智能儀器常見故障、調(diào)試

1、第第7 7章智能儀器常見故障、調(diào)試及抗干擾章智能儀器常見故障、調(diào)試及抗干擾 7.1 智能儀器常見故障診斷與處理智能儀器常見故障診斷與處理7.2 7.2 智能儀器的調(diào)試方法智能儀器的調(diào)試方法 7.3 7.3 智能儀器抗干擾技術(shù)及使用注意事項智能儀器抗干擾技術(shù)及使用注意事項7.1 智能儀器常見故障診斷與處理智能儀器常見故障診斷與處理 7.1.1 7.1.1 常見故障類型常見故障類型1)1)常見的硬件故障常見的硬件故障(1)(1) 邏輯錯誤邏輯錯誤儀器硬件的邏輯錯誤通常是由于設(shè)計錯誤、加工過程中工藝性錯誤或使用中其他因素所造成的。這類錯誤主要包括錯線、 開路、短路、相位出錯等幾種情況，其中短路是最常

2、見的故障。智能儀器在結(jié)構(gòu)設(shè)計上往往要求體積小，從而使印刷電路板的布線密度高，使用中異物等常常造成引線之間的短路而引起故障。開路故障則常常是由于印刷電路板的金屬化孔質(zhì)量不好， 或接插件接觸不良所造成的。 （2 2） 元器件失效元器件失效元器件失效的原因主要有兩個方面：一是元器件本身已損壞或性能差，諸如電阻電容的型號、參數(shù)不正確，集成電路已損壞，器件的速度、功耗等技術(shù)參數(shù)不符合要求等； 二是由于組裝原因造成的元器件失效，如電容、二極管、三極管的極性錯誤，集成塊的方向安裝錯誤等。 （3 3） 可靠性差可靠性差系統(tǒng)不可靠的因素很多，例如，金屬化孔、接插件接觸不良會造成系統(tǒng)時好時壞，經(jīng)不起振動； 內(nèi)部和

3、外部的干擾、 電源的紋波系數(shù)過大、器件負(fù)載過大等都會造成邏輯電平不穩(wěn)定；另外，走線和布局的不合理等情況也會引起系統(tǒng)可靠性差。 （4 4） 電源故障電源故障若智能儀器存在電源故障，則加電后將有可能造成器件損壞。電源的故障包括：電壓值不符合設(shè)計要求；電源引出線和插座不對應(yīng)；各檔電源之間短路；變壓器功率不足，內(nèi)阻大，負(fù)載能力差等。 2 2） 常見的軟件故障常見的軟件故障（1 1） 程序失控程序失控這種故障現(xiàn)象是以斷點連續(xù)方式運行時，目標(biāo)系統(tǒng)沒有按規(guī)定的功能進(jìn)行操作或什么結(jié)果也沒有。這是由于程序轉(zhuǎn)移到?jīng)]有預(yù)料到的地方或在某處循環(huán)所造成的。這類錯誤產(chǎn)生的原因有：程序中轉(zhuǎn)移地址計算有誤、堆棧溢出、工作寄存

4、器沖突等。在采用實時多任務(wù)操作系統(tǒng)時，錯誤可能在操作系統(tǒng)中， 沒有完成正確的任務(wù)調(diào)度操作；也可能在高優(yōu)先級任務(wù)程序中， 該任務(wù)不釋放處理機， 使CPU在該任務(wù)中死循環(huán)。 （2 2） 中斷錯誤中斷錯誤（a） 不響應(yīng)中斷CPU不響應(yīng)任何中斷或不響應(yīng)某一個中斷。這種錯誤的現(xiàn)象是連續(xù)運行時不執(zhí)行中斷服務(wù)程序的規(guī)定操作。當(dāng)斷點設(shè)在中斷入口或中斷服務(wù)程序中時反而碰不到斷點。造成錯誤的原因有：中斷控制寄存器（IE、IP）初值設(shè)置不正確，使CPU沒有開放中斷或不允許某個中斷源請求；對片內(nèi)的定時器、串行口等特殊功能寄存器的擴展I/O口編程有錯誤，造成中斷沒有被激活；某一中斷服務(wù)程序不是以RETI指令作為返回主程

5、序的指令，CPU雖已返回到主程序，但內(nèi)部中斷狀態(tài)寄存器沒有被清除，從而不響應(yīng)中斷；由于外部中斷的硬件故障使外部中斷請求失效。 （b） 循環(huán)響應(yīng)中斷 這種故障是CPU循環(huán)地響應(yīng)某一個中斷，使CPU不能正常地執(zhí)行主程序或其他的中斷服務(wù)程序。 這種錯誤大多發(fā)生在外部中斷中。若外部中斷以電平觸發(fā)方式請求中斷，那么當(dāng)中斷服務(wù)程序沒有有效清除外部中斷源（例如，8251的發(fā)送中斷和接收中斷在8251受到干擾時，不能被清除）時，或由于硬件故障使得中斷一直有效，此時CPU將連續(xù)響應(yīng)該中斷。 （3 3） 輸入輸出錯誤輸入輸出錯誤這類錯誤包括輸入操作雜亂無章或根本不動作。錯誤的原因有：輸出程序沒有和I/O硬件協(xié)調(diào)好

6、（如地址錯誤、寫入的控制字和規(guī)定的I/O操作不一致等）；時間上沒有同步； 硬件中還存在故障等?？傊?，軟件故障相對比較隱蔽，容易被忽視，查找起來軟件故障相對比較隱蔽，容易被忽視，查找起來一般很困難一般很困難，通常需要測試者具有豐富的實際經(jīng)驗。 7.1.2故障診斷的基本方法故障診斷的基本方法 1 1） 敲擊與手壓法敲擊與手壓法我們經(jīng)常會遇到儀器運行時好時壞的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象大多數(shù)是由于接觸不良或虛焊造成的，對于這種情況可以采用敲擊與手壓法。所謂敲擊，就是對可能產(chǎn)生故障的部位，通過橡皮榔頭或其他敲擊物輕輕敲打插件板或部件，看看是否會引起出錯或停機故障。所謂手壓，就是在故障出現(xiàn)時，關(guān)上電源后，對插接的部

