抗干擾措施精品課件

1、抗干擾措施第1頁，共76頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四5.1 干擾源干擾信號主要通過3個途徑進入儀表內(nèi)部：電磁感應、傳輸通道和電源線。一般情況下，經(jīng)電磁感應進入儀表的干擾在強度上遠遠小于從傳輸通道和電源線進入的干擾，對于電磁感應干擾可采用良好的“屏蔽”和正確的“接地”加以解決。所以，抗干擾措施主要是盡量切斷來自傳輸通道和電源線的干擾。5.1.1 串模干擾、共模干擾及電源干擾串模干擾是指干擾電壓與有效信號串聯(lián)疊加后作用到儀表上的，如圖5.1所示。串模干擾通常來自于高壓輸電線、與信號線平行鋪設的電源線及大電流控制線所產(chǎn)生的空間電磁場。由傳感器來的信號線有時長達一二百米，干擾源通過電

2、磁感應和靜電耦合作用加上如此之長的信號線上的感應電壓數(shù)值是相當可觀的。例如，一路電線與信號線平行敷設時，信號線上的電磁感應電壓和靜電感應電壓分別都可達到mV級，然而來自傳感器的有效信號電壓的動態(tài)范圍通常僅有幾十mV，甚至更小。第2頁，共76頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四第3頁，共76頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四由此可知：第一，由于測量控制系統(tǒng)的信號線較長，通過電磁和靜電耦合所產(chǎn)生的感應電壓有可能大到與被測有效信號相同的數(shù)量級，甚至比后者大得多。第二，對測量控制系統(tǒng)而言，由于采樣時間短，工頻的感應電壓也相當于緩慢變化的干擾電壓。這種干擾信號與有效直流信號一起被采

3、樣和放大，造成有效信號失真。除了信號線引入的串模干擾外，信號源本身固有的漂移、紋波和噪聲以及電源變壓器不良屏蔽或穩(wěn)壓濾波效果不良等也會引入串模干擾。第4頁，共76頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四共模干擾是指輸入通道兩個輸入端上共有的干擾電壓。這種干擾可以是直流電壓，也可以是交流電壓，其幅值可達幾伏甚至更高，取決于現(xiàn)場產(chǎn)生干擾的環(huán)境條件和儀表的接地情況。在測控系統(tǒng)中，檢測元件和傳感器是分散在生產(chǎn)現(xiàn)場的各個地方，因此，被測信號Vs的參考接地點和儀表輸入信號的參考接地點之間往往存在著一定的電位差Vcm(見圖5.2)。由圖可見，對于輸入通道的兩個輸入端來說，分別有Vs+Vcm和Vcm兩個

4、輸入信號。顯然，Vcm是轉(zhuǎn)換器輸入端上共有的干擾電壓，故稱共模干擾電壓。第5頁，共76頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四第6頁，共76頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四在測量電路中，被測信號有單端對地輸入和雙端不對地輸入兩種輸入方式，見圖5.3。對于存在共模干擾的場合，不能采用單端對地輸入方式，因為此時的共模干擾電壓將全部成為串模干擾電壓，如圖5.3(a)所示，必須采用雙端不對地輸入方式，如圖5.3(b)所示。第7頁，共76頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四第8頁，共76頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四由圖5.3(b)可見，共模干擾電壓Vcm對

5、2個輸入端形成2個電流回路(如虛線所示)，每個輸入端A、B的共模電壓為因此，在兩個輸入端之間呈現(xiàn)的共模電壓為(5-4)第9頁，共76頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四如果此時Zs1Zs1和Zcm1Zcm2，則VAB0，表示不會引入共模干擾；但實際上無法滿足上述條件，只能做到Zs1接近于Zs2，Zcm1接近于Zcm2，因此VAB0。也就是說，實際上總存在一定的共模干擾電壓。顯然，Zs1、Zs2越小，Zcm1、Zcm2越大，并且Zcm1與Zcm1越接近時，共模干擾的影響就越小。一般情況下，共模干擾電壓Vcm總是轉(zhuǎn)化成一定的串模干擾出現(xiàn)在兩個輸入端之間。輸入通道的輸入阻抗通常由直流絕緣電

6、阻和分布耦合電容產(chǎn)生的容抗決定。差分放大器的直流絕緣電阻可達到109，工頻寄生耦合電容可小到幾個pF(容抗達109數(shù)量級)，但共模電壓仍有可能造成1的測量誤差。除了串模干擾和共模干擾之外，還有一些干擾是從電源引入的。電源干擾一般有以下幾種：當同一電源系統(tǒng)中的可控硅器件通斷時產(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去產(chǎn)生干擾；附近的斷電器動作時產(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；共用同一個電源的附近設備接通或斷開時產(chǎn)生的干擾。第10頁，共76頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四5.1.2 數(shù)字電路的干擾在數(shù)字電路的元件與元件之間、導線與導線之間、

7、導線與元件之間、導線與結構件之間都存在著分布電容。如果某一個導體上的信號電壓(或噪聲電壓)通過分布電容使其他導體上的電位受到影響，這種現(xiàn)象稱為電容性耦合。圖5.4(a)為平行布線的A和B之間電容性耦合情況的示意圖。第11頁，共76頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四第12頁，共76頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四圖中，CAB是兩導線之間的分布電容，CAD是A導線對地的分布電容，CBD是B導線對地的分布電容，R是輸入電路的對地電阻。圖5.4(b)為等效電路，其中Vs為等效的信號電壓。若為信號電壓的角頻率，B導線為受感線，則不考慮CAD時，B導線上由于耦合形成的對地噪聲電壓

