干扰抑制技术

R1
R2
R3
多点接地系统中各个电路或元件的地线以最 短的距离就近连到地线汇流排上，不适合用于低 频大功率系统，否则存在公共地线耦合干扰。
状态
+
输入 信号 输入 放大器 _ V V+ ˉ
数字 输出 模拟输入 A/D转换器 V+ V VCC 模拟地 数字地
输出 保持 电容
模拟输出 采样/保持放大 数字地 V+ V
B 解调器
U s2 A/D 计算机
模拟地 图 8-10 变压器隔离
数字地
为了衡量一个输入电路抑制共模干扰的 能力，常用共模抑制比CMRR（Common Mode Rejection Rate）来表示：
U cm CMRR 20 lg (dB) Un
•
U cm 是共模干扰电压， U n是由U cm 转化 式中 成的串模干扰电压。CMRR越大，表明抗共 模干扰能力越强。
VCC Us 传 感 器 放大器 双绞线 A/D 计算机
模拟地 （a） 在传感器与A/D转换器之间
数字地
VCC 双绞线 计算机 D/A 放大器 执 行 器 RL
数字地 （b） 在D/A转换器与执行器之间 图8-12
模拟地
光耦隔离器的模拟信号隔离
4、滤波技术
C2 R 1 R2 C1 C2 屏蔽层 (a) 无源阻容滤波器 图 8-8 滤波电路 (b) 有源滤波器 计控 系统 R1 R2
+5V
D0 D0 D1 D2 A/D D3 转换器 D4 D5 D6 D7 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7
CPU
(a)在A/D转换器与CPU之间
+5V
+5V
D0 CPU D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D1 D/A D2 D3 转换器 D4 D5 D6 D7
(b)在CPU与D/A转换器之间 图8-11 光耦隔离器的数字信号隔离
（1）单点接地方式 各个地线在一点汇合，没 有公共阻抗耦合干扰，不足在 于所用地线太多，不适合用于 高频系统，因为高频时地线之 间的交流寄生参数影响比较突 出，适用于信号频率低于 1MHZ的情况。可以分为串联 和并联单点接地的方式。
电路1 R1 电路2 R2 电路3 R3
（2）多点接地方式
电路1 电路2 电路3
应用程序 复位 定时到 脉冲P2 T1 访问指令 CPU (T1) 定时访问 脉冲P1 重新启动 定时器 (T2) T1 访问指令 T1 访问指令 P1 T1 死循环
P2 T2
图 8-30 Watchdog Timer工作原理
4、掉电保护技术
+5V VD1 A VCC RAM (8K×8) 0.1μF 0.1μF GND GND VCC RAM (8K×8)
+ Ui
+ A
U0
～220V
交流 稳压器
低通 滤波器
直流 稳压器
计算机 控制系统
图 9-20 一般交流供电系统
PCB设计 （1）合理的元件布局，正确的信号流向，干扰源部分 要集中布置，易受干扰部分远离干扰部分； （2）根据PCB板的放置方式，将发热部分放在PCB板 的上部或者顶部； （3）保持合适的布线间距，走线和拐角模式； （4）电源线和地线尽可能加粗，对PCB板空余部分可 以地线敷铜；
2、共模干扰 两个输入端上公有的干扰电压，不同“地”之 间存在共模电压，以及模拟信号系统对地存在漏阻抗， 可以采用隔离技术进行抑制。
Us
Us U cm (a ) 表 现 形 式 图 8-9 共模干扰 Z r 计控 系统 信号源 Us Ucm (b ) 产 生 原 因 计控 Z r 系统
U s1 放大器 双绞线 调制器
1、软件冗余技术 （1）指令冗余技术 当PC受到干扰出现错误使程序“乱飞”，使PC出 现取操作码与操作数的错误，可以采用指令冗余方式 （如单字节的空操作指令），当程序“乱飞”到空操作 指令时工作正常。 （2）时间冗余技术 当信号在输入或输出过程中受到偶然因素的干扰， 可以采用多次重复执行输入输出指令，并且对每次检测 数据进行比较，判断数据是否正确；
