电路干扰的预防和排除

电路干扰的预防和排除
随着电子技术的高速发展，电子电气设备、系统的应用越来越广泛，其中众多电子设备的一个最大特点就是小型化，集成化，而小型化意味着元器件的密度很大，这使得元器件的相互干扰十分突出。

电磁干扰信号如果处理不当，可能造成整个电路系统的无法正常工作。

单片机应用系统中干扰的分析系统的干扰源对电子系统的干扰主要是电磁能量干扰。

干扰源主要分为内部干扰源和外部干扰源。

内部干扰源主要来自印制电路板的布局及布线。

高速数字信号在系统内的各电路之间以及各元器件之间形成相互干扰,致使系统不能正常工作。

因此,如何抑制、削弱公共阻抗干扰、感应引起的串扰、信号反射干扰以及辐射干扰成为需要克服的一个重点。

由于单片机往往处于较为恶劣、复杂的外部电磁环境,较强的外部干扰信号主要通过电源而进入单片机系统内部。

因此,供电电源的抗干扰方法是我们进行电磁抗扰设计的又一个研究重点。

1.电磁干扰产生的原因
1. 1形成干扰的基本要素
干扰又叫噪声,是窜入或叠加在系统电源、信号电缆上的与信号无关的电信号,干扰常以电场或磁场的形式出现。

（1）干扰源，指产生干扰的元件、设备或信号,用数学语言描述如下: du/dt, di/dt大的地方就是干扰源,如:雷电、继电器、可控硅、电机、高频时钟等都可能成为干扰源。

(2) 传播路径。

指干扰从干扰源传播到敏感器件的通路或媒介。

典型的干扰传播路径是通过导线的传导和空间的辐射。

(3) 敏感器件。

指容易被干扰的对象。

如: A/D、D /A变换器,单片机,数字IC,弱信号放大器等。

干扰会造成测量的误差外部干扰来源凡能在空间产生电磁场的电器设备和输电线路都能成为外部干扰源,即电气干扰。

干扰的分类有许多种,通常可以按照噪声产生的原因、传导方式、波形特性等进行不同的分类。

按产生的原因可为放电噪声音、高频振荡噪声、浪涌噪声,按传导方式:可分为共模噪声和串模噪声,按波形可分为持续正弦波、脉冲电压、脉冲序列等。

主要分为以下几类：
a)工频干扰:大功率工频输电线(电缆)或电源变压器、发电机和连接这些设备的电源线等,使低电频的信号受到干扰
b)射频干扰:大功率的高频发生装置、晶体管变流装置、直流电机整流子炭刷的滑动、电气装置接点断开时的火花、电焊机的弧光以及通讯用的对讲机等,都将产生强烈的高频电磁波,以空间辐射的形式向四周扩散,从而传播到弱电路中,引起电气干扰。

c)感应干扰:在交流强电导线或设备周围存在交变磁场,当弱电信号导线经过上述磁场附近时,将以电磁感应的形式,耦合到有用的信号回路中去。

干扰输入方式在现场,各类干扰会通过不同途径与仪表电路耦合。

干扰源产生的干扰信号是通过一定的耦合通道才对测控系统产生作用的。

因此,我们有必要看看干扰源和被干扰对象之间的传递方式。

干扰的耦合方式,是通过导线、空间、公共线等,细分下来,主要有:直接耦合、公共阻抗耦合、电容耦合、电磁感应耦合、漏电耦合等。

干扰的耦合方式常有以下几种。

a)电容耦合:由两个电路之间的静电效应而引起的干扰。

若干扰线与测量线平衡时,相当于两个电路间有一电容器存在,干扰线的干扰电压经过此电容耦合到测量线上产生干扰电压。

b)电阻耦合:当测量线和电源线(或其它高电平导线)之间绝缘不良,存在漏电时,将产生漏
电流而使测量装置产生很大的干扰。

c)电感耦合: 两个电路之间存在互感,其中一个电路的电流变化,通过磁交链影响到另一个电路的电流变化,产生干扰电流。

d)共阻抗耦合: 两个电路间有公共的阻抗,其中一个电路的电流以公共阻抗产生压降,就要在另一个电路中产生干扰电压。

如一个电源给几个电路同时供电,由于电源存在内阻,输电线路也有一定的阻抗,所以只要任一电路的电流发生变化,都会影响另一电路的供电电压,造成干扰。

e)差模干扰:干扰信号与有用信号叠加在一起,使接收器的1个输入电压相对地另1个输入端电位发生变化,称为差模干扰。

f)共模干扰:由于接地不合理引起的干扰。

如果信号电缆的两端同时接地,则两点的接地系统可能出现电位差异ΔE,可能会在信号电缆上产生1个很大的环流,叠加在信号电流上,造成模拟量信号波动,形成干扰。

以上这几种干扰输入方式,由于现在电路系统设计完善和设备状态的改进,电阻耦合和共阻抗耦合引起的干扰较少出现,而由于接地引起的共模干扰和电感耦合干扰较为常见,也比较难以捉摸,应该给予足够的重视。

