第五章 抗干擾技術(shù)

第五章抗干擾技術(shù)第一節(jié)

干擾的形成

一、干擾與噪聲

①噪聲是絕對(duì)的，它的產(chǎn)生或存在不受接收者的影響，是獨(dú)立的，與有用信號(hào)無關(guān)。干擾是相對(duì)有用信號(hào)而言的，只有噪聲達(dá)到一定數(shù)值、它和有用信號(hào)一起進(jìn)入測(cè)控系統(tǒng)并影響其正常工作才形成干擾。

②噪聲與干擾是因果關(guān)系，噪聲是干擾之因，干擾是噪聲之果，是一個(gè)量變到質(zhì)變的過程。③干擾在滿足一定條件時(shí)，可以消除。噪聲在一般情況下，難以消除，只能減弱。二、分類干擾的類型機(jī)械干擾熱干擾光干擾濕度干擾化學(xué)干擾電和磁干擾射線輻射干擾電磁干擾的分類從噪聲產(chǎn)生的來源分類

1)固有噪聲源2)人為噪聲源3)自然噪聲源和放電噪聲從干擾的表現(xiàn)形式分類

1)規(guī)則干擾2)不規(guī)則干擾3)隨機(jī)干擾從干擾出現(xiàn)的區(qū)域分類1)內(nèi)部干擾2)外部干擾從干擾對(duì)電路作用的形式分類1)差模干擾2)共模干擾3)共模干擾抑制比三、噪聲形成干擾作用的三要素

噪聲源形成干擾必需同時(shí)具備三個(gè)要素，即噪聲源、有對(duì)噪聲敏感的接收電路和兩者之間的耦合通道。三要素之間聯(lián)系如下圖所示。

噪聲源耦合通道接收電路四、噪聲源

1、內(nèi)部噪聲源1）電路元器件產(chǎn)生的固有噪聲2）感性負(fù)載切換時(shí)產(chǎn)生的噪聲干擾感性負(fù)載――交、直流繼電器、接觸器、電磁鐵和電機(jī)等。感性負(fù)載切換時(shí)線圈兩端會(huì)出現(xiàn)很高的瞬態(tài)電壓，產(chǎn)生強(qiáng)烈的噪聲干擾。3）接觸噪聲

圖5－1－1感性負(fù)載的干擾抑制電路2、外部噪聲源1）天體和天電干擾2）放電干擾3）射頻干擾4）工頻干擾

五、噪聲的耦合方式

◆1、電容性耦合

～ZiCmENUNAB

圖5－1－2靜電電容耦合示意圖結(jié)論：1、當(dāng)干擾源的電壓U1和角頻率ω一定時(shí)，要降低靜電電容性耦合效應(yīng)就必須減小電路的等效輸入阻抗R和寄生電容C12。2、小電流、高電壓噪聲源對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的干擾主要是通過電容性耦合。圖5－1－3兩個(gè)電路之間的互感◆2、電感性耦合（電磁耦合

）

電磁耦合是由于兩個(gè)電路間存在互感。結(jié)論：1、干擾電壓正比于干擾源角頻率ω、互感系數(shù)M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性耦合。UNMIN◆3、共阻抗耦合電源內(nèi)阻抗的共阻抗耦合公共地線的耦合信號(hào)輸出電路的相互干擾

◆4、漏電耦合

UN～RmENBAZi◆傳導(dǎo)耦合◆輻射電磁場(chǎng)耦合傳導(dǎo)耦合是指經(jīng)導(dǎo)線檢拾到噪聲，再經(jīng)它傳輸?shù)皆肼暯邮针娐范纬筛蓴_的噪聲耦合方式。大功率的高頻電氣設(shè)備，廣播、電視、通信發(fā)射臺(tái)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(chǎng)中就會(huì)感應(yīng)到與發(fā)射電磁場(chǎng)成正比的感應(yīng)電勢(shì)，這種感應(yīng)電勢(shì)進(jìn)入電路就形成干擾。抑制電磁干擾的基本方法消除或抑制噪聲源破壞干擾的耦合通道消除接收電路對(duì)干擾的敏感性采用軟件抑制干擾第二節(jié)硬件抗干擾技術(shù)