8、(有效值)VB為第13頁，共76頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四在下述兩種情況下，可將上式簡化。(1)當R很大時，即則可見，此時VB與信號電壓頻率基本無關，而正比于CAB和CBD的電容分壓比。顯然，只要設法降低CAB，就能減小VB值。因此，在布線時應增大兩導線間的距離，并盡量避免兩導線平行。(2)當R很小時，即第14頁，共76頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四則這時VB正比于CAB、R和信號幅值Vs，而且與信號電壓頻率有關。因此，只要設法降低R值就能減小耦合受感回路的噪聲電壓。實際上，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。現(xiàn)假設A、B兩導

9、線的兩端均接有門電路，見圖5.5。當門1輸出一個方波脈沖，而受感線(B線)正處于低電平時，可以從示波器上觀察到如圖5.6所示的披形。第15頁，共76頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四第16頁，共76頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四圖5.6中，VA表示信號源，VB為感應電壓。若耦合電容CAB足夠大，使得正脈沖的幅值高于門4的開門電平VT，脈沖寬度也足以維持使門4的輸出電平從高電平下降到低電平，則門4就輸出一個負脈沖，即干擾脈沖。第17頁，共76頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四在印刷電路板上，兩條平行導線間的分布電容為0.10.5 pF/cm，與靠在一起的絕

10、緣導線間的分布電容有相同數(shù)量級。除以上所介紹之外，還有其他一些干擾和噪聲，例如：由印刷電路板電源線與地線之間的開關電流和阻抗引起的干擾、元器件的熱噪聲、靜電感應噪聲等。第18頁，共76頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四5.2 硬件抗干擾措施5.2.1 串模干擾的抑制串模干擾的抑制能力用串模抑制比NMR來衡量，一般要求NMR4080 dB。式中 Vnm串模干擾電壓；Vnm1儀表輸入端由串模干擾引起的等效差模電壓。智能化測量控制儀表中，主要的抗串模干擾措施是用低通輸入濾波器濾除交流干擾，而對直流串模干擾則采用補償措施。第19頁，共76頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四常用的

11、低通濾波器有RC濾波器、LC濾波器、雙T濾波器及有源濾波器等，它們的原理圖分別見圖5.7(a)、(b)、(c)和(d)。第20頁，共76頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四RC濾波器的結構簡單，成本低，也不需調(diào)整。但它的串模抑制比不高，一般需23級串聯(lián)使用才能達到規(guī)定的NMR指標。而且時間常數(shù)RC較大，RC過大時將影響放大器的動態(tài)特性。LC濾波器的串模抑制比較高，但需要繞制電感，體積大，成本高。雙T濾波器對一固定頻率的干擾具有很高的抑制比，偏離該頻率后抑制比迅速減小。主要用來濾除工頻干擾，而對高頻干擾無能為力，其結構雖然也簡單，但調(diào)整比較麻煩。有源濾波器可以獲得較理想的頻率特性，但作

12、為儀表輸入級，有源器件(運算放大器)的共模抑制比一般難以滿足要求，其本身帶來的噪聲也較大。第21頁，共76頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四通常，儀表的輸入濾波器都采用RC濾波器。在選擇電阻和電容參數(shù)時除了要滿足NMR指標外，還要考慮信號源的內(nèi)阻抗，兼顧共模抑制比和放大器動態(tài)特性的要求。故常用2級阻容低通濾波網(wǎng)絡作為輸入通道的濾波器。如圖5.8所示，它可使50 Hz的串模干擾信號衰減至1/600左右。該濾波器的時間常數(shù)小于200ms，因此，當被測信號變化較快時應當相應改變網(wǎng)絡參數(shù)，以適當減小時間常數(shù)。第22頁，共76頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四用雙積分式A/D轉(zhuǎn)換

13、器可以削弱周期性的串模干擾的影響。因為此類轉(zhuǎn)換器是對輸入信號的平均值而不是瞬時值進行轉(zhuǎn)換，所以對周期干擾具有很強的抑制能力。若取積分周期等于主要串模干擾的周期或整數(shù)倍，則通過雙積分A/D轉(zhuǎn)換器后，對串模干擾的抑制有更好的效果。對于主要來自于電磁感應的串模干擾，應盡可能早地對被測信號進行前置放大，以提高回路中的信號噪聲比；或者盡可能早地完成A/D轉(zhuǎn)換或采取隔離屏蔽措施。在選取儀表的元器件時，可以采用高抗擾度的邏輯器件，通過提高閾值電平來抑制低噪聲的干擾；或采用低速邏輯器件來抑制高頻干擾；也可人為地附加電容器，以降低某個邏輯電路的工作速度來抑制高頻干擾。這些方法能有效地抑制由元器件內(nèi)部的熱擾動產(chǎn)生