2. 元器件的选用和电磁干扰抑制与排除措施
2.1元器件的选用
进行电路设计时，应根据噪声的不同特点，正确选用抗扰元器件:用二极管和压敏电阻等吸收电压;用隔离变压器等隔离电源噪声;用线路滤波器等滤除一定频段的干扰信号;用电阻器、电容器、电感器等元件的组合对干扰电压或电流进行吸收、隔离、滤除、去藕等处理。

对电容器的选用和安装来说，铝电解电容器在低频段应用效果好，应装在电源人口处;陶瓷电容器在高频段应用效果好，应装在各集成电路的附近。

另外，选择器件时应注意挑选热反馈影响小的器件。

对高频电路来说，应选用适宜的芯片，以减少电路辐射;在选择逻辑器件时，要充分考虑其噪声容限指标。

2.2元器件的分布
元器件布局不当是引发干扰的重要因素。

布局首先要考虑板子的尺寸大小，尺寸过大时，印制线条长，阻抗增加，抗噪声能力下降;过小，则散热不好，且邻近线条易受干扰。

在确定尺寸后，再根据电路的功能单元，对电路的全部元器件进行布局。

布局要符合以下原则:
(1)按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置，使布局便于信号流通，并使信号尽可能保持一致的方向。

(2)以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它来进行布局，元器件应均匀、整齐、紧凑地排列，尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接。

在高频下工作的电路，要考虑元器件之间的分布参数，一般电路应尽可能使元器件平行排列。

(3)电路板最佳形状为矩形，长宽比为3:2或4:3，电路板面尺寸大于（8000*6000）时，应考虑电路板所受的机械强度。

(4)在确定特殊元件的位置时要遵守以下原则:
①尽可能缩短高频元器件之间的连线，设法减少它们的分布参数和相互间的电磁干扰。

易受干扰的元器件不能相互挨得太近，输入和输出元件应尽量远离。

②某些元器件或导线之间可能有较高的电位差，应加大它们之间的距离，以免放电引出意外短路。

带高电压的元器件应尽量布置在调试时手不易触及的地方。

③重量超过15克的元器件应当用支架加以固定并焊接。

那些又大又重、发热量多的元器件，不宜装在电路板上，而应装在机箱底板上，且应考虑散热问题。

热敏元件应远
离发热元件。

④对于电位器、可调电感线圈、可变电容器、微动开关等可调元件的布局应考虑整机的结构要求。

若是机内调节，应放在方便于调节的地方;若是机外调节，其位置要与调节旋钮在机箱面板上的位置相适应。

3 电磁干扰抑制与排除措施
3.1采用硬件抗干扰技术
硬件抗干扰技术是系统设计时首选的抗干扰措施,它能有效地抑制干扰源,阻断干扰传输通道。

只要合理地布置与选择有关参数,硬件抗干扰措施就能抑制系统的绝大部分干扰。

常用的硬件抗扰措施如下:
(1)精心选择元器件。

元器件是构成部件或系统的基础,同时也是控制系统可靠性设计中的重要环节,选用的元器件是否合理、优质,将直接影响到整个系统的性能与可靠性水平,也关系到经济成本和日后的维护和使用。