接地技術(shù)

屏蔽技術(shù)

長(zhǎng)線傳輸?shù)母蓴_及抑制共模干擾的抑制差模干擾的抑制

供電系統(tǒng)抗干擾

印刷電路板抗干擾5.2.1接地技術(shù)

一、接地的基本概念“地”――電路或系統(tǒng)中為各個(gè)信號(hào)提供參考電位的一個(gè)等電位點(diǎn)或等電位面“接地”――將某點(diǎn)與一個(gè)等電位點(diǎn)或等電位面之間用低電阻導(dǎo)體連接起來，構(gòu)成一個(gè)基準(zhǔn)電位。1、測(cè)控系統(tǒng)中的地線種類信號(hào)(源)地——指?jìng)鞲衅鞅旧淼牧汶娢换鶞?zhǔn)線。模擬地——模擬信號(hào)的參考點(diǎn)，即模擬電路的直流電源的參考點(diǎn)。數(shù)字地——數(shù)字信號(hào)的參考點(diǎn)，即數(shù)字電路的直流電源的參考點(diǎn)。負(fù)載地——指大功率負(fù)載或感性負(fù)載的地線。通常也稱為噪聲地。系統(tǒng)地——整個(gè)系統(tǒng)的統(tǒng)一參考電位。系統(tǒng)或設(shè)備的機(jī)殼上的某一點(diǎn)通常與系統(tǒng)地相連接，供給系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的直流穩(wěn)壓或非穩(wěn)壓電源的參考點(diǎn)也都接在系統(tǒng)地上。2、共地和浮地共地浮地系統(tǒng)地與大地（地球）相連絕緣實(shí)現(xiàn)方法系統(tǒng)地接機(jī)殼且機(jī)殼接大地系統(tǒng)地不接機(jī)殼或機(jī)殼不接大地3、接地方式二、接地環(huán)路與共模干擾1、信號(hào)源和系統(tǒng)地都接大地――會(huì)形成接地環(huán)路兩個(gè)接地點(diǎn)之間的電位差（地電壓）將產(chǎn)生共模干擾：圖5－2－4接地環(huán)路與共模干擾2、信號(hào)源不接大地（例如只系統(tǒng)地接大地）由于信號(hào)源與大地絕緣，即漏電電阻很大，故形成的干擾很小：三、系統(tǒng)接地設(shè)計(jì)1、接地設(shè)計(jì)的兩個(gè)基本要求：1)消除各電路電流流徑一個(gè)公共地線阻抗時(shí)所產(chǎn)生的噪聲電壓；2)避免形成接地環(huán)路，引進(jìn)共模干擾。2、輸入信號(hào)傳輸線屏蔽接地點(diǎn)的選擇3、電源變壓器靜電屏蔽層的接地

圖5－2－8電源變壓器靜電屏蔽層的接地點(diǎn)4、直流電源接地點(diǎn)的選擇不同性質(zhì)的電源地線不能任意互連，而應(yīng)分別匯集于一點(diǎn)，再與系統(tǒng)地相接。5、印刷電路板的地線布局模擬地和數(shù)字地分設(shè)，通過不同的引腳與系統(tǒng)地相連，各個(gè)組件的模擬地和數(shù)字地引腳分別連到電路板上的模擬地線和數(shù)字地線上。盡可能減少地線電阻，因此地線越寬越好。模擬地線可用來隔離各個(gè)輸入模擬信號(hào)之間以及輸出和輸入信號(hào)之間的有害耦合。數(shù)字信號(hào)亦可用數(shù)字地線進(jìn)行隔離。6、機(jī)柜地線的布局在中、低頻系統(tǒng)中，地線布局須采用單點(diǎn)接地方案，其原則是：各個(gè)單元電路的各種地線不得混接。單元電路板不多時(shí)，可把各單元的不同地線直接與有關(guān)電源參考端分別相接。單元電路板很多時(shí)，各印刷板一般被分裝在多層框架上，在各個(gè)框架上安裝幾個(gè)橫向匯流排，分別用以分配各種直流電源、溝通各個(gè)印刷板的各種地線。而各個(gè)框架之間安裝若干縱向匯流排連接所有的橫向匯流排。一、屏蔽的類型和原理5.2.2屏蔽技術(shù)

