数字采集系统 抗干扰技术

Zi Un En R Zi 1 R Zi 1 En
第七章 抗干扰设计
五、传导耦合
《数据采集系统》课件
7.2 干扰进入系统的基本形式
噪声经导线耦合到电路中产生干扰的方式。如外界噪声 经电源线传到电路中。
六、辐射电磁场耦合
在大功率的辐射电磁场中，导体上会产生感应电势，经 供电电路进入系统。
第七章 抗干扰设计
《数据采集系统》课件
电磁屏蔽与静电屏蔽的区别
电磁屏蔽指的是对电磁波的屏蔽，而静电 屏蔽指的是对静电场的屏蔽。 静电屏蔽要求屏蔽体必须接地。 影响屏蔽体电磁屏蔽效能的不是屏蔽体接 地与否，而是屏蔽体导电连续性。破坏屏蔽体 的导电连续性的因素有屏蔽体上不同部分的接 缝、开口等。 电磁屏蔽对屏蔽体的导电性要求要比静电 屏蔽高得多。
U n I n Zc
结论：共阻抗耦合正比于共 有阻抗和噪声源电流。
噪声源I n
等效输入阻抗Zi
干扰电压Un
共有阻抗Zc
第七章 抗干扰设计
四、漏电流耦合
《数据采集系统》课件
7.2 干扰进入系统的基本形式
由于绝缘不良，由流经绝缘电阻的漏电流引起的噪声干扰。 漏电耦合是电阻性耦合方式。当相邻的元件或者导线之间 的绝缘电阻降低时，有些电信号便通过这个降低了的绝缘电阻 耦合到逻辑元件的输入端而形成干扰。
五、湿度的影响
湿度会使绝缘体的绝缘电阻下降，漏电流增加；介电质 的介电常数增加；吸潮的线圈骨架膨胀等。潮湿地区尤其要 注意。 六、化学的影响
化学品的腐蚀作用；化学电势。
第七章 抗干扰设计
7.1 干扰来源
七、射线辐射的干扰
《数据采集系统》课件
会使气体电离、半导体激发出电子空穴对、金属逸出电 子等，从而影响到系统的正常工作。
第七章 抗干扰设计
二、屏蔽技术
2.电磁屏蔽
《数据采集系统》课件
7.3 硬件抗干扰措施
is Kcic
结论： 1.
rs j Ls
，屏蔽罩应当是低电阻材料。
2. 由于是高频电流，屏蔽罩的厚度对屏蔽效果不明显， 但是屏蔽的严密性对屏蔽效果影响较大。 3. 保持装置壳体的连续性以保证涡旋电流的连续流通。
对于低频磁场的屏蔽，主要依赖高导磁率材料所具有的小 磁阻起磁分路作用。 屏蔽板越厚，磁导率越高，屏蔽效果越好。
第七章 抗干扰设计
二、屏蔽技术
4.实际屏蔽体的问题
《数据采集系统》课件
7.3 硬件抗干扰措施
电源线 缝隙
通风口
显示窗
键盘
调节旋钮
电缆插座
指示灯
实际机箱上有许多泄漏源：不同部分结合处的缝隙通风口、显 示窗、按键、指示灯、电缆线、电源线等。
第七章 抗干扰设计
工作接地
《数据采集系统》课件
作用:为信号电流流回信号源提供低阻抗路径
第七章 抗干扰设计
《数据采集系统》课件
工作接地方式种类
信号接地方式
单点接地
多点接地
混合接地
串联单点接地
并联单点接地
第七章 抗干扰设计
单点接地
《数据采集系统》课件
1
I1 A R1 I2 R2
2
3
I3 A I1
1
用隔离舱 将操作器 件隔离出
第七章 抗干扰设计
《数据采集系统》课件
例3:通风口的处理
穿孔金属板
第七章 抗干扰设计
二、屏蔽技术
5.双绞线和金属屏蔽线电磁屏蔽
《数据采集系统》课件
7.3 硬件抗干扰措施
双绞线(Twisted Pair)是由两根相互绝缘的铜导线按照一定的规则 互相缠绕在一起而成的网络传输介质。它的原理是：如果外界电 磁信号在两条导线上产生的干扰大小相等而相位相反，那么这个 干扰信号就会相互抵消。
第七章 抗干扰设计
《数据采集系统》课件
7.2 干扰进入系统的基本形式
雷电
脉冲电路
ESD
直流电机、变频调速器 感性负载通断
第七章 抗干扰设计
《数据采集系统》课件
7.2 干扰进入系统的基本形式
干扰对系统产生影响的条件：
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。 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电磁波的空间辐射、通 过输入输出通道和通过电源。 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。
