第六章抗干擾技術(shù)

1、抗干擾技術(shù)抗干擾技術(shù) 第七章 智能儀表的抗干擾技術(shù)第七章第七章 智能儀表的抗干擾技術(shù)智能儀表的抗干擾技術(shù)7.1干擾源：干擾源： 帶有微機(jī)的儀表，不論功能設(shè)計(jì)得多么完善。如果在復(fù)雜的環(huán)境中不帶有微機(jī)的儀表，不論功能設(shè)計(jì)得多么完善。如果在復(fù)雜的環(huán)境中不 能安全可靠的運(yùn)行，也沒有用處。設(shè)計(jì)正確的儀表，若沒有較強(qiáng)的抗干能安全可靠的運(yùn)行，也沒有用處。設(shè)計(jì)正確的儀表，若沒有較強(qiáng)的抗干 擾能力，就不能使儀表正常工作。擾能力，就不能使儀表正常工作。 尤其是用于工業(yè)控制現(xiàn)場的智能儀表。由于工業(yè)環(huán)境特別是工業(yè)尤其是用于工業(yè)控制現(xiàn)場的智能儀表。由于工業(yè)環(huán)境特別是工業(yè) 過程控制的生產(chǎn)環(huán)境干擾嚴(yán)重，不僅會破壞儀表的正常

2、工作。而且嚴(yán)重過程控制的生產(chǎn)環(huán)境干擾嚴(yán)重，不僅會破壞儀表的正常工作。而且嚴(yán)重 時(shí)會嚴(yán)重?fù)p壞儀表的器件或程序，導(dǎo)致儀表不能正常運(yùn)行。甚至?xí)饡r(shí)會嚴(yán)重?fù)p壞儀表的器件或程序，導(dǎo)致儀表不能正常運(yùn)行。甚至?xí)?誤操作或爆炸等嚴(yán)重事故。誤操作或爆炸等嚴(yán)重事故。 因此為了保證儀表能在實(shí)際應(yīng)用中可靠地工作，必須要周密考慮和因此為了保證儀表能在實(shí)際應(yīng)用中可靠地工作，必須要周密考慮和 解決抗干擾問題。解決抗干擾問題。 本章主要從硬件和軟件兩方面討論智能儀表的抗干擾問題。本章主要從硬件和軟件兩方面討論智能儀表的抗干擾問題。一 干 擾 源 ： 干 擾 的 來 源 ： 外 部 干 擾 源 內(nèi) 部 干 擾 源 2.內(nèi)

3、部干擾源：a 不同信號間的感應(yīng)；b經(jīng)雜散或寄生電容的耦合；c長線傳輸造成的波的反射；d多點(diǎn)接地造成的地線電位差引起的干擾；e寄生振蕩引起的干擾；f熱噪聲干擾； g振鈴噪聲等；1.外部干擾：干擾信號主要通過三個(gè)途徑進(jìn)入儀表內(nèi)部。 即:電磁感應(yīng)、傳輸通道和電源線。 外部干擾源有：a 電源的工頻干擾(漏電或電磁場影響)；b周圍電器設(shè)備(包括工廠設(shè)備、交通設(shè)備、家用電器)； 發(fā)出的電磁波、電火花(電焊機(jī)、電燈、電機(jī)、大開關(guān))；c空中雷電、濕度、溫度變化的影響；d廣播電臺或通訊發(fā)射臺發(fā)射的電磁波； e太陽及天體輻射出的電磁波等；一漏電：絕緣在高溫下性能變壞，會引起外界干擾(交流、直流干擾) 二磁場干擾及

4、磁屏蔽： 磁場干擾： 工頻交變磁場為主 在大功率變壓器、交流電動機(jī)、大電流交流線附近均有較強(qiáng) 磁場。若信號線有不合理的環(huán)線，交變磁通穿過環(huán)線，會產(chǎn) 生感應(yīng)電動勢干擾(差模干擾)三電場干擾與等電位屏蔽： 信號線和高電壓交流線平行靠近時(shí)，交變信號經(jīng)分布電容耦合至輸 入端，由于兩輸入端分布電容等參數(shù)不同，會出現(xiàn)端間干擾。高導(dǎo)磁率的屏蔽管。集中在屏蔽管壁內(nèi)流過。在管內(nèi)空間無磁通，不會感應(yīng)出干擾信號。絞和線路是感應(yīng)電勢相互抵消2和1，1和2抵消 顯然 C1、C2、C1、C2構(gòu)成一個(gè)交流電橋。若參數(shù)不等，則 A、B 兩 點(diǎn)間的電流不會相同，則形成對儀表的干擾信號。 解決：使寄生電容小些； 最重要的，若是儀

5、表與大地絕緣，則 C1、C2極小，使電流不會形 成通路儀表對地浮空； 信號線要遠(yuǎn)離電力線、交流信號線、大信號線，或不與之平行。 靜電屏蔽：等電位屏蔽。使信號線與屏蔽層之間等電位不形成電場耦合。 信號線：采用屏蔽線，將外在屏蔽線接地，里面信號線不受外部電場影響， 屏蔽層等電位。 注意：一點(diǎn)接地，否則不恰當(dāng)接地也會帶來干擾。 屏蔽層不接地，接至干擾。 當(dāng)由于漏電或其它原因使輸入信號上帶有較大共模干擾信號，則 會使信號線與屏蔽層之間經(jīng)分布電容形成干擾。 電流可能共模差模，為此可使屏蔽層接共摸干擾處。 在存在對地干擾時(shí)，會使信號線帶上一定的共模干擾信號而使其 余屏蔽層間形成不等電位，會由電容形成漏電流