14、的隨機噪聲干擾以及在數(shù)字信號傳輸過程中夾帶的低噪聲或窄脈沖干擾。如果串模干擾的變化速度與被測信號相當，則一般很難通過以上措施來抑制這種干擾。此時應從根本上消除產(chǎn)生干擾的原因。對測量元件或變送器進行良好的電磁屏蔽，同時信號線應選用帶屏蔽層的雙絞線或電纜線，并應有良好的接地系統(tǒng)。第23頁，共76頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四5.2.2 共模干擾的抑制共模干擾的抑制能力用共模抑制比CMR表示，即式中 Vcm為共模干擾電壓；Vcm1：為儀表輸入端由共模干擾引起的等效電壓。共模干擾是一種常見的干擾源，采用雙端輸入的差分放大器作為儀表輸入通道的前置放大器，是抑制共模干擾的有效方法。設計比較

15、完善的差分放大器，在不平衡電阻為1 k的條件下，共模抑制比CMR可達100160 dB。也可以利用變壓器或光電耦合器把各種模擬負載與數(shù)字信號隔離開，也就是把“模擬地”與“數(shù)字地”斷開。被測信號通過變壓器耦合或光電耦合獲得通路，而共模干擾由于不成回路而得到有效的抑制。如圖5.9所示。第24頁，共76頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四當共模干擾電壓很高或要求共模漏電流很小時，常在信號源與儀表的輸入通道之間插入隔離放大器。第25頁，共76頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四還可以采用浮地輸入雙層屏蔽放大器來抑制共模干擾，如圖5.10所示。這是利用屏蔽方法使輸入信號的模擬地浮空，

16、從而達到抑制共模干擾的目的。圖中Z1和Z2分別為模擬地與內(nèi)屏蔽罩之間和內(nèi)屏蔽罩和外屏蔽罩(機殼)之間的絕緣阻抗，它們由漏電阻和分布電容組成，所以阻抗值很大。圖中，用于傳遞信號的屏蔽線的屏蔽層和Z2為共模電壓Vcm。提供了共模電流Icm1的通路。由于屏蔽線的屏蔽層存在電阻Rc，因此，共模電壓Vcm在Rc上會產(chǎn)生較小的共模信號，它將在模擬量輸入回路中產(chǎn)生共模電流Icm2。Icm2會在模擬量輸入回路中產(chǎn)生串模干擾電壓。顯然，由于RcZ2，ZsZ1，故由Vcm引入的串模干擾電壓是非常微弱的，所以這是一種十分有效的共模干擾抑制措施。第26頁，共76頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四在采用這種

17、方法時要注意以下幾點：信號線屏蔽層只允許一端接地，并且只在信號源一側接地，而放大器一側不得接地。當信號源為浮地方式時，屏蔽只接信號源的低電位端。模擬信號的輸入端要相應地采用三線采樣開關。在設計輸入電路時，應使放大器二輸入端對屏蔽罩的絕緣電阻盡量對稱，并且盡可能 減小線路的不平衡電阻。采用浮地輸入的儀表輸入通道雖然增加了一些器件，例如每路信號都要用屏蔽線和三線開關，但對放大器本身的抗共模干擾能力的要求大為降低，因此這種方案已獲得廣泛應用。第27頁，共76頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四第28頁，共76頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四5.2.3 輸入/輸出通道干擾的抑制

18、開關量輸入/輸出通道和模擬量輸入/輸出通道，都是干擾竄入的渠道。要切斷這條渠道，就要去掉對象與輸入/輸出通道之間的公共地線，實現(xiàn)彼此電隔離以抑制干擾脈沖。最常見的隔離器件是光電耦合器，其內(nèi)部結構見圖5.11(a)。第29頁，共76頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四第30頁，共76頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四光電耦合器之所以具有很強的抗干擾能力，主要有以下幾個原因： (1)光電耦合器的輸入阻抗很低，一般在1001000之間；而干擾源的內(nèi)阻一般都很大，通常為105106。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。即使有時干擾電壓的幅度較大，但所提

19、供的能量卻很小即只能形成很微弱的電流。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只在一定光強下才能工作(見圖5.11(b)。因此電壓幅值很高的干擾，由于沒有足夠的能量而不能使二極管發(fā)光，從而被抑制掉了。(2)輸入回路與輸出回路之間的分布電容極小，一般僅為0.52pF；而絕緣電阻又非常大，通常為l0111013。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。第31頁，共76頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四 (3)光電耦合器的輸入回路與輸出回路之間是光耦合的，而且是在密封條件下進行的，故不會受到外界光的干擾。接入光電耦

20、合器的數(shù)字電路如圖5.11(b)所示，其中Ri為限流電阻，D為反向保護二極管?？梢钥闯觯@時并不要求輸入Vi值一定得與TTL。邏輯電平一致，只要經(jīng)Ri限流之后符合發(fā)光二極管的要求即可。RL是光敏三極管的負載電阻(RL也可接在光敏三極管的射極端)。當Vi使光敏三極管導通時，Vo為低電平(即邏輯0)；反之為高電平(即邏輯1)。Ri和RL的選取說明如下：當光電耦合器選用GO103，發(fā)光二極管在導通電流IF10 mA時，正向壓降VF1.3 V，光敏三極管導通時的壓降VCE0.4 V。設輸入信號的邏輯1電平為Vi12 V，并取光敏三極管導通電流Ic2 mA，則Ri和RL可由下式計算： Ri(Vi-VF)

