第12章抗干擾技術(shù)和微機接口技術(shù)

1、第第10章章 抗干擾技術(shù)及微機接口技術(shù)抗干擾技術(shù)及微機接口技術(shù)12.1 傳感器抗干擾技術(shù)傳感器抗干擾技術(shù)v12.1.1干擾的來源及形式干擾的來源及形式v1.外部干擾外部干擾v從外部侵入檢測裝置的干擾稱為外部干擾。從外部侵入檢測裝置的干擾稱為外部干擾。v來源于自然界的干擾稱為自然干擾。自然干擾主來源于自然界的干擾稱為自然干擾。自然干擾主要來自天空，如雷電、宇宙輻射、太陽黑子活動要來自天空，如雷電、宇宙輻射、太陽黑子活動等等v來源于其他電氣設(shè)備或各種電操作的干擾，稱為來源于其他電氣設(shè)備或各種電操作的干擾，稱為人為干擾（或工業(yè)干擾）。人為干擾來源于各類人為干擾（或工業(yè)干擾）。人為干擾來源于各類電氣、

2、電子設(shè)備所產(chǎn)生的電磁場和電火花，及其電氣、電子設(shè)備所產(chǎn)生的電磁場和電火花，及其他機械干擾、熱干擾、化學干擾等。他機械干擾、熱干擾、化學干擾等。 電氣設(shè)備的干擾 v工頻干擾：大功率輸電線，甚至就是一般室內(nèi)交工頻干擾：大功率輸電線，甚至就是一般室內(nèi)交流電源線對于輸入阻抗高和靈敏度甚高的測量裝流電源線對于輸入阻抗高和靈敏度甚高的測量裝置來說都是威脅很大的干擾源。在電子設(shè)備內(nèi)部，置來說都是威脅很大的干擾源。在電子設(shè)備內(nèi)部，由于工頻感應(yīng)而產(chǎn)生干擾，由于工頻感應(yīng)而產(chǎn)生干擾， 如果波形失真，則干如果波形失真，則干擾更大。擾更大。 v射頻干擾：射頻干擾： 指高頻感應(yīng)加熱、高頻介質(zhì)加熱、指高頻感應(yīng)加熱、高頻介質(zhì)

3、加熱、高頻焊接等工業(yè)電子設(shè)備通過輻射或通過電源線高頻焊接等工業(yè)電子設(shè)備通過輻射或通過電源線給附近測量裝置帶來的干擾。給附近測量裝置帶來的干擾。v 電子開關(guān)通斷干擾：電子開關(guān)、電子管、晶電子開關(guān)通斷干擾：電子開關(guān)、電子管、晶閘管等大功率電子開關(guān)雖然不產(chǎn)生火花，但因通閘管等大功率電子開關(guān)雖然不產(chǎn)生火花，但因通斷速度極快，使電路電流和電壓發(fā)生急劇的變化，斷速度極快，使電路電流和電壓發(fā)生急劇的變化，形成沖擊脈沖而成為干擾源。形成沖擊脈沖而成為干擾源。 2.內(nèi)部干擾內(nèi)部干擾v 固有噪聲源固有噪聲源v 熱噪聲：又稱為電阻噪聲。由電阻內(nèi)部載流子的隨機熱噪聲：又稱為電阻噪聲。由電阻內(nèi)部載流子的隨機熱運動產(chǎn)生幾

4、乎覆蓋整個頻譜的噪聲電壓。熱運動產(chǎn)生幾乎覆蓋整個頻譜的噪聲電壓。 v 散粒噪聲：它由電子器件內(nèi)部載流子的隨機熱運動產(chǎn)生。散粒噪聲：它由電子器件內(nèi)部載流子的隨機熱運動產(chǎn)生。 v 低頻噪聲：又稱為低頻噪聲：又稱為1/f噪聲。它取決于元器件材料表面的噪聲。它取決于元器件材料表面的特性。特性。v 接觸噪聲：它也是一種低頻噪聲。接觸噪聲：它也是一種低頻噪聲。 v 信噪比信噪比(S/N)v 在測量過程中，人們不希望有噪聲，但是噪聲不可能在測量過程中，人們不希望有噪聲，但是噪聲不可能完全排除，也不能用一個確定的時間函數(shù)來描述。實踐中完全排除，也不能用一個確定的時間函數(shù)來描述。實踐中只要噪聲小到不影響檢測結(jié)果