6、形成干擾。 此時(shí)將屏蔽層外部干擾源連接。而使屏蔽層與信號等電位。四放大器復(fù)位與浮空： 放大器屏蔽 放大器浮空 放大器的地線與屏蔽外殼間絕緣放大器地線浮空。 外殼接地屏蔽。 61 節(jié) (完)Vs：真信號Vdm：差模信號干擾來源：高壓輸電線； 與信號線平行鋪設(shè)的電源線 大電流控制線產(chǎn)生的空間電磁場 信號源本身固有的漂移、紋波和噪聲 電源變壓器不良屏蔽或穩(wěn)壓效果不好，也會引入串模干 擾 1 測控系統(tǒng)的信號線較長，通過電磁和靜電耦合產(chǎn)生的感應(yīng)電壓有可能 達(dá)到與被測信號相同的數(shù)量級甚至比真信號大得多。與真信號相串， 影響較大。2 對測控系統(tǒng)而言，由于采樣時(shí)間短。工頻的緩變電壓也相當(dāng)于緩慢變 化的干擾電壓

7、。這種干擾有可能一起被采樣，造成嚴(yán)重錯(cuò)誤。 如：有傳感器來的信號線長達(dá)幾百米，干擾源通過電磁感應(yīng)和靜電耦合作用，在如此之長的信號線上產(chǎn)生的空間電磁感應(yīng)電壓數(shù)值是相當(dāng)可觀的。有可能達(dá)到幾十 mv，甚至更大；傳感器信號為v、mv 級。4共模干擾：輸入通道上兩輸入端共有的干擾(1) 共模干擾的產(chǎn)生: a.可以是直流，也可以是交流 b.幅值可以為幾伏甚至更高，取決于現(xiàn)場干擾環(huán) 境條件及接地。 c.接底線不會引起接地干擾，以共模信號形式加 入電路。 儀表接地端 G2。由于檢測元件和傳感器是分散在生產(chǎn)現(xiàn)場的各個(gè)地方。因此，被測信號 Vs的參考接地點(diǎn)和儀表接地點(diǎn)間往往存在一定電位差。造成對儀表輸入通道而言是

8、共同加在兩輸入端上。 一輸入端信號：Vs+Vcm 另輸入端信號：Vcm高溫下電路的絕緣變差，漏電阻會導(dǎo)致一個(gè)干擾 eg加于電偶 兩輸入端。顯然構(gòu)成一個(gè)供模信號(eg時(shí)同時(shí)加在兩輸入端的) 干擾有時(shí)達(dá)到幾伏、幾十伏、上百伏。 影響：會損壞后級元件，造成元件擊穿； 通過不對稱電橋形式，可轉(zhuǎn)為差模干擾直接影響電路工作(2)共模信號轉(zhuǎn)為差模信號： 對于雙端輸入電路，例如：運(yùn)放的兩個(gè)輸入端存在共模干擾不會造成對真 信號的干擾。因?yàn)檫\(yùn)放放大的是兩輸入端信號之差。(不考慮共模干擾對元件 的損壞)但實(shí)際共模信號會通過輸入端存在的不對稱電橋形式轉(zhuǎn)化為差模干擾。經(jīng)分布參數(shù)構(gòu)成的不對稱電橋差模：。會轉(zhuǎn)化為時(shí)當(dāng)0,)

9、(423142214132424313ababUZZZZegZZZZZZZZegZZZegZZZU分析：減小轉(zhuǎn)化為差模信號。 輸入?yún)?shù)對稱分布參數(shù)不可能； 使放大器浮空(Z3、Z4)不形成到地的通路。 Z3、Z4使 i1、i20，不產(chǎn)生干擾造成 A、B 兩端的差模電壓。 輸入方式不同，輸入電路構(gòu)成的不對稱電橋差模。測量電路中信號的輸入方式： 輸入方式兩種：單端對地輸入方式； 雙端不對地輸入方式；a.單端對地輸入方式 儀表的輸入電阻信號源內(nèi)阻:ZiZs b.共膜雙端不對地輸入：輸入通道的輸入電阻、：信號源內(nèi)阻、2121cmcmSSZZZZ 有圖 a 可知：共模輸入信號不能用單端對地輸入方式。因?yàn)?/p>

10、共模干擾全部化 為串模干擾電壓，直接加于輸入端。 有圖 b 可知： 采用雙端不接地時(shí)共模干擾電壓 Vcm 對兩個(gè)輸入端形成兩個(gè) 電流回路，每個(gè)輸入端 A、B 的共模電壓為：222111cmcmScmBcmcmScmAZZZVVZZZVV兩端輸入呈現(xiàn)的共模電壓為：cmcmScmcmScmBAABVZZZZZZVVV222111 顯然預(yù)使共模干擾對放大器無影響，即 VAB=0 表示不會引入共模干擾。 克服共模干擾的條件：Zs1=Zs2 Zcm1=Zcm2 兩端輸入時(shí)預(yù)在存在共模干擾源的情況下，不引入共模干擾。應(yīng)使儀表 輸入端處的等效電路構(gòu)成一個(gè)平衡電橋。 輸入通道阻抗通常是由直流絕緣電組合分布耦合

11、電容的容抗決定 的。因此上述條件很難滿足，但使用中應(yīng)盡量使得 Zs1與 Zs2相等，Zcm1 與 Zcm2相等，以使共模干擾的影響盡量降低。例如：差分放大器的直流絕緣電阻可做到 109 工頻寄生耦合電容可小到幾個(gè) pf。(容抗為 109數(shù)量) 但共模電壓仍會可能造成 1%的測量誤差。 5電源引入的干擾：a 當(dāng)同一電源系統(tǒng)中的可控硅器件通斷時(shí)產(chǎn)生的尖峰，通過變壓器的 初級和次級之間的電容耦合到直流電源中，產(chǎn)生干擾。b附近用電器(尤其是大功率)動作時(shí)(開、關(guān))產(chǎn)生的浪涌電壓，由電源 線經(jīng)變壓器級間電容耦合產(chǎn)生的干擾。 c共用同一個(gè)電源的附近設(shè)備通或斷時(shí)產(chǎn)生的干擾。變壓器的屏蔽無 屏 蔽 ：單層屏蔽