靜電屏蔽電磁屏蔽磁屏蔽消除靜電干擾抑制高頻電磁場(chǎng)的干擾防止低頻磁場(chǎng)干擾選用低電阻材料作屏蔽盒選用低內(nèi)阻的金屬材料用高導(dǎo)磁材料制成屏蔽罩屏蔽盒都應(yīng)用良好的接地屏蔽盒都應(yīng)用良好的接地二、屏蔽的結(jié)構(gòu)形式屏蔽罩、屏蔽柵網(wǎng)、屏蔽銅箔、隔離倉(cāng)電纜屏蔽線?！镬o電屏蔽+Q+Q+QAAABB★電磁屏蔽ieΦeΦN★低頻磁屏蔽

5.2.3長(zhǎng)線傳輸?shù)母蓴_及抑制

一、長(zhǎng)線感應(yīng)干擾的抑制方法

1、采用雙線傳輸2、采用電流信號(hào)傳輸3、采用數(shù)字信號(hào)傳輸或頻率信號(hào)傳輸二、反射干擾及抑制1、阻抗匹配2、長(zhǎng)線驅(qū)動(dòng)7.2.4共模干擾的抑制

一、隔離技術(shù)――斷開地環(huán)路，阻止共模噪聲通過但允許差模信號(hào)通過。

圖5－2－14隔離原理1、隔離變壓器適用于50Hz以上的信號(hào)，不適用于低頻，特別是超低頻。當(dāng)信號(hào)頻率很低，或者共模電壓很高，或者要求共模漏電流非常小時(shí)，常在信號(hào)源和檢測(cè)系統(tǒng)輸入通道之間(通常在輸入通道前端)插入一個(gè)隔離放大器2、縱向扼流圈結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：雙線并繞在同一鐵芯上，故允許差模信號(hào)通過阻止共模噪聲通過3、光電耦合器（1）抑制干擾的原理：“電—光—電”轉(zhuǎn)換在完全密封條件下進(jìn)行，不會(huì)受到外界光的影響。光耦合器的輸入阻抗很低，干擾源的內(nèi)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。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小，所以它主要用于傳送數(shù)字信號(hào)。（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(dú)立的電源，如果兩端共用一個(gè)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(tǒng)抗干擾

一、從供電系統(tǒng)窗口竄入的干擾大功率的感性負(fù)載或可控硅切換時(shí)，在電網(wǎng)中產(chǎn)生的瞬態(tài)高壓對(duì)系統(tǒng)形成嚴(yán)重的干擾。當(dāng)采用整流方式供電時(shí)，濾波不良會(huì)產(chǎn)生紋波噪聲，這是一種低頻干擾噪聲。當(dāng)采用直流——直流變換器或開關(guān)穩(wěn)壓電源時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)高頻的開關(guān)噪聲干擾。電源的進(jìn)線和輸出線也很容易受到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)以至天電的各種干擾噪聲。二、供電系統(tǒng)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5-2-22電源濾波和退耦技術(shù)LC低通濾波器——濾除交流進(jìn)線上引入50Hz的高次諧波干擾，改善電源的波形。變阻二極管(或壓敏電阻)——抑制交流電源線上的瞬時(shí)干擾。電源變壓器采用雙重屏蔽措施——使混入初級(jí)的噪聲干擾不致進(jìn)入次級(jí)。整流濾波電路（采用了電解電容和無感高頻電容的并聯(lián)組合）——減小高頻噪聲。穩(wěn)壓——抑制電網(wǎng)電壓的波動(dòng)。每個(gè)電路的RC或LC退耦濾波電路——避免通過電源內(nèi)阻造成幾個(gè)電路間互相干擾。2、采用不間斷電源和開關(guān)式直流穩(wěn)壓電源3、系統(tǒng)分別供電和采用電源模塊單獨(dú)供電系統(tǒng)分別供電——向采集系統(tǒng)電路供電的線路應(yīng)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(xiàn)相互干擾。供電線路如圖5-2-23所示。圖5-2-23系統(tǒng)分別供電的線路采用電源模塊單獨(dú)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(tǒng)的可靠性，也有利于電源的散熱。4、供電系統(tǒng)饋線要合理布線。(1)電源前面的一段布線——盡量用粗導(dǎo)線。(2)電源后面的一段布線①均應(yīng)采用雙絞線，無法扭絞時(shí)，應(yīng)把饋線之間的距離縮到最短。②交流線、直流穩(wěn)壓電源線、邏輯信號(hào)線和模擬信號(hào)線、繼電器等感性負(fù)載驅(qū)動(dòng)線、非穩(wěn)壓的直流線均應(yīng)分開布線。(3)電路中應(yīng)盡量避免出現(xiàn)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

