中科大數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)課件——數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)

1、,11.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中常見(jiàn)的干擾,11.2 供電系統(tǒng)的抗干擾,11.3 模擬信號(hào)輸入通道的抗干擾,第11章 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的抗干擾技術(shù),11.4 接地問(wèn)題,11.5 微機(jī)總線(xiàn)的抗干擾措施,11.6 數(shù)據(jù)采集軟件的抗干擾,11.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中常見(jiàn)的干擾,干擾：一般是指有用信號(hào)以外的噪聲，在信號(hào)輸入、傳輸和輸出過(guò)程中出現(xiàn)的一些有害的電氣變化現(xiàn)象。這些變化迫使信號(hào)的傳輸值、 指示值或輸出值出現(xiàn)誤差, 出現(xiàn)假像。,干擾對(duì)電路的影響, 輕則降低信號(hào)的質(zhì)量, 影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性; 重則破壞電路的正常功能, 造成邏輯關(guān)系混亂, 控制失靈。,干擾與噪聲：,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)

2、立的，與有用信號(hào)無(wú)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)入智能儀器并影響其正常工作才形成干擾。 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(guò)程。 干擾在滿(mǎn)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。,11.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中常見(jiàn)的干擾,干擾系統(tǒng)的三個(gè)要素:,干擾源：產(chǎn)生干擾信號(hào)的原因； 傳播途徑：干擾源影響系統(tǒng)的路徑； 干擾對(duì)象：干擾源通過(guò)傳播途徑影響的器件或系統(tǒng)；,抗干擾技術(shù)就是通過(guò)對(duì)這三要素中的一個(gè)或多個(gè)采取必要措施來(lái)實(shí)現(xiàn)的。,11.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中常見(jiàn)的干擾,干擾的來(lái)源：,外部干擾：與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)，是由使用

3、條件和外部環(huán)境因素決定的。,主要有：天電干擾，如雷電或大氣電離作用引起的干擾電波；天體干擾，如太陽(yáng)輻射的電磁波；周?chē)姎庠O(shè)備發(fā)出的電磁波的干擾；電源的工頻干擾；氣象條件引起的干擾；地磁場(chǎng)干擾；火化放電、弧光放電、輝光放電等產(chǎn)生的電磁波等。,11.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中常見(jiàn)的干擾,干擾的來(lái)源：,內(nèi)部干擾：是由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布局、線(xiàn)路設(shè)計(jì)、元器件性質(zhì)變化和漂移等原因造成的。,主要有：分布電容、分布電感引起的耦合感應(yīng)，電磁場(chǎng)輻射感應(yīng)，長(zhǎng)線(xiàn)傳輸?shù)牟ǚ瓷?，多點(diǎn)接地造成的電位差引入的干擾，寄生振蕩引起的干擾以及熱噪聲、閃變?cè)肼?、尖峰噪聲等?11.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中常見(jiàn)的干擾,干擾出現(xiàn)規(guī)律：,固定干擾：系統(tǒng)附近固

4、定的電氣設(shè)備運(yùn)行時(shí)發(fā)出的干擾。,例如，鄰近的“強(qiáng)電”設(shè)備的有規(guī)律的啟停有可能引入一個(gè)固定時(shí)刻的干擾。,半固定干擾：某些偶然使用的電氣設(shè)備引起的干擾。,隨機(jī)干擾：偶發(fā)性的干擾。,半固定干擾與隨機(jī)干擾的區(qū)分在于，前者是可預(yù)測(cè)的，后者是難以預(yù)測(cè)的。,11.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中常見(jiàn)的干擾,干擾的傳播方式：,電容性耦合,11.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中常見(jiàn)的干擾,干擾的傳播方式：,互感耦合,為感應(yīng)磁場(chǎng)交變角頻率 M為兩根導(dǎo)線(xiàn)之間的互感 IN為導(dǎo)線(xiàn)1中的電流,例子：設(shè)某信號(hào)線(xiàn)與電壓為220VAC、負(fù)荷為10KVA輸電線(xiàn)的距離為1m，并且平行走線(xiàn)10m，兩線(xiàn)之間的互感為4.2H，則按上式計(jì)算出信號(hào)線(xiàn)上感應(yīng)的干擾電壓U

5、N為：,可見(jiàn)，這樣大的干擾，足以淹沒(méi)小信號(hào)。,11.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中常見(jiàn)的干擾,干擾的傳播方式：,公共阻抗耦合,電源內(nèi)阻抗的共阻抗耦合 公共地線(xiàn)的耦合 信號(hào)輸出電路的相互干擾,公共阻抗耦合是指多個(gè)電路的電流流經(jīng)同一公共阻抗時(shí)所產(chǎn)生的相互影響。,由于接地電位不同而造成的干擾是這類(lèi)干擾的主要表現(xiàn)形式。,11.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中常見(jiàn)的干擾,干擾的傳播方式：,漏電耦合,漏電耦合干擾是因絕緣電阻降低而由漏電流引起的干擾，多發(fā)生于工作條件比較惡劣的環(huán)境或器件性能退化、器件本身老化的情況下。,傳導(dǎo)耦合,傳導(dǎo)耦合是指經(jīng)導(dǎo)線(xiàn)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。,輻射電磁場(chǎng)耦合,大功率

6、的高頻電氣設(shè)備，通信發(fā)射臺(tái)等，不斷地向外發(fā)射電磁波。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。,11.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中常見(jiàn)的干擾,干擾的作用方式：,差模干擾：又稱(chēng)串模干擾，是指疊加在被測(cè)信號(hào)上的干擾噪聲，它串聯(lián)在信號(hào)源回路中，與被測(cè)信號(hào)相加輸入系統(tǒng)。差模干擾與被測(cè)信號(hào)在回路中處于同樣的地位，也稱(chēng)為常態(tài)干擾或橫向干擾。,差模干擾,產(chǎn)生差模干擾的原因：分布電容的電場(chǎng)耦合，空間的磁場(chǎng)耦合，長(zhǎng)線(xiàn)傳輸?shù)幕ジ校?0Hz工頻干擾，以及信號(hào)回路中元件參數(shù)變化等,11.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中常見(jiàn)的干擾,干擾的作用方式：,共模干擾,共模干擾：是在電路輸入端相對(duì)公共

7、接地點(diǎn)同時(shí)出現(xiàn)的干擾，也稱(chēng)為共態(tài)干擾、對(duì)地干擾、縱向干擾、同向干擾等。,產(chǎn)生共模干擾的原因：,在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)附近有大功率的電氣設(shè)備，電磁場(chǎng)以電感或電容形式耦合到傳感器和傳輸導(dǎo)線(xiàn)中。 電源絕緣不良而引起漏電或三相動(dòng)力電網(wǎng)負(fù)載不平衡致使零線(xiàn)有較大的電流時(shí)，存在著較大的地電位和地電位差。如果系統(tǒng)有兩個(gè)以上的接地點(diǎn)，則地電位差就會(huì)造成共模干擾。,電氣設(shè)備的絕緣性能不良時(shí)，動(dòng)力電源會(huì)通過(guò)漏電阻耦合到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的信號(hào)回路，形成干擾。 在交流供電的儀器中，交流電會(huì)通過(guò)原、副邊繞組間的寄生電容、整流濾波電路、信號(hào)電路與地之間的寄生電容到地構(gòu)成回路，形成干擾。,11.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中常見(jiàn)的干擾,干擾的作用方

8、式：,共模干擾,直流信號(hào)； 串模干擾； 共模干擾； 串模干擾與共模干擾共同作用,串模干擾與共模干擾波形,11.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中常見(jiàn)的干擾,干擾的作用方式：,共模干擾,由共模干擾Ucm引起系統(tǒng)輸入的差模電壓：,對(duì)于系統(tǒng)干擾來(lái)說(shuō)，共模干擾大都通過(guò)差模干擾方式表現(xiàn)出來(lái),兩種輸入方式的共模電壓的引入,11.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中常見(jiàn)的干擾,干擾的作用方式：,共模干擾,對(duì)于系統(tǒng)干擾來(lái)說(shuō)，共模干擾大都通過(guò)差模干擾方式表現(xiàn)出來(lái),兩種輸入方式的共模電壓的引入,為了衡量一個(gè)放大器抑制共模干擾的能力，常用共模抑制比CMRR表示，即： 單端輸入方式的CMRR較小，說(shuō)明它的抗共模抑制能力較差；而雙端輸入方式，CMRR較