5、只要噪聲小到不影響檢測結(jié)果, 是允許存在的，通常用信是允許存在的，通常用信噪比來表示其對有用信號的影響，而用噪聲系數(shù)噪比來表示其對有用信號的影響，而用噪聲系數(shù)Nf表征表征器件或電路對噪聲的品質(zhì)因數(shù)。器件或電路對噪聲的品質(zhì)因數(shù)。 3.干擾的傳輸途徑干擾的傳輸途徑 v通過通過“路路”的干擾的干擾 泄漏電阻：泄漏電阻： 共阻抗耦合干擾：共阻抗耦合干擾： 經(jīng)電源線引入干擾：經(jīng)電源線引入干擾： v通過通過“場場”的干擾的干擾 通過電場耦合的干擾：通過電場耦合的干擾：通過磁場耦合的干擾通過磁場耦合的干擾 通過輻射電磁場耦合的干擾通過輻射電磁場耦合的干擾 4.干擾的作用方式干擾的作用方式 v串模干擾串模干擾

6、 圖10-1串模干擾等效電路 共模干擾 圖10-2 共模干擾等效電路共模抑制比（CMRR）v v 共模噪聲只有轉(zhuǎn)換成差模噪聲才能形成干擾，共模噪聲只有轉(zhuǎn)換成差模噪聲才能形成干擾， 這種這種轉(zhuǎn)換是由測量裝置的特性決定的。轉(zhuǎn)換是由測量裝置的特性決定的。 因此，常用共模抑制因此，常用共模抑制比衡量測量裝置抑制共模干擾的能力，比衡量測量裝置抑制共模干擾的能力， 定義為定義為 dmcmlg20UUCMRRdmcmlg20AACMRR12.1.2抑制干擾的途徑抑制干擾的途徑v 1.消除或抑制干擾源消除或抑制干擾源v 如使產(chǎn)生干擾的電氣設(shè)備遠離檢測裝置；對繼電器、接如使產(chǎn)生干擾的電氣設(shè)備遠離檢測裝置；對繼電

7、器、接觸器、斷路器等采取觸點滅弧措施或改用無觸點開關(guān)；消觸器、斷路器等采取觸點滅弧措施或改用無觸點開關(guān)；消除電路中的虛焊、假接等。除電路中的虛焊、假接等。 v 2.破壞干擾途徑破壞干擾途徑v 提高絕緣性能，提高絕緣性能， 采用變壓器、采用變壓器、 光電耦合器隔離以切斷光電耦合器隔離以切斷“路路”徑；徑； 利用退耦、利用退耦、 濾波、濾波、 選頻等電路手段引導(dǎo)干擾選頻等電路手段引導(dǎo)干擾信號轉(zhuǎn)移；信號轉(zhuǎn)移； 改變接地形式消除共阻抗耦合干擾途徑；對改變接地形式消除共阻抗耦合干擾途徑；對數(shù)字信號可采用甄別、限幅、整形等信號處理方法或選通數(shù)字信號可采用甄別、限幅、整形等信號處理方法或選通控制方法切斷干擾

8、途徑?？刂品椒ㄇ袛喔蓴_途徑。 v 3.削弱接收電路對干擾的敏感性削弱接收電路對干擾的敏感性 v 例如電路中的選頻措施可以削弱對全頻帶噪聲的敏感性，例如電路中的選頻措施可以削弱對全頻帶噪聲的敏感性，負反饋可以有效削弱內(nèi)部噪聲源，其他如對信號采用絞線負反饋可以有效削弱內(nèi)部噪聲源，其他如對信號采用絞線傳輸或差動輸入電路等。傳輸或差動輸入電路等。12.1.3 屏蔽技術(shù)屏蔽技術(shù)v1.靜電屏蔽靜電屏蔽v眾所周知，眾所周知， 在靜電場作用下，在靜電場作用下， 導(dǎo)體內(nèi)部各導(dǎo)體內(nèi)部各點等電位，點等電位， 即導(dǎo)體內(nèi)部無電力線。即導(dǎo)體內(nèi)部無電力線。 因此，因此， 若將若將金屬屏蔽盒接地，金屬屏蔽盒接地， 則屏蔽盒內(nèi)