噪声源En
阻抗Zi
干扰电压Un
结论：干扰源的频率越高，寄生电容越大，接收电路输入阻 抗越高，静电耦合干扰越严重。
第七章 抗干扰设计
二、电磁耦合
《数据采集系统》课件
7.2 干扰进入系统的基本形式
又称互感耦合。电路之间存在的互感使一个电路的电流 变化通过磁交链影响到另一个电路。
例子：内部线圈或变压器的漏磁。
互感系数M
U n j MI n
结论：噪声源频率越高，互感系数 越大，噪声源电流越大，电磁耦合 干扰越严重。
噪声源I n
干扰电压Un
第七章 抗干扰设计
三、共阻抗耦合
《数据采集系统》课件
7.2 干扰进入系统的基本形式
当两个电路共有阻抗，其中一个有电流时，通过共有 阻抗影响另一个电路。
例子：共用电源或共用地线。
第七章 抗干扰设计
பைடு நூலகம்
《数据采集系统》课件
7.1 干扰来源 7.2 干扰进入系统的基本形式 7.3 硬件抗干扰措施
7.4 软件抗干扰措施
第七章 抗干扰设计
7.1 干扰来源
一、电和磁的干扰
《数据采集系统》课件
可能通过电路或者电场磁场进入系统，在电路中感应出 电势， 从而干扰系统的正常工作，这是最严重的干扰。
第七章 抗干扰设计
第七章 抗干扰设计
例1:缝隙的处理
《数据采集系统》课件
电磁密封衬垫
电磁密封衬垫的种类
•金属丝网衬垫(带橡胶芯的和空心的) •导电橡胶(不同导电填充物的) •指形簧片(不同表面涂覆层的) •螺旋管衬垫(不锈钢的和镀锡铍铜的)
缝隙
•导电布
第七章 抗干扰设计
《数据采集系统》课件
例2:操作器件的处理
屏蔽体上 开小孔
C1s
C1G V1 C2G
Vs
第七章 抗干扰设计
二、屏蔽技术
2.电磁屏蔽
《数据采集系统》课件
7.3 硬件抗干扰措施
第七章 抗干扰设计
二、屏蔽技术
2.电磁屏蔽 电磁屏蔽是对于高频电磁场的屏蔽。
《数据采集系统》课件
7.3 硬件抗干扰措施
导体上由高频电流时，会产生交变电磁场，从而影响周围系 统。电磁场变化的频率越高，辐射越强。
j Mic is (rs j Ls ) j Mic is rs j Ls
高频时： r j L , M K L L s s s c 又：
Lc M is ic K ic Ls Ls
Ls s , Lc c
Lc c K ic K ic Kcic Ls s
第七章 抗干扰设计
《数据采集系统》课件
所谓干扰就是系统内部或外部噪声对有用信号 的不良作用。 数据采集系统所处的工作环境往往是非产恶劣 的，会受到来自内部和外部的各种电气干扰和其他 干扰。干扰的结果是测量数据的误差增大、影响单 片机RAM、控制系统失灵、程序运行失常等。
为了克服干扰对系统的影响，了解它们的来源 和进入系统的主要方式，以及在系统设计时注意的 问题是至关重要的。
第七章 抗干扰设计
安全接地
《数据采集系统》课件
220V
0V
+ + + + +
第七章 抗干扰设计
一、接地技术
《数据采集系统》课件
7.3 硬件抗干扰措施
接地的种类 （2）工作接地：为电路提供基准电位点。 -信号地线（模拟地、数字地）：模拟信号较弱， 数字信号较强，为防止相互干扰，地线分别设置。 -信号源地线（传感器地） -负载地线：负载电流较大，容易在地线中产生较 大的干扰。
二、热干扰
元器件工作时产生的热量引起温度波动和环境温度的变 化，都会引起电路参数变化或者产生附加热电势，从而影响 系统工作。 三、光干扰
半导体材料的光敏特性使半导体电势或者阻值变化。
第七章 抗干扰设计
7.1 干扰来源
四、机械干扰
《数据采集系统》课件
机械震动或者冲击，使系统电气元件会产生振动、变形， 连接导线发生位移等。
第七章 抗干扰设计
悬浮接地
电路1 电路2
《数据采集系统》课件
电路3
Co
工作地 大地
若浮地系统对地电阻很大，分布电容很小，可采 用此种接地。
一般不采用此种接地。
第七章 抗干扰设计
一、接地技术
《数据采集系统》课件
7.3 硬件抗干扰措施
接地的种类 （3）屏蔽接地：抑制电磁干扰。 例如，电缆、变压器的金属屏蔽层接地可以抑制 变化电场的影响； 双绞线的一根作信号线，另一根两端接地可以防 止电磁干扰； 大型测试系统合理选择接地点可以削弱分布电容 的影响。