7、件和插頭插座重新用手壓牢，再開機試試是否會消除故障。 如果發(fā)現(xiàn)敲打一下機殼正常，最好先將所有接插頭重新插牢再試； 如果手壓后儀器正常，則將所壓部件或插頭的接觸故障消除后再試；若上述方法仍不成功，則選用其他辦法。 2 2） 感覺法感覺法這種方法是利用視覺、嗅覺和觸覺發(fā)現(xiàn)故障并確定故障的部位。某些時候，損壞了的元器件會變色、起泡或出現(xiàn)燒焦的斑點；燒壞的器件會產(chǎn)生一些特殊的氣味；出故障的芯片會變得很燙；另外，有時用肉眼也可以觀察到虛焊或脫焊處。 3 3） 拔插法拔插法所謂“拔插法”，是通過拔插智能儀器機內(nèi)一些插件板、 器件來判斷故障原因的方法。如果拔除某一插件或器件后儀器恢復(fù)正常， 則就說明故障發(fā)生

8、在那里。 4 4） 元器件交換試探法元器件交換試探法這種方法要求有兩臺同型號的儀器或有足夠的備件。將一個好的備品與故障機上的同一元器件進(jìn)行替換，查看故障是否消除， 以找出故障器件或故障插件板。 5 5）信號對比法）信號對比法這種方法也要求有兩臺同型號的儀器，其中有一臺必須是正常運行的。使用這種方法還要具備必要的設(shè)備，例如，萬用表、示波器等。 按比較的性質(zhì)可將其分為電壓比較、波形比較、靜態(tài)電阻比較、輸出結(jié)果比較、電流比較等。 具體的做法是：讓有故障的儀器和正常的儀器在相同情況下運行，而后檢測一些點的信號，再比較所測的兩組信號。 若有不同，則可以斷定故障出在這里。這種方法要求維修人員具有相當(dāng)?shù)闹R

9、和技能。 6 6） 升降溫法升降溫法有時，儀表工作時間較長或在夏季工作環(huán)境溫度較高時就會出現(xiàn)故障。關(guān)機檢查時正常，停一段時間再開機也正常， 但是過一會兒又出現(xiàn)故障，這種故障是由于個別IC或元器件性能差，高溫特性參數(shù)達(dá)不到指標(biāo)要求所致。為了找出故障原因，可以采用升降溫方法。 所謂降溫，就是在故障出現(xiàn)時，用棉纖將無水酒精在可能出故障的部位抹擦，使其降溫，觀察故障是否消除。所謂升溫，就是人為地把環(huán)境溫度升高，比如將加熱的電烙鐵靠近有疑點的部位（注意，切不可將溫度升得太高以致?lián)p壞正常器件）， 試看故障是否出現(xiàn)。 7 7） 騎肩法騎肩法騎肩法也稱并聯(lián)法。把一塊好的IC芯片安裝在要檢查的芯片之上，或者把好

10、的元器件（電阻、電容、二極管、三極管等）與要檢查的元器件并聯(lián)，保持良好的接觸。如果故障出自于器件內(nèi)部開路或接觸不良等原因， 則采用這種方法可以排除。 8 8）電容旁路法）電容旁路法當(dāng)某一電路產(chǎn)生比較奇怪的現(xiàn)象，例如顯示器上顯示混亂時，可以用電容旁路法確定有問題的電路部分。例如， 將電容跨接在IC的電源和地端； 將晶體管電路跨接在基極輸入端或集電極輸出端，觀察對故障現(xiàn)象的影響。如果電容旁路輸入端無效， 而旁路它的輸出端時，故障現(xiàn)象消失，則問題就出現(xiàn)在這一級電路中。 9 9）改變原狀態(tài)法）改變原狀態(tài)法一般來說，在故障未確定前，不要隨便觸動電路中的元器件，特別是可調(diào)整式元器件更是如此，例如電位器。但

11、是， 如果事先采取復(fù)位參考措施（例如，在未觸動前先做好位置記號或測出電壓值或電阻值等），必要時還是允許觸動的，也許改變之后故障會消除。 1010） 故障隔離法故障隔離法故障隔離法不需要相同型號的設(shè)備或備件做比較，而且安全可靠。根據(jù)故障檢測流程圖，分割包圍逐步縮小故障搜索范圍，再配合信號對比、部件交換等方法，一般會很快查到故障所在。 1111）使用工具診斷法）使用工具診斷法利用維修工具和測試設(shè)備對IC芯片、電阻、電容、二極管、三極管、晶閘管等元器件進(jìn)行測試、分析、判斷。測試觀察的內(nèi)容主要是信號波形、電流、電壓、頻率、相位等參數(shù)， 根據(jù)這些所得信息進(jìn)行故障診斷。1212） 直接經(jīng)驗法直接經(jīng)驗法維修

12、人員經(jīng)過一定時間的維護實踐，對于所使用的儀器系統(tǒng)已比較熟悉，積累了豐富的經(jīng)驗，清楚什么部位有什么特征，什么是正?，F(xiàn)象，什么是異常現(xiàn)象。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，常?？捎弥苯佑^察的方法，憑借維修經(jīng)驗，找出故障并迅速排除。 1313） 軟件診斷法軟件診斷法軟件診斷法也是智能儀器的一種有效的故障診斷方法。 通常智能儀器都是具有故障自動診斷功能，這是由預(yù)先編制的軟件程序?qū)崿F(xiàn)的。7.1.3 儀器設(shè)備故障診斷步驟儀器設(shè)備故障診斷步驟 1 1） 初步檢查，確定故障癥狀初步檢查，確定故障癥狀通過初步檢查，要求檢修者能正確判斷、識別、確定儀器設(shè)備的故障癥狀。對于完全不能工作的電子儀器，一般來說識別其故障并不困難。如當(dāng)一

13、臺電視機接通電源后，若既無圖像又無聲音且指示燈也不亮，這就是一種比較明確的故障；但對于仍可工作，卻不能完成其正常功能的電子設(shè)備，如電視機接通電源后，圖像和聲音都有，但圖像質(zhì)量差且有嗡嗡之聲， 這種情況下識別故障就不太容易了。 在初步檢查、確定故障癥狀的過程中，特別要注意區(qū)分（別）以下三種情況。 （1） 區(qū)分故障癥狀和非故障癥狀在初步檢查、確定故障癥狀的過程中，一定要注意區(qū)分故障癥狀和非故障癥狀。如一臺工作正常的電視機，應(yīng)該圖像清晰、正常。如果圖像發(fā)生垂直方向的滾動，這就是一種故障癥狀（場同步故障）； 如果由于該地區(qū)的廣播信號弱或天線方向不對等，在這種不良的接收條件下， 本來工作性能正常的電視機