一、合理布置印刷電路板上的器件1、為了減小器件之間的電氣干擾，應(yīng)將器件按照其功率的大小及抗干擾能力的強(qiáng)弱分類集中布置：將電源變壓器和輸出驅(qū)動(dòng)器件等大功率強(qiáng)電器件作為一類集中布置；將數(shù)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(yīng)盡量遠(yuǎn)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(jìn)一步分類布置。2、應(yīng)符合易于散熱的原則對(duì)發(fā)熱元器件要考慮通風(fēng)散熱，必要時(shí)要安裝散熱器。發(fā)熱元器件要分散布置，不能集中。對(duì)熱敏感元器件要遠(yuǎn)離發(fā)熱元器件或進(jìn)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(duì)印刷電路板的插腳必須進(jìn)行合理分配。1、將輸入、輸出線分置于印刷板的兩側(cè)，以便相互分離。2、地線設(shè)置在輸入、輸出信號(hào)線的兩側(cè)，以減小信號(hào)線寄生電容的影響。三、印刷電路板合理布線印刷板不能交叉配線。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。不要有長(zhǎng)段的窄條并行，不得已而并行時(shí)，窄條間要再設(shè)置隔離用的窄條。旁路電容器的引線不能長(zhǎng)，尤其是高頻旁路電容器，應(yīng)該考慮不用引線而直接接地。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。單元電路的輸入線和輸出線，應(yīng)當(dāng)用地線隔開。信號(hào)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(shè)地線或用寬地線環(huán)繞。圖7－2－24印刷電路的輸入輸出線布置四、電源線的布置電源線、地線的走向應(yīng)盡量與數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较蛞恢?，且?yīng)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、屏蔽線為了減小外界干擾作用于電路板或者電路板內(nèi)部導(dǎo)線、元件之間出現(xiàn)的電容性干擾，可以在兩個(gè)電流回路的導(dǎo)線之間另設(shè)一根導(dǎo)線，并將它與有關(guān)的基準(zhǔn)電位(或屏蔽電位)相連，就可以發(fā)揮屏蔽作用。2、屏蔽環(huán)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(diǎn)上與基準(zhǔn)電位相連。它可對(duì)外界作用于電路板的電容性干擾起屏蔽作用。六、去耦電容器的配置在電源輸入端跨接10μF～100μF的電解電容器。每個(gè)集成電路芯片都應(yīng)配置一個(gè)0.01μF的陶瓷電容器。對(duì)于抗干擾能力弱，關(guān)斷時(shí)電流變化大的器件和ROM、RAM存儲(chǔ)器件，應(yīng)在芯片的電源線(Vcc)和地線(GND)之間直接接入去耦電容器。電容引線不能太長(zhǎng)，特別是高頻旁路電容不能帶引線。圖5-2-28集成電路的工作狀態(tài)圖5-2-29集成電路干擾的抑制5.3軟件抗干擾技術(shù)軟件冗余技術(shù)軟件陷阱技術(shù)“看門狗”技術(shù)故障自動(dòng)恢復(fù)處理程序軟件抗干擾的設(shè)置前提條件：在干擾作用下，微機(jī)系統(tǒng)硬件部分不會(huì)受到任何損壞，或易損壞部分設(shè)置有監(jiān)測(cè)狀態(tài)可供查詢。程序區(qū)不會(huì)受干擾侵害。RAM區(qū)中的重要數(shù)據(jù)不被破壞，或雖被破壞可以重新建立。軟件抗干擾技術(shù)所研究的主要內(nèi)容：