第七章 抗干扰设计
一、接地技术
《数据采集系统》课件
7.3 硬件抗干扰措施
接地的种类 （1）安全接地：电气设备的金属外壳接地。可防止电气 设备金属外壳上的对地电压及漏电流危及人身及设备 安全。 -接地保护 将电气设备在正常工作情况下不带电的金属外壳与 大地之间用良好的金属连接。 -接零保护 用电设备的外壳接到零线。
I2
2
B
3
B
R3
C
C I3
串联单点接地 优点：简单 缺点：公共阻抗耦合
并联单点接地 优点：无公共阻抗耦合 缺点：接地线过多
第七章 抗干扰设计
多点接地
电路1 R1 L1 电路2 R2 L2
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电路3 R3 L3
多点接地 优点：接地简单，接地线短
缺点：接地线过多
第七章 抗干扰设计
一、接地技术
第七章 抗干扰设计
二、屏蔽技术
《数据采集系统》课件
7.3 硬件抗干扰措施
屏蔽技术就是用金属隔离的原理把通过空间进行电场、 磁场或电磁场耦合的部分隔离开来，隔断其空间场的耦合通 道。它是利用屏蔽体阻止或减少电磁能量传播的一种措施。 屏蔽体是为了阻止或减小电磁能传输而对装置进行封闭 或遮蔽的一种阻挡层，它可以是导电的、导磁的、介质的或 带有非金属吸收填料的。 屏蔽的可以是干扰源或者是易受干扰的部分。 屏蔽技术和接地技术紧密结合，可大大降低噪声耦合。
第七章 抗干扰设计
二、屏蔽技术
1.电屏蔽
《数据采集系统》课件
7.3 硬件抗干扰措施
具有空腔的金属导体在接地的情况下，内部带电 体电场不会穿透到导体外部；同样外部带电体的电场 不会进入腔内，这种作用叫静电屏蔽。
第七章 抗干扰设计
电屏蔽
《数据采集系统》课件
静电屏蔽的一般方法是在电容耦合通道上插 入一个接地的金属屏蔽导体。 由于金属屏蔽导体接地，其中的干扰电压为 零，从而隔断了电场干扰的原来耦合通道。
第七章 抗干扰设计
一、静电耦合
《数据采集系统》课件
7.2 干扰进入系统的基本形式
又称电场耦合、电容耦合。寄生电容的影响使一电路的电 荷变化影响到另一电路。
jCm Zi Un En 1 jCm Zi U n jCm Zi En
| jCm Zi | 1
寄生电容Cm
等效输入
利用导体外的屏蔽罩产生的涡流产生反方向的磁场，与原干 扰磁场相抵消，实现高频磁场屏蔽。 若导体是线圈，则线圈在屏蔽罩上感应电压：
U n jMic
第七章 抗干扰设计
二、屏蔽技术
《数据采集系统》课件
7.3 硬件抗干扰措施
2.电磁屏蔽 由于涡流效应屏蔽罩产生上的电压： U n is (rs j Ls )
接地的种类 （2）工作接地： 接地方式的选择： 频率1MHz以下，适用一点接地方式；
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7.3 硬件抗干扰措施
频率1～10MHz，地线长度不超过波长的1/20，用一点接地。 频率1～10MHz，地线长度超过波长的1/20，适用多点接地。 频率10MHz以上，适用多点接地。
数字地模拟地分开、强信号地弱信号地分开、高电平数字地 低电平数字地分开，各地在电源供电处一点入地。
第七章 抗干扰设计
二、屏蔽技术
3.磁屏蔽 低频磁场时
《数据采集系统》课件
7.3 硬件抗干扰措施
rs j Ls
j Mic j Mic is 0 rs j Ls rs
再使用涡流效应效果不明显。
第七章 抗干扰设计
二、屏蔽技术
3.磁屏蔽
《数据采集系统》课件
7.3 硬件抗干扰措施
例子：架空配电线、广播电视发射台。
第七章 抗干扰设计
《数据采集系统》课件
数据采集系统抗干扰方法
采用硬件抗干扰技术
– – – – 接地 屏蔽 隔离 滤波
采用软件抗干扰技术
– 数字滤波 – 程序设计技巧
第七章 抗干扰设计
一、接地技术
《数据采集系统》课件
7.3 硬件抗干扰措施
接地技术是抑制噪声的重要手段，良好的 接地可以在很大程度上抑制系统内部噪声耦合， 防止外部干扰的侵入，提高系统的抗干扰能力； 若接地处理不好，可能会导致噪声耦合，形成 严重干扰。