流向起決定作用的指令(如RET、RETI、ACALL、LCALL、LJMP、JZ、JNZ、JC、JNC等)和某些對系統工作狀態(tài)有重要作用的指令(如SETB、EA等)的后面，可重復寫上這些指令，以確保這些指令的正確執(zhí)行。 二、時間冗余技術 時間冗余方法是通過消耗時間資源達到糾錯目的。 1、重復檢測法 ：對接口中的輸入數據信息進行多次檢測，若檢測結果完全一致，則是真的輸入信號；若相鄰的檢測內容不一致

23、，或多次檢測結果不一致，則是偽輸入信號。 2、重復輸出法：對于那些用鎖存器輸出的控制信號，采取重復輸出的辦法。輸出重復周期盡可能短些。 3、指令復執(zhí)技術 ：這種技術是重復執(zhí)行已發(fā)現錯誤的指令（一旦發(fā)現錯誤、就重新執(zhí)行被錯誤破壞的現行指令），如故障是瞬時的，在指令復執(zhí)期間，有可能不再出現，程序可繼續(xù)執(zhí)行。 4、程序卷回技術 程序卷回不是某一條指令的重復執(zhí)行，而是一小段程序的重復執(zhí)行。為了實現卷回，也要保留現場。這種卷回方法可卷回若干次，直到故障排除或顯示故障為止。5、延時避開法 當系統要接通或斷開大功率負載時，使CPU暫停工作，待干擾過去以后再恢復工作，這比單純在硬件上采取抗干擾措施要方便許多。

24、5.3.2軟件陷阱技術軟件陷阱技術 一、軟件陷阱 軟件陷阱，就是用引導指令強行將捕獲到的亂飛程序引向復位入口地址0000H，在此處將程序轉向專門對程序出錯進行處理的程序，使程序納入正軌。 軟件陷阱可采用兩種形式，如表7-3-1所示。 形式形式軟件陷阱技術軟件陷阱技術對應入口形式對應入口形式形式一形式一NOPNOPLJMP 0000H0000H : LJMP MAIN；運行程序運行程序:形式二形式二LJMP 0202HLJMP 0000H 0000H : LJMP MAIN ；運行主程；運行主程序序: 0202H: LJMP 0000H:5.3.3 “看門狗看門狗”技術技術 “看門狗”技術就是不斷監(jiān)視程序循環(huán)運行時間，若發(fā)現時間超過已知的循環(huán)設定時間，則認為系統陷入了“死循環(huán)”，然后強迫程序返回到0000H入口，在0000H處安排一段出錯處理程序，使系統運行納入正規(guī)。 “看門狗”技術既可由硬件實現，也可由軟件實現，還可由兩者結合來實現。 二、軟