因此,要选择集成度高、抗干扰能力强、功耗小的电子器件。

(2)元部件要精密调整。

元部件的精度是保证系统完成既定功能的重要保证。

因此在使用前或经过一段运行时间之后,都应对元器件及部件进行精确调整,如A/D芯片的调零及满量程调整等。

(3)去耦技术
采用去耦电路,数字信号电平转换在转换过程中会产生很大的冲击电流,并在传输线和供应电源内阻上产生较大压降,形成严重干扰。

为抑制此干扰,在电源电路、数字电路和信号处理电路中适当配置去耦电容,即形成去耦电路,这样可旁路集成电路产生的干扰。

去耦电容可按以下方法计算:
C≥Δi/(Δv/Δt),
其中Δi、Δv为电流、电压的变化量,Δt为变化的时间。

(4)滤波技术。

对信号的滤波处理，可根据不同滤波器的频率特性在各电源端采用相应的滤波方式,以过滤噪声。

每个芯片的电源端并接一个0·01~0·1μF的高频电容,以减小对电源的影响。

对CPU闲置的I/O及其他IC的闲置端,在不改变系统逻辑的情况下接地或电源不要悬空。

在达到系统要求的前提下尽可能用低频晶振,可大幅度提高系统的抗干扰能力。

5电隔离
常用的解决方法就是采用继电器隔离,或者采用电磁隔离和光电隔离技术的隔离器。

使用隔离器不仅减少外电路对内电路的干扰,而且有助于提高系统的安全性。

①物理隔离
物理隔离一般是对单片机前端的输入信号线而言的,如在一些工业测量仪表里一般分为两部分:一部分为传感器称为一次仪表;另一部分是显示及控制部分称为二次仪表,信号在传输过程中极易受到干扰,其中信号线要远离大功率导线,如果实在做不到远离,则要将信号线和功率线分别套入钢管进行屏蔽。

②光电隔离
光电隔离是将两个电路的电信号隔离开,而通过光偶合来传递信号,这样既能保证信号的正确传输,也能隔断噪声信号从一个电路传输到另一个电路,光电隔离是通过光偶合器件实现的。

光偶合不仅可以隔断电信号,还可以实现电平转换。

6平衡
利用电路上的平衡关系,让两根传输同一信的导线具有相同的干扰电压,可使干扰电压在这两根导线的负载上自行抵消。

用这种方法,能有效地抑制外电路的电磁干扰(差模干扰)。

双绞线是平衡电路的一种形式,这是由于双绞线本身就是一个平衡结构的缘故。

7屏蔽
最常见的使用屏蔽线和屏蔽电缆。

在使用屏蔽线和屏蔽电缆时,必须注意屏蔽外皮上不能流过电流,与地不能构成回路。

因此,屏蔽层采用“一点接地”原则。

而且屏蔽层外还要有绝缘层,不能采用裸屏蔽,以防止屏蔽层与其它导体或结构接触时形成通路,造成地电流和地电压的干扰。

对于双绞线,则在各个双绞线外层分别有屏蔽层,以防止双绞线之间产生感应干扰,而各个彼此绝缘,最后再加总屏蔽层和总绝缘层。

另外使用磁屏蔽,用高磁系数的材料(坡莫合金)做成屏蔽导层,把产生干扰部分或易受干扰部分包起来,这时,磁力线通过磁阻小的屏蔽层内部自行封闭,避免切割信号线,造成干扰。

通常为了使信号电缆不受外界磁场的干扰,比较经济的方法是将信号电缆敷设在铁制槽盒和穿线钢管中,就可以大大减小外磁场的干扰。

8正确和良好的接地
接地就是要与地保持同电位。

对电测装置来说,“地”是指基准电位点,接地就是使与基准电位的各点连接。

所以电测装置的接地,一方面是输入、输出信号有公共零电位,使得各级电信号有一个基准电位作参考;另一方面也是屏蔽体接至基准零电位以抑制干扰。

地电位十分复杂,大地本身各点电位经常是不相同的。

为了尽量削弱干扰,采取“一点接地”的原则,且接地电阻值要小并稳定(3)接地的抗干扰处理。

接地技术往往是抑制噪音的重要手段。

良好的接地可以在很大程度上抑制系统内部噪音耦合,防止外部干扰的侵入,提高系统的抗干扰能力。

设通常频率小于2MHz时采用一点接地,频率大于10MHz时采用多点接地;数字地与模拟地分开;交流地与信号地不共用;采
用系统浮地,机壳接保护地(保护地即大地)。

所谓系统浮地是指将系统电路的各个部分地线浮置起来,不与大地相连,系统与大地的绝缘电阻不能小于50MΩ。

传感器信号地采用浮空隔离,并可采用三线采样双层屏蔽浮地技术。

2.6 消除人体静电的影响
根据物理学原理,两个物体之间因磨擦会产生静电。

设备所处的环境中湿度太低、空气太干燥、穿绝缘底鞋在化纤地毯上行走、化纤衣服相互磨擦、接近高压电场等,都会在人身上产生静电,最高时可达上万伏特。

静电将大量吸附气中的灰尘,电路板上也会吸附大量灰尘,在特定的条件下,由于能量的存贮效应,当接触金属时就会放电,产生电弧,而一旦对设备放电,将会造成设备运行错误,轻则会导致检测数据偏差,重则会出现死机现象、造成元器件损坏一准确。