9、的電力線不會傳到則屏蔽盒內(nèi)的電力線不會傳到外部，外部的電力線也不會穿透屏蔽盒進入內(nèi)部。外部，外部的電力線也不會穿透屏蔽盒進入內(nèi)部。 前者可抑制干擾源，前者可抑制干擾源， 后者可阻截干擾的傳輸途徑。后者可阻截干擾的傳輸途徑。 所以靜電屏蔽也叫電場屏蔽，所以靜電屏蔽也叫電場屏蔽， 可以抑制電場耦合可以抑制電場耦合的干擾。的干擾。 2.電磁屏蔽vv電磁屏蔽主要是抑制高頻電磁場的干擾，電磁屏蔽主要是抑制高頻電磁場的干擾， 屏蔽體屏蔽體采用良導(dǎo)體材料（銅、采用良導(dǎo)體材料（銅、 鋁或鍍銀銅板），鋁或鍍銀銅板）， 利用利用高頻電磁場在屏蔽導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生渦流的效應(yīng)，高頻電磁場在屏蔽導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生渦流的效應(yīng)， 一方一方

10、面消耗電磁場能量，面消耗電磁場能量， 另一方面渦電流產(chǎn)生反磁場另一方面渦電流產(chǎn)生反磁場抵消高頻干擾磁場，抵消高頻干擾磁場， 從而達到磁屏蔽的效果。從而達到磁屏蔽的效果。 當屏蔽體上必須開孔或開槽時，當屏蔽體上必須開孔或開槽時， 應(yīng)注意避免切斷應(yīng)注意避免切斷渦電流的流通途徑。渦電流的流通途徑。 若把屏蔽體接地，若把屏蔽體接地， 則可兼則可兼顧靜電屏蔽。顧靜電屏蔽。 若要對電磁線圈進行屏蔽，若要對電磁線圈進行屏蔽， 屏蔽屏蔽罩直徑必須大于線圈直徑一倍以上，罩直徑必須大于線圈直徑一倍以上， 否則將使線否則將使線圈電感量減小，圈電感量減小，Q值降低。值降低。 3.磁屏蔽磁屏蔽圖10-3 磁屏蔽的原理圖

11、4.驅(qū)動屏蔽的概念驅(qū)動屏蔽的概念 圖10-4 驅(qū)動屏蔽原理圖 12.1.4 接地技術(shù)接地技術(shù)v1.電氣、電子設(shè)備中的地線電氣、電子設(shè)備中的地線v接地起源于強電技術(shù)。為保障安全，接地起源于強電技術(shù)。為保障安全， 將電網(wǎng)將電網(wǎng)零線和設(shè)備外殼接大地，零線和設(shè)備外殼接大地， 稱為保安地線。稱為保安地線。 對于對于以電能作為信號的通信、測量、計算控制等電子以電能作為信號的通信、測量、計算控制等電子技術(shù)來說，把電信號的基準電位點稱為技術(shù)來說，把電信號的基準電位點稱為“地地”， 它可能與大地是隔絕的，稱為信號地線。信號地它可能與大地是隔絕的，稱為信號地線。信號地線分為模擬信號地線和數(shù)字信號地線兩種。線分為模