14、現(xiàn)在卻因信號弱而不能保證圖像質(zhì)量，這是一種非故障癥狀， 千萬不能錯誤地認(rèn)為這是電視機的故障癥狀，而盲目動手打開機箱修理。智能儀器也一樣，當(dāng)使用場合不能滿足技術(shù)條件時所出現(xiàn)的異常情況不一定是故障。 （2） 區(qū)分設(shè)備故障和設(shè)備性能下降在初步檢查、確定故障癥狀的過程中，要注意區(qū)分設(shè)備故障和設(shè)備性能下降。當(dāng)然，設(shè)備性能下降也是屬于一種故障， 是另一類性質(zhì)的、 較難檢修的故障。 （3） 區(qū)分設(shè)備故障和操作不當(dāng) 在初步檢查、確定故障癥狀的過程中，特別要注意嚴(yán)格區(qū)別設(shè)備故障和操作不當(dāng)?shù)漠惓０Y狀。例如，一臺收音機喇叭無聲，這似乎是一個明顯的故障，其原因可能是某個電路或某個元器件損壞引起的；但是當(dāng)音量調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)

15、到最小時，也可能出現(xiàn)無聲癥狀。2 2） 熟悉整機，確定故障區(qū)域熟悉整機，確定故障區(qū)域 電子儀器都可以細(xì)分為若干系統(tǒng)或單元，每一個系統(tǒng)或單元都有其確定的功能(即表示完成某種作用)。要熟悉整機， 必須首先要了解電子儀器的功能原理圖。由于功能原理圖通常用方框來表示，因此又稱為原理方框圖(或功能方框圖)。功能方框圖是原理電路圖的簡化，非常重要。一個從事電子儀器維護、測試、檢修的工作者，對于功能方框圖的理解情況， 一定程度上反映了他對這類電子儀器的熟悉程度。功能方框圖簡單明了地說明了整個電子儀器有幾個系統(tǒng)、幾級電路，各個系統(tǒng)、各級電路之間的聯(lián)系(連接)如何，各個系統(tǒng)、各級電路的正常輸入和輸出情況如何等。

16、 3 3） 縮小區(qū)域，縮小區(qū)域， 找出故障電路找出故障電路為了把電子儀器故障判斷縮小到某一級電路， 在多級放大電路這一類情況下，通常可采用信號尋跡法或信號注入法進(jìn)行檢查。檢查時，在被檢修儀器的輸入端加上額定的輸入信號，由前向后逐級檢查輸出情況；或在被檢修儀器各分級輸入端， 由后往前逐級加上規(guī)定的輸入信號，同時檢查末級輸出情況（指示）。 4 4） 縮小范圍，縮小范圍， 找出故障位置找出故障位置 在判定了有故障的電路級的基礎(chǔ)上，接下來即可進(jìn)行縮小故障范圍，查找出具體故障的元器件位置。5 5） 消除故障，檢驗修復(fù)設(shè)備消除故障，檢驗修復(fù)設(shè)備調(diào)換損壞的元器件，是電子儀器消除故障，恢復(fù)正常工作的必要步驟。

17、如果在確定了這個損壞的元器件是該儀器故障的根源，則無疑應(yīng)調(diào)換損壞的元器件； 如果尚未確定這個損壞的元器件是故障的根源所在，則不要匆忙行事，需進(jìn)一步追根究底，直至確定電子儀器故障的根源所在。在調(diào)換損壞的元器件時，換上元器件的性能應(yīng)與原來的元器件相同。當(dāng)然，亦可用等效的元器件或性能更好的元器件替代。另外，在故障的檢修過程中，應(yīng)盡可能按電子儀器裝配原樣、 原位置、同樣的引線長度來替換原故障元器件。 特別是在高頻電路中，隨意改變了元器件的位置、引線的走向、引線的長度等，均會引起分布參數(shù)的改變，從而影響到電子儀器的性能。 7.2 智能儀器的調(diào)試方法智能儀器的調(diào)試方法 智能儀器在完成制作或維修之后都要進(jìn)行

18、調(diào)試，通常可將智能儀器的調(diào)試分為硬件調(diào)試、軟件調(diào)試和樣機聯(lián)調(diào)。調(diào)試的流程可參見圖7-1。 圖 7-1 智能儀器調(diào)試流程 硬件調(diào)試有問題？Y修改N軟件調(diào)試Y修改N聯(lián)調(diào)硬件故障？YNY完成樣機N有問題？軟件故障？7.2.1 7.2.1 硬件電路調(diào)試方法硬件電路調(diào)試方法1 1） 靜態(tài)測試靜態(tài)測試靜態(tài)測試的方法如下：(1) 在儀器加電之前，先用萬用表等工具，根據(jù)硬件電氣原理圖和裝配圖仔細(xì)檢查儀器線路的正確性，并核對元器件的型號、規(guī)格和安裝是否符合要求。應(yīng)特別注意電源的走線，防止電源之間的短路和極性錯誤，并重點檢查擴展系統(tǒng)總線（地址總線、 數(shù)據(jù)總線和控制總線）是否存在相互間的短路或與其他信號線的短路，同

19、時要仔細(xì)檢查插件插入的位置和引腳是否正確。 (2) 加電后檢查各插件引腳的電位，仔細(xì)測量各點電位是否正常，尤其應(yīng)注意單片機的插座上的各點的電位，若有高壓，聯(lián)機時將會損壞仿真器。此外，如果發(fā)現(xiàn)某器件太熱、 冒煙或電流太大等現(xiàn)象，應(yīng)馬上切斷電源，重新查找故障。 為慎重起見，器件的插入可以分批進(jìn)行，逐步插入，以避免大面積損壞器件。2 2） 聯(lián)機仿真器調(diào)試聯(lián)機仿真器調(diào)試在靜態(tài)測試中，只對儀器的硬件進(jìn)行初步測試，排除了一些明顯的硬件故障，而目標(biāo)樣機中的硬件故障主要靠聯(lián)機調(diào)試來排除。聯(lián)機仿真器是一種功能很強的調(diào)試工具，它用一個仿真器代替樣機系統(tǒng)的CPU。由于聯(lián)機仿真器是在開發(fā)系統(tǒng)控制下工作的，因此，可以利