12、：單層屏蔽：干擾仍會經(jīng)過次級形 成對后級的干擾。雙層屏蔽：雙層屏蔽：干擾電流僅在兩屏蔽層間流動。 若人為加 CPE，且 CPEC1， CPEC2。則干擾會經(jīng) CPE流過， 而不經(jīng)屏蔽層效果更好。6.3 干擾耦合及其傳播： 干擾源到處都有，要消除或抑制干擾就必須了解干擾源到接收設(shè)備的 通道。 干擾源 耦合通道 接收設(shè)備一 電容性耦合： 在元件與元件之間，導(dǎo)線與導(dǎo)線之間，元件與導(dǎo)線之間均存在著分布電容。某一導(dǎo)體上的信號電壓(或噪聲電壓)通過分布電容可使其它導(dǎo)線上的電位受到影響。 以兩根導(dǎo)線之間的電容耦合為例：兩導(dǎo)線之間的電容性耦合及其等效電路只考慮導(dǎo)線 Z 上的擾動部分 VN：(不考慮 C1g時(shí))

13、 分析：(此式由 V1在 C12及 C2g/R 上的分壓得出) 當(dāng) jR(C12+C2g)1 時(shí):為 102數(shù)量級(低) R 為 102數(shù)量級(低) C12,C2g為 10-610-9數(shù)量級 上式可近似表示為： VN=jRC12V1 結(jié)論：干擾電壓 VN正比于 C12，R，及 V1，而且與信號頻率有關(guān)。 只要設(shè)法降低 R 的值，就能減小耦合受感應(yīng)回路的噪聲電壓。 R 可看作受感回路的輸入等效電阻，從抗干擾考慮，降低輸入 阻抗是有利的。 若導(dǎo)線 2 接至低電平信號放大器，就應(yīng)當(dāng)使該放大器的輸入阻 抗盡可能小些。121212)(1V:BVCCRjRCjgN點(diǎn)干擾對數(shù)字電路的干擾： 數(shù)字電路中，由于

14、布線及線間電容存在，會造成對電路的干擾。 若門 1 輸出一個(gè)方波脈沖，而變感線(線 2)正處于低電平(G3 為低電平 輸出)?？蓮氖静ㄆ魃嫌^察到波形如下圖示： 若耦合電容 C12足夠大。使得正脈沖的幅值 高于門 4 的開門電平 VT。脈沖寬度也是維持門 4 從高電平下降到低電平，門 4 的輸出就會輸出一個(gè) 伏脈沖，即干擾脈沖。這一干擾脈沖就有可能造成 后面電路的邏輯發(fā)生錯(cuò)誤。 在印刷電路板上，兩條平行的印刷導(dǎo)線間的分布電容約 0.10.5pF/cm 與靠在一起的絕緣導(dǎo)線間的分布電容有相同數(shù)量級。 數(shù)字電路中還會由其他一些干擾和噪聲： 印刷電路板電源線與地線之間的開關(guān)電流和阻抗引起的干擾 元件的

15、熱噪聲 靜電感應(yīng)噪聲等二互感耦合方式： 在任意載流電路周圍空間都會產(chǎn)生磁場，交變磁場會對其周圍閉合電路產(chǎn)生感應(yīng)電勢。 在設(shè)備內(nèi)部線圈變壓器的漏磁是一個(gè)很大的干擾 在設(shè)備外部，當(dāng)兩根到現(xiàn)在很長一段區(qū)間架設(shè)時(shí)也會產(chǎn)生干擾。 這是由感應(yīng)電磁場引起的耦合。其感應(yīng)電壓VN為：VN=jM M：互感三共阻抗耦合方式： 公共阻抗的耦合，一般發(fā)生在兩個(gè)電路的電流流經(jīng)一個(gè)公共阻抗時(shí)，一個(gè)電路在該阻抗上的電壓降會影響到另一個(gè)電路。 RG1、RG2為導(dǎo)線接地電阻。 顯然RG1為T1和T2的公共阻抗， i2流過RG1會形成一個(gè)對T1的 干擾電流?；ハ嘤绊懖粫ハ嘤绊懰碾姶艌鲚椛漶詈戏绞剿碾姶艌鲚椛漶詈戏绞?當(dāng)高頻電流流

16、過導(dǎo)體時(shí)，該導(dǎo)體周圍產(chǎn)生的電力線和磁力線將隨導(dǎo)體各當(dāng)高頻電流流過導(dǎo)體時(shí)，該導(dǎo)體周圍產(chǎn)生的電力線和磁力線將隨導(dǎo)體各部分瞬時(shí)電荷的變化而變化。這就成為一種在空間傳播的電磁波。處于電部分瞬時(shí)電荷的變化而變化。這就成為一種在空間傳播的電磁波。處于電磁波中的導(dǎo)體，由于電磁波的作用便會感應(yīng)相應(yīng)頻率的電動勢。如果這一磁波中的導(dǎo)體，由于電磁波的作用便會感應(yīng)相應(yīng)頻率的電動勢。如果這一電動勢時(shí)不需要的頻率部分。那它就形成為電磁波耦合干擾。整個(gè)空間都電動勢時(shí)不需要的頻率部分。那它就形成為電磁波耦合干擾。整個(gè)空間都充滿了這樣一種電磁波，這樣的干擾叫做電磁干擾。充滿了這樣一種電磁波，這樣的干擾叫做電磁干擾。電波干擾是一