12、擬信號地線和數(shù)字信號地線兩種。 另外另外從信號特點來看，還有信號源地線和負載地線。從信號特點來看，還有信號源地線和負載地線。 2. 一點接地原則一點接地原則 v 機內(nèi)一點接地機內(nèi)一點接地 圖10-5 機內(nèi)一點接地示意圖系統(tǒng)一點接地 圖10-6 檢測系統(tǒng)的一點接地3. 電纜屏蔽層的一點接地電纜屏蔽層的一點接地 圖10-7 纜屏蔽層的一點接地示意圖 12.1.5 浮置技術(shù)浮置技術(shù) v如果測量裝置電路的公共線不接機殼也不接大地，如果測量裝置電路的公共線不接機殼也不接大地， 即與大地之間沒有任何導(dǎo)電性的直接聯(lián)系即與大地之間沒有任何導(dǎo)電性的直接聯(lián)系(僅有寄僅有寄生電容存在生電容存在)， 就稱為浮置。就稱

13、為浮置。 v圖圖10-8被屏蔽浮置的前置放大器。被屏蔽浮置的前置放大器。 圖10-8 浮置屏蔽”的檢測系統(tǒng)v在儀表中還經(jīng)常采用調(diào)制、解調(diào)技術(shù)，濾波和隔在儀表中還經(jīng)常采用調(diào)制、解調(diào)技術(shù)，濾波和隔離（一般用變壓器作前隔離，光電耦合器作后隔離（一般用變壓器作前隔離，光電耦合器作后隔離）技術(shù)。通過調(diào)制、選頻放大、解調(diào)、濾波，離）技術(shù)。通過調(diào)制、選頻放大、解調(diào)、濾波，只放大輸出有用信號，抑制無用的干擾信號。濾只放大輸出有用信號，抑制無用的干擾信號。濾波的類型有低通濾波、高通濾波、帶通濾波、帶波的類型有低通濾波、高通濾波、帶通濾波、帶阻濾波等，起選頻作用。隔離主要防止后級對前阻濾波等，起選頻作用。隔離主要

14、防止后級對前級的干擾。級的干擾。 12.2 傳感器與微機接口技術(shù)傳感器與微機接口技術(shù) 圖10-9 傳感器與微機的接口框圖 12.2.1.信號預(yù)處理信號預(yù)處理v1.開關(guān)式輸出信號的預(yù)處理開關(guān)式輸出信號的預(yù)處理圖10-10開關(guān)量傳感器特性示意圖2.模擬連續(xù)式輸出信號的模擬連續(xù)式輸出信號的預(yù)處理預(yù)處理v電流電流/電壓變換電路（電壓變換電路（I/V變換）變換）vI/V變換器的作用是將電流信號變換為標準的電變換器的作用是將電流信號變換為標準的電壓信號，它不僅要求具有恒壓性能，而且要求輸壓信號，它不僅要求具有恒壓性能，而且要求輸出電壓隨負載電阻變化所引起的變化量不能超過出電壓隨負載電阻變化所引起的變化量不

15、能超過允許值。允許值。I/V轉(zhuǎn)換電路可由運算放大器組成，如轉(zhuǎn)換電路可由運算放大器組成，如圖圖10-10所示。所示。 電壓/電流變換（V/I變換）V/I變換器的作用是將電壓信號變換為標準電流信變換器的作用是將電壓信號變換為標準電流信號，它不僅要求具有恒流性能，而且要求輸出電號，它不僅要求具有恒流性能，而且要求輸出電流隨負載電阻變化所引起的變化量不能超過允許流隨負載電阻變化所引起的變化量不能超過允許值。值。 圖10-10 420mA的V/I變換電路 模擬頻率式輸出信號的預(yù)處理圖10-13頻率/電壓變換器原理框圖數(shù)字式輸出信號的預(yù)處理數(shù)字式輸出信號分為數(shù)字脈沖式信號和數(shù)字編碼式信號。數(shù)字脈沖式輸出信

16、號可直接將輸出脈沖經(jīng)整形電路后接至數(shù)字計數(shù)器，得到數(shù)字信號。 12.2.2數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集v1.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)圖10-13 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的配置 2.采樣周期的選擇采樣周期的選擇3量化噪聲量化噪聲(量化誤差量化誤差)模擬信號是連續(xù)的，而數(shù)字信號是離散的，每個數(shù)又是用有限個數(shù)碼來表示， 二者之間不可避免地存在誤差，稱為量化噪聲。一般A/D轉(zhuǎn)換的量化噪聲有1 LSB和LSB/2兩種。 12.2.3 ADC接口技術(shù)接口技術(shù)v 1. A/D轉(zhuǎn)換器（轉(zhuǎn)換器（ADC）的主要技術(shù)指標）的主要技術(shù)指標v 分辨力分辨力 v 精度精度 v 精度分為絕對精度和相對精度。精度分為絕對精度和相對精度。 v 量程