21、/IF(12 V-1.3 V)/10 mA1.07 k RL(Vcc-VCE)/Ic(5 V-0.4 V)/2mA2.3 k第32頁，共76頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四需要強調(diào)指出的是，在光電耦合器的輸入部分和輸出部分必須分別采用獨立的電源。如果兩端共用一個電源，則光電耦合器的隔離作用將失去意義。順便提一下，變壓器是無源器件，它也經(jīng)常用作隔離器，其性能雖不及光電耦合器，但結構簡單。開關量輸入電路接入光電耦合器后，由于光電耦合器的抗干擾作用，使夾雜在輸入開關量中的各種干擾脈沖都被擋在輸入回路的一邊。另外，光電耦合器還起到很好的安全保障作用，即使故障造成Vi與電力線相接也不致于損

22、壞儀表，因為光電耦合器的輸入回路與輸出回路之間可耐很高的電壓(GO103為500 V，有些光電耦合器可達1000V，甚至更高)。第33頁，共76頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四圖5.12是光電隔離抗干擾開關量輸出電路的原理圖。三態(tài)緩沖門接成直通式，當開關量信號Vi為0時，電流通過發(fā)光二極管，使光敏三極管導通，外接三極管T截止，可控硅EC導通，直流負載加電。反之，Vi為1時，直流負載斷電。LD是普通發(fā)光二極管，用作開關指示；光敏三極管一邊的電源值不一定是+5 V，其他值也可以，只要其值不超過光敏三極管和三極管T的容許值就行。若為交流負載，則只要把驅(qū)動電器的電源改成交流電源，可控硅換

23、成雙向可控硅即可。也可用光電耦合器來隔離開關量輸出電路和二位式執(zhí)行機構(如電磁閥)，圖5.13為光電耦合器用于隔離電磁閥驅(qū)動電路。第34頁，共76頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四第35頁，共76頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四第36頁，共76頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四模擬量I/O電路與外界的電氣隔離可用安全柵來實現(xiàn)。安全柵是有源隔離式的四端網(wǎng)絡。與變送器相接時，其輸入信號由變送器提供；與執(zhí)行部件相接時，其輸入信號由電壓/電流轉(zhuǎn)換器提供，都是420mA的電流信號。它的輸出信號是420 mA的電流信號，或15V的電壓信號，經(jīng)過安全柵隔離處理之后，可以

24、防止一些故障性的干擾損害智能化測量控制儀表。但是，一些強電干擾還會經(jīng)此或通過其他一些途徑，從模擬量輸入/輸出電路竄入系統(tǒng)。因此在設計時，為保證儀表在任何時候都能工作在既平穩(wěn)又安全的環(huán)境里，要另加隔離措施加以防范。第37頁，共76頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四由于模擬量信號的有效狀態(tài)有無數(shù)個，而數(shù)字(開關)量的狀態(tài)只有兩個，所以疊加在模擬量信號上的任何干擾，都因有實際意義而起到干擾作用。疊加在數(shù)字(開關)量信號上的干擾，只有在幅度和寬度都達到一定量時才能起到作用。這表明抗干擾屏障的位置越往外推越好，最好能推到模擬量入、出口處，也就是說，最好把光電耦合器設置在A/D電路模擬量輸入和

25、D/A電路模擬量輸出的位置上。要想把光電耦合器設置在這兩個位置上，就要求光電耦合器必須具有能夠進行線性變換和傳輸?shù)奶匦?。?8頁，共76頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四但限于線性光耦的價格和性能指標等方面原因，國內(nèi)一般都采用邏輯光電耦合器。此時，抗干擾屏障就應設在最先遇到的開關信號工作的位置上。對A/D轉(zhuǎn)換電路來說，光電耦合器設在A/D芯片和模擬量多路開關芯片這兩類電路的數(shù)字量信號線上。對D/A轉(zhuǎn)換電路來說，應設在D/A芯片和采樣保持芯片的數(shù)字量信號線上。對具有多個模擬量輸入通道的A/D轉(zhuǎn)換電路來說，各被測量的接地點之間存在著電位差，從而引入共模干擾，故儀表的輸入信號應連接成差分

26、輸入的方式。為此，可選用差分輸入的A/D芯片，例如ADC0801/4等，并將各被測量的接地點經(jīng)模擬量多路開關芯片接到差分輸入的負端。第39頁，共76頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四圖5.14是具有4個模擬量輸入通道的抗干擾電路原理圖。這個電路與80C51單片機的外圍接口電路8155相連。8155的PA口作為8位數(shù)據(jù)輸入口，PC口的PC0和PC1作為控制信號輸出口。4路信號的輸入由4052選通，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器14433轉(zhuǎn)換成3位半BCD碼數(shù)字量。因為14433為CMOS集成電路，驅(qū)動能力小，故其輸出通過74LS244驅(qū)動光電耦合器。數(shù)字信號經(jīng)光電耦合器與8155的PA口相連。405

27、2的選通信號由8155的PC口發(fā)出。兩者之間同樣用光耦隔離。14433的轉(zhuǎn)換結束信號EOC通過光耦由74LS74D觸發(fā)器鎖存，并向80C51的INT1發(fā)出中斷請求。第40頁，共76頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四第41頁，共76頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四必須注意的是，當用光電耦合器來隔離輸入輸出通道時，必須對所有的信號(包括數(shù)字量信號、控制信號、狀態(tài)信號)全部隔離，使得被隔離的兩邊沒有任何電氣上的聯(lián)系；否則這種隔離是沒有意義的。第42頁，共76頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四5.2.4 電源與電網(wǎng)干擾的抑制為了抑制電網(wǎng)干擾所造成穩(wěn)壓電源的波動，可

