电子电路的抗干扰技术ppt课件

3 5屏蔽 接地 浮置与其他干扰抑制技术3 6电源变压器与工频干扰3 7通过布线减小干扰3 8软件抗干扰技术思考与练习题 第三讲电子电路的抗干扰技术 二 1 3 5 2接地技术 1 接地的概念和目的 在电子测量系统中 地的含义包括两种 一是代表一个系统或一个电路的等电位参考点 接地的目的是为系统或电路的各部分提供一个稳定的基准电位 并以低的阻抗为信号电流回流到信号源提供通路 这种地又称为信号地 显然 没有信号地 系统或电路是无法工作的 二是指地球的大地 系统或电路的某些部分需要与该地连接 接地的目的是为电气设备提供一个保护接地 或者是满足静电屏蔽的需要 2 2 电子测量系统中的多种地线 1 保护地线 为了安全起见 作为三相四线制电源电网的零线 电气设备的机壳 底盘以及避雷针等都需要接大地 对于单相电 为了保证用电的安全性 也应采用具有保护接地线的单相三线制配电方式 图3 12是220V 三线制交流配电原理图 火线 上装有熔断丝 保护地线应与设备外壳相连 当电流超过容限时 熔断丝切断电源 但不管漏电流大小或熔断丝是否熔断 用电设备外壳始终保持地电位 从而保障了人身安全 3 图3 12单相三线制配电原理图 4 2 信号地线 电子测量系统中的地线除特别说明是接大地的以外 一般都是指作为电信号的基准电位的信号地线 信号地线又可分为两种 模拟地和数字地 模拟地是模拟信号的零电位公共线 因为模拟信号一般较弱 所以对模拟地要求较高 数字地是数字信号的零电位公共线 5 由于数字信号一般较强 故对数字地要求可低些 但由于数字信号处于脉冲工作状态 动态脉冲电流在杂散的接地阻抗上产生的干扰电压 即使尚未达到足以影响数字电路正常工作的程度 但对于微弱的模拟信号来说 往往已成为严重的干扰源 为了避免模拟地与数字地之间的相互干扰 二者应分别设置 6 3 信号源地线 信号源地线是传感器本身的零电位基准公共线 传感器可看做是测量装置的信号源 通常传感器安装在生产现场 而显示 记录等测量装置则安装在离现场有一定距离的控制室内 在接地要求上二者不同 7 4 负载地线 负载的电流一般较前级信号大得多 负载地线上的电流在地线中产生的干扰作用也大 因此负载地线和放大器的信号地线也有不同的要求 有时二者在电气上是相互绝缘的 它们之间通过磁耦合或光耦合传输信号 在电子测量系统中 上述四种地线应分别设置 在电位需要连通时 可选择合适位置做一点相连 以消除各地线之间的干扰 8 3 电路一点接地原则 1 单级放大电路的一点接地 如图3 13 a 所示 单级选频放大器的原理电路上有7个线端需要接地 如果只从原理图的要求进行接线 则这7个线端可以接在接地母线任意不同位置 这样 不同接地点间的电位差就有可能成为这级电路的干扰信号 因此 应采用图3 13 b 所示的一点接地方式 9 图3 13单级电路的一点接地 a 多点接地方式 b 一点接地方式 10 2 多级电路的一点接地图3 14 a 所示的多级电路利用一段公用地线后 再在一点接地 它虽然避免了多点接地可能产生的干扰 但是在这段公用地线上却存在着A B C三点不同的对地电位差 其中UA I1 I2 I3 R1 UB UA I2 I3 R2 UC UB I3R3 11 图3 14多级电路的一点接地 a 一点接地的串联方式 b 一点接地的并联方式 12 当各级电平相差不大时 这种接地方式还勉强可以使用 如果各电路的电平相差很大时 就不能使用 因为高电平电路将会产生较大的地电流并干扰到低电平电路 这种利用一段公用地线多级接地方式的优点是布线简便 因此常应用在级数不多 各级电平相差不大以及抗干扰能力较强的数字电路 在使用这种接地方式时还应注意把低电平的电路放在距接地点最近的地方 因为该点最接近于地电位 13 3 放大器与信号源的接地图3 15 a 为放大器与信号源的两点接地方式 其中Us为信号源电压 Rs为信号源内阻 