17、種完全無目的無規(guī)則的干擾。這種干擾極易通過電源線耦電波干擾是一種完全無目的無規(guī)則的干擾。這種干擾極易通過電源線耦 合到計(jì)算機(jī)儀表系統(tǒng)中來。合到計(jì)算機(jī)儀表系統(tǒng)中來。長的信號輸入、輸出線和控制線也具有天線效應(yīng)。長的信號輸入、輸出線和控制線也具有天線效應(yīng)。它能接收空間傳播的干擾波它能接收空間傳播的干擾波(電磁波電磁波)，同時(shí)也能輻射干擾波。，同時(shí)也能輻射干擾波。 在大功率的廣播電臺附近的強(qiáng)電場中，設(shè)備外殼或設(shè)備內(nèi)部的小導(dǎo)體也在大功率的廣播電臺附近的強(qiáng)電場中，設(shè)備外殼或設(shè)備內(nèi)部的小導(dǎo)體也 能產(chǎn)生很大的感應(yīng)電動勢，造成干擾。能產(chǎn)生很大的感應(yīng)電動勢，造成干擾。 例如：電場強(qiáng)度為例如：電場強(qiáng)度為100mv/

18、米時(shí)，長度為米時(shí)，長度為10cm的導(dǎo)體，最大可以產(chǎn)生的導(dǎo)體，最大可以產(chǎn)生5mv 的感應(yīng)電動勢。這是可觀的數(shù)字。的感應(yīng)電動勢。這是可觀的數(shù)字。7.4.3 輸入輸出通道干擾的抑制輸入輸出通道干擾的抑制(過程通道抗干擾過程通道抗干擾) 關(guān)鍵問題：關(guān)鍵問題：開關(guān)量輸入、輸出通道及模擬量輸入、輸出通道都是干擾竄開關(guān)量輸入、輸出通道及模擬量輸入、輸出通道都是干擾竄 入的渠道。提高儀器儀表的抗干擾能力就是要使輸入、輸出入的渠道。提高儀器儀表的抗干擾能力就是要使輸入、輸出 通道不引入干擾，就使輸入、輸出通道與干擾源無電聯(lián)系。通道不引入干擾，就使輸入、輸出通道與干擾源無電聯(lián)系。 電隔離電隔離 過程通道中長線傳輸

19、的干擾是主要因素，干擾的結(jié)果會使傳過程通道中長線傳輸?shù)母蓴_是主要因素，干擾的結(jié)果會使傳 輸?shù)姆讲ㄋp延時(shí)。輸?shù)姆讲ㄋp延時(shí)。 方法：方法： 采用光電耦合器件。采用光電耦合器件。按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算： 當(dāng)計(jì)算機(jī)主頻為 1MHZ 時(shí)，傳輸線大于 0.5m。 當(dāng)計(jì)算機(jī)主頻為 4MHZ 時(shí)，傳輸線大于 0.3m。 光電耦合器件抗干擾的原因：(1) 光電耦合器的輸入阻抗很低(1001k)，而干擾源內(nèi)阻 一般都很大(105106)。根據(jù)分壓原理，這時(shí)能送到光 電耦合器中的噪聲自然很小。(1) 光電耦合器輸入部分的二極管只有在通過一定強(qiáng)度的電流時(shí)才能發(fā)光， 輸出部分的光敏三極管也只有在通過一定光強(qiáng)下才能工作。信號

20、的能量 較大，可滿足上述要求。而干擾噪聲的能量一般都很小。即使電壓幅度 較大，由于沒有足夠的能量而不能使二極管發(fā)光。從而不能被三極管接 收，耳被抑制掉。(2) 輸入回路與輸出回路間的分布電容很小(0.52pf)。而絕緣電阻又較大(10111013)，各種噪聲無法通過分布電容耦合過去產(chǎn)生的干擾作用。(3) 光電耦合的輸入與輸出是光耦合，而且在密封條件下進(jìn)行，故不會受到 雜散光的影響無光干擾。 使用注意：(1) 要實(shí)現(xiàn)徹底隔離光電耦合器的輸入和輸出部分應(yīng)使用兩個(gè)不共地的獨(dú)立 電源。(2) 光電隔離的位置：安置在輸入輸出通道 A/D，D/A 最先接觸數(shù)字信 號處。由于模擬量信號的有效狀態(tài)有無數(shù)個(gè)，而

21、數(shù)字量的有效狀態(tài)只有 兩個(gè)。所以疊加在模擬信號上的任何干擾都因有實(shí)際意義而起到干擾作 用。疊加在數(shù)字信號上的干擾只在幅度和寬度都達(dá)到一定量時(shí)才起干擾 作用。因此，抗干擾的屏障越向外推越好。最好推在模擬量入、出口處， 現(xiàn)在一般在 A/D、D/A 位置上。 由于線性光耦的價(jià)格和性能指標(biāo)不很理想，國內(nèi)一般均使用邏輯光 電耦合器。此時(shí)抗干擾屏障應(yīng)設(shè)在最先遇到開關(guān)信號的工作位置上。 (3)數(shù)據(jù)線、信號線、地址線、控制線均要一并采用光隔，否則隔離不徹底。6.4.4 電源與電網(wǎng)干擾的抑制1. 交流電網(wǎng)干擾的抑制： 電網(wǎng)上存在尖峰干擾，應(yīng)采用能抑制交流電源干擾的計(jì)算機(jī)電源系統(tǒng)。電抗 ：抑制交流電源線上引入的高