28、以采取以下一系列措施。采用能抑制交流電源干擾的計算機系統(tǒng)電源，如圖5.15所示。圖中，電抗器用來抑制交流電源線上引入的高頻干擾，讓50 Hz的基波通過；變阻二極管用來抑制進入交流電源線上的瞬時干擾(或者大幅值的尖脈沖干擾)；隔離變壓器的初、次級之間加有靜電屏蔽層，從而進一步減小進入電源的各種干擾。該交流電壓再通過整流、濾波和直流電子穩(wěn)壓后使干擾被抑制到最小。第43頁，共76頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四第44頁，共76頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四不間斷電源UPS是近年來推出的一種新型電源。它除了有很強的抗電網(wǎng)干擾的能力外，更主要的是萬一電網(wǎng)斷電，它能以極短的時

29、間(3 ms)切換到后備電源上去。后備電源能維持10 min以上(滿載)或30 min以上(半載)的供電時間，以便操作人員及時處理電源故障或采取應急措施。在要求很高的控制場合可采用UPS。以開關式直流穩(wěn)壓器代替各種穩(wěn)壓電源。由于開關頻率可達1020 kHz或更高，因而變壓器、扼流圈都可小型化。高頻開關晶體管工作在飽和及截止狀態(tài)，效率可達6070。而且抗干擾性能強。圖5.16為印刷電路板與電源裝置的接線狀態(tài)。由此圖可看出，從電源裝置到集成電路IC的電源-地端子間有電阻和電感。另一方面，印刷板上的IC是TTL電路時，若以高速進行開關動作，其開關電流和阻抗會引起開關噪聲。因此，無論電源裝置提供的電壓

30、是多么穩(wěn)定，Vcc線、GND線也會產(chǎn)生噪聲，致使數(shù)字電路發(fā)生誤動作。第45頁，共76頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四第46頁，共76頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四降低這種開關噪聲的方法有兩種：其一是以短線向各印刷電路板并行供電，而且印刷電路板里的電源線采用格子形狀或用多層板，做成網(wǎng)眼結構以降低線路的阻抗。其二是在印刷電路板上的每個IC都接人高頻特性好的旁路電容器，將開關電流經(jīng)過的線路局限在印刷電路板內(nèi)一個極小的范圍內(nèi)。旁路電容可用0.010.1F的陶瓷電容器。旁路電容器的引線要短而且要緊靠在需要旁路的集成器件的Vcc與GND端，若離開了則毫無意義。若在一臺儀表中有

31、多塊邏輯電路板，則一般應在電源和地線的引入處附近并接一個10100F的大電容和一個0.010.1F的瓷片電容，以防止板與板之間的相互干擾。但此時最好在每塊邏輯電路板上裝一片或幾片“穩(wěn)壓塊”，形成獨立的供電，防止板間干擾。第47頁，共76頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四5.2.5 地線系統(tǒng)干擾的抑制正確接地是儀表系統(tǒng)抑制干擾所必須注意的重要問題。在設計中若能把接地和屏蔽正確地結合，可很好地消除外界干擾的影響。接地設計的基本目的是消除各電路電流流經(jīng)公共地線時所產(chǎn)生的噪聲電壓，以及免受電磁場和地電位差的影響，即不使其形成地環(huán)路。接地設計應注意如下；(1)一點接地和多點接地的使用原則。一

32、般高頻電路應就近多點接地，低頻電路應一點接地。在低頻電路中，接地電路形成的環(huán)路對干擾影響很大，因此應一點接地。在高頻時，地線上具有電感，因而增加了地線阻抗，而且地線變成了天線，向外幅射噪聲信號，因此，要多點就近接地。(2)屏蔽層與公共端的連接。當一個接地的放大器與一個不接地的信號源連接時，連接電纜的屏蔽層應接到放大器公共端，反之應接到信號源公共端。高增益放大器的屏蔽層應接到放大器的公共端。第48頁，共76頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四(3)交流地、功率地同信號地不能共用。流過交流地和功率地的電流較大，會造成數(shù)mV、甚至幾V電壓，這會嚴重地干擾低電平信號的電路。因此信號地應與交流

33、地、功率地分開。(4)屏蔽地(或機殼地)接法隨屏蔽目的不同而異。電場屏蔽是為了解決分布電容問題，一般接大地；電磁屏蔽主要避免雷達、短波電臺等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。屏蔽是防磁鐵、電機、變壓器等的磁感應和磁耦合的，辦法是用高導磁材料使磁路閉合，一般接大地。(5)電纜和接插件的屏蔽。在電纜和接插件的屏蔽中要注意：高電子線和低電平線不要走同一條電纜。不得已時，高電平線應單獨組合和屏蔽。同時要仔細選擇低電平線的位置。高電平線和低電平線不要使用同一接插件。不得已時，要將高低電平端子分立兩端，中間留接高低電平引地線的備用端子。第49頁，共76頁，2022年，5月2