17、量程(滿刻度范圍滿刻度范圍)v 量程是指輸入模擬電壓的變化范圍。例如，某轉(zhuǎn)換器量程是指輸入模擬電壓的變化范圍。例如，某轉(zhuǎn)換器具有具有10V的單極性范圍的單極性范圍,或或-55 V的雙極性范圍，則它的雙極性范圍，則它們的量程都為們的量程都為10 V。 v 線性度誤差線性度誤差v 理想轉(zhuǎn)換器特性應(yīng)該是線性的，即模擬量輸入與數(shù)字理想轉(zhuǎn)換器特性應(yīng)該是線性的，即模擬量輸入與數(shù)字量輸出成線性關(guān)系。線性度誤差是轉(zhuǎn)換器實際的模擬數(shù)字量輸出成線性關(guān)系。線性度誤差是轉(zhuǎn)換器實際的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換關(guān)系與理想直線不同而出現(xiàn)的誤差，通常也用轉(zhuǎn)換關(guān)系與理想直線不同而出現(xiàn)的誤差，通常也用LSB的的倍數(shù)來表示。倍數(shù)來表示。 轉(zhuǎn)換時

18、間v轉(zhuǎn)換時間指從發(fā)出啟動轉(zhuǎn)換脈沖開始到輸出穩(wěn)轉(zhuǎn)換時間指從發(fā)出啟動轉(zhuǎn)換脈沖開始到輸出穩(wěn)定的二進制代碼，定的二進制代碼， 即完成一次轉(zhuǎn)換所需要的最長即完成一次轉(zhuǎn)換所需要的最長時間。時間。v 2.ADC的選擇與使用的選擇與使用v在實際使用中，應(yīng)根據(jù)具體情況選用合適的在實際使用中，應(yīng)根據(jù)具體情況選用合適的ADC芯片。例如某測溫系統(tǒng)的輸入范圍為芯片。例如某測溫系統(tǒng)的輸入范圍為0500，要求測溫的分辨率為要求測溫的分辨率為2.5， 轉(zhuǎn)換時間在轉(zhuǎn)換時間在1 ms之內(nèi)，可選用分辨率為之內(nèi)，可選用分辨率為8位的逐次比較式位的逐次比較式ADC0809芯片，如果要求測溫的分辨率為芯片，如果要求測溫的分辨率為0.5（

19、即滿量程的（即滿量程的1/1000），轉(zhuǎn)換時間為），轉(zhuǎn)換時間為0.5 s，則可選用雙積分型，則可選用雙積分型ADC芯片芯片14433。 3.單片機的采集接口電路單片機的采集接口電路及及A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器圖10-15 傳感器采集接口框圖單片機常用的A/D轉(zhuǎn)換器及接口電路有： ADC0808、ADC0809 。4.ADC0809/0808與單與單片機的連接片機的連接 圖10-17 ADC0808/0809與8031的接口12.3 自動檢測技術(shù)綜合應(yīng)用實例自動檢測技術(shù)綜合應(yīng)用實例基于基于AT89C2051和和DS18B20的溫度測量系統(tǒng)的溫度測量系統(tǒng) v 12.3.1數(shù)字式溫度傳感器數(shù)字式溫度傳感器