22、頻干擾，讓 50HZ 基波通過。變阻二極管：用于抑制進(jìn)入電源線上的瞬時(shí)干擾。隔離變壓器：隔離穩(wěn)壓電源與電網(wǎng)間的電聯(lián)系，利于消除干擾。 隔離變壓器初、次級線圈間應(yīng)加屏蔽層，以防初、次級線 圈間分布電容進(jìn)入干擾?？垢蓴_的微機(jī)系統(tǒng)的供電配置： 為防止從電源系統(tǒng)引入干擾，恰當(dāng)配置供電系統(tǒng)，在要求較高時(shí)可采用如 下方式： 1交流變壓器用于保證供電的穩(wěn)定性，防止電源系統(tǒng)的過壓與欠壓。 2隔離變壓器使電源與微機(jī)系統(tǒng)無電聯(lián)系，而只有磁場聯(lián)系。 為防止共模干擾通過繞阻的分布電容竄入副邊，則在主、副邊兩側(cè)均采 用屏蔽層。 3低通濾波器：讓 50HZ 工頻通過，濾去高頻。 4采用分散獨(dú)立功能塊，如：7805、780

23、9.。 每個(gè)功能塊單獨(dú)對電壓過載進(jìn)行保護(hù)，不會由于某塊穩(wěn)壓電源故障而使 整個(gè)系統(tǒng)破壞。 減少了公共阻抗的相互耦合，及公共電源的耦合利于容量分散、利于散 熱。 5可采用高抗干擾穩(wěn)壓電源集中供電。6.4.5 地線系統(tǒng)的抗干擾 接地是抑制干擾的主要方法。在設(shè)計(jì)與施工中如能把接地和屏蔽正確 地結(jié)合起來使用，是能解決大部分干擾問題的；如前面有些部分的分析也 可知道，不正確的屏蔽與接地，系統(tǒng)會引入干擾。因此，對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的 接地方法必須加以充分而周全的考慮。 接地技術(shù)不是一門精密的科學(xué)，難以做到精密的理論計(jì)算及精確的測 量。因?yàn)榈貙咏Y(jié)構(gòu)不同，土壤的電阻率也相差很多。其變化范圍從 500 5000/米不等；

24、接地的幾何形狀也不同，地電阻的測量也難以做到精確 等等諸多原因。所以，過分強(qiáng)調(diào)精密的計(jì)算，往往脫離了工程實(shí)際。但又 不能簡單從事，綜合分析上述諸方面因素與影響。 接地設(shè)計(jì)有兩個(gè)基本目的： (1)消除各電路電流經(jīng)過一公共地線阻抗時(shí)所產(chǎn)生的噪聲電壓。 (2)避免磁場、電場和地點(diǎn)為差的影響。 地點(diǎn)位為零電位：這是因?yàn)榈厍蚴莻€(gè)導(dǎo)體，體積很大。因而其靜電容 非常大，電位比較恒定。因?yàn)閷⑵潆娢蛔骰鶞?zhǔn)電位， 所以稱之為零電位。一地線種類： 計(jì)算機(jī)與各個(gè)設(shè)備接地可分為兩大類： (1)保護(hù)接地：保護(hù)接地主要是避免人員因設(shè)備的絕緣損壞或下降時(shí)遭 受危險(xiǎn)和保證設(shè)備的安全； (2)工作接地：保證設(shè)備及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)正?？?/p>

25、靠工作； 當(dāng)導(dǎo)體或設(shè)備接地時(shí)，即使有少許接地電阻，只要沒有電流流入大地。 則這些導(dǎo)體或設(shè)備與大地等電位零電位。 計(jì)算機(jī)及其它電子設(shè)備工作時(shí)，完全不讓電流流入接地點(diǎn)是不可能的 (如與地有漏電阻)。因此，設(shè)備與基準(zhǔn)電位之間會有微小的電位差，接地 電位的變化是產(chǎn)生干擾的最大原因之一。接地設(shè)計(jì)的關(guān)鍵： 接地設(shè)計(jì)的基本出發(fā)點(diǎn)是：消除各電路電流流經(jīng)公共地線時(shí)所產(chǎn)生的 噪聲電壓，一面受電磁場和地電位差的影響即不使接地點(diǎn)形成環(huán)路。 在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中大致有以下幾種地線： 數(shù)字地：作為邏輯開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的地電位； 模擬地：作為處理模擬信號的地電位。A/D 轉(zhuǎn)換前模擬通道的地電位。 功率地：這種地為大電流網(wǎng)絡(luò)的零電位。 如

26、打印機(jī)、電磁鐵的驅(qū)動電流。 信號地：通常為傳感器的地。 交流地： 直流地： 屏蔽地：(機(jī)殼地)為防止靜電感應(yīng)和磁場感應(yīng)而設(shè)的。 如何處理這諸多不同的地，在不同情況下應(yīng)有應(yīng)當(dāng)遵守的原則二不同地線的處理： (1)一點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地的應(yīng)用原則： 一般高頻電路應(yīng)就近多點(diǎn)接地；低頻電路應(yīng)一點(diǎn)接地； 高頻時(shí)，地線上具有電感，因而增加了地線阻抗應(yīng)使地線短。 而且，地線變成了天線，向外輻射噪聲信號。要多點(diǎn)接地。 在超高頻時(shí)，地線長度應(yīng)小于 1 英寸(25.4mm) 低頻時(shí)，接地電路形成環(huán)路，有可能產(chǎn)生地線電流。 多點(diǎn)接地，由于各接地點(diǎn)電位不等，就會產(chǎn)生干擾。 一般而言 f10MHZ :多點(diǎn)接地 f=110MH

27、Z :若用一點(diǎn)則地線長度不能太長 (2)屏蔽層與公共地之間的連接 當(dāng)一個(gè)接地的放大器與一個(gè)不接地的信號源連接時(shí)。連接電纜的屏 蔽層應(yīng)接到放大器的公共端； 反之，應(yīng)接到信號源的公共端； 高增益放大器的屏蔽層應(yīng)接到放大器的公共端。 (3)交流地、功率低于信號地不能共用 交流地和功率地的電流較大，會造成數(shù)毫伏、甚至幾伏電壓。 這會嚴(yán)重的干擾低電平信號的電路。因此，信號地應(yīng)當(dāng)與交流地 和功率地分開。 (4)屏蔽地(機(jī)殼地)接法隨目的不同而異 電場屏蔽是為了解決分布電容問題應(yīng)接大地； 電磁屏蔽主要避免雷達(dá)、短波電臺等的高頻電磁場的輻射干擾， 地線用低阻金屬材料做成，可接大地也可不接。 磁屏蔽是防磁鐵、電