34、0日，0點20分，星期四設備上進出電纜的屏蔽應保持完整。電纜和屏蔽線也要經(jīng)插件連接。兩條以上屏蔽電纜共用一個插件時，每條電纜的屏蔽層都要用一個單獨接線端子，以免電流在各屏蔽層流動。第50頁，共76頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四5.3 軟件抗干擾措施硬件抗干擾措施的目的是盡可能切斷干擾進入智能化測量控制儀表的通道，因此是十分必要的。但是由于干擾存在的隨機性，尤其是在一些較惡劣的外部環(huán)境下工作的儀表，盡管采用了硬件抗干擾措施，并不能將各種干擾完全拒之于門外。這時就應該充分發(fā)揮智能化測量控制儀表中單片機在軟件編程方面的靈活性，采用各種軟件抗干擾措施，與硬件措施相結合，提高儀表工作的可

35、靠性。第51頁，共76頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四5.3.1數(shù)字量輸入/輸出中的軟件抗干擾數(shù)字量輸入過程中的干擾，其作用時間較短，因此在采集數(shù)字信號時，可多次重復采集，直到若干次采樣結果一致時才認為其有效。例如，通過AD轉(zhuǎn)換器測量各種模擬量時，如果有干擾作用于模擬信號上，就會使AD轉(zhuǎn)換結果偏離真實值。這時如果只采樣一次AD轉(zhuǎn)換結果，就無法知道其是否真實可靠，而必須進行多次采樣，得到一個AD轉(zhuǎn)換結果的數(shù)據(jù)系列。對這一系列數(shù)據(jù)再作各種數(shù)字濾波處理，最后才能得到一個可信度較高的結果值。如果對于同一個數(shù)據(jù)點經(jīng)多次采樣后得到的信號值變化不定，說明此時的干擾特別嚴重，已經(jīng)超出允許的范圍，

36、應該立即停止采樣并給出報警信號。如果數(shù)字信號屬于開關量信號，例如限位開關、操作按扭等，則不能用多次采樣取平均值的方法，而必須每次采樣結果絕對一致才行。這時可按圖示編寫一個采樣子程序，程序中設置有采樣成功和采樣失敗標志。如果對同一開關量信號進行若干次采樣，其采樣結果完全一致，則成功標志置位；否則失敗標志置位。后續(xù)程序可通過判別這些標志來決定程序的流向。第52頁，共76頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四開關量信號采樣流程第53頁，共76頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四智能化測量控制儀表對外輸出的控制信號很多是以數(shù)字量的形式出現(xiàn)的，例如各種顯示器、步進電機或電磁閥的驅(qū)動信號

37、等。即使是以模擬量輸出，也是經(jīng)過DA轉(zhuǎn)換而獲得的。單片機給出一個正確的數(shù)據(jù)后，由于外部干擾的作用有可能使輸出裝置得到一個被改變了的錯誤數(shù)據(jù)，從而使輸出裝置發(fā)生誤動作。對于數(shù)字量輸出軟件抗干擾最有效的方法是重復輸出同一個數(shù)據(jù)，重復周期應盡量短。這樣輸出裝置在得到一個被干擾的錯誤信號后，還來不及反應，一個正確的信號又來到了，從而可以防止誤動作的產(chǎn)生。在程序結構上，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，就能有效地防止輸出設備的錯誤動作。需要注意的是，經(jīng)過這種安排后輸出功能是作為一個完整的模塊來執(zhí)行的。與這種重復輸出措施相對應，軟件設計中還必須為各個外部輸出設備建立一個輸出暫存單元。每次

38、將應輸出的結果存人暫存單元中，然后再調(diào)用輸出功能模塊將各暫存單元的數(shù)據(jù)一一輸出，不管該數(shù)據(jù)是剛送來的，還是以前就有的。這樣可以讓每個外部設備不斷得到控制數(shù)據(jù)，從而使干擾造成的錯誤狀態(tài)不能得以維持。在執(zhí)行輸出功能模塊時，應將有關輸出接門芯片的初始狀態(tài)也一并重新設置。因為由于干擾的作用可能使這些芯片的工作方式控制字發(fā)生變化，而不能實現(xiàn)正確的輸出功能，重新設置控制字就能避免這種錯誤，確保輸出功能的正確實現(xiàn)。第54頁，共76頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四5.3.2 程序執(zhí)行過程中的軟件抗干擾前面述及的是針對輸入輸出通道而言的，干擾信號還未作用到CPU本身，CPU還能正確地執(zhí)行各種抗干擾

39、程序。如果干擾信號已經(jīng)通過某種途徑作用到了CPU上，CPU就不能按正常狀態(tài)執(zhí)行程序，從而引起混亂。這就是通常所說的程序“跑飛”。程序“跑飛”后使其恢復正常的一個最簡單的方法是使CPU復位，讓程序從頭開始重新運行。第55頁，共76頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四人工復位電路智能化測量控制儀表中都應設置如圖518所示的人工復位電路，上電時電容C通過電阻R2充電，使單片機80C5l的RESET端維持一段足夠時間的高電平，達到上電復位的目的。需要人工復位時，按下按鈕KA，電容C通過R1放電，放開按鈕后，電容C重新充電，8051的復位端重又獲得一段時間的高電平，達到復位的目的。采用這種方法