20、用開發(fā)系統(tǒng)豐富的硬件和軟件資源對樣機系統(tǒng)進(jìn)行研制和調(diào)試。而調(diào)試的方法是預(yù)先編制簡單的測試程序，這些程序一般由少數(shù)指令組成，而且程序具有可觀察的功能。這就是說，測試者能借助適當(dāng)?shù)挠布杏X到程序運行的結(jié)果，從而由此可以判斷電路是否存在故障。例如檢查微處理器時，可編制一個自檢程序，讓它按預(yù)定的順序執(zhí)行所有的指令。如果微處理器本身有缺陷，便不能按時完成預(yù)定的操作， 此時，定時裝置就自動發(fā)出告警信號。實際的調(diào)試中通常可進(jìn)行如下的測試。 7.2.2 軟件調(diào)試方法軟件調(diào)試方法 1 1） 操作系統(tǒng)環(huán)境下的應(yīng)用程序調(diào)試操作系統(tǒng)環(huán)境下的應(yīng)用程序調(diào)試在實時多任務(wù)操作系統(tǒng)環(huán)境下，應(yīng)用程序由若干個任務(wù)程序組成， 逐個任

21、務(wù)調(diào)試好以后，再使各個任務(wù)同時運行。如果操作系統(tǒng)沒有錯誤，一般情況下系統(tǒng)能正常運轉(zhuǎn)。 具體調(diào)試方法是：在調(diào)試某一個任務(wù)時，將系統(tǒng)初始化修改成只激活該任務(wù)，即只允許與該任務(wù)有關(guān)的中斷。這樣，系統(tǒng)中只有一個任務(wù)運行，對發(fā)生的錯誤就容易定位和排除。然后，可在程序中設(shè)置斷點，并用斷點方式運行程序，以便找出程序中的問題所在。其他的任務(wù)也采用同樣的方法調(diào)試，直至排除所有的錯誤為止。2 2） 串行口通信程序調(diào)試串行口通信程序調(diào)試為了方便用戶的串行通信程序的調(diào)試，可以用仿真器串行接口上的終端或主機來調(diào)試目標(biāo)系統(tǒng)的串行通信程序。開機時設(shè)置的仿真器串行口波特率和目標(biāo)系統(tǒng)所工作的波特率相一致。 以全速斷點運行方式（

22、斷點設(shè)在串行口中斷入口或中斷處理程序中）或連續(xù)方式運行，若程序沒有錯誤，則程序輸出到串行口上的數(shù)據(jù)會在主機（或終端）上顯示出來，而主機（或終端）上鍵入的數(shù)據(jù)會被接收終端程序接收到，用這種方法可模擬目標(biāo)系統(tǒng)和其他設(shè)備的通信。在調(diào)試時，首先調(diào)試初始化程序， 使串行口輸出數(shù)據(jù)能在主機上顯示，鍵入的數(shù)據(jù)被目標(biāo)系統(tǒng)程序所接收；然后根據(jù)目標(biāo)系統(tǒng)的串行通信規(guī)定，逐個通知命令進(jìn)行調(diào)試。當(dāng)各個命令和數(shù)據(jù)的處理都正確后，串行通信的程序調(diào)試成功。 3 3） I/O I/O處理程序調(diào)試處理程序調(diào)試由于I/O處理程序通常也是實時處理程序，因此也必須用全速斷點方式或連續(xù)運行方式進(jìn)行調(diào)試。 4 4） 綜合調(diào)試綜合調(diào)試在完成

23、了各個模塊程序的調(diào)試工作之后，接著便進(jìn)行系統(tǒng)綜合調(diào)試，即可通過主程序?qū)⒏鱾€模塊程序鏈接起來，進(jìn)行整體調(diào)試。綜合調(diào)試一般采取全速斷點方式進(jìn)行，這個階段的主要工作是排除系統(tǒng)中遺留的錯誤，提高系統(tǒng)的動態(tài)性能和精度。 調(diào)試完成后，即可將程序固化到EPROM中，目標(biāo)系統(tǒng)便可獨立運行了。 7.2.3 7.2.3 軟、軟、 硬件聯(lián)合調(diào)試硬件聯(lián)合調(diào)試 軟件和硬件分別調(diào)試通過后，并不意味著系統(tǒng)的調(diào)試已經(jīng)結(jié)束，還必須再進(jìn)行整個系統(tǒng)的軟、硬件統(tǒng)調(diào)，以找出軟件和硬件之間不相匹配的地方。 系統(tǒng)的軟、硬件統(tǒng)調(diào)也就是通常所說的“系統(tǒng)仿真”（也稱為模擬調(diào)試）。所謂系統(tǒng)仿真，就是應(yīng)用相似原理和類比關(guān)系來研究事物，即利用模型來代

24、替實際生產(chǎn)過程（被控對象）進(jìn)行實驗和研究。系統(tǒng)仿真有三種類型：全物理仿真（模擬環(huán)境條件下的全實物仿真）、半物理仿真（硬件閉路動態(tài)試驗）和數(shù)字仿真（計算機仿真）。 7.3 智能儀器抗干擾技術(shù)及使用注意事項智能儀器抗干擾技術(shù)及使用注意事項 7.3.1 7.3.1 干擾及干擾的抑制干擾及干擾的抑制1 1） 干擾的來源干擾的來源(1) 自然因素。例如，宇宙射線、太陽黑子、雷電等導(dǎo)致的干擾。 (2) 周圍設(shè)備。例如，動力線路中的火花與電弧，汽車的點火裝置，各種電機、電氣設(shè)備的接通與斷開引起的電網(wǎng)沖擊； 高頻設(shè)備、可控硅設(shè)備引起的電源波形畸變； 電磁場發(fā)射、 靜電干擾等。 (3）元器件物理性質(zhì)。例如，分布