8.2 干扰的来源
一、内部干扰 ◆ 电路元件产生的固有噪声； 电阻的热噪声、晶体管的闪烁噪声及散离噪声 ◆ 感性负载切换时产生的噪声干扰； ◆ 接触噪声（接触不良）； 二、外部干扰 ◆ 天体及天电干扰（雷电、大气电离等）； ◆ 放电干扰（电弧、电火花等）； ◆ 射频干扰（雷达、电视广播、无线通讯）； ◆ 工频干扰（大功率输电线路、配电线路）；
Z i 为运放输入阻抗
（1）干扰频率越高影响越严重； （2）干扰电压与输入阻抗成正比，希望输入阻抗小；
2、 电磁耦合（电感性耦合）
导线1 导线2 R1 Un R3
I1
M
U1
R2
图 8-4
导线之间的磁场耦合
影响分析：
Ucn jMI n
M 为互感系数
（1）干扰频率越高影响越严重； （2）互感系数越大干扰越严重；
任意一路负载的变化都将对其它路负载产生影响
处理四种耦合途径的办法：
（1）合理的电路及印制板设计，减小分布电感和分布电容；
（2）加强绝缘和电路间距设计，提高绝缘性能； （3）增大电路的电源线和地线，或者在芯片等关键部件电 源就近接解耦电容；
VCC
0
0 0
Vin
0 0
C 解耦电容C,一般为0.1u
具体处理方式： — 在逻辑电路板上的电源线与地线的布线尽可能短， 防止布成回路型或菊花链环状型 — 在每一块集成电路芯片的电源与地引入端接一个 无感的瓷片电容器，其容量一般为0.01~0.1µF — 若一个装置中有多块逻辑电路板，则一般在电 源和地线的引入处附近并接一个10～100µF的大电容 和一个0.01~0.1 µF的无感瓷片电容
3、“看门狗”技术（Watching Dog) 当程序进入死循环以后，采用冗余方式和软件陷阱 无效，通常可以采用程序监视技术，即“看门狗”技术 使程序脱离“死循环”。“看门狗”技术就是不断监视 程序的运行时间，如果发现时间超过已知的运行时间， 则认为系统陷入“死循环”，那么使系统复位重新开始 执行程序。“看门狗”技术的关键实际上就是计时，即 可以用硬件方式实现（如单稳态电路或计时电路），也 可以用软件方式实现。
（2）抑制或切断干扰源与接收电路的耦合通道； （3）使接收电路对噪声干扰不敏感；
硬件抗干扰措施： 1、接地技术. 2、屏蔽技术. 3、差分技术. 4、调制解调技术. 5、电源退耦、滤波技术. 6、隔离技术.
1、接地技术 “地”是电路或系统为各个信号提供参考电位的 一个等电位点或电位面，所谓“接地”就是将某点与 一个等电位点或等电位面之间用低电阻导体连接起来， 构成一个基准电位。 地线的种类： （1）信号地：信号电路地 （2）功率地：干扰影响大 （3）数字地： 数字信号地 （4）模拟地： 模拟信号地； （5）系统地：模拟地、数字地、信号地、功率地 的单点汇聚点，为整个系统的参考地。
2、软件陷阱技术 当“乱飞”程序进入非程序区或表格区以后，采用 冗余指令的方法的条件不满足，此时可以设置软件陷阱 拦截乱飞程序，迅速将程序引向一个指定位置，从而对 出现的错误进行及时处理。 软件陷阱程序由空操作指令及转移指令组成，设置 在数据区和未使用的数据区将程序引向程序的入口处。 例： NOP LJMP 0000H
共地与浮地 共地：系统与大地相连，称为共地系统； 浮地：系统与大地绝缘，浮地系统的系统地不一定是 零电位； 常用工业电子电路采用共地系统，这样有利于信 号线的屏蔽处理，同时机壳接地可以避免操作人员的 触电危险。 在信号传递中，采用浮地方式可以避免地电位差 的影响，有利于信号的远距离传送
接地方式 可以分为单点接地方式和多点接地方式
8.4 干扰的模式
※串模及共模干扰的概念以及抑制干扰所采取的措施。
1、串模干扰 叠加在被测信号上的干扰信号，采用输入滤波 器、电磁屏蔽和良好的接地抑制。
C2 R 1 R2 + 计控 系统 Ui R1 R2 + A C1 R3 R4 U0 计控 系统