40、雖然簡單，但需要人的參與，而且復位不及時。人工復位一般是在整個系統(tǒng)已經(jīng)完全癱瘓、無計可施的情況下不得已而為之的。第56頁，共76頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四因此在進行軟件設計時就要考慮到萬一程序“跑飛”，應讓其能夠自動恢復到正常狀態(tài)下運行。程序“跑飛”后往往將一些操作數(shù)當作指令碼來執(zhí)行，從而引起整個程序的混亂。采用“指令冗余”，就是在一些關鍵地方人為地插入一些單字節(jié)的空操作指令NOP。當程序“跑飛”到某條單字節(jié)指令上時，就不會發(fā)生將操作數(shù)當成指令來執(zhí)行的錯誤。對于MCS51單片機來說，所有的指令都不會超過3個字節(jié)，因此在某條指令前面插入兩條NOP指令，則該指令就不會被前面沖下

41、來的失控程序拆散，而會得到完整的執(zhí)行，從而使程序重新納入正常軌道。通常是在一些對程序的流向起關鍵作用的指令前面插入兩條NOP指令。應該注意的是在一個程序中“指令冗余”不能使用過多，否則會降低程序的執(zhí)行效率。第57頁，共76頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四采用“指令冗余”使“跑飛”的程序恢復正常是有條件的，首先“跑飛”的程序必須落到程序區(qū)，其次必須執(zhí)行到所設置的冗余指令。如果“跑飛”的程序落到非程序區(qū)（如EPROM中未用完的空間或某些數(shù)據(jù)表格等），或在執(zhí)行到冗余指令之前已經(jīng)形成了一個死循環(huán)，則“指令冗余”措施就不能使“跑飛”的程序恢復正常了。這時可以采用另一種軟件抗干擾措施，即所謂

42、“軟件陷阱”。“軟件陷阱”是一條引導指令，強行將捕獲的程序引向一個指定的地址，在那里有一段專門處理錯誤的程序。假設這段處理錯誤的程序入口地址為ERR，則下面指令即組成一個“軟件陷阱”:NOPNOPLJMPERR第58頁，共76頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四“軟件陷阱”一般安排在下列四種地方：（1）未使用的中斷向量區(qū)。MCS51單片機的中斷向量區(qū)為0003H002FH，如果所設計的智能化測量控制儀表未使用完全部中斷向量區(qū)，則可在剩余的中斷向量區(qū)安排“軟件陷阱”，以便能捕捉到錯誤的中斷。例如某智能化測量控制儀表使用了兩個外部中斷INT0、INT1和一個定時器中斷T0，它們的中斷服務

43、子程序地址分為FUINT0、FUINT1和FUT0，則可按下面的方式來設置中斷向量區(qū)。第59頁，共76頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四0RG0000H 0000H START: LJMP MAIN;引向主程序入口 0003HLJMPFUINT0;INT0中斷服務程序入口 0006HNOP;冗余指令 0007HNOP 0008HLJMPERR;陷阱 000BHLJMPFUT0;T0中斷服務程序入口 000EHNOP;冗余指令 000FH NOP 0010H LJMPERR;陷阱 0013HLJMPFUINT1;INT1中斷服務程序入口 0016HNOP;冗余指令 0017H NOP

44、 0018H LJMPERR;陷阱 001BH LJMPERR;未使用T1中斷，設陷阱 001EHNOP;冗余指令 001FH NOP 0020H LJMPERR;陷阱 0023H LJMPERR;未使用串行口中斷，設陷阱 0026HNOP;冗余指令 0027H NOP 0028H LJMPERR;陷阱 002BH LJMPERR;未使用T2中斷，設陷阱 002EHNOP;冗余指令 002FH NOP 0030HMAIN:. . . 第60頁，共76頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四(2)未使用的大片EPROM空間。智能化測量控制儀表中使用的EPROM芯片一般都不會使用完其全部空間

45、，對于剩余未編程的EPROM空間，一般都維持其原狀態(tài)，即其內(nèi)容為0FFH。0FFH對于MCS51單片機的指令系統(tǒng)來說是一條單字節(jié)的指令:MOVR7，A，如果程序“跑飛”到這一區(qū)域，則將順序向后執(zhí)行，不再跳躍（除非又受到新的干擾）。因此在這段區(qū)域內(nèi)每隔一段地址設一個陷阱，就一定能捕捉到“跑飛”的程序。第61頁，共76頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四（3）表格。有兩種表格，即數(shù)據(jù)表格和散轉(zhuǎn)表格。由于表格的內(nèi)容與檢索值有一一對應的關系，在表格中間安排陷阱會破壞其連續(xù)性和對應關系，因此只能在表格的最后安排陷阱。如果表格區(qū)較長，則安排在最后的陷阱不能保證一定能捕捉到飛來的程序的流向，有可能

46、在中途再次“跑飛”。第62頁，共76頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四（4）程序區(qū)。程序區(qū)是由一系列的指令所構成的，不能在這些指令中間任意安排陷阱，否則會破壞正常的程序流程。但在這指令中常常有一些斷點，正常的程序執(zhí)行到斷點處就不再往下執(zhí)行了，如果在這些地方設置陷阱就能有效地捕獲“跑飛”的程序。例如在一個根據(jù)累加器A中內(nèi)容的正、負和零的情況進行三分支的程序，軟件陷阱安排如下。第63頁，共76頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四JNZXYZ;零處理AJMPABC;斷裂點NOPNOPLJMPERR;陷阱XYZ:JBACC.7,UVW; 正處理AJMPABC ;斷裂點NOPNOP