28、機(jī)、變壓器等的磁感應(yīng)和磁耦合的用 高導(dǎo)磁材料使磁路閉合，一般接大地。 (5)電纜和接插件的屏蔽要注意： 高電平和低電平不要使用同一接插件。不得已時(shí)，要將高低電平 端子分于兩端，中間留接高、低電平引地線的備用端子。 設(shè)備上進(jìn)出電纜的屏蔽應(yīng)保持完整。 電纜的屏蔽線也要經(jīng)插件連接。 兩條以上屏蔽電纜共用一個(gè)插件時(shí)，每條電纜的屏蔽層都要用一 個(gè)單獨(dú)接線端子，以免電流在各屏蔽層流動。三浮地與接地 全機(jī)浮空及機(jī)器、儀表各部分與大地浮置起來。這種方法簡單 并有一定的抗干擾能力。但全集與地的絕緣電阻不能小于 50M。 一旦絕緣電阻下降便會帶來干擾。 缺點(diǎn)：另外，浮空容易產(chǎn)生靜電，導(dǎo)致干擾。 另一種浮空方法：是

29、將儀表或計(jì)算機(jī)外殼接地，其余部分浮空。 這種方法抗干擾能力強(qiáng)，安全可靠。 但要求內(nèi)部各部分電路與機(jī)殼的絕緣都要非常高。 印刷線路板的抗干擾措施及設(shè)計(jì)方法：一地線設(shè)計(jì) 1接地線盡量加粗。(23mm) 因接地線上有電阻，地線電流會在上產(chǎn)生壓降使接地電位隨電流 而改變。 2接地線構(gòu)成環(huán)路地線電位插均衡 做成網(wǎng)狀(大面積處) 3低頻電路一點(diǎn)接地(10MHZ)，電感增加，阻抗大。 4交流地與信號地不能共用 5印制板上地線網(wǎng)狀 6其他線不要接成環(huán)路 7條狀線平行走的距離不要太長二電平轉(zhuǎn)換使用光隔 模擬與數(shù)字地分開使用光隔三電源線的抗干擾 1一短線向各印刷電路板供電和接地(放射狀接法) 2電源線與地線間在板

30、入口處加旁路電容 3每個(gè) IC 芯片電源與地間均加電容，0.010.1f 陶瓷電容。 .使本片工作時(shí)電源中尖峰電流不至于上到公共線上。 公共電源地線上的干擾也會被濾除。 4接插件時(shí)，高低平要隔開，中間為地。高低電平不走同一電纜。 5平行電纜的排列多條均接地。6.4 節(jié)(完)6.5 軟件抗干擾技術(shù)： 硬件抗干擾措施的目的： 盡可能切斷干擾進(jìn)入智能儀表的通道。 但是由于干擾的存在是隨機(jī)的，尤其是在一定惡劣的環(huán)境工作的儀 表。硬件干擾還不能完全克服干擾的影響。 軟件抗干擾： 與硬件配合，采用彈片微機(jī)編程的特點(diǎn)，用各種軟件抗干擾措施提 高儀表的工作可靠性。 分如下三方面：數(shù)字量輸入輸出中的軟件抗干擾

31、程序執(zhí)行中的軟件抗干擾 系統(tǒng)受干擾時(shí)的恢復(fù)6.5.1一數(shù)字量輸入的軟件抗干擾 方法：數(shù)字濾波 1數(shù)字量輸入的抗干擾 輸入模擬量中有干擾，經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換后就會發(fā)生數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。 必須多次采樣，得到一個(gè) A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)據(jù)系列。 對這一數(shù)據(jù)系列進(jìn)行數(shù)字濾波。2開關(guān)量的輸入 若數(shù)字信號屬于開關(guān)量，如：限位開關(guān)、操作按鈕等。則不能進(jìn)行多次 求均。必須每次采樣結(jié)果絕對一致才行，否則就作報(bào)警處理。3數(shù)字量輸出的干擾抑制 智能儀表輸出的數(shù)字量，如各種顯示器、步進(jìn)電機(jī)或電磁閥的驅(qū)動信號 等。即使模擬量輸出，也可能是 D/A 轉(zhuǎn)換器獲得的。由于干擾的作用，CPU 輸出一個(gè)正確數(shù)據(jù)，也會由于干擾而使輸出裝置得到

32、一個(gè)錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)。方法：對數(shù)字量的輸出，軟件抗干擾最有效的方法重復(fù)輸出同一個(gè)數(shù)據(jù)， 重復(fù)時(shí)間盡量短。這樣輸出的裝置得到一個(gè)被干擾的錯(cuò)誤信號后，還來 不及反應(yīng)，一個(gè)正確的信號有來到了?？梢苑乐拱l(fā)生錯(cuò)誤動作。程序設(shè)計(jì)應(yīng)注意： 可將輸出過程安排在監(jiān)控循環(huán)中，循環(huán)周期取得盡可能短。輸出功能 應(yīng)盡量作為一個(gè)完整的模塊來執(zhí)行的。 與這種重復(fù)輸出措施相對應(yīng)，軟件設(shè)計(jì)中還必須為各個(gè)外部設(shè)備建立 一個(gè)輸出暫存單元，由輸出模塊將暫存單元一一送出。不論是剛來送 來的還是以前的，均經(jīng)暫存再輸出。這樣可以讓每一個(gè)外部設(shè)備不斷 得到控制數(shù)據(jù)，從而使干擾造成的錯(cuò)誤狀態(tài)不能得以維持。 在執(zhí)行輸出功能時(shí)，應(yīng)將輸出接口芯片(如打印