Rc为引线电阻 对于微弱信号的放大电路 信号源地与放大器地之间存在着地电阻RG 当某种干扰电流流过此电阻时 就会形成共模干扰UG 其等效电路如图3 15 b 所示 14 图3 15放大器与信号源的接地方式 a 放大器与信号源两点接地 b 两点接地等效电路 c 一点接地等效电路 15 16 3 5 3浮置技术 浮置又称浮空 浮接 它指的是电子测量系统的输入信号放大器公共线 即模拟信号地 不接机壳或大地 对于被浮置的测量系统 测量电路与机壳或大地之间无直流联系 17 图3 16浮置的温度测量系统 18 图3 16所示的温度测量系统中 其前置放大器通过三个变压器与外界联系 B1是输出变压器 B2是反馈变压器 B3是电源变压器 前置放大器的两个输入端子均不接外壳和屏蔽层 也不接大地 两层屏蔽之间互相绝缘 外层屏蔽接大地 内层屏蔽延伸到信号源处接地 从图中可明显看出 采用浮置后地电位差所造成的干扰电流大大减小 而且该电流为容性漏电流 19 3 5 4平衡电路 平衡电路又称为对称电路 它是指双线电路中的两根导线与连接到这两根导线的所有电路对地或对其他导线电路结构对称 对应阻抗相等 例如 电桥和差分放大器就属于平衡电路 采用平衡电路可以使对称电路结构所拾捡的噪声相等 并可以在负载上自行抵消 20 图3 17最简单的平衡电路 21 图3 17所示电路是最简单的平衡电路 UN1 UN2为噪声电压源 Us1 Us2为信号源 两个噪声源所产生的噪声电流为IN1 IN2 两个信号源产生的信号电流为Is 由电路原理图可求出在负载上产生的总电压为 3 15 22 在一个不平衡系统中 电路的信号传输部分可采用两个变压器而使其变得平衡 其原理如图3 18所示 因为长导线最易拾捡噪声 所以这种方法对于信号传输电路在噪声抑制上是很有用的 同时 变压器还能断开地环路 因此能消除负载与信号源之间由于地电位差所造成的噪声干扰 23 图3 18用两个变压器使传输线平衡 a 不平衡系统 b 平衡传输系统 24 3 5 5滤波器 1 RC滤波器 当信号源为热电偶 应变片等信号变化缓慢的传感器时 利用小体积 低成本的无源RC低通滤波器将对串模干扰有较好的抑制效果 对称的RC低通滤波器电路如图3 19所示 25 图3 19串模干扰信号滤波器 a 单级RC滤波器与放大器的连接 b 二级RC滤波器 26 2 直流电源输出端的滤波器 直流供电的仪表 其直流电源往往被几个电路共用 因此 为了减弱经共用电源内阻在各电路之间形成的噪声耦合 对直流电源输出端还需加装滤波器 图3 20 a b 是滤除高 低频成分干扰的两种滤波器 27 图3 20高 低频干扰电压滤波器 28 3 退耦滤波器 当一个直流电源对几个电路同时供电时 为了避免通过电源内阻造成几个电路之间互相干扰 应在每个电路的直流进线与地线之间加装退耦滤波器 图3 21是RC和LC退耦滤波器的应用方法示意图 应注意 LC滤波器有一个谐振频率 其值为 3 16 应将这个谐振频率取在电路的通频带之外 在谐振频率时 滤波器的增益与阻尼系数 成反比 LC滤波器的阻尼系数 3 17 式中 R是电感线圈的等效电阻 为了将谐振时的增益限制在2dB以下 应取 0 5 29 图3 21电源退耦滤波器 a RC退耦滤波器 b LC退耦滤波器 30 4 交流电源进线端的对称滤波器 任何使用交流电源的电子测量仪表 经电源线传导耦合到测量电路中的干扰 都会对仪表工作造成影响 为此 在交流电源进线端子间加装滤波器是十分必要的 31 3 5 6光电耦合器 光耦合器是由发光二极管和光敏三极管封装在一个管壳内组成的 发光二极管两端为信号输入端 光敏三极管的集电极和发射极作为光耦合器的输出端 它们之间的信号传输是靠发光二极管在信号电压的控制下发光 传送给光敏三极管来完成的 输入信号和输出信号二者之间在电气上是绝缘的 32 图3 22用于断开地环路的光耦合器 33 