9、大，所以抗共模干擾能力很強(qiáng)。對(duì)于存在共模干擾的場(chǎng)合，不能采用單端輸入方式，應(yīng)采用雙端輸入方式。,其中，Ucm是共模干擾電壓，Un是由Ucm轉(zhuǎn)化成的差模干擾電壓。UO是輸出電壓，Aud是差模信號(hào)放大倍率，Auc是共模信號(hào)放大倍率。,11.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中常見(jiàn)的干擾,干擾的作用方式：,長(zhǎng)線(xiàn)傳輸干擾,長(zhǎng)線(xiàn)傳輸干擾：在數(shù)據(jù)采集等系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)到采集計(jì)算機(jī)以及控制計(jì)算機(jī)到現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，都經(jīng)過(guò)一段較長(zhǎng)的線(xiàn)路進(jìn)行信號(hào)傳輸，即長(zhǎng)線(xiàn)傳輸，在長(zhǎng)線(xiàn)傳輸中產(chǎn)生的干擾稱(chēng)為長(zhǎng)線(xiàn)傳輸干擾。,信號(hào)在長(zhǎng)線(xiàn)中傳輸會(huì)遇到三個(gè)問(wèn)題：一是高速變化的信號(hào)在長(zhǎng)線(xiàn)中傳輸時(shí)，會(huì)出現(xiàn)波反射現(xiàn)象，二是具有信號(hào)延時(shí)，三是長(zhǎng)線(xiàn)傳輸會(huì)受到外界干擾。

10、,11.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中常見(jiàn)的干擾,常見(jiàn)干擾的分類(lèi)：,11.2 供電系統(tǒng)的抗干擾,電源引入的干擾是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要干擾之一。由于我國(guó)電網(wǎng)的頻率與電壓波動(dòng)較大，會(huì)直接對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。,供電干擾的種類(lèi),過(guò)壓、欠壓、停電： 解決辦法是使用各種穩(wěn)壓器、電源調(diào)節(jié)器，對(duì)短時(shí)停電可用不間斷電源（UPS）供電。 浪涌、下陷、半周降出：可使用快速響應(yīng)的交流電源調(diào)壓器克服。 尖峰電壓：解決辦法是使用具有噪聲抑制能力的交流電源調(diào)節(jié)器、參數(shù)穩(wěn)壓器或超隔離變壓器。 射頻干擾：可加23節(jié)低通濾波器消除干擾。,依據(jù)干擾的頻率,尖峰脈沖,隔離變壓器使電網(wǎng)地線(xiàn)的干擾不能進(jìn)入系統(tǒng)。,11.2 供電系統(tǒng)的抗干擾,采用隔

11、離變壓器,高頻噪聲通過(guò)初、次級(jí)間寄生電容的耦合傳播，因此需要加屏蔽層進(jìn)行隔離，以減少寄生電容，提高抗共模干擾能力。,隔離變壓器的作用還有：,防止浪涌電壓和尖峰電壓直接竄入而損壞系統(tǒng)； 利用其屏蔽層阻止高頻干擾信號(hào)竄入。,可用漆包線(xiàn)或銅等非導(dǎo)磁材料在初級(jí)和次級(jí)繞一層，但電氣上不能與初級(jí)、次級(jí)線(xiàn)圈短路，而后引出一個(gè)頭接地,11.2 供電系統(tǒng)的抗干擾,采用隔離變壓器,隨著技術(shù)的進(jìn)步，國(guó)外已研制成功了專(zhuān)門(mén)抑制噪聲的隔離變壓器（NoiseCutoutTransformer，簡(jiǎn)稱(chēng)NCT），這是一種繞組和變壓器整體都有屏蔽層的多層屏蔽變壓器。 這類(lèi)變壓器的結(jié)構(gòu)，鐵心材料，形狀及其線(xiàn)圈位置都比較特殊，它可以切

12、斷高頻噪聲漏磁通和繞組的交鏈，從而使差模噪聲不易感應(yīng)到二次側(cè)，故這種變壓器既能切斷共模噪聲電壓，又能切斷差模噪聲電壓，是比較理想的隔離變壓器。,11.2 供電系統(tǒng)的抗干擾,采用電源低通濾波器,電網(wǎng)的干擾大部分是高次諧波，故可以采用低通濾波器來(lái)濾除大于50Hz的高次諧波，以改善電源的波形。,作用：由電容和電感組成的濾波網(wǎng)絡(luò)，能濾除電網(wǎng)高次噪聲。 存在的問(wèn)題：當(dāng)噪聲電平較高時(shí)，由于電感發(fā)生磁飽和現(xiàn)象，有可能會(huì)使電感元器件幾乎失去作用，從而導(dǎo)致抗干擾失效。,解決思路：在干擾進(jìn)入低通濾波器前加以衰減，從而避免低通濾波器進(jìn)入磁飽和狀態(tài)。,11.2 供電系統(tǒng)的抗干擾,采用電源低通濾波器,具體做法：在電源低

13、通濾波器前，加設(shè)一個(gè)分布參數(shù)噪聲衰減器。 分布參數(shù)噪聲衰減器是一個(gè)由近50米長(zhǎng)的雙絞線(xiàn)組成的線(xiàn)圈，導(dǎo)線(xiàn)的橫截面積根據(jù)通電電流強(qiáng)度決定。 分布參數(shù)噪聲衰減器依靠?jī)筛鶎?dǎo)線(xiàn)之間及各匝導(dǎo)線(xiàn)之間存在的分布參數(shù)（分布電容和分布電感），對(duì)流過(guò)它的迭加在低頻市電上的各種干擾脈沖進(jìn)行衰減甚至濾除。從而保證低通濾波器的電感工作在非飽和區(qū)。 由于分布參數(shù)噪聲衰減器沒(méi)有電感器件，故不會(huì)產(chǎn)生磁飽和現(xiàn)象。,解決思路：在干擾進(jìn)入低通濾波器前加以衰減，從而避免低通濾波器進(jìn)入磁飽和狀態(tài)。,11.2 供電系統(tǒng)的抗干擾,采用電源低通濾波器,使用低通濾波器的注意事項(xiàng)：,低通濾波器本身應(yīng)屏蔽，而且屏蔽盒與系統(tǒng)的機(jī)殼要保持良好的接觸；

14、為減少耦合，所有導(dǎo)線(xiàn)要靠近地面走線(xiàn)； 低通濾波器的輸入和輸出端要進(jìn)行隔離； 低通濾波器的位置應(yīng)盡量靠近需要濾波的地方，其間的連線(xiàn)也要進(jìn)行屏蔽。,11.2 供電系統(tǒng)的抗干擾,采用電源低通濾波器,使用低通濾波器的注意事項(xiàng)：,電源濾波器、信號(hào)濾波器和機(jī)殼一起，構(gòu)成一個(gè)完善的干擾防護(hù)網(wǎng)。,11.2 供電系統(tǒng)的抗干擾,采用電源低通濾波器,使用低通濾波器的注意事項(xiàng)：,濾波器獨(dú)立，帶屏蔽殼,濾波器集成在內(nèi)部電源板上,濾波器的正確安裝,簡(jiǎn)單的面板濾波器,11.2 供電系統(tǒng)的抗干擾,采用電源低通濾波器,使用低通濾波器的注意事項(xiàng)：,濾波器安裝在線(xiàn)路板的問(wèn)題,電源線(xiàn)泄漏嚴(yán)重,干擾,11.2 供電系統(tǒng)的抗干擾,采用電

15、源低通濾波器,使用低通濾波器的注意事項(xiàng)：,電源線(xiàn)無(wú)泄漏,干擾被濾波器擋住,被濾波器旁路掉,面板濾波器,線(xiàn)路板上濾波的改進(jìn)方法,11.2 供電系統(tǒng)的抗干擾,采用電源低通濾波器,使用低通濾波器的注意事項(xiàng)：,面板上濾波的簡(jiǎn)易（臨時(shí)）方法,容量適當(dāng)?shù)拇善娙莼颡?dú)石電容，引線(xiàn)盡量短,11.2 供電系統(tǒng)的抗干擾,采用電源低通濾波器,使用低通濾波器的注意事項(xiàng)：,電源線(xiàn)濾波器的錯(cuò)誤安裝,11.2 供電系統(tǒng)的抗干擾,采用電源低通濾波器,使用低通濾波器的注意事項(xiàng)：,電源線(xiàn)濾波器的錯(cuò)誤安裝,濾波器的屏蔽殼必須接地良好。,濾波器通過(guò)細(xì)線(xiàn)接地，高頻效果很差！,11.2 供電系統(tǒng)的抗干擾,采用交流穩(wěn)壓器,交流穩(wěn)壓器，可以