25、電容、熱噪聲等引起的干擾。 (4）結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理。例如，印刷板布線不合理，元器件布設(shè)位置不當(dāng)?shù)纫鸬母蓴_。 2 2） 干擾的耦合方式干擾的耦合方式（1） 傳導(dǎo)耦合干擾通過導(dǎo)線進(jìn)入電路，稱為傳導(dǎo)耦合。電源線、輸入輸出線等都有可能將干擾引入儀器。例如， 由交流電源進(jìn)線引入的高頻干擾，其頻帶甚寬，這種高頻成分的干擾信號是在電網(wǎng)中大的負(fù)載切換時產(chǎn)生的。當(dāng)電網(wǎng)中有大的感性負(fù)荷或可控硅切換時，便會產(chǎn)生瞬時電壓，引起電網(wǎng)電壓波形的畸變， 如圖7-2所示。這一干擾電壓主要將沿著電源引入線變壓器儀器系統(tǒng)大地負(fù)載突變處的途徑傳播。 圖7-2 負(fù)載切換引起的電網(wǎng)電壓畸變示意圖 0Ut負(fù)載突變時的電壓波形（2） 公共

26、阻抗耦合在智能儀器中，電路各部分之間經(jīng)常是共用電源和地線的。 這樣，電源和地線的阻抗就成了各部分之間的公共阻抗。當(dāng)某部分的電流經(jīng)過公共阻抗時，阻抗的壓降就成了其他部分的干擾信號。圖7-3是公共電源內(nèi)阻耦合干擾示意圖，儀器的N個電路共用一個電源，因內(nèi)阻抗和線路阻抗的影響，電路N中電流的任何變化均會影響電路1至N-1的工作。圖7-4是公共地線阻抗耦合干擾信號的示意圖。在圖中（a）、（b）兩種情況下， 兩部分電路的信號變化會互相干擾，（c）中的接地措施則可避免這種干擾。 圖7-3 公共電源內(nèi)阻耦合干擾 電路1電源電源內(nèi)阻線路阻抗電路 N圖 7-4 公共地線阻抗耦合干擾信號的示意圖 模擬系統(tǒng)模擬地數(shù)字

27、系統(tǒng)數(shù)字地(a)模擬系統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng)(b)ZCM模擬系統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng)(c)（3） 靜電耦合在系統(tǒng)內(nèi)部、元件之間、元件和導(dǎo)線之間等地方，均存在著分布電容。各種干擾信號很容易通過分布電容進(jìn)行傳遞， 這也稱為靜電耦合。圖7-5是兩根平行導(dǎo)線之間的靜電耦合情況。 U1C1gC12RC2gUnU1C1gRC2gC121號Un2號圖 7-5 兩根平行導(dǎo)線之間的靜電耦合 圖中1號導(dǎo)線對2號導(dǎo)線有分布電容C12存在，兩根導(dǎo)線對地分別有C1g和C2g存在。如果1號導(dǎo)線上有干擾源U1存在，則2號導(dǎo)線上出現(xiàn)的干擾電壓為 1g21212n1)(jjUCCRRCU（7-1） 當(dāng)連至2號導(dǎo)線上的電阻R滿足下述條件 )(j1g21

28、2CCR (7-2) 則上式可簡化為 Un=jRC12U1 (7-3) （4） 電磁耦合電磁耦合是通過電路之間的互感耦合的。對圖7-6所示的兩條平行線而言，它們之間的互感M可以用下式表示： H101log27222ldldddlllM (7-4) 式中，l為導(dǎo)線長度；d為導(dǎo)線間距。 ld圖 7-6 兩條平行導(dǎo)線線路 當(dāng)ld 時 H1012log27dllM(7-5)通常，當(dāng)有電磁耦合時，若感應(yīng)側(cè)導(dǎo)線的電流為In，則感應(yīng)電壓Em可用下式表示： Em=jMIn (7-6) 另外，智能儀器內(nèi)部線圈或變壓器的漏磁是對鄰近電路的一種比較嚴(yán)重的干擾。MUnIn3 3） 干擾的抑制干擾的抑制要消除干擾，只要

29、能夠去掉形成干擾的三個基本條件之一即可。首先首先是清除或抑制干擾源清除或抑制干擾源，這是最積極、主動的措施。 內(nèi)部干擾源可以通過合理的電氣設(shè)計在一定程度上予以消除；外部干擾源有的可以采取措施給以抑制或消除。例如，各種電接點在通斷時產(chǎn)生的電火花是較強的干擾源，可以采取觸點消弧來抑制干擾，也可以在觸點上并接消弧電容。但是，有些外部干擾源是難以消除甚至是不可能消除的，例如儀表以外的其他用電設(shè)備、雷電等造成的干擾。 所以，可以認(rèn)為干擾源一般總是存在的，只能從其他方面采取措施來解決。其次其次，對于接收干擾的敏感單元，雖然可以在設(shè)計時從元器件的選取、 電路的布置、放大器的輸入阻抗的適當(dāng)改變、負(fù)反饋或選頻技

30、術(shù)的采取等加以改善，但回旋余地也不大，因為一般不能為了抗干擾而改變系統(tǒng)的工作原理或降低系統(tǒng)的靈敏度。最后最后是破壞干擾的傳輸通道，抗干擾的主要工作是圍繞這一部分展開的抗干擾的主要工作是圍繞這一部分展開的。 7.3.2 7.3.2 智能儀器抗干擾實用技術(shù)智能儀器抗干擾實用技術(shù)1 1） 供電系統(tǒng)的抗干擾措施供電系統(tǒng)的抗干擾措施目前，大部分智能儀器采用交流市電（220 V，50 Hz）供電。單片機應(yīng)用系統(tǒng)中最重要并且危害最嚴(yán)重的干擾來源于電源的污染。隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，電源污染問題日趨嚴(yán)重。 理論分析和實踐表明，由電源引入的干擾頻率范圍從近似直流一直可達(dá)1000 MHz，因此，要完全抑制這樣寬頻率范