见图3 22 由于两个电路之间采用光束来耦合 因此能把两个电路的地电位隔离开 两个电路的地电位即使不同也不会造成干扰 光耦合对数字电路很适用 但在模拟电路中需应用光反馈技术 以解决光耦合器特性的非线性问题 34 3 5 7脉冲电路的噪声抑制技术 1 脉冲电路被干扰的一般情况 对于脉冲电路来说 理想的信号波形应具有以下特征 幅度一定 重复周期或脉冲宽度一定 波形无畸变 不寄生其他非工作信号波形 没有相位偏移 零电平基准线保持不变 35 实际电路中 由于各种各样的电路条件及传输过程中各种干扰因素的影响 上述理想条件并不是都能满足 例如 当脉冲信号通过电容时就失去了直流分量 零电平可能要偏离基准线 电路的时间常数不合适将使脉冲波形发生畸变 信号如通过电感将产生相移 且随频率变化 在包含频率极宽的脉冲波形中 其每个频率的相移大小各不相同 故会发生波形畸变 总之 信号的畸变是引起脉冲电路工作异常的重要因素之一 也是区别于模拟电路的重要特征 36 图3 23常见的脉冲干扰波形 a 原波形 b 严重振铃 c 混入了模拟干扰 d 高频寄生振荡 e 垂度过大 f 共模干扰 g 尖峰干扰 37 2 脉冲电路的噪声抑制技术 1 脉冲干扰隔离门 脉冲干扰隔离门利用硅二极管的正向压降对幅度较小的干扰脉冲加以阻挡 而让幅度较大的脉冲信号顺利通过 图3 24给出了脉冲隔离门的原理电路 图中二极管应选用开关管 38 图3 24脉冲隔离门 39 2 削波器 当噪声电压低于脉冲的波峰值时 也可使用图3 25所示的削波器 该削波器只让高于电压E的脉冲信号通过 而低于电压E的干扰脉冲则被削掉 图3 25削波器 a 原理图 b 波形图 40 3 积分电路 在脉冲电路中为了抑制窄脉冲型的噪声干扰 使用积分电路是最有效的 当脉冲电路以脉冲前沿的相位作为信息传输时 通常用微分电路取出前沿相位 但是 如果有噪声脉冲存在 其宽度即使很小也会出现在输出端 如果使用积分电路 则脉冲宽度大的信号输出大而脉冲宽度小的噪声脉冲输出小 所以能将噪声脉冲干扰滤除掉 图3 26以波形图的形式说明了用积分电路消除干扰脉冲的原理 41 图3 26用积分电路消除干扰脉冲 a 混有干扰的脉冲信号 b 微分电路的输出波形 c 积分电路的输出波形 42 3 6电源变压器与工频干扰 3 6 1电源变压器的屏蔽措施1 电源变压器原 副边绕组之间加入单层静电屏蔽后的漏电流分析 图3 27带静电屏蔽的变压器等效电路 43 3 6 2电源滤波器的构造及抗干扰特性任何使用交流电源的电子测量系统 经电源线传导耦合到测量电路中的干扰 都会对系统工作造成影响 为此 在交流电源进线端子间加装滤波器是十分必要的 在电源和负载之间插入交流电源滤波器之后可以将几千赫兹至几十兆赫兹范围内的电磁干扰衰减到几十分之一 交流电源滤波器有不同的构造 因此也有不同的抗干扰特性 44 图3 31是几种常用的电源滤波器的结构原理图 图 a 是高频旁路电容滤波器 可以滤除电源中的高频串模干扰 图 b 是并接在电源输入两端的两个串联旁路电容 电容间的连接点接地 这种滤波器可以滤除电源的共模干扰 图 c 所示的滤波器电路中 C1 C2对滤除共模干扰起作用 而C3对滤除串模干扰起作用 图 d 是滤除电源串模干扰的滤波器 L1 L2对于高频干扰源来说是高阻抗 C为低阻抗 图 e 是滤出共模干扰的滤波器 图3 31各种电源滤波器的构成 45 图3 32是对串模干扰和共模干扰均有滤除效果的电源滤波器 100 H电感 0 1 F电容组成高频滤波器 能吸收从电源线传导进来的中短波段的高频噪声干扰 图中两只对称的5mH电感是由绕在同一只铁芯两侧 匝数相等的电感绕组构成的 称为共模电感 或抗共模干扰扼流圈 由于电源的进线侧至负载的往返电流在铁芯中产生的磁通方向相反 互相抵消 因而不起电感的作用 对50Hz的大负载电流阻抗很小 但对于电源相线和中性线同时存在的大小相等 