(7)印刷电路板的设计。

在进行PCB设计时,必须遵守PCB设计的一般原则,并应符合抗干扰设计的要求。

印制电路板的设计对单片机系统能否抗干扰非常重要。

要本着尽
量控制噪声源,尽量减小噪声的传播与耦合,尽量减小噪声的吸收这三大原则设计印制电路板和布线。

特别要强调以下几点:①组件的布局。

在电路板上元器件按功能集中布置,各功能模块的组件分开布局,且不同模块分别与对应的电源、地线相连,最后集中一点接地。

单片机和外围扩展电路布置在一起,以缩短他们之间的地址总线长度,这样就能获得较好的抗干扰效果;布置逻辑电路时,原则上应在出线端子放置高速器件,稍远处放置低速器件和内存,这样的布
置可降低公共阻抗耦合和辐射耦合;降噪电容应靠近各个IC组件;为了降低外部线路引进的干扰,光电耦合器、隔离变压器和滤波器通常放在靠近出线端子的地方。

②电路板布线。

电源线、地线尽可能粗一点,且电流流向与信号流向一致;晶振电路应尽量靠近单片机,石英晶体振荡器外壳接地,时钟振荡电路、特殊高速电路用地线圈起;电路板铜模线尽量使用45°折线而不用90°折线;避免相邻信号线的线间干扰和减少信号在传输导线上的延迟;模拟信号避开高频、大电流器件,重要的模拟信号线采用地线包围的办法,以减少电磁耦合。

3采用软件抗干扰技术尽管采取了硬件抗干扰措施,但由于干扰信号产生因很复杂,且具有很大的随机性,难以保证系统完全不受干扰。

因此,往往在硬件抗干扰措施的基础上,采取软件抗干扰技术措施加以补充。

软件抗干扰方法具有简单、方便灵活、消耗硬件资源少的特点,在控制系统中应用广泛。

软件陷阱技术所谓软件陷阱,是指一些可以使失控程序恢复正常运行
或恢复到初始状态的一系列指令。

通常可采用空指令(NOP)及跳转指令充当软件陷阱。

如可在0003H一0030H地址未使用的单元插入连续几个NOP指令(即将空余地址
单元置0)。

当程序失控时,只要PC指向这些单元(落入陷阱),连续执行几个空操作后,程序就会执行后面的正常程序或被强制跳转到某个指定位置而自动恢复正常;而在程序正
常工作时,该软件陷阱并不影响系统的正常工作。

在本系统的软件设计中就采用了这种软件陷阱措施来提高系统的稳定性。

3. 3指令冗余技术
指令冗余与软件陷阱相似,但有区别:软件陷阱用在程序存储器的未使用区域中,而指令冗余通常用在程序区中。

其做法是在正常的指令后插入一些NOP指令或将有效字节
重写,采用指令冗余技术不仅可以使跑飞的程序纳入正规,还有助于消除随机干扰,提高测控系统的可靠性。

（1）信号输入端
由于被测参数提供的电信号均为微弱信号，传导、辐射等干扰信号常耦合在信号传输导线上，在输入电路部分应设有∏型LC和双T型RC滤波电路各级采用不同时间常数的滤波电路，以得到宽频滤波效果。

（2）电源输入端
由于传导、辐射等干扰信号常耦合在电源供电导线上，所以在电源电路部分设置压敏电阻或快速钳位二极管、低通LC滤波器和杂讯滤波器，以有效切断干扰信号的进入。

（3）信号输出端
为防止继电器动作而产生的反电势，在继电器线圈两端并接二极管和RC吸收电路，同时设置光电隔离电路，模拟变送信号输出和通讯接口电路均采用光电隔离电路以防止干扰信号的串入。