31、圍的干擾， 只采取單一措施是很難實現(xiàn)的，可以采取多種抗干擾措施結(jié)合的方法來抑制干擾。通常，電源干擾有過壓、欠壓、浪涌、 下陷、 尖峰電壓和射頻干擾等。 為防止從電源系統(tǒng)引入干擾，單片機應(yīng)用系統(tǒng)可采用如圖7-8所示的供電配置。 圖 7-8 單片機系統(tǒng)的抗干擾供電配置 交 流穩(wěn) 壓 器220 V交 流隔 離 變 壓 器11低 通濾 波 器非 穩(wěn) 壓 直 流整 流 器雙 T濾 波 器CPU板A / D板D / A板RAM板 9 V 18 V 18 V地穩(wěn) 壓 塊（1）采用交流穩(wěn)壓器對于功率不大的智能儀器，為了抑制電網(wǎng)電壓波動的影響，可在供電回路中設(shè)置交流穩(wěn)壓器。交流穩(wěn)壓器用來保證供電的穩(wěn)定性，防止電

32、源系統(tǒng)的過電壓與欠電壓，有利于提高整個系統(tǒng)的可靠性。 （2）采用隔離變壓器考慮到高頻噪聲通過變壓器主要不是靠初、次級線圈的互感耦合，而是由初、次級間寄生電容耦合造成的。因此，隔離變壓器的初級和次級之間均用屏蔽層隔離，減少其分布電容， 以提高抗共模干擾的能力。 （3） 采用低通濾波器電源系統(tǒng)的干擾源大部分是高次諧波， 因此采用低通濾波讓50 Hz市電基波通過，濾去高次諧波， 以改善電源波形。在低壓下，當(dāng)濾波電路載有大電流時，宜采用小電感和大電容構(gòu)成濾波網(wǎng)絡(luò)；當(dāng)濾波電路處于高電壓下工作時， 則應(yīng)采用小電容和允許的最大電感構(gòu)成的濾波網(wǎng)絡(luò)。 在整流電路之后可采用圖7-9所示的雙T濾波器，以消除50 H

33、z工頻干擾。其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，對固定頻率的干擾濾波效果好， 其頻率特性為 RCCRRCuuHo4 j1)(1i)j (22(7-8) 當(dāng) RC10時 RCfu21, 0o將電容C固定，調(diào)節(jié)電阻R，當(dāng)輸入50 Hz信號時，使輸出uo=0。 圖7-9 雙T濾波器 RRCCUiUo2CR / 2（4） 采用分散獨立功能塊供電在由多模塊構(gòu)成的智能儀器中，廣泛采用獨立功能塊單獨供電的方法，即在每塊系統(tǒng)功能模塊上用三端穩(wěn)壓集成塊(如7805、 7905、 7812、 7912等)組成穩(wěn)壓電源。 每個功能塊單獨對電壓過載進(jìn)行保護，不會因某塊穩(wěn)壓電源故障而使整個系統(tǒng)破壞，而且也減少減少了公共阻抗的相互耦合以及

34、和公共電源的相互耦合，大大提高了供電的可靠性，也有利于電源散熱。 （5）采用高抗干擾穩(wěn)壓電源及干擾抑制器在電源配置中還可以采取下列措施： （a）采用反激變換器的開關(guān)穩(wěn)壓電源。這是利用變換器的儲能作用，在反激時把輸入的干擾信號抑制掉。（b）采用頻譜均衡法原理制成的干擾抑制器。這種干擾抑制器可以把干擾的瞬變能量轉(zhuǎn)換成多種頻率能量，達(dá)到均衡目的。它的明顯優(yōu)點是抗電網(wǎng)瞬變干擾能力強， 很適宜于微機實時控制系統(tǒng)。 （c） 采用超隔離變壓器穩(wěn)壓電源。這種電源具有高的共模抑制比及串模抑制比， 能在較寬的頻率范圍內(nèi)抑制干擾。 目前這些高抗干擾性電源及干擾抑制器已有許多現(xiàn)成產(chǎn)品可供選購。 2 2） 過程通道干擾

35、及抗干擾措施過程通道干擾及抗干擾措施過程通道是前向接口、后向接口與主機或主機相互之間進(jìn)行信息傳輸?shù)穆窂剑?在過程通道中長線傳輸?shù)母蓴_是主要因素。例如，按照經(jīng)驗公式經(jīng)驗公式計算，當(dāng)計算機主振頻率為1 MHz且傳輸線大于0.5 m， 或主振頻率為4 MHz且傳輸線大于0.3 m時，即作為長線傳輸處理。 微機應(yīng)用系統(tǒng)中，傳輸線的信息多為脈沖波，它在傳輸線上傳輸時會出現(xiàn)延時、畸變、衰減與通道干擾。為了保證長線傳輸?shù)目煽啃裕饕胧┲饕胧┯泄怆婑詈细綦x、雙絞線傳輸、阻抗匹配等。 （1） 光電耦合隔離措施光電耦合器件是以光為媒介傳輸信號的集成化器件。采用光電耦合器可以將主機與前向、后向以及其他主機部分切

36、斷電路的聯(lián)系，以有效地防止干擾從過程通道進(jìn)入主機。圖7-10為常用光電耦合器的幾種基本結(jié)構(gòu)形式。1243發(fā)光二極管光敏三極管(a)1265發(fā)光二極管光敏二極管(b)341265發(fā)光二極管光敏三極管(c)34圖 7-10 光電耦合器的基本結(jié)構(gòu)形式 光電耦合的主要優(yōu)點光電耦合的主要優(yōu)點是能有效地抑制尖峰脈沖及各種噪聲干擾，從而使過程通道上的信噪比大大提高。光電耦合具有很強的抗干擾能力，這是因為： 光電耦合器的輸入阻抗很小，一般為100 1 k， 而干擾源內(nèi)阻一般很大，通常為105108 。根據(jù)分壓原理可知，這時能饋送到光電耦合器輸入端的噪聲自然會很小。 干擾噪聲雖有較大的電壓幅度，但所能提供的能量

37、卻很小，只能形成微弱的電流。而光電耦合器輸入部分的發(fā)光二極管只有在通過一定強度的電流時才能發(fā)光；輸出部分的光敏三極管也只在一定光強下才能工作。因此，既使有很高的電壓幅值的干擾，由于不能提供足夠的電流而不能使二極管發(fā)光， 從而被抑制掉了。 光電耦合器是在密封條件下實現(xiàn)輸入回路與輸出回路的光耦合的，不會受到外界光的干擾。 輸入回路與輸出回路之間的分布電容極小，一般僅為0.52 pF，而且絕緣電阻又非常大，通常為10111013 。 因此，回路一邊的各種干擾噪聲都很難通過光電耦合器饋送到另一邊去。 RLR1UCC(5 V)UiVDUo圖7-11 光電耦合器應(yīng)用原理 （2） 光耦在數(shù)字量輸入通道中的應(yīng)