16、保證交流供電的穩(wěn)定性，防止交流電源的過(guò)壓或欠壓。,對(duì)于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這時(shí)目前最普遍采用的抑制電網(wǎng)波動(dòng)的方法。,輸入開(kāi)關(guān)：作為穩(wěn)壓器輸入工作開(kāi)關(guān)，一般都采用有限流保護(hù)的空氣開(kāi)關(guān)式小型斷路開(kāi)關(guān)，它能對(duì)穩(wěn)壓器和用電設(shè)備起到保護(hù)作用。,電壓調(diào)節(jié)裝置：是一種可以調(diào)節(jié)輸出電壓的裝置,它能將輸出電壓升高或降低是穩(wěn)壓器最主要的部件。,11.2 供電系統(tǒng)的抗干擾,采用交流穩(wěn)壓器,交流穩(wěn)壓器，可以保證交流供電的穩(wěn)定性，防止交流電源的過(guò)壓或欠壓。,對(duì)于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這時(shí)目前最普遍采用的抑制電網(wǎng)波動(dòng)的方法。,取樣電路：它對(duì)穩(wěn)壓器輸出電壓和電流進(jìn)行檢測(cè)，將輸出電壓變化的情況給傳送給控制電路。,輸出保護(hù)裝置：一種

17、連通和斷開(kāi)穩(wěn)壓器的輸出的裝置，一般常用繼電器或接觸器或保險(xiǎn)器等。,11.2 供電系統(tǒng)的抗干擾,采用交流穩(wěn)壓器,交流穩(wěn)壓器，可以保證交流供電的穩(wěn)定性，防止交流電源的過(guò)壓或欠壓。,對(duì)于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這時(shí)目前最普遍采用的抑制電網(wǎng)波動(dòng)的方法。,控制電路：它將取樣電路檢測(cè)到的電壓進(jìn)行分析,當(dāng)輸出電壓偏高時(shí)，則向驅(qū)動(dòng)裝置發(fā)送將電壓降低的控制信號(hào)，則驅(qū)動(dòng)裝置控制電壓調(diào)節(jié)裝置將輸出電壓調(diào)低，當(dāng)輸出電壓偏低時(shí)，則向驅(qū)動(dòng)裝置發(fā)送將電壓升高的控制信號(hào)，則驅(qū)動(dòng)裝置控制電壓調(diào)節(jié)裝置將輸出電壓調(diào)高，從而使輸出電壓達(dá)到穩(wěn)定輸出的目的。,驅(qū)動(dòng)裝置：由于控制電路的控制電信號(hào)較弱,所以需要用驅(qū)動(dòng)裝置來(lái)進(jìn)行功率放大和轉(zhuǎn)換。,當(dāng)

18、檢測(cè)到輸出電壓或電流超出穩(wěn)壓器的控制范圍時(shí)?？刂齐娐穼⒖刂戚敵霰Ｗo(hù)裝置使之?dāng)嚅_(kāi)輸出而保護(hù)用電設(shè)備，而在正常時(shí)輸出保護(hù)裝置是連通輸出的，用電設(shè)備可以得到穩(wěn)定的電壓供給。,11.2 供電系統(tǒng)的抗干擾,采用交流穩(wěn)壓器,交流穩(wěn)壓器，可以保證交流供電的穩(wěn)定性，防止交流電源的過(guò)壓或欠壓。,對(duì)于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這時(shí)目前最普遍采用的抑制電網(wǎng)波動(dòng)的方法。,注意：在具體使用時(shí)，應(yīng)保證有一定的功率儲(chǔ)備。,當(dāng)然，電源容量增加太多，勢(shì)必會(huì)造成體積過(guò)大，成本增加，一般應(yīng)選取0.51倍裕量。,11.2 供電系統(tǒng)的抗干擾,系統(tǒng)分別供電,當(dāng)系統(tǒng)中使用繼電器、磁帶機(jī)等設(shè)備時(shí)，供電線(xiàn)路應(yīng)該分開(kāi)，以避免在供電線(xiàn)路之間出現(xiàn)相互干擾。

19、,11.2 供電系統(tǒng)的抗干擾,采用電源模塊單獨(dú)供電,線(xiàn)性電源,優(yōu)點(diǎn)： 紋波小。,缺點(diǎn)： 效率低； 只能降壓,11.2 供電系統(tǒng)的抗干擾,采用電源模塊單獨(dú)供電,開(kāi)關(guān)電源,缺點(diǎn)： 紋波大,優(yōu)點(diǎn)： 效率高； 既能降壓, 又能升壓。,11.2 供電系統(tǒng)的抗干擾,采用電源模塊單獨(dú)供電,開(kāi)關(guān)電源,缺點(diǎn)： 紋波大,優(yōu)點(diǎn)： 效率高； 既能降壓, 又能升壓。,50Hz的奇次諧波（1、3、5、7、 ） 開(kāi)關(guān)頻率的基頻和諧波（1MHz以下差模為主，1MHz以上共模為主）,開(kāi)關(guān)電源的噪聲：,11.2 供電系統(tǒng)的抗干擾,采用電源模塊單獨(dú)供電,采用單獨(dú)供電方式，與集中供電相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：,每個(gè)電源模塊單獨(dú)對(duì)相應(yīng)板卡進(jìn)

20、行電壓過(guò)載保護(hù)，不會(huì)因某個(gè)穩(wěn)壓器的故障而使全系統(tǒng)癱瘓。 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。 總電源線(xiàn)上電壓的變化，不會(huì)影響板卡上的電壓，有利于提高板卡的工作可靠性。,11.2 供電系統(tǒng)的抗干擾,供電系統(tǒng)饋線(xiàn)要合理布線(xiàn),電源的引入線(xiàn)和輸出線(xiàn)以及公共線(xiàn)在布線(xiàn)時(shí)，應(yīng)采取以下抗干擾措施：,電源前面的一段布線(xiàn)：,從電源引入口，經(jīng)開(kāi)關(guān)器件至低通濾波器之間的饋線(xiàn)，盡量用粗導(dǎo)線(xiàn)； 饋線(xiàn)之間形成的環(huán)路一定要小。 輸入線(xiàn)應(yīng)避免與其他電路平行。,11.2 供電系統(tǒng)的抗干擾,供電系統(tǒng)饋線(xiàn)要合理布線(xiàn),電源的引入線(xiàn)和輸出線(xiàn)以及公共線(xiàn)在布線(xiàn)時(shí)，應(yīng)采取以下抗干擾措

21、施：,電源后面的一段布線(xiàn)：,均應(yīng)采用雙絞線(xiàn)，扭絞的螺距要小。如果導(dǎo)線(xiàn)較粗，無(wú)法 扭絞時(shí)，也把饋線(xiàn)之間的距離縮到最短； 交流線(xiàn)、直流穩(wěn)壓電源線(xiàn)、邏輯信號(hào)線(xiàn)和模擬信號(hào)線(xiàn)、繼電器等感性負(fù)載驅(qū)動(dòng)線(xiàn)、非穩(wěn)壓的直流線(xiàn)均應(yīng)分開(kāi)布線(xiàn)。,饋線(xiàn)之間形成的環(huán)路一定要小。,電源的公共線(xiàn)：,電路中盡量避免出現(xiàn)公共線(xiàn)，因?yàn)樵诠簿€(xiàn)上，某一負(fù)載的變化引起的壓降，都會(huì)影響其他負(fù)載； 若公共線(xiàn)不能避免，則必須把公共線(xiàn)加粗，以降低阻抗。,11.2 供電系統(tǒng)的抗干擾,供電系統(tǒng)饋線(xiàn)要合理布線(xiàn),電源的引入線(xiàn)和輸出線(xiàn)以及公共線(xiàn)在布線(xiàn)時(shí)，應(yīng)采取以下抗干擾措施：,電源各器件的布局：,共模電感應(yīng)與變壓器保持一定距離，以避免磁偶合。如不好處理可

22、在共模電感與變壓器間加一屏蔽 ；,共模電感，也叫共模扼流圈，常用于開(kāi)關(guān)電源中過(guò)濾共模的電磁干擾信號(hào)。它是由兩個(gè)線(xiàn)圈繞在同一鐵芯上，匝數(shù)和相位都相同(繞制反向)。,這樣，當(dāng)電路中的正常電流流經(jīng)共模電感時(shí)，電流在同相位繞制的電感線(xiàn)圈中產(chǎn)生反向的磁場(chǎng)而相互抵消，此時(shí)正常信號(hào)電流主要受線(xiàn)圈電阻的影響(和少量因漏感造成的阻尼)； 當(dāng)有共模電流流經(jīng)線(xiàn)圈時(shí)，由于共模電流的同向性，會(huì)在線(xiàn)圈內(nèi)產(chǎn)生同向的磁場(chǎng)而增大線(xiàn)圈的感抗，使線(xiàn)圈表現(xiàn)為高阻抗，產(chǎn)生較強(qiáng)的阻尼效果，以此衰減共模電流，達(dá)到濾波的目的。,11.2 供電系統(tǒng)的抗干擾,一個(gè)采用共模扼流圈的典型電源濾波電路：,11.2 供電系統(tǒng)的抗干擾,該電源濾波器的特性