出租车计价器辐射骚扰抑制技术的研究计价器辐射干扰抑制措施2.1晶体振荡器接地措施的改进在晶体振荡器上增加了接地措施,在一定程度上抑制辐射骚扰.工作接地是为电路正常工作而提供的一个基准电位.该基准电位可以设为电路系统中的某一点、某
一段或某一块等.当该基准电位不与大地连接时,视为相对的零电位.这种相对的零电位会随着外界电磁场的变化而变化,从而导致电路系统工作的不稳定.当该基准电位与大地连接时,基准电位视为大地的零电位,而不会随着外界电磁场的变化而变化.但是不正确的工作接地反而会增加干扰.比如共地线干扰、地环路干扰等.为防止各种电路在工作中产生互相干扰,使之能相互兼容地工作,地线系统的改善是必不可少的.克服电磁干扰,最主要的手段就是接地.一定要确保晶振外壳接地.最好从IC地中较干净的那部分分离出来,并把时钟线周围加一圈保护地,也可以防止辐射,提高对辐射骚扰的抑制.此外,XTAL in和XTAL out的走线,及外围电路振荡电路周围的走线控制,切记电源及低速线靠近
.由于电感器的成本高、体积大,所以在电流不太
大的电子电路中常用电阻器取代电感器而组成RC滤波电路.可在晶体振荡电路上增加阻容滤波电路,滤除可能为辐射干扰源的高次谐波.低通滤波电路,是将较高频率的信号旁路掉(因XC=1 /(2πfC),f较大时,XC较小,相当于短路),因而电容C的值是参照低频点的数值来确定.
加上低通滤波电路后,经实验证明,虽然有效改善了测量结果,但是计价器的辐射强度仍然超标.改进后电路图如图4所示.
电缆是系统中导致电磁兼容问题的最主要因素.在实际中经常发现,当将设备上的外拖电缆取下来时,设备就可以顺利通过试验,在现场中遇到电磁干扰现象时,只要将电缆拔下来,故障现象就会消失.这是因为电缆是一根高效的接收和辐射天线.另外,电缆中的导线平行传输的距离最长,因此导线之间存在较大的分布电容和互电感,这会导致导线之间发生信号的串扰. 90%以上的设备(主要是含脉冲电路的设备)不能通过辐射发射试验都是由于电缆辐射造成的.因此,计价器的通讯电缆线应远离天线和一些可能发射高频信号的地方,否则会对计价器的正常工作造成影响[3].电缆产生辐射的机理有两种,一种是电缆中的
信号电流(差模电流)回路产生的差模辐射,另一种是电缆中的导线(包括屏蔽层)上的共模电流产生的.电缆的辐射主要来自共模辐射.共模辐射是由共模电流产生的,共模电流的环路面积是由电缆与大地(或邻近其它大型导体)形成的,因此具有较大的环路面积,会产生较强的辐射[4].在满足使用要求的前提下,尽量使用短的电缆.但电缆长度往往受到设备之间连接距离的限制,不能随意缩短.而且,当电缆的长度不能减小到波长的一半以下时,减小电缆长度也没明显效果.设备组装完成后,设备电缆上产生的共模电压也就一定了.这时,减小电缆上的共模电流的方法就是在电缆上串联共模扼流圈,共模扼流圈能够对共模电流形成较大的阻抗,而对差模信号没有影响,因此使用上很简单,并且共模扼流圈不需要接地,可以
直接加到电缆上.将整束电缆穿过一个铁氧体磁环就构成了一个共模扼流圈,根据需要,也可以将电缆电源干扰抑制技术计价器电源一般是来自蓄电池和发电机的直流电源，然而在直流电源通道中我们常发现电源低通滤波器线路(图l)。

它是由电容和电感组成的噪声吸收装置，能有效抑制电源噪声。

这是电源通道中非常重要的一个环节。

如果它和电源稳定、净化技术配合使用，可以说，计抗干扰措施:(1)检查计价器的电源线是否连接
在汽车保险盒附近,并将电源线接到电瓶的负极接线柱上。

电线接头与电瓶接
头应打磨干净,保持接触良好。

必要时也可将钥匙线改接至电瓶正极上。

(2)通过提高计价器主机的抗干扰性能来解决干扰问题,即在计价器主机电源部份改用大电容或在计价器内部设置噪声滤波装置及电压调节稳定措施,或更换主机总电源提高抗干扰能力。

(3)对于汽车内部12V蓄电池的干扰源,应采取以下方法消除干扰,见图1所示。

即在蓄电池的正极接入2个其参数大于100V、1A的二极管及一个参数为1000μF、25V的电容,利用二极管的单项导电性能和电容器的充放电性来抑制由于干扰源电路产生的异常干扰信号
价器抗干扰问题就解决了一半。