47、LJMPERR ;陷阱UVW: ;負處理ABC:MOVA,R2;取結果RET;斷裂點NOPNOPLJMPERR;陷阱第64頁，共76頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四由于軟件陷阱都安排在正常程序執(zhí)行不到的地方，幫不會影響程序的執(zhí)行效率。在EPROM容量允許的條件下，這種軟件陷阱多一些為好。但如果“跑飛”的程序落到一個臨時構成的死循環(huán)中時，冗余指令和軟件陷阱都將無能為力。這時可以采用人工復位的方法使系統(tǒng)恢復正常，實際上可以設計一種模仿人工監(jiān)測的“程序運行監(jiān)測器”，俗稱“看門狗”（WATCHDOG）。第65頁，共76頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四WATCHDOG的特征：

48、（1）本身能獨立工作，基本上不依賴于CPU。CPU只在一個固定的時間間隔內(nèi)與之打一次交道，表明整個系統(tǒng)“目前尚屬正?！?。（2）當CPU落入死循環(huán)之后，能及時發(fā)現(xiàn)并使整個系統(tǒng)復位。第66頁，共76頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四硬件電路組成的WATHCDOG第67頁，共76頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四16進制計數(shù)器對振蕩電路發(fā)出的脈沖計數(shù)，當計到第8個脈沖時QD端變成高電平。單片機執(zhí)行一個從P1.7輸出清零脈沖的固定程序，只要每次清零脈沖的時間小于8個振蕩脈沖周期，計數(shù)器就總也計不到8， QD端就一直保持低電平。如果CPU受到干擾使程序“跑飛”，就無法執(zhí)行這個發(fā)清

49、零脈沖的固定程序，計數(shù)器就會計數(shù)到8，使QD端變成高電平，經(jīng)微分電路C2、R3輸出一個正脈沖到單片機的RESET端，使CPU復位。此電路中還包括有上電復位（C1、R1）和人工復位（KA、R1、R2）部分。在有些CHMOS型的單片機中已經(jīng)集成了片內(nèi)的硬件WATCHDOG電路，使用起來更為方便。也可以用軟件程序來形成WATCHDOG。例如可以用8051的定時器T0來形成WATCHDOG：將T0的溢出中斷設為高級中斷，其它中斷均設置為低級中斷，若采用6MHz的時鐘，則可用以下程序使T0定時約為10ms來形成軟件WATCHDOG：第68頁，共76頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四MOVTM

50、OD,#01H;置T0為16位定時器SETBET0;允許T0中斷SETBPT0;設置T0為高級中斷MOVTH0,#0E0H;定時約為10msSETBTR0;啟動T0SETBEA;開中斷軟件WATCHDOG啟動后，系統(tǒng)工作程序必須每隔小于10ms的時間執(zhí)行一次MOVTH0，0E0H指令，重新設置T0的計數(shù)初值。如果程序“跑飛”后執(zhí)行不到這條指令，則在10ms之內(nèi)即會產(chǎn)生一次T0溢出中斷，在T0的中斷向量區(qū)安放一條轉(zhuǎn)移到出錯處理程序的指令：LJMPERR，由出錯處理程序來處理各種善后工作。第69頁，共76頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四5.3.3系統(tǒng)的恢復只解決如何發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)受到干擾和

51、如何捕捉“跑飛”程序還不夠，還要能夠讓單片機根據(jù)被破壞的殘留信息自動恢復到正常工作狀態(tài)。硬件復位是使單片機重新恢復正常工作狀態(tài)的一個簡單有效的方法。硬件復位后CPU被重新初始化，所有被激活的中斷標志都被清除，程序從0000H地址重新開始執(zhí)行。硬件復位又稱為“冷啟動”，是將系統(tǒng)當時的狀態(tài)全部作廢，重新進行徹底的初始化來使系統(tǒng)的狀態(tài)得到恢復。用軟件抗干擾措施來使系統(tǒng)恢復到正常狀態(tài)，是對系統(tǒng)的當前狀態(tài)進行修復和有選擇的部分初始化，又稱為“熱啟動”。熱啟動時首先要對系統(tǒng)進行軟件復位，也就是執(zhí)行一系列指令來使各專用寄存器達到與硬件復位時同樣的狀態(tài)，這里需注意的是還要清除中斷激活標志。如用WATCHDOG

52、使系統(tǒng)復位時，程序出錯有可能發(fā)生在中斷子程序中，中斷激活標志已經(jīng)置位，它將阻止同級的中斷響應；而軟件WATCHDOG是高級中斷，它將阻止所有的中斷響應。由此可見清除中斷激活標志的重要性。在所有的指令中，只有RETI指令能清除中斷激活標志。前面提到的出錯處理程序主要就是用來完成這一功能的。部分程序如下：第70頁，共76頁，2022年，5月20日，0點20分，星期四ORG0030HERR：CLREA；關中斷MOVDPTR，ERR；準備返回地址PUSHDPLPUSHDPHRETI；清除高級中斷標志ERR1：MOV66H，0AAH；重建上電標志MOV67H，55HCLRA；準備復位地址PUSHACC；壓入復位地址PUSHACCRETI；清除低級中斷激活標志第71頁，共76頁，2