23、：,損耗,頻率,理想濾波器特性,實(shí)際濾波器特性,30MHz,對(duì)高頻噪聲的濾波特性，越來(lái)越受到關(guān)注,11.2 供電系統(tǒng)的抗干擾,改善該濾波器高頻特性的方法,或,精心繞制或多個(gè)電感串聯(lián),11.2 供電系統(tǒng)的抗干擾,改善該濾波器高頻特性的方法,器件距離對(duì)高頻性能的影響,三端電容,三端電容是一種特殊結(jié)構(gòu)的電容器，它與普通電容器的區(qū)別在于，它有三根引線(xiàn)，其中一個(gè)電極上有兩根引線(xiàn)。 普通電容的引線(xiàn)電感對(duì)于電容的高頻濾波的作用是有害的，而三端電容卻巧妙地利用了引線(xiàn)電感，構(gòu)成了一個(gè)型低通濾波器。 三端電容的高頻濾波效果比普通電容改善了很多。如果在三端電容的兩根連在一起的引線(xiàn)上分別安裝一個(gè)鐵氧體磁珠，則會(huì)大大增

24、加型濾波器的濾波效果。,11.2 供電系統(tǒng)的抗干擾,三端電容的正確使用,對(duì)于三端電容器，如果接地引線(xiàn)過(guò)長(zhǎng)，引線(xiàn)的電感是十分有害的，會(huì)使濾波性能大打折扣。 對(duì)于濾除差模干擾的濾波器，只要在布線(xiàn)時(shí)保證接地引線(xiàn)的走線(xiàn)盡量短就可以了。 對(duì)于濾除共模干擾的濾波器，還要保證線(xiàn)路板與機(jī)箱之間的接地良好。 用于/接口濾波接地目的的地線(xiàn)要單獨(dú)安排，并且僅與線(xiàn)路板的其它地線(xiàn)在一點(diǎn)連接,11.2 供電系統(tǒng)的抗干擾,三端電容的不足,寄生電容造成輸入端、輸出端耦合,接地電感造成旁路效果下降,11.2 供電系統(tǒng)的抗干擾,穿心電容更勝一籌,穿心電容是一種三端電容。 但與普通的三端電容相比，由于它直接安裝在金屬面板上，因此它

25、的接地電感更小，幾乎沒(méi)有引線(xiàn)電感的影響。 另外，它的輸入輸出端被金屬板隔離，消除了高頻耦合。 這兩個(gè)特點(diǎn)決定了穿心電容具有接近理想電容的濾波效果。,11.2 供電系統(tǒng)的抗干擾,穿心電容更勝一籌,穿心式電容自電感較普通電容小得多，故而自諧振頻率很高。同時(shí)，穿心式設(shè)計(jì)，也有效地防止了高頻信號(hào)從輸入端直接耦合到輸出端。這種低通高阻的組合，在1GHz頻率范圍內(nèi)，提供了極好的抑制效果。 以穿心電容為基礎(chǔ)的饋通濾波器廣泛應(yīng)用于RF濾波,11.2 供電系統(tǒng)的抗干擾,穿心電容使用注意事項(xiàng),必須安裝在金屬板上，并在一周接地。 最好焊接，螺紋安裝時(shí)要使用帶齒墊片。 焊接時(shí)間不能過(guò)長(zhǎng)。 上緊螺紋時(shí)扭矩不能過(guò)大。,1

26、1.2 供電系統(tǒng)的抗干擾,11.2 供電系統(tǒng)的抗干擾,鐵氧體磁珠濾波器,鐵氧體磁珠是一個(gè)對(duì)高頻有很大的損耗，而對(duì)低頻及直流幾乎沒(méi)有損耗的元件，它對(duì)1MHz以上的干擾有顯著的衰減作用。,鐵氧體磁珠可分為電阻性的和電感性的兩種，一般用電感性的磁珠作為濾波器。,在直流大電流時(shí)要注意選擇磁珠的規(guī)格，不要引起磁珠的磁飽和。,11.2 供電系統(tǒng)的抗干擾,供電系統(tǒng)饋線(xiàn)要合理布線(xiàn),電源的引入線(xiàn)和輸出線(xiàn)以及公共線(xiàn)在布線(xiàn)時(shí)，應(yīng)采取以下抗干擾措施：,電源各器件的布局：,輸出電容一般可采用兩只，一只靠近整流管，另一只應(yīng)靠近輸出端子，可改善電源輸出紋波指標(biāo)，兩只小容量電容并聯(lián)效果優(yōu)于用一只大容量電容。 發(fā)熱器件要和電解

27、電容保持一定距離，以延長(zhǎng)整機(jī)壽命，電解電容是開(kāi)關(guān)電源壽命的瓶勁，如變壓器、功率管、大功率電阻要和電解保持距離，電解之間也須留出散熱空間，條件允許可將其放置在進(jìn)風(fēng)口。,11.3 模擬信號(hào)輸入通道的抗干擾,采用隔離技術(shù)隔離干擾,對(duì)模擬信號(hào)輸入通道的干擾主要是因公共地線(xiàn)所引起。另外，當(dāng)傳輸線(xiàn)路較長(zhǎng)時(shí)，還會(huì)受到靜電荷和電磁波噪聲的干擾。,隔離干擾：從電路上把干擾源和敏感電路隔離開(kāi)來(lái)，使它們之間不存在電的聯(lián)系，或者削弱它們之間電的聯(lián)系。,光電隔離：,由于光電耦合器是用光傳送信號(hào)，兩端電路無(wú)直接電氣聯(lián)系，因此，切斷了兩端電路之間地線(xiàn)的聯(lián)系，抑制了共模干擾。 光電耦合器的輸入阻抗很低，一般在100歐1000

28、歐之間，而干擾源的內(nèi)阻一般很大，通常為105歐106歐，能夠傳送到光電耦合器輸入端的干擾信號(hào)很小。,11.3 模擬信號(hào)輸入通道的抗干擾,采用隔離技術(shù)隔離干擾,光電隔離：,由于干擾噪聲源的內(nèi)阻一般很大，盡管它能提供較大幅度的干擾電壓，但能提供的能量很小，即只能形成微弱的電流。而光電耦合器輸入端的發(fā)光二極管，只有當(dāng)流過(guò)的電流超過(guò)其閾值時(shí)才能發(fā)光，輸出端的光敏三極管只在一定光強(qiáng)下才能工作。因此即使是電壓閾值很高的干擾，由于沒(méi)有足夠的能量而不能使發(fā)光二極管發(fā)光，從而被抑制掉。 光電耦合器的輸入端與輸出端之間的寄生電容極小，一般僅為0.5pF2pF，而絕緣電阻又非常大，通常為1011歐1013歐，因此輸

29、出端的各種干擾噪聲很難反饋到輸入端去。,11.3 模擬信號(hào)輸入通道的抗干擾,采用隔離技術(shù)隔離干擾,電磁隔離：,在傳感器與采集電路之間加入一個(gè)隔離放大器，利用隔離放大器的電磁耦合，將外界的模擬信號(hào)與系統(tǒng)進(jìn)行隔離傳送。 另外，隔離后的兩電路應(yīng)分別采用兩組互相獨(dú)立的電源供電，切斷兩部分的地線(xiàn)聯(lián)系，以使共模干擾電壓不能構(gòu)成回路，從而達(dá)到抑制共模干擾的目的。 這種隔離適用于無(wú)直流分量信號(hào)的通路。對(duì)于直流信號(hào)，也可通過(guò)調(diào)制器變換成交流信號(hào)，經(jīng)隔離變壓器后，用解調(diào)器再變換成直流信號(hào)。,11.3 模擬信號(hào)輸入通道的抗干擾,采用濾波器濾除干擾,濾波器：,無(wú)源濾波器、有源濾波器、數(shù)字濾波器 低通濾波器、高通濾波器

30、、帶通濾波器、帶阻濾波器,Uo：輸出信號(hào)； Ui ：輸入信號(hào)； ：信號(hào)的角頻率。,11.3 模擬信號(hào)輸入通道的抗干擾,采用濾波器濾除干擾,低通濾波器類(lèi)型,11.3 模擬信號(hào)輸入通道的抗干擾,采用濾波器濾除干擾,濾波器的階數(shù)和截止頻率,欲衰減20dB，至少4階,欲衰減20dB，只需要1階,階數(shù)決定過(guò)渡帶的陡度,11.3 模擬信號(hào)輸入通道的抗干擾,采用濾波器濾除干擾,根據(jù)阻抗選用濾波電路,規(guī)律：電容對(duì)高阻，電感對(duì)低阻,11.3 模擬信號(hào)輸入通道的抗干擾,采用濾波器濾除干擾,濾波要注意事項(xiàng),對(duì)于型濾波器，要特別注意對(duì)地阻抗的問(wèn)題。 濾波器并排安裝，否則，已經(jīng)濾波的和沒(méi)有濾波的信號(hào)之間會(huì)發(fā)生串?dāng)_，使總