38、用。二極管三極管型光電耦合器作為實施智能儀器的數(shù)字量輸入通道與干擾源之間的電氣隔離的一種具體應(yīng)用如圖7-11 所示。圖中R1為限流電阻，VD為反向保護二極管，RL是光敏三極管的負(fù)載電阻。當(dāng)代表數(shù)字量輸入的Ui為高電平,并驅(qū)動發(fā)光二極管導(dǎo)通,從而使光敏三極管導(dǎo)通時，光電耦合器的輸出Uo為低電平（TTL為邏輯0）；反之，（即Ui為低時），Uo為高電平（TTL為邏輯1）。 下面以GO130光電耦合器為例，說明圖中R1和RL的選取原則。當(dāng)發(fā)光二極管在導(dǎo)通電流為IF=10 mA 時，正向壓降UF1.3 V， 而光敏三極管導(dǎo)通時的壓降UCE=0.4 V。假設(shè)輸入信號的邏輯1電平為Ui=12 V，并取光敏三

39、極管導(dǎo)通電流IC=2 mA，則R1和RL可用下式計算：k3 . 224 . 05k07. 1103 . 112CCECCFFi1IUURIUURL應(yīng)用中請注意，無論光電耦合器是用在數(shù)字量輸入通道，還是數(shù)字量輸出通道，其輸入部分和輸出部分必須分別采用獨立的電源。 如果兩側(cè)共用一個電源，就會形成公共的地線回路， 從而使光電隔離作用失去意義。 （3） 光耦在數(shù)字量輸出通道中的應(yīng)用。功率場效應(yīng)管是一種常用的中等功率的開關(guān)量輸出驅(qū)動器件，為提高此類開關(guān)量輸出通道的抗干擾能力，亦可采用光電耦合器來切斷智能儀器與被控開關(guān)量之間的電氣聯(lián)系，如圖7-12所示。 它由光電耦合器GD、晶體管V1、V2及有關(guān)電阻組成

40、。當(dāng)從輸入端Ui輸入低電平時，光電耦合器中的發(fā)光二極管發(fā)光，光敏三極管導(dǎo)通，從而使晶體管V1截止，V2亦截止，進(jìn)而使功率場效應(yīng)管V3導(dǎo)通；反之功率場效應(yīng)管V3截止。 R15 VUiGDR2R3V1UDR4R5V2R6R7UDV3R8Uo圖 7-12 采用光電耦合器的驅(qū)動電路 （4） 雙絞線傳輸雙絞線雙絞線對電場的耦合干擾不起抑制作用，但可對磁場耦合起抑制作用。在微機實時系統(tǒng)的長線傳輸中，雙絞線是較常用的一種傳輸線，與同軸電纜相比， 雖然頻帶較差，但波阻抗高， 抗共模噪聲能力強。雙絞線能使各個小環(huán)路的電磁感應(yīng)干擾相互抵消，故對電磁場具有一定抑制效果。盡管如此， 但雙絞線并不能完全消除磁場耦合干擾

41、的影響，這是因為生產(chǎn)工藝決定了絞扭所形成的各小塊面積不可能絕對相等，當(dāng)然方向也就不可能絕對相反，所以要想把磁場干擾全部抑制掉是不可能的。 （5） 長線傳輸?shù)淖杩蛊ヅ溟L線傳輸時，阻抗不匹配的傳輸線會產(chǎn)生反射，使信號失真。為了對傳輸線進(jìn)行阻抗匹配，必須估算出它的特性阻抗Rp。 利用示波器觀察的方法可以大致測定特性阻抗的大小，其測定方法如圖7-13所示。調(diào)節(jié)可變電阻RW，當(dāng)RW與Rp相等（匹配）時，A門的輸出波形畸變最小，反射波幾乎消失，這時的RW值可認(rèn)為是該傳輸線的特性阻抗Rp。同軸電纜特性阻抗的計算公式： dDCLZslg138c (7-9) 式中： L單位長度的電感（H）； C單位長度的電容（

42、F）； D外部導(dǎo)體的內(nèi)徑； d內(nèi)部導(dǎo)體的外徑； s介質(zhì)的相對介質(zhì)電系數(shù)。 圖 7-13 傳輸線特性阻抗測試示 波 器 觀 察 點A門RWRp圖 7-14 傳輸線的四種阻抗匹配方式 (a) 終端并聯(lián)阻抗匹配； (b) 始端串聯(lián)阻抗匹配(c) 終端并聯(lián)隔直流匹配； (d) 終端接箝位二極管匹配 A門RpR2R1 5 VB門(a)A門B門(b)RA門B門(c)RCA門B門(d)VRpRpRp（a） 終端并聯(lián)阻抗匹配。如圖7-14（a）所示，R1、R2為終 端 匹 配 電 阻 ，Rp為 雙 絞 線 特 性 阻 抗 ，Rp的 值 可 按Rp=R1R2/(R1+R2)的要求選取。一般取R1為220330

43、，而R2可在270390 范圍內(nèi)選取。這種匹配方法由于終端阻值低， 相當(dāng)于加重負(fù)載，使高電平有所下降，故高電平的抗干擾能力有所下降。 （b） 始端串聯(lián)阻抗匹配。如圖7-14（b）所示，在長的始端串入電阻， 增大長線的特性阻抗以達(dá)到和終端輸入阻抗匹配的目的。匹配電阻R的取值為Rp與A門輸出低電平時的輸出阻抗Rsol（約20 ）之差（即，R=Rp-Rsol）。 這種匹配方法的主要缺點是會使終端的低電平抬高，相當(dāng)于增加了輸出阻抗，降低了低電平的抗干擾能力。 （3） 終端并聯(lián)隔直流匹配。 如圖7-14(c)所示，因電容C在較大時只起隔直流作用，并不影響阻抗匹配，所以只要求匹配電阻R與Rp相等即可。它不