相位相同的共模噪声干扰来说 是一个较大的电感 它呈高阻抗 所以对共模噪声干扰有良好的抑制作用 图中的10 F电容能吸收因电源波形畸变而产生的谐波干扰 图中的压敏电阻R能吸收因雷击等引起的浪涌电压干扰 46 图3 32交流电源滤波器电路 47 3 6 3铁氧体磁珠滤波器及浪涌吸收器 1 铁氧体磁珠滤波器 在稳压电源的直流输出端接一个电源滤波器 能有效地抑制电源干扰 但是当输出直流电流很大时 如数十安培乃至数百安培时 滤波器中的抗共模干扰扼流圈势必要做得很大 特别是线圈的线要粗 铁芯截面积要大 给制作和安装带来很大的麻烦 在这种场合下 铁氧体磁珠可以作为滤波器使用 铁氧体磁珠是一个对高频有很大的损耗 而对低频及直流几乎没有损耗的元件 它对1MHz以上的干扰有显著的衰减作用 磁珠可根据需要做成大型的或小型的 小型的孔径为1mm左右 可以直接穿在铜线 电阻 晶体管等引线上面 起滤波作用 铁氧体磁珠可分为电阻性的和电感性的两种 一般用电感性的磁珠作为滤波器 这种磁珠的等效电路为一个电阻和一个电感的串联 磁珠的阻抗与频率之间有如下关系 48 3 19 式中 R为磁珠的等效电阻 L为等效电感 由于磁珠的电阻R使电感的Q值下降 而成为低Q值电路 这对磁珠作为宽频带有效的扼流圈是十分重要的 当用一个磁珠还不足以衰减干扰时 可用几个串联在一起 在直流大电流时要注意选择磁珠的规格 不要引起磁珠的磁饱和 49 2 浪涌吸收器 在电源电路中用浪涌吸收器 以吸收电源中的各种浪涌脉冲干扰 这也是抑制电源干扰的有效措施之一 浪涌吸收器的主要特点是其电流 电压关系很特殊 电流的增加和减少 使电阻值也发生相应变化 所以 浪涌吸收器也常称为变阻器 其伏安特性曲线如图3 33所示 若一旦击穿 其两端的压降迅速降低 电流迅速增加 浪涌吸收器的主要技术指标有击穿电压 浪涌电流及导通电压 50 图3 33浪涌吸收器的伏安特性曲线 51 3 7通过布线减小干扰1 强弱信号分开布线2 交直流线路分开布线3 高低压线路分开走线4 减小线路的环路面积5 导线和元件的固定6 印刷电路板的设计 52 较差 较好 53 很好 较好 较差 54 3 7 1印刷电路板的设计 一 印刷电路板基板的选择 55 56 二 印刷电路的分布电容及载流量 57 分布电容大 分布电容跟单面接近 58 3 7 3印刷线路板的布线设计 1 走线呈直线状 切忌往返交错 较好 较差 59 2 尽量减小布线的分布电容 这与接地电阻应小相矛盾 a 采用隔离走线b 采用短接线 跳线 60 C 采用屏蔽线或屏蔽板d 集成电路用隔离地线和电源线 61 3 接地线应随着接地点的增加而不断加宽 尽量减小接地电阻 4 绝对避免印刷铜箔形成环路 以减小对噪声信号的接收 5 从安全角度考虑 电源回路的铜箔应能承受电路的最大电流值 高频电路和高压电路在拐弯处不应开成尖角 以避免高压打火或高频寄生振荡 印制条状铜箔间的距离不可太小 62 63 64 65 66 3 8软件抗干扰技术 3 8 1数字滤波技术在信号检测系统中均含有各种噪声和干扰 它们来自被测信号本身 传感器 外界干扰等 为了进行准确测量 必须消除被测信号中的噪声和干扰 噪声有两大类 一类为周期性的 另一类为不规则的 前者的典型代表为50Hz的工频干扰 对于这类信号 可以采用前几节介绍的抗干扰措施 对于不规则的随机干扰 可以用数字滤波方法予以削弱或滤除 所谓数字滤波 就是通过一定的计算或判断程序减少干扰在有用信号中的比重 因此它实质上是一种程序滤波 数字滤波克服了模拟滤波器的不足 与模拟滤波器相比 它有以下几个优点 67 1 数字滤波是用程序实现的 不需要增加硬件设备 所以可靠性高 稳定性好 2 数字滤波可以对频率很低 如0 01Hz 的信号实现滤波 克服了模拟滤波器的缺陷 3 数字滤波器可以根据信号的不同 采用不同的滤波方法或滤波参数 具有灵活 方便 功能强的特点 68 1 