I a 干扰线
Un Us 计算机控制系统 Us C1
第8章 干扰及其抑制技术
8.1 干扰的定义
干扰: 电路或系统中出现非期望的电信号,对电路或系 统的工作产生不良的影响,使电路或系统出现误差、 系统工作不稳定甚至误操作、工作失常等。 干扰的形成要素：
干扰源
干扰的耦合 途径 敏感接受电路
干扰的指标：
Us 信噪比 S / N 20 lg Un
信噪比越大，表示噪声干扰的影响越小
ˉ
模拟地
ˉ
地噪声 图 8-24 单点接地方式
对于实际应用的检测系统，常用串联和并联 相结合的单点接地系统。地线设计时先将不同性 质的地线共用一根地线，最后将不同性质的地线 通过单线连接构成系统地。
2、 屏蔽技术 （1）电场屏蔽 （2）磁场屏蔽（抑制低频磁场干扰，选用高磁导率材料） （3）电磁屏蔽（抑制高频电磁场干扰，选用低内阻材料）
3、 漏电流耦合（电阻性耦合） 由于绝缘不良，流经绝缘电阻的漏电流引起的干扰。
R 1 2
Ui
Zi
Un
影响分析：
Un
Zi Ui Zi R
漏电流越大干扰越严重
4、 共阻抗耦合
（1）电源内阻抗耦合干扰；
（2）公共地线耦合干扰；
电源 R
Ui
电路1
电路1 R1
电路2 R2
电路3 R3
R
电路2
影响分析：
共模干扰的抑制 ◆抑制共模干扰的措施：用差分放大器做信号前置 放大；采用隔离技术将地电位隔开；利用浮地屏蔽； -----利用变压器或光电耦合器把各种模拟负载与数字 信息源隔离开来，也就是把“模拟地”与“数字地” 断开； ----采用浮地输入双层屏蔽放大器来抑制共模干扰；
8.5 硬件抗干扰的方式
（1）降低干扰源的强度；
Us
C1 C2 屏蔽层
C2
计算机控制系统
(a) 无源阻容滤波器 图 8-8 滤波电路
(b) 有源滤波器
( a) 表现形式 图 8 - 6 串模干扰
( b) 产生原因
串模干扰的抑制 ◆ 若串模干扰频率比被测信号频率高，则采用输 入低通滤波器来抑制高频串模干扰；若串模干扰频 率比被测信号频率低，则采用输入高通滤波器来抑 制低频串模干扰；若串模干扰频率落在被测信号频 谱的两侧，则应用带通滤波器较为适宜； ◆ 当尖峰型串模干扰成为主要干扰源时，用双斜 率积分式A/D转换器可以削弱干扰的影响； ◆ 在串模干扰主要来自电磁感应的情况下，对被 测信号应尽可能早地进行前置放大，或者尽可能早 地完成A/D变换或采取隔离和屏蔽等措施；
屏蔽层 信号源 Us 遮蔽层 放大器 信号源 Us 遮蔽层
屏蔽层 放大器
A
B
(a) 信号源端接地 图9-26 输入系统接地方式
(b) 接收端接地
3、隔离技术 采用光电耦合器或者变压器
Us 放大器 双绞线
U s1 调制器
B 解调器
U s2 A/D 计算机
模拟地 图 8-10 变压器隔离
数字地
+5V
VD2
3.6V 220μF 6264 6264
图 8-22 掉电保护电路
TL7705A,
8.5 软件抗干扰技术
软件抗干扰技术是当系统受到干扰后使系统恢复 正常运行或输入信号受到干扰后去伪求真的一种辅助 方法。软件抗干扰是被动措施，而硬件抗干扰是主动 措施。由于设计灵活，节省硬件资源，所以软件抗干 扰技术越来越受到重视，软件抗干扰技术的途径： （1）采用软件方法抑制叠加在模拟输入信号上的 噪声对数据采样结果的影响，如数字滤波技术； （2）由于干扰使程序运行发生混乱，导致程序乱 飞或陷入死循环时，采取使程序纳入正规的措施，如 软件冗余、软件陷阱、“看门狗”技术，这些方法可 以用软件实现，也可以借助软硬结合的方法实现。
高压电缆
闪电 微机控制系统
雷达、电台 等天线发射
地电位波动
引入噪声
电机、电焊机 等大用电设备
交流动力线 图 8-1 外部干扰环境
8.3 干扰的耦合方式
1、 静电耦合（电容性耦合）
导线1 C12 C2g 导线2 Un
C1g R
U1
图 8-3 导线之间的静电耦合
影响分析：
jCZ i Unc U n 1 jCZ i