20、DS18B20 v 1DS18B20主要特性v 單總線接口方式：與微處理器連接時僅需要一條信號線即可單總線接口方式：與微處理器連接時僅需要一條信號線即可實現(xiàn)雙向通信。實現(xiàn)雙向通信。v 使用中無須外部器件，可以利用數(shù)據(jù)線或外部電源提供電能，使用中無須外部器件，可以利用數(shù)據(jù)線或外部電源提供電能，供電電壓范圍為供電電壓范圍為3.35.5V。v 直接讀出數(shù)字量，工作可靠，精度高，且通過編程可實現(xiàn)直接讀出數(shù)字量，工作可靠，精度高，且通過編程可實現(xiàn)912位分辨率讀出溫度數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換溫度數(shù)據(jù)最長時間僅需要位分辨率讀出溫度數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換溫度數(shù)據(jù)最長時間僅需要750ms。v 溫度測量范圍溫度測量范圍55+125，10

21、+85之間測量精度之間測量精度可達可達0.5。v 可設(shè)定非易失的報警上下限值，一旦測量溫度超過此設(shè)定值，可設(shè)定非易失的報警上下限值，一旦測量溫度超過此設(shè)定值，即可給出報警標志。即可給出報警標志。v 每片每片DS18B20上有唯一的上有唯一的64bit識別碼，可輕松組建分布識別碼，可輕松組建分布式溫度測量網(wǎng)絡(luò)。式溫度測量網(wǎng)絡(luò)。2DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)v（1）64位光刻位光刻ROMv（2）溫度傳感器v（3）高溫觸發(fā)器和低溫觸發(fā)器）高溫觸發(fā)器和低溫觸發(fā)器v（4）配置寄存器）配置寄存器3DS18B20的硬件連接方式vDS18B20與主機的連接非常簡單，主要是數(shù)據(jù)與主機的連接非常簡單，主要是數(shù)據(jù)線和電

22、源的連接，將線和電源的連接，將DS18B20的數(shù)據(jù)信號線的數(shù)據(jù)信號線（DQ）與主機的一位具有三態(tài)功能的雙向口相）與主機的一位具有三態(tài)功能的雙向口相連接，就可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。連接，就可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。DS18B20采用兩采用兩種供電方式：外部電源供電（種供電方式：外部電源供電（VDD接電源）和數(shù)接電源）和數(shù)據(jù)線供電（據(jù)線供電（VDD和和GND接地）方式。為保證在接地）方式。為保證在有效的有效的DS18B20時鐘周期內(nèi)提供足夠的電流，時鐘周期內(nèi)提供足夠的電流，采用外部電源單獨供電時，要在數(shù)據(jù)線上加采用外部電源單獨供電時，要在數(shù)據(jù)線上加1個個4.7k 上拉電阻；若采用數(shù)據(jù)線供電，除了加一上拉電阻；若

23、采用數(shù)據(jù)線供電，除了加一個個4.7k 上拉電阻外，還要加一個上拉電阻外，還要加一個MOSFET管管來完成對總線的上拉，這種方式主要用于外部電來完成對總線的上拉，這種方式主要用于外部電源供電不方便的場合，而且測溫網(wǎng)絡(luò)中傳感器的源供電不方便的場合，而且測溫網(wǎng)絡(luò)中傳感器的數(shù)量有限制。數(shù)量有限制。4DS18B20的工作過程v由于由于DS18B20單總線通信功能是分時完成的，單總線通信功能是分時完成的，它有嚴格的時隙概念，因此讀寫時序很重要。主它有嚴格的時隙概念，因此讀寫時序很重要。主機對機對DS18B20的各種操作必須按協(xié)議進行。其的各種操作必須按協(xié)議進行。其命令序列如下。命令序列如下。v第一步：初始化；第一步：初始化；v第二步：第二步：ROM命令（跟隨需要交換的數(shù)據(jù)）；命令（跟隨需要交換的數(shù)據(jù)）；v第三步：功能命令（跟隨需要交換的數(shù)據(jù)）。第三步：功能命令（跟隨需要交換的數(shù)據(jù)）。12.3.2 AT89C2051單片機vAT89C2051單片機主要功能特性如下。單片機主要功能特性如下。v 兼容兼容MCS-51指令系統(tǒng)。指令系統(tǒng)。v 15個雙向個雙向I/O口，兩個口，兩個16位可編程定時位可編程定時/計計數(shù)器。數(shù)器。v 1個串行中斷，兩