33、接口)的初始狀態(tài)也重 新設(shè)置。因?yàn)橛捎诟蓴_的作用可能使這些芯片的工作方式發(fā)生變化。開 關(guān) 信 號 采 樣 程 序 ：信號單元清0設(shè)置限定次數(shù)采樣一次，結(jié)果送信號單元與上次結(jié)果相同否？相同次數(shù)加1已滿3次取得有效信號置位成功標(biāo)志限定次數(shù)否？相同次數(shù)值0置位失敗標(biāo)志返回YYY N N N6.5.2 程序執(zhí)行過程中的軟件抗干擾 對于硬件采取抗干擾措施應(yīng)盡量切斷干擾源或?qū)⒏蓴_源減小。 對輸出輸入通道的抗干擾是盡量使干擾的影響不進(jìn) CPU。 程序一旦被干擾信號影響，即干擾信號通過某種途徑作用到 CPU。使 CPU 不能按正常狀態(tài)執(zhí)行，就會造成混亂必須在程序執(zhí)行過程中糾正這 種混亂程序執(zhí)行時(shí)的抗干擾。 程

34、序跑飛：干擾信號通過某種途徑作用到 CPU 上，使 CPU 不能按正常狀態(tài) 執(zhí)行程序。從而引起程序混亂，稱這種現(xiàn)象為程序跑飛。解決： (1) 人工復(fù)位：程序跑飛后，使其恢復(fù)正常的最簡單的方法是人工復(fù) 位。通過復(fù)位電路使 CPU 復(fù)位，程序從頭開始運(yùn)行。 上電復(fù)位：+5VCR2地。 C 充電，再上形成 一定寬度的正脈沖。人工復(fù)位：開關(guān) K 閉合， C 經(jīng)KR1放電。 當(dāng)放開 K 按鈕后，C 又重新充電， 又一次使 reset 得到一定寬度的正脈沖。(2) 指令冗余：人工復(fù)位往往需人工干與，而且復(fù)位不及時(shí)。 一般均在無計(jì)可施時(shí)才實(shí)行人工干與。 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使得萬一系統(tǒng)跑飛應(yīng)能經(jīng)過一段時(shí)間可恢復(fù) 正常。

35、 指令冗余：指在程序執(zhí)行的關(guān)鍵地方，人為地插入一些冗余指令。 使跑飛的程序經(jīng)過一些時(shí)間可恢復(fù)正常。 例如：MCS51 所有指令均不會超過 3 字節(jié)。 當(dāng)程序發(fā)生跑飛，一般均是： 將操作數(shù)當(dāng)成指令，因而飛到錯(cuò)誤地方。此時(shí)在關(guān) 鍵指令初插入兩條 NOP，則該指令就會被前面亂序而沖 垮的指令系列拆散。而令得到完整的執(zhí)行，使程序進(jìn)入 正軌。 注意：在關(guān)鍵指令前使用“指令冗余” ，指令冗余不能使用過多。 它會影響程序執(zhí)行效率。 使用指令冗余條件： a跑飛的程序必須落入程序區(qū) b必須能執(zhí)行到冗余指令 程序飛到非程序區(qū)： 如果程序飛到非程序區(qū)，如 EPROM 中未用完的剩余空間， (里面的內(nèi)容是隨機(jī)狀態(tài))或

36、數(shù)據(jù)表格區(qū)，就不會執(zhí)行到冗余 指令，也不會使程序歸隊(duì)。 若在執(zhí)行冗余指令前已形成一個(gè)死循環(huán)，則指令冗余也就失 效了。 (3)軟件陷阱： 軟件陷阱是一條引導(dǎo)指令強(qiáng)行將捕獲的程序向一指定地址。 那里有一段專門處理錯(cuò)誤的程序。 例如：NOP NOP LJMP ERR ERR：. . . . 上述三條指令組成一個(gè)軟件陷阱。ERR 位處理錯(cuò)誤的程序入 口地址。 軟件陷阱一般安置在： a未使用的終斷向量區(qū) MCS51 單片機(jī)的中斷向量區(qū)為 0003H002FH。若設(shè)計(jì)儀表 時(shí)未用完全部中斷向量區(qū)，則可在剩余的中斷向量區(qū)內(nèi)安排“軟 件陷阱” 。以便能捕捉到錯(cuò)誤的中斷。 例：某儀表使用了兩種外部中斷 INT0

37、，INT1和一個(gè)定時(shí)器中斷 T0。 它們的中斷服務(wù)子程序入口地址分別為： INT0：FUINT0 INT1：FUINT1 T0 ：FUT0 則可按下面的方式來設(shè)置中斷向量區(qū)。 ORG 0000H0000H START：LJMP MAIN 引向主程序入口0003H LJMP FUINT0 INT0中斷服務(wù)程序入口0006H NOP0007H NOP 陷阱0008H LJMP ERR000BH LJMP FUT0 T0中斷服務(wù)程序入口000EH NOP000FH NOP 陷阱0010H LJMP ERR0013H LJMP FUINT1 INT1中斷服務(wù)程序入口0016H NOP0017H NOP

38、0018H LJMP ERR001BH LJMP ERR 未使用 T1中斷設(shè)陷阱001EH NOP001FH NOP0020H LJMP ERR0023H LJMP ERR 未使用串口中斷設(shè)陷阱0026H NOP0027H NOP0028H LJMP ERR 陷阱002BH LJMP ERR 未使用 T2中斷設(shè)陷阱002EH NOP002FH NOP0030H MAIN: 主程序b對未使用的大片 EPROM 對剩余的 EPROM 空間，一般維持其原狀。及其內(nèi)容為 0FFH。 0FFH 對 MCS51 而言是一條內(nèi)部指令：MOVR7，A。 如果程序飛到這一片區(qū)域，顯然只會向后執(zhí)行，不再跳躍。 (