1、采取軟件的方法抑制疊加在模擬輸入信號(hào)上噪聲對(duì)數(shù)據(jù)采集結(jié)果的影響，如數(shù)字濾波器技術(shù)；2、由于干擾而使運(yùn)行程序發(fā)生混亂，導(dǎo)致程序亂飛或陷入死循環(huán)時(shí)，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(shù)。

5.3.1軟件冗余技術(shù)

一、指令冗余技術(shù)為了使“亂飛”程序在程序區(qū)迅速納入正軌，應(yīng)該多用單字節(jié)指令，并在關(guān)鍵地方人為地插入一些單字節(jié)指令NOP，或?qū)⒂行巫止?jié)指令重寫，稱之為指令冗余。1、NOP的使用

在雙字節(jié)指令和3字節(jié)指令之后插入兩個(gè)單字節(jié)NOP指令

對(duì)程序流向起決定作用的指令(如RET、RETI、ACALL、LCALL、LJMP、JZ、JNZ、JC、JNC、DJNZ等)和某些對(duì)系統(tǒng)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

對(duì)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(duì)系統(tǒng)工作狀態(tài)有重要作用的指令(如SETB、EA等)的后面，可重復(fù)寫上這些指令，以確保這些指令的正確執(zhí)行。

二、時(shí)間冗余技術(shù)

時(shí)間冗余方法是通過消耗時(shí)間資源達(dá)到糾錯(cuò)目的。

1、重復(fù)檢測(cè)法：對(duì)接口中的輸入數(shù)據(jù)信息進(jìn)行多次檢測(cè)，若檢測(cè)結(jié)果完全一致，則是真的輸入信號(hào)；若相鄰的檢測(cè)內(nèi)容不一致，或多次檢測(cè)結(jié)果不一致，則是偽輸入信號(hào)。

2、重復(fù)輸出法：對(duì)于那些用鎖存器輸出的控制信號(hào)，采取重復(fù)輸出的辦法。輸出重復(fù)周期盡可能短些。

3、指令復(fù)執(zhí)技術(shù)：這種技術(shù)是重復(fù)執(zhí)行已發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤的指令（一旦發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤、就重新執(zhí)行被錯(cuò)誤破壞的現(xiàn)行指令），如故障是瞬時(shí)的，在指令復(fù)執(zhí)期間，有可能不再出現(xiàn)，程序可繼續(xù)執(zhí)行。

4、程序卷回技術(shù)程序卷回不是某一條指令的重復(fù)執(zhí)行，而是一小段程序的重復(fù)執(zhí)行。為了實(shí)現(xiàn)卷回，也要保留現(xiàn)場(chǎng)。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(shí)避開法當(dāng)系統(tǒng)要接通或斷開大功率負(fù)載時(shí)，使CPU暫停工作，待干擾過去以后再恢復(fù)工作，這比單純?cè)谟布喜扇】垢蓴_措施要方便許多。5.3.2軟件陷阱技術(shù)

一、軟件陷阱軟件陷阱，就是用引導(dǎo)指令強(qiáng)行將捕獲到的亂飛程序引向復(fù)位入口地址0000H，在此處將程序轉(zhuǎn)向?qū)ｉT對(duì)程序出錯(cuò)進(jìn)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。

形式軟件陷阱技術(shù)對(duì)應(yīng)入口形式形式一NOPNOPLJMP0000H0000H:LJMPMAIN；運(yùn)行程序::形式二LJMP0202HLJMP0000H0000H:LJMPMAIN；運(yùn)行主程序::0202H:LJMP0000H::5.3.3“看門狗”技術(shù)

“看門狗”技術(shù)就是不斷監(jiān)視程序循環(huán)運(yùn)行時(shí)間，若發(fā)現(xiàn)時(shí)間超過已知的循環(huán)設(shè)定時(shí)間，則認(rèn)為系統(tǒng)陷入了“死循環(huán)”，然后強(qiáng)迫程序返回到0000H入