31、體濾波失效。 用于/接口濾波接地目的的地線(xiàn)必須是“干凈地”。,預(yù)期干擾電流路徑,實(shí)際干擾電流路徑,11.3 模擬信號(hào)輸入通道的抗干擾,采用濾波器濾除干擾,濾波要注意事項(xiàng),濾波器要靠近接口，在進(jìn)口處可以設(shè)置擋板防止電磁干擾。 如果要設(shè)計(jì)一個(gè)濾波器，一般設(shè)計(jì)方法是找一個(gè)濾波器設(shè)計(jì)軟件，可以直接輸入設(shè)計(jì)要求，如階數(shù)，截至頻率等。將軟件自動(dòng)生成的電路使用硬件仿真去觀察其特性是否能滿(mǎn)足要求。,11.3 模擬信號(hào)輸入通道的抗干擾,采用屏蔽措施屏蔽干擾,屏蔽就是利用屏蔽體阻止或減少電磁能量傳播的一種措施； 屏蔽體是為了阻止或減小電磁能傳輸而對(duì)裝置進(jìn)行封閉或遮蔽的一種阻擋層，它可以是導(dǎo)電的、導(dǎo)磁的、介質(zhì)的或帶

32、有非金屬吸收填料的。,屏蔽作用的大小用屏蔽效能度量: SE = 20 lg ( E1/ E2 ) dB,11.3 模擬信號(hào)輸入通道的抗干擾,采用屏蔽措施屏蔽干擾,屏蔽效能越高，每增加20dB的難度越大。民用設(shè)備的機(jī)箱一般僅需要40dB左右的屏蔽效能，而軍用設(shè)備的機(jī)箱一般需要60dB以上的屏蔽效能。,屏蔽效能與場(chǎng)強(qiáng)衰減的關(guān)系,11.3 模擬信號(hào)輸入通道的抗干擾,采用屏蔽措施屏蔽干擾,電磁屏蔽與靜電屏蔽,靜電屏蔽指的是對(duì)靜電場(chǎng)的屏蔽。 靜電屏蔽要求屏蔽體必須接地。,具有空腔的金屬導(dǎo)體接地，在靜電平衡狀態(tài)下，不僅導(dǎo)體內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)為零，而且腔內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)也為零，因而置于腔內(nèi)的物體不受外界電場(chǎng)的影響，這種作用叫靜

33、電屏蔽。,11.3 模擬信號(hào)輸入通道的抗干擾,采用屏蔽措施屏蔽干擾,電磁屏蔽與靜電屏蔽,靜電屏蔽的一般方法是在電容耦合通道上插入一個(gè)接地的金屬屏蔽導(dǎo)體。 由于金屬屏蔽導(dǎo)體接地，其中的干擾電壓為零，從而隔斷了電場(chǎng)干擾的原來(lái)耦合通道。,靜電屏蔽指的是對(duì)靜電場(chǎng)的屏蔽。 靜電屏蔽要求屏蔽體必須接地。,11.3 模擬信號(hào)輸入通道的抗干擾,采用屏蔽措施屏蔽干擾,電磁屏蔽與靜電屏蔽,低頻磁屏蔽是用來(lái)隔離低頻(主要指50Hz)磁場(chǎng)或固定磁場(chǎng)(也稱(chēng)靜磁場(chǎng)，其幅度、方向不隨時(shí)間變化，如永久磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng))耦合干擾的有效措施。 對(duì)于低頻磁場(chǎng)的屏蔽，主要依賴(lài)高導(dǎo)磁率材料所具有的小磁阻起磁分路作用。,11.3 模擬信號(hào)

34、輸入通道的抗干擾,采用屏蔽措施屏蔽干擾,電磁屏蔽與靜電屏蔽,為了有效地進(jìn)行低頻磁屏蔽，屏蔽層材料要選用諸如坡莫合金之類(lèi)對(duì)低磁通密度有高導(dǎo)磁率的鐵磁材料，同時(shí)要有一定的厚度以減小磁阻。 由鐵氧體壓制成的罐形磁芯可作為磁屏蔽使用，并可以把它和電磁屏蔽導(dǎo)體一同使用。 為提高屏蔽效果可采用多層屏蔽。第一層用低導(dǎo)磁率的鐵磁材料，作用是使場(chǎng)強(qiáng)降低；第二層用高導(dǎo)磁率的鐵磁材料，以充分發(fā)揮其屏蔽作用。 某些高導(dǎo)磁材料，如坡莫合金經(jīng)機(jī)械加工后，其導(dǎo)磁性能會(huì)降低。因此用這類(lèi)材料制成的屏蔽體在加工后應(yīng)進(jìn)行熱處理。,11.3 模擬信號(hào)輸入通道的抗干擾,采用屏蔽措施屏蔽干擾,電磁屏蔽與靜電屏蔽,電磁屏蔽指的是對(duì)電磁波的

35、屏蔽。 電磁屏蔽的基本原理是采用導(dǎo)電良好的金屬材料做成屏蔽罩、屏蔽盒等不同的外形，將被保護(hù)的電路包圍在其中，利用高頻電磁場(chǎng)對(duì)屏蔽金屬的電磁感應(yīng)作用，在屏蔽金屬內(nèi)產(chǎn)生渦流，用渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)抵消或減弱干擾磁場(chǎng)的影響，從而得到屏蔽的效果。 它主要用來(lái)防止高頻電磁場(chǎng)的影響，對(duì)于低頻磁場(chǎng)干擾的屏蔽效果很小。,11.3 模擬信號(hào)輸入通道的抗干擾,采用屏蔽措施屏蔽干擾,電磁屏蔽與靜電屏蔽,影響屏蔽體電磁屏蔽效能的不是屏蔽體接地與否，而是屏蔽體導(dǎo)電連續(xù)性。破壞屏蔽體的導(dǎo)電連續(xù)性的因素有屏蔽體上不同部分的接縫、開(kāi)口等。 電磁屏蔽對(duì)屏蔽體的導(dǎo)電性要求要比靜電屏蔽高得多。,屏蔽機(jī)箱,11.3 模擬信號(hào)輸入通道的抗干

36、擾,采用屏蔽措施屏蔽干擾,電磁屏蔽與靜電屏蔽,電磁密封襯墊的種類(lèi)：,指形簧片(不同表面涂覆層的) 螺旋管襯墊(不銹鋼的和鍍錫鈹銅的) 金屬絲網(wǎng)襯墊(帶橡膠芯的和空心的),導(dǎo)電布 導(dǎo)電橡膠(不同導(dǎo)電填充物的),11.3 模擬信號(hào)輸入通道的抗干擾,采用屏蔽措施屏蔽干擾,屏蔽殼體上的穿線(xiàn):,屏蔽殼體上不允許有任何導(dǎo)線(xiàn)穿過(guò)，屏蔽效能再高的屏蔽體，一旦有導(dǎo)線(xiàn)穿過(guò)屏蔽體，屏蔽體的屏蔽效能就會(huì)大幅度下降。 這是因?yàn)閷?dǎo)線(xiàn)充當(dāng)了接收干擾和輻射干擾的天線(xiàn)。 當(dāng)有導(dǎo)線(xiàn)要穿過(guò)屏蔽體時(shí)，必須使用貫通濾波器。 這樣可以將導(dǎo)線(xiàn)接收到的干擾濾除到屏蔽體上，從而避免干擾穿過(guò)屏蔽體。,對(duì)于高頻電磁波干擾,屏蔽電纜穿過(guò)屏蔽機(jī)箱的方

37、法,11.3 模擬信號(hào)輸入通道的抗干擾,采用屏蔽措施屏蔽干擾,對(duì)于輸入導(dǎo)線(xiàn)的屏蔽:,抑制靜電感應(yīng)干擾采用金屬網(wǎng)的屏蔽線(xiàn)； 抑制電磁感應(yīng)干擾采用雙絞線(xiàn),11.3 模擬信號(hào)輸入通道的抗干擾,采用屏蔽措施屏蔽干擾,驅(qū)動(dòng)屏蔽:,驅(qū)動(dòng)屏蔽又稱(chēng)“電位跟蹤屏蔽”，就是用被屏蔽導(dǎo)體的電位通過(guò)1:1電壓跟隨器來(lái)驅(qū)動(dòng)屏蔽導(dǎo)體的電位，如右圖。 若1:1電壓跟隨器是理想的，則導(dǎo)體B與屏蔽層C二者等電位，于是在二者之間無(wú)電力線(xiàn)，各點(diǎn)等電位。則噪聲源導(dǎo)體A的電場(chǎng)影響不到被屏蔽導(dǎo)體B。 盡管導(dǎo)體B與屏蔽層C之間有寄生電容存在，但因B與C等電位，故此寄生電容不起作用。 因此驅(qū)動(dòng)屏蔽能有效地抑制通過(guò)寄生電容的耦合干擾。,11.