39、除非有受到新的干擾) 這時(shí)只要在這一片區(qū)域中設(shè)一個(gè)陷阱,就能捕捉到跑飛的程 序。 c表格： 有兩種表格：數(shù)據(jù)表格 數(shù)轉(zhuǎn)表格 由于表格內(nèi)容與檢索值有一一對應(yīng)的關(guān)系，在表格中間安排陷阱 會破壞其連續(xù)性和對應(yīng)性關(guān)系。因此只能在表格中的最后安排陷阱。 否則會破壞正常的程序流程。如果表格很長，則安排在最后的陷阱就 不能保證一定能捕捉到飛來的程序的流向。有可能在中途再次跑飛。d程序區(qū)： 程序區(qū)是由一系列的指令構(gòu)成，不能在這中間隨意安排陷阱。但程 序中常有一些斷點(diǎn)，如果在這些地方設(shè)置陷阱，就有可能捕獲跑飛的程序。 例如：一個(gè)根據(jù)累加器 A 中內(nèi)容的正、負(fù)、零進(jìn)行三分支程序 JNZ XYZ 非零則轉(zhuǎn)去 XYZ

40、，為零則進(jìn)行零處理 . . . 零處理 AJMP ABC NOP NOP LJMP ERR 陷阱 XYZ： JB ACC.7 UVW ACC.7=1 為負(fù)數(shù) . . . 正處理 AJMP ABC 斷裂點(diǎn) NOP NOP LJMP ERR 陷阱 UVW：. . . 負(fù)處理 ABC：MOV A，R2 取結(jié)果 RET 斷點(diǎn) NOP NOP LJMP ERR 陷阱 由于軟件陷阱都安排在正常程序執(zhí)行不到的地方(因在中斷處會轉(zhuǎn)去執(zhí)行中 斷服務(wù)程序)。故陷阱不會影響程序的正常執(zhí)行。在 EPROM 容量允許的情 況下，這些陷阱多設(shè)些好。(4)WATCH DOG： 若程序飛跑到臨時(shí)構(gòu)成的一個(gè)死循環(huán)中，冗余指令和

41、陷阱都無 能為力。這除采用人工復(fù)位，還可設(shè)計(jì)一種莫放人工復(fù)位功能的軟 件狗watch dog。 watch dog 的特征： a本身能獨(dú)立工作，基本上不依賴于 CPU。 CPU 只在一個(gè)固定的時(shí)間間隔內(nèi)與之打交道，表明“系統(tǒng)屬正 ?！?。 b當(dāng) CPU 落入死循環(huán)后，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并使系統(tǒng)復(fù)位。 硬件狗： 74LS93 構(gòu)成一個(gè) 16 進(jìn)制計(jì)數(shù)器對振蕩器發(fā)出脈沖計(jì)數(shù)。當(dāng)計(jì)到第 8 個(gè)脈沖(01111000)QD變?yōu)楦唠娖健纹瑱C(jī)執(zhí)行一個(gè)復(fù)位程序從 P1.7 輸出一個(gè)清零脈沖的固定程序。只要每次清零的時(shí)間間隔小于 8 個(gè)脈沖， 計(jì)數(shù)器就總也計(jì)不到 8，QD就永遠(yuǎn)為 0。如果 CPU 程序跑飛，就無法

42、執(zhí) 行到這個(gè)發(fā)清零脈沖的固定程序。計(jì)數(shù)器就會計(jì)到 8，QD=1，使 CPU 復(fù) 位。 在有些 CHMOS 型單片機(jī)中已經(jīng)集成有硬件看門狗，使用起來很方 便。 軟件看門狗： 如用 8031 中 T0定時(shí)起來替代計(jì)數(shù)器定時(shí)。 若時(shí)鐘脈沖 6MHZ，T0定時(shí) 10ms 形成 watch dog： MOV TMOD，#01H SETB ET0 允許 T0中斷 SETB PT0 設(shè) T0為高級中斷 MOV TH0，#0E0H 定時(shí)約 10ms SETB TR0 啟動 T0 SETB EA 開中斷 軟件啟動 watch dog 后，系統(tǒng)工作程序每個(gè) 10ms 的時(shí)間執(zhí)行一次 MOV TH0，#0E0H 指

43、令，重新設(shè)置 T0 的計(jì)數(shù)初值不會溢出。如果程序跑飛后執(zhí)行 不到這條指令。則在 10ms 之內(nèi)會產(chǎn)生一次 T0溢出中斷。在 T0的中斷向量區(qū) 放一條轉(zhuǎn)移到出錯(cuò)處理程序的指令：LJMP ERR，由出錯(cuò)處理程序來處理各 種善后工作。 采用軟件 watch dog 有一個(gè)弱點(diǎn)，就是如果“跑飛”的程序使某些操 作數(shù)變形成了修改 T0 功能的指令。則指令執(zhí)行后，W.D 就會失效。因此軟 件狗不如硬件狗的可靠性高。6.5.3 系統(tǒng)的自恢復(fù)(系統(tǒng)受干擾時(shí)的軟件自恢復(fù))： 前面列舉的各項(xiàng)措施只解決了如何發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)受到干擾和如何捕捉“跑飛” 的程序。但這些還不夠，還要能夠讓單片機(jī)根據(jù)被破壞的殘留信息自動恢 復(fù)到正常工作狀態(tài)。 系統(tǒng)復(fù)位方法可分為： 硬件復(fù)位(冷啟動)：上電復(fù)位 人工復(fù)位 硬件 w