44、會引起輸出高電平的降低，故增加了對高電平的抗干擾能力。電容的取值為 p111010RRTRRTC (7-10) 式中: T傳輸脈沖寬度； R1始端阻件低電平輸出阻抗，約20； R匹配阻抗； Rp特性阻抗。 （4） 終端接箝位二極管匹配。如圖7-14(d)所示，利用二極管V把B門輸入端低電平箝位在0.3 V以下，可以減少波的反射、 振蕩以及線間竄擾， 提高動態(tài)抗干擾能力。 4 4） 長線傳輸還應(yīng)注意的問題長線傳輸還應(yīng)注意的問題（1） 輸出端帶長線后， 近處不能再帶其他負(fù)載（如圖7-15所示）。 圖 7-15 A門輸出端不準(zhǔn)接負(fù)載 A門B門不準(zhǔn)接負(fù)載（2） 觸發(fā)器輸出需要隔離后才可傳輸（如圖7-1

45、6所示）。 圖 7-16 隔離后進(jìn)行傳輸示意圖 B門隔離門AB（3） 用變壓器耦合不共地長線傳輸（如圖7-17所示）。 這種線路不但可用變壓器實現(xiàn)，也可用光電耦合器件實現(xiàn)。 改變單穩(wěn)電路的參數(shù)可以得到不同寬度的傳輸脈沖。它適合于CPU與內(nèi)存、 外設(shè)以及A/D、 D/A等進(jìn)行單向信息傳輸。 單穩(wěn)YF5 V長線5 VYF輸出不共地圖 7-17 不共地長線傳輸 （4） 用“OC”門（集電極開路門）作雙向總線傳輸。 “OC”門的最大特點是可以把輸出端并聯(lián)在一起，而一般的TTL 電路輸出端不能并聯(lián)在一起。因為當(dāng)一個處于截止?fàn)顟B(tài)的與非門和一個處于導(dǎo)通狀態(tài)的與非門并聯(lián)在一起時，將產(chǎn)生很大的導(dǎo)通電流，約50

46、mA，這可能引起器件損壞； 所以必須用晶體管隔離后才能進(jìn)行雙向總線傳輸， 而“OC”門可以直接用來為單向、雙向總線傳輸。 由于負(fù)脈沖傳輸抗干擾能力較正脈沖強，因此，一般在長線傳輸時，采用負(fù)脈沖傳輸，而且在速度要求不高時，在始端用驅(qū)動器比用一般的TTL好些。 3 3） 印制電路板及電路的抗干擾設(shè)計印制電路板及電路的抗干擾設(shè)計（1 1） 地線設(shè)計地線設(shè)計微機系統(tǒng)中地線結(jié)構(gòu)大致有系統(tǒng)地、機殼地（屏蔽地）、 數(shù)字地（邏輯地）和模擬地等。在微機實時控制系統(tǒng)中， 接地是抑制干擾的重要方法，如能將接地和屏蔽正確結(jié)合起來使用,可以解決大部分干擾問題。 （a） 單點接地與多點接地的選擇。在低頻電路中， 信號的工

47、作頻率小于1 MHz時，它的布線和元器件間的電感影響較小，而接地電路形成的環(huán)流對干擾影響較大， 因而屏蔽線采用單點接地。當(dāng)信號工作頻率大于10 MHz時，地線阻抗變得很大，此時應(yīng)盡量降低地線阻抗，應(yīng)采用就近多點接地法。當(dāng)工作頻率在110 MHz之間時，如果用單點接地，其地線長度不應(yīng)超過波長的1/20，否則宜采用多點接地法。 （b） 數(shù)字、模擬電路分開。電路板上既有高速邏輯電路， 又有線性電路，應(yīng)使它們盡量分開，而兩者的地線不要相混， 分別與電源端地線相連。要盡量加大線性電路的接地面積。（c） 接地線應(yīng)盡量加粗。若接地所用線條很細(xì)，接地電位則將隨電流的變化而變化，致使微機的定時信號電平不穩(wěn)， 抗

48、噪聲性能變壞，因此應(yīng)將接地線條加粗。 （d） 接地線構(gòu)成閉合環(huán)路。只用數(shù)字電路組成的印制電路板接地時，將接地電路做成閉合環(huán)路大多都明顯地提高抗噪聲能力。其原因是：一塊印制電路板上有很多集成電路，尤其遇有耗電多的元件時，因受到線條粗細(xì)限制，地線產(chǎn)生電位差， 引起抗噪聲能力下降。 （2 2） 電源線布置電源線布置電源線的布線過程中，除了要根據(jù)電流的大小，盡量加粗導(dǎo)體寬度外，還應(yīng)采取使電源線、地線的走向與數(shù)據(jù)傳遞的方向一致， 這將有助于增強抗噪聲能力。 （3 3） 去耦電容配置去耦電容配置在印制電路板的各個關(guān)鍵部位配置去耦電容應(yīng)視為印制電路板設(shè)計的一項常規(guī)做法。 （a） 電源輸入端跨接10100 F

49、的電解電容器。 如有可能，接100 F以上更好。 （b） 原則上，每個集成電路芯片都應(yīng)安置一個0.01 F的陶瓷電容器鉭電容器。這種器件的高頻阻抗特別小， 在500 kHz20 MHz范圍內(nèi)阻抗小于1 ，而且漏電流很?。?.5 A以下）。 （c） 對于抗噪聲能力弱、關(guān)斷時電流變化大的器件和ROM、RAM存儲器件，應(yīng)在芯片的電源線（UCC）和地線（GND）間直接接入去耦電容。 （d）電容引線不能太長，特別是高頻旁路電容不能帶引線。 4 4） 印制電路板的尺寸與器件布置印制電路板的尺寸與器件布置印制電路板大小要適中，過大時，印制線條長，阻抗增加，不僅抗噪聲能力下降，成本也高；過小時，散熱不好， 同時易受鄰近線條干擾。 在器件布置方面，與其他邏輯電路一樣，應(yīng)把相互相關(guān)的器件盡量放得靠近些，能獲得較好的抗噪聲效果。如時鐘發(fā)生器、晶振和CPU的時鐘輸入端都易產(chǎn)生噪聲，要相互靠近些。易產(chǎn)生噪聲的器件、小電流電路、大電流電路等應(yīng)盡量遠(yuǎn)離計算機邏輯電路，如有可能，應(yīng)另做電路板，這一點十分重要。 另