38、3 模擬信號(hào)輸入通道的抗干擾,采用屏蔽措施屏蔽干擾,驅(qū)動(dòng)屏蔽:,在驅(qū)動(dòng)屏蔽中所應(yīng)用的1:1電壓跟隨器不僅要求其輸出電壓與輸入電壓的幅值相同，而且要求兩者之間的相移為零。 另一方面，此電壓跟隨器的輸入阻抗與Zi相并聯(lián)，為減小其并聯(lián)作用，則要求電壓跟隨器的輸入阻抗值應(yīng)當(dāng)足夠高。 驅(qū)動(dòng)屏蔽屬于有源屏蔽，只有當(dāng)線(xiàn)性集成電路出現(xiàn)以后，才有實(shí)用價(jià)值，目前它已在工程中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。,11.3 模擬信號(hào)輸入通道的抗干擾,采用屏蔽措施屏蔽干擾,驅(qū)動(dòng)屏蔽:,一個(gè)實(shí)例電路,由于傳輸電纜的芯線(xiàn)與內(nèi)層屏蔽等電位，從而消除了芯線(xiàn)對(duì)內(nèi)層屏蔽的容性漏電，也就消除了寄生電容的影響。,11.3 模擬信號(hào)輸入通道的抗干擾

39、,采用浮置屏蔽抑制干擾:,浮置又稱(chēng)浮空、浮接，它指的是電子測(cè)量系統(tǒng)的輸入信號(hào)放大器公共線(xiàn)(即模擬信號(hào)地)不接機(jī)殼或大地。對(duì)于被浮置的測(cè)量系統(tǒng)， 測(cè)量電路與機(jī)殼或大地之間無(wú)直流聯(lián)系。 浮置的目的：阻斷干擾電流的通路。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)被浮置后，明顯加大了系統(tǒng)的信號(hào)放大器公共線(xiàn)與地（或機(jī)殼）之間的阻抗。因此，共模干擾電流大大減少，共模抑制能力大大提高。,采集電路的浮置應(yīng)該包括該電路的供電電源，即這種浮置采集電路的供電系統(tǒng)應(yīng)該是單獨(dú)的浮置供電系統(tǒng)，否則浮置無(wú)效。,前置放大器通過(guò)三個(gè)變壓器與外界聯(lián)系。B1是輸出變壓器，B2是反饋?zhàn)儔浩?，B3是電源變壓器。,采用屏蔽措施屏蔽干擾,11.3 模擬信號(hào)輸入通道的

40、抗干擾,采用平衡電路抑制干擾,平衡電路又稱(chēng)為對(duì)稱(chēng)電路。它是指雙線(xiàn)電路中的兩根導(dǎo)線(xiàn)與連接到這兩根導(dǎo)線(xiàn)的所有電路對(duì)地或?qū)ζ渌麑?dǎo)線(xiàn)電路結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)，對(duì)應(yīng)阻抗相等。 采用平衡電路可以使對(duì)稱(chēng)電路結(jié)構(gòu)所拾撿的噪聲相等，并可以在負(fù)載上自行抵消。 電橋和差分放大器就屬于平衡電路。,UN1、UN2為噪聲電壓源，Us1、Us2為信號(hào)源，兩個(gè)噪聲源所產(chǎn)生的噪聲電流為IN1、IN2，兩個(gè)信號(hào)源產(chǎn)生的信號(hào)電流為Is。,用兩個(gè)變壓器使傳輸線(xiàn)平衡 (a) 不平衡系統(tǒng)； (b) 平衡傳輸系統(tǒng),11.3 模擬信號(hào)輸入通道的抗干擾,采用平衡電路抑制干擾,在一個(gè)不平衡系統(tǒng)中，電路的信號(hào)傳輸部分可采用兩個(gè)變壓器而使其變得平衡。 因?yàn)殚L(zhǎng)導(dǎo)

41、線(xiàn)最易拾撿噪聲，所以這種方法對(duì)于信號(hào)傳輸電路在噪聲抑制上是很有用的。 同時(shí)，變壓器還能斷開(kāi)地環(huán)路，因此能消除負(fù)載與信號(hào)源之間由于地電位差所造成的噪聲干擾。,11.3 模擬信號(hào)輸入通道的抗干擾,長(zhǎng)線(xiàn)傳輸?shù)目垢蓴_措施,長(zhǎng)線(xiàn)的定義：,電磁波傳輸速度：,C：光速，3*108m/s; Kv：速度因子，在01之間。,對(duì)于一段30cm長(zhǎng)的導(dǎo)線(xiàn)，信號(hào)從一端傳送到另一端所需時(shí)間約為1ns，這對(duì)TTL電路來(lái)說(shuō)（平均延時(shí)10ns）可以忽略； 但對(duì)于一段3m長(zhǎng)的導(dǎo)線(xiàn)，傳輸時(shí)間是10ns，相當(dāng)于一級(jí)TTL門(mén)的延遲時(shí)間，就不能忽略。,長(zhǎng)線(xiàn)Lmax的判斷可以用下式得出：,V：速度，取V=2.5*108m/s; t：系統(tǒng)所用

42、邏輯電路器件或組件的上升時(shí)間； n：經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，一般取n=4。,11.3 模擬信號(hào)輸入通道的抗干擾,長(zhǎng)線(xiàn)傳輸?shù)目垢蓴_措施,長(zhǎng)線(xiàn)的定義：,常用邏輯電路的上升時(shí)間t,例子：某系統(tǒng)采用TTL邏輯電路，t=10ns，則：,在該系統(tǒng)中，超過(guò)0.62m的傳輸線(xiàn)就可算作長(zhǎng)線(xiàn)。,11.3 模擬信號(hào)輸入通道的抗干擾,長(zhǎng)線(xiàn)傳輸?shù)目垢蓴_措施,長(zhǎng)線(xiàn)的定義：,長(zhǎng)線(xiàn)和短線(xiàn)的特性比較：,長(zhǎng)線(xiàn)的“長(zhǎng)”是相對(duì)的：取決于集成電路的運(yùn)算速度（速度越快，絕對(duì)長(zhǎng)度越短）。,11.3 模擬信號(hào)輸入通道的抗干擾,長(zhǎng)線(xiàn)傳輸?shù)目垢蓴_措施,長(zhǎng)線(xiàn)傳輸信號(hào)時(shí)遇到的問(wèn)題：,對(duì)信號(hào)的傳輸速度有延遲。,根據(jù)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算可知，單位長(zhǎng)度上傳輸延遲為：架空單線(xiàn)3.

43、3ns/m；雙絞線(xiàn)5ns/m；同軸電纜6ns/m。,長(zhǎng)線(xiàn)傳輸易受到外界和其它傳輸線(xiàn)的干擾。 高速的信號(hào)脈沖波在傳輸過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生畸變和衰減，引起非耦合性干擾。,這種非耦合性干擾，主要由波反射現(xiàn)象引起。嚴(yán)重時(shí)會(huì)完全破壞信號(hào)的正確傳輸。,11.3 模擬信號(hào)輸入通道的抗干擾,長(zhǎng)線(xiàn)傳輸?shù)目垢蓴_措施,波反射產(chǎn)生的原理：,阻抗不連續(xù)，信號(hào)在傳輸線(xiàn)末端突然遇到電纜阻抗很小或者很大，信號(hào)在這個(gè)地方就會(huì)引起反射。這種信號(hào)反射的原理，與光從一種媒質(zhì)進(jìn)入另一種媒質(zhì)要引起反射是相似的。 消除這種反射的方法，就必須在電纜的末端跨接一個(gè)與電纜的特性阻抗同樣大小的終端電阻，使電纜的阻抗連續(xù)。,長(zhǎng)線(xiàn)的波阻抗Z0：,長(zhǎng)線(xiàn)由于存在

44、寄生電容（用單位長(zhǎng)度上的電容C表示）和寄生電感（用單位長(zhǎng)度上的電感L表示），長(zhǎng)線(xiàn)的波阻抗：,11.3 模擬信號(hào)輸入通道的抗干擾,長(zhǎng)線(xiàn)傳輸?shù)目垢蓴_措施,脈沖信號(hào)波在長(zhǎng)線(xiàn)上引起的反射,地面上的單根傳輸長(zhǎng)線(xiàn)，其長(zhǎng)度為L(zhǎng)，電源US的輸出電阻（電源內(nèi)阻）為RS，負(fù)載電阻為RL，則有反射系數(shù)：,電壓反射系數(shù),電流反射系數(shù)在數(shù)值上等于電壓反射系數(shù)，但其相位相反。,11.3 模擬信號(hào)輸入通道的抗干擾,長(zhǎng)線(xiàn)傳輸?shù)目垢蓴_措施,脈沖信號(hào)波在長(zhǎng)線(xiàn)上引起的反射,如果Z0=RS=RL，則1= 2= =0，無(wú)任何反射； 若Z0=RS，則1=0，此時(shí)=0，表示始端阻抗匹配； 若Z0=ZL，則2=0，此時(shí)=0，表示終端阻抗匹配

45、。,不同負(fù)載電阻下的反射系數(shù),當(dāng)傳輸線(xiàn)終端不匹配時(shí)，信號(hào)便被反射；反射波到達(dá)始端時(shí)，若始端也不匹配，同樣又產(chǎn)生反射，這樣就會(huì)發(fā)生信號(hào)在傳輸線(xiàn)上多次往返反射的情況。,11.3 模擬信號(hào)輸入通道的抗干擾,長(zhǎng)線(xiàn)傳輸?shù)目垢蓴_措施,脈沖信號(hào)波在長(zhǎng)線(xiàn)上引起的反射,例子：,當(dāng)信號(hào)源單獨(dú)與波阻抗Z0=90的傳輸線(xiàn)串聯(lián)時(shí)，電壓值是Z0兩端的電壓，即,終端反射系數(shù)：,始端反射系數(shù)：,11.3 模擬信號(hào)輸入通道的抗干擾,長(zhǎng)線(xiàn)傳輸?shù)目垢蓴_措施,脈沖信號(hào)波在長(zhǎng)線(xiàn)上引起的反射,當(dāng)傳輸線(xiàn)終端匹配時(shí)(即RL=Z0),傳輸?shù)男盘?hào)電壓波沒(méi)有反射，電流波平穩(wěn)地進(jìn)入負(fù)載。 當(dāng)傳輸線(xiàn)始端匹配時(shí)(即RS=Z0),終端的反射波到達(dá)始端時(shí)，

46、被匹配的阻抗所吸收，不再有反射，整個(gè)傳輸線(xiàn)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。 當(dāng)終端電阻小于波阻抗時(shí)，傳輸線(xiàn)上的電壓沒(méi)有過(guò)沖，會(huì)逐漸恢復(fù)到穩(wěn)定值。 當(dāng)終端電阻大于波阻抗時(shí)，傳輸線(xiàn)上的電壓將產(chǎn)生過(guò)沖，并在穩(wěn)定值附近產(chǎn)生振蕩，最后趨向于穩(wěn)定值。,幾種常用傳輸線(xiàn)的波阻抗,11.3 模擬信號(hào)輸入通道的抗干擾,長(zhǎng)線(xiàn)傳輸?shù)目垢蓴_措施,波阻抗的測(cè)量：,為了進(jìn)行阻抗匹配，必須事先知道傳輸線(xiàn)的波阻抗RP。,調(diào)節(jié)可變電阻R，并用示波器觀察門(mén)A的波形，當(dāng)達(dá)到完全匹配時(shí)，即R=RP時(shí)，門(mén)A輸出的波形不畸變，反射波完全消失，這時(shí)的R值就是該傳輸線(xiàn)的波阻抗。,11.3 模擬信號(hào)輸入通道的抗干擾,長(zhǎng)線(xiàn)傳輸?shù)目垢蓴_措施,阻抗匹配 始端匹配,a.

47、 始端串聯(lián)電阻匹配,在傳輸線(xiàn)始端串入電阻R，也能基本上消除反射，達(dá)到改善波形的目的。一般選擇始端匹配電阻R為：,其中，RS為門(mén)A的輸出低電平時(shí)的輸出阻抗。,11.3 模擬信號(hào)輸入通道的抗干擾,長(zhǎng)線(xiàn)傳輸?shù)目垢蓴_措施,阻抗匹配 始端匹配,b. 始端上拉電阻或阻容匹配,始端上拉電阻匹配法，用于吸收一部分終端的反射波。 始端上拉阻容匹配法，上拉電阻通過(guò)43pF電容接至門(mén)電路發(fā)送端的始端，在靜態(tài)時(shí)，由于電容隔直流，上拉電阻傳輸線(xiàn)是開(kāi)路的。 當(dāng)信號(hào)由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，其電容向傳輸線(xiàn)放電，以抵消反射波，這種匹配是在動(dòng)態(tài)時(shí)起作用。,11.3 模擬信號(hào)輸入通道的抗干擾,長(zhǎng)線(xiàn)傳輸?shù)目垢蓴_措施,阻抗匹配 終端匹配

48、,a. 終端并聯(lián)阻抗匹配,TTL電路的輸出阻抗約為120 到幾十歐姆； TTL電路的輸入阻抗約為50k 到幾百千歐。,最簡(jiǎn)單的終端阻抗匹配方法,缺點(diǎn)：輸入波形的高電平，在終端下降太多。,R=Z0,11.3 模擬信號(hào)輸入通道的抗干擾,長(zhǎng)線(xiàn)傳輸?shù)目垢蓴_措施,阻抗匹配 終端匹配,a. 終端并聯(lián)阻抗匹配,如何選擇R1和R2？,等效電阻R應(yīng)等于傳輸線(xiàn)的波阻抗； 電壓E一般選取為輸出高電平時(shí)的電壓值（如2.8V左右）。,優(yōu)點(diǎn)：波形的高電平下降較少。 缺點(diǎn)：低電平抬高，從而降低了低電平的抗干擾能力。,需要權(quán)衡考慮：,11.3 模擬信號(hào)輸入通道的抗干擾,長(zhǎng)線(xiàn)傳輸?shù)目垢蓴_措施,阻抗匹配 終端匹配,b. 終端阻容

49、匹配,C,終端阻容匹配,當(dāng)C 較大時(shí)，阻抗接近于零，只起隔直流作用，不會(huì)影響阻抗匹配。 因此，只要使 R=Z0，即可阻抗匹配。,終端阻容匹配方法有助于提高信號(hào)電平的抗干擾能力。,11.3 模擬信號(hào)輸入通道的抗干擾,長(zhǎng)線(xiàn)傳輸?shù)目垢蓴_措施,阻抗匹配 終端匹配,b. 終端阻容匹配,C,終端阻容匹配,終端阻容匹配方法有助于提高信號(hào)電平的抗干擾能力。,C的選?。?T：傳輸信號(hào)脈沖寬度； R1：始端低電平輸出阻抗； Z0：長(zhǎng)線(xiàn)波阻抗,11.3 模擬信號(hào)輸入通道的抗干擾,長(zhǎng)線(xiàn)傳輸?shù)目垢蓴_措施,阻抗匹配 終端匹配,c. 終端接鉗位二極管匹配,終端接鉗位二極管匹配,優(yōu)點(diǎn)：,由于把門(mén)B輸入端的低電平鉗位至0.3V

50、以?xún)?nèi)，可以減少反沖與振蕩現(xiàn)象； 有了二極管，可以吸收反射波，減少了波的反射現(xiàn)象； 大大減少線(xiàn)間串?dāng)_，提高動(dòng)態(tài)抗干擾能力。,11.3 模擬信號(hào)輸入通道的抗干擾,長(zhǎng)線(xiàn)傳輸?shù)目垢蓴_措施,長(zhǎng)線(xiàn)驅(qū)動(dòng),當(dāng)長(zhǎng)線(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)，如果用TTL電路直接驅(qū)動(dòng)，有可能使電信號(hào)幅值不斷減小，抗干擾能力下降及存在串?dāng)_和噪聲。此時(shí)，需采用驅(qū)動(dòng)電路和接收電路。,驅(qū)動(dòng)電路：將TTL信號(hào)轉(zhuǎn)為差分信號(hào)，再經(jīng)長(zhǎng)線(xiàn)傳至接收電路。 接收電路：具有差分輸入端，把接收到的信號(hào)放大后，再轉(zhuǎn)換成TTL信號(hào)輸出。由于差動(dòng)放大器有很強(qiáng)的共模抑制能力，而且工作在線(xiàn)性區(qū)，所以容易做到阻抗匹配。,11.3 模擬信號(hào)輸入通道的抗干擾,長(zhǎng)線(xiàn)傳輸?shù)目垢蓴_措施,長(zhǎng)線(xiàn)驅(qū)動(dòng)

51、,雙絞線(xiàn)長(zhǎng)線(xiàn)驅(qū)動(dòng)的接法：,11.3 模擬信號(hào)輸入通道的抗干擾,長(zhǎng)線(xiàn)傳輸?shù)目垢蓴_措施,用光電耦合器隔離、浮置傳輸線(xiàn),在電路(b)中，如果光電耦合器的光敏晶體管的基極上接有電阻(1020M)及電容(12pF0.01uF) ，且后面連接施密特集成電路驅(qū)動(dòng)器，則會(huì)大大加強(qiáng)抗噪聲能力。,11.3 模擬信號(hào)輸入通道的抗干擾,長(zhǎng)線(xiàn)傳輸?shù)目垢蓴_措施,用光電耦合器隔離、浮置傳輸線(xiàn),始端阻抗匹配可以通過(guò)調(diào)整R0和電位器W來(lái)實(shí)現(xiàn)； 電位器W還可以用來(lái)改變射極跟隨器的工作點(diǎn)，因而可以抵消因光耦及三極管T的電參數(shù)不一致所造成的工作點(diǎn)偏離；,終端的阻抗匹配可以通過(guò)調(diào)整RT和RN來(lái)實(shí)現(xiàn)，使從RT左端到浮地點(diǎn)之間的輸入阻抗等

52、于雙絞線(xiàn)的波阻抗； 實(shí)際調(diào)試時(shí)，應(yīng)該在始端和終端用示波器邊觀察邊調(diào)整。RT的調(diào)整方向由大到小，R0，RN和W的調(diào)整方向由小到大。,11.3 模擬信號(hào)輸入通道的抗干擾,長(zhǎng)線(xiàn)傳輸?shù)目垢蓴_措施,傳輸線(xiàn)的使用：,1. 屏蔽線(xiàn)的使用,屏蔽線(xiàn)是在信號(hào)線(xiàn)的外面包裹一層銅質(zhì)屏蔽層而構(gòu)成。 采用屏蔽線(xiàn)可以有效地克服靜電感應(yīng)的干擾。 對(duì)理想的屏蔽層來(lái)說(shuō)，它的串聯(lián)阻抗很低，可以忽略不計(jì)，所以由瞬時(shí)干擾電壓引起的干擾電流，只通過(guò)屏蔽層流入大地，由于干擾電流不流經(jīng)信號(hào)線(xiàn)，故信號(hào)傳輸不受干擾。 為了達(dá)到屏蔽的目的，屏蔽層要一端接地，另一端懸空。接地點(diǎn)一般可選在數(shù)據(jù)采集設(shè)備的接地點(diǎn)上。,11.3 模擬信號(hào)輸入通道的抗干擾,

53、長(zhǎng)線(xiàn)傳輸?shù)目垢蓴_措施,傳輸線(xiàn)的使用：,2. 同軸電纜的使用,同軸電纜是內(nèi)外由相互絕緣的同軸心導(dǎo)體構(gòu)成的電纜：內(nèi)導(dǎo)體為銅線(xiàn)，外導(dǎo)體為銅管或網(wǎng)。 同軸電纜的波阻抗分50和75兩類(lèi)。 同軸電纜的優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)，但缺點(diǎn)是價(jià)格較貴、體積大，要占用電纜管道的大量空間、不能承受纏結(jié)，壓力和嚴(yán)重的彎曲。 在使用同軸電纜時(shí)，一定要把屏蔽層的兩端都接地。,11.3 模擬信號(hào)輸入通道的抗干擾,長(zhǎng)線(xiàn)傳輸?shù)目垢蓴_措施,傳輸線(xiàn)的使用：,3. 雙絞線(xiàn)的使用,雙絞線(xiàn)是由兩條相互絕緣的導(dǎo)線(xiàn)按照一定的規(guī)格互相纏繞（一般以順時(shí)針纏繞）在一起而制成的一種通用配線(xiàn)； 雙絞線(xiàn)分為屏蔽雙絞線(xiàn)與非屏蔽雙絞線(xiàn)； 雙絞線(xiàn)是最常用的一種信號(hào)傳

54、輸線(xiàn)，與同軸電纜比，具有波阻抗高，體積小，價(jià)格低的優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是傳送信號(hào)的頻帶不如同軸電纜寬； 雙絞線(xiàn)傳輸信號(hào)可以消除電磁場(chǎng)的干擾，雙絞的節(jié)距越短，電磁感應(yīng)干擾就越低；,雙絞線(xiàn)中的電磁感應(yīng),電磁場(chǎng),外界磁場(chǎng)干擾引起的感應(yīng)電流在相鄰絞線(xiàn)回路的同一根導(dǎo)線(xiàn)上方向相反，相互抵消，從而使干擾受到抑制。,11.3 模擬信號(hào)輸入通道的抗干擾,長(zhǎng)線(xiàn)傳輸?shù)目垢蓴_措施,傳輸線(xiàn)的使用：,4. 扁平帶狀電纜的使用,扁平帶狀電纜的使用已經(jīng)非常普遍； 它的優(yōu)點(diǎn)是使用非常方便，缺點(diǎn)是抗干擾能力比雙絞線(xiàn)要差一些。 由于扁平帶狀電纜的導(dǎo)線(xiàn)較細(xì)，當(dāng)傳輸距離較遠(yuǎn)時(shí)，用它做地線(xiàn)，地電位會(huì)發(fā)生變化。因此最好采用雙端傳送信號(hào)的方法。 采用

55、在每一對(duì)信號(hào)線(xiàn)之間留出一根導(dǎo)線(xiàn)作為接地線(xiàn)的接地方法，對(duì)減小兩條信號(hào)線(xiàn)之間的電容耦合和電感耦合是非常有效的。,11.3 模擬信號(hào)輸入通道的抗干擾,A/D轉(zhuǎn)換器的抗干擾,抗串模干擾的措施,對(duì)串模干擾嚴(yán)重的場(chǎng)合，可以采用積分式或雙斜積分式A/D轉(zhuǎn)換器； 對(duì)于高頻干擾，可以采用低通濾波器加以濾除； 對(duì)于低頻干擾，可以采用同步采樣的方法加以消除； 盡量把A/D轉(zhuǎn)換器直接附在傳感器上，這樣可以減小傳輸線(xiàn)引進(jìn)的干擾； 當(dāng)傳感器和A/D轉(zhuǎn)換器相距較遠(yuǎn)時(shí)，容易引起干擾。解決的辦法是用電流傳輸代替電壓傳輸。,抗共模干擾的措施,采用浮置的方法； 采用隔離技術(shù)； 采用屏蔽的方法；,11.3 模擬信號(hào)輸入通道的抗干擾,

56、印刷電路板及電路的抗干擾設(shè)計(jì)措施,1. 合理布置印刷電路板上的器件,器件的布置應(yīng)符合器件之間電氣干擾小和易于散熱的原則； 為了減少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(lèi)集中布置，各類(lèi)器件之間應(yīng)盡量遠(yuǎn)離，以防止相互干擾； 時(shí)鐘發(fā)生器、晶振和CPU的時(shí)鐘輸入端應(yīng)盡量靠近且遠(yuǎn)離其它低頻器件。 ； 小電流電路和大電流電路盡量遠(yuǎn)離邏輯電路 ； 對(duì)發(fā)熱元器件要考慮通風(fēng)散熱，必要時(shí)安裝散熱器； 發(fā)熱元器件要分散布置，不能集中； 印制板在機(jī)箱中的位置和方向，應(yīng)保證發(fā)熱量大的器件處在上方。 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。,11.3 模擬信號(hào)輸入通道的抗干擾,印刷電路板及電路的抗干擾設(shè)計(jì)措施,2. 合理分配印刷電路板插腳,為了減小強(qiáng)信號(hào)輸出線(xiàn)對(duì)弱信號(hào)輸入線(xiàn)的干擾，將輸入、輸出線(xiàn)分置于電路板的兩側(cè)，以便相互遠(yuǎn)離； 地線(xiàn)設(shè)置在輸入、輸出信號(hào)線(xiàn)的內(nèi)側(cè)，以減小信號(hào)線(xiàn)間寄生電容的影響，起到一定的屏蔽作用。,3. 印刷電路板合理布線(xiàn),不要走太過(guò)曲折的布線(xiàn)，可以采用適當(dāng)?shù)倪^(guò)孔，或者通過(guò)元器件實(shí)行跨接； 配線(xiàn)不要做成環(huán)路，特別是不要沿印刷電路板周?chē)龀森h(huán)路； 不要有長(zhǎng)段的窄條并行，不得已并行時(shí)，窄條間要再設(shè)置隔離用的窄條； 單元電路的輸入線(xiàn)和輸出線(xiàn)，應(yīng)當(dāng)用地線(xiàn)隔開(kāi)； 信號(hào)線(xiàn)盡可能短，優(yōu)先考慮小信號(hào)線(xiàn)，線(xiàn)間距盡可能寬些； 盡可能不在集成芯片引腳之間走線(xiàn)。易受干擾的部位增設(shè)地線(xiàn)