常用的数字滤波方法 1 算术平均值滤波法 算术平均值滤波法是在采样点连续采样数次并相加 然后取算术平均值作为本次采样值的方法 这种方法可以减小系统的随机干扰对采样结果的影响 采样次数取3 5次即可 69 2 限幅滤波法 由于大的随机干扰或传感器的不稳定 使得采样数据偏离实际值太远 为此采用上 下限限幅 即 3 20 而且采用限速 亦称限制变化率 即 3 21 70 3 中值滤波法 中值滤波法的原理是对被测参数连续采样m m为大于等于3的奇数 次 并按大小顺序排列 再取中间值作为本次采样的有效数据 中值滤波法和平均值滤波法结合起来使用 滤波效果会更好 即在每个采样周期 先用中值滤波法得到m个滤波值 再对这m个滤波值进行算术平均 得到可用的被测参数 71 4 惯性滤波法 惯性滤波法实际上是用软件方法代替硬件RC滤波器 也就是利用软件完成低通滤波器的算法 以上讨论了四种数字滤波方法 在实际应用中 究竟选取哪一种数字滤波方法 应视具体情况而定 一般来说 算术平均值滤波法适用于周期性干扰 中值滤波法和限幅滤波法适用于偶然的脉冲干扰 惯性滤波法适用于高频及低频的干扰信号 针对不同的测量对象 有时还会同时采用几种滤波方法 比如先用中值滤波法或限幅滤波法 然后再用算术平均值滤波法 总之 应用恰当的数字滤波方法 可以有效地滤除和减小各种干扰和噪声 72 2 数字滤波器设计方法 数字滤波器实际上是通过一定的计算机程序对采样数据进行处理 来实现上述滤波方法的 下面以汇编语言编写的MCS 51系列单片机中值数字滤波子程序为例 说明其设计方法 中值数字滤波子程序的功能是对被测信号连续采样三次 从中选择中间值作为有效信号 将连续采样的三个数据分别存入R1 R2 R3寄存器 最后得到的结果存入R0寄存器 73 程序清单如下 ZZLB PUSHPSW 将PSW和累加器A进栈保护PUSHACCMOVA R1 将第一次采样的数据放于ACLRCSUBBA R2JNCZZLB1 第一次采样的数据大于第二次的 则转ZZLB1MOVA R1XCHA R2 将第一次和第二次采样的数据互换MOVR1 AZZLB1 MOVA R3CLRCSUBBA R1JNCZZLB3 第三次采样的数据大于前二次的 则转ZZLB3 74 MOVA R3CLRCSUBBA R2JNCZZLB4MOVA R2MOVR0 AZZLB2 POPACCPOPPSWRETZZLB3 MOVA R1MOVR0 AAJMPZZLB2ZZLB4 MOVA R3MOVR0 AAJMPZZLB2 75 3 8 2指令冗余技术 当CPU受到干扰后 往往会将一些操作数当作指令码来执行 引起程序混乱 当程序 跑飞 到某一单字节指令上时 便自动纳入正轨 当程序 跑飞 到某一双字节指令上时 有可能落到其操作数上 从而继续出错 当程序 跑飞 到三字节指令上时 因它有两个操作数 继续出错的机会就更大 因此在程序设计中应多采用单字节指令 并在关键的地方人为地插入一些单字节指令 NOP 或将有效单字节指令重复书写 这便是指令冗余 指令冗余无疑会降低系统的效率 但在绝大多数情况下 CPU还不至于忙到不能多执行几条指令的程度 所以这种方法仍被广泛采用 76 在一些对程序流向起决定作用的指令之前插入两条NOP指令 以保证 跑飞 的程序迅速纳入正确轨道 在某些对系统工作状态重要的指令前也可插入NOP指令 以保证正确执行 指令冗余技术可以减少程序 跑飞 的次数 但这并不能保证在失控期间不破坏系统 更不能保证程序纳入正常轨道后就太平无事 解决这个问题必须采用软件陷阱技术 77 3 8 3软件陷阱技术 指令冗余技术使 跑飞 的程序安定下来是有条件的 首先 跑飞 的程序必须落到程序区 其次 必须执行到冗余指令 所谓软件陷阱 就是用一条引导指令 强行将捕获的程序引向一个指定的地址 在那里有一段专门对程序出错进行处理的程序 如果把这段程序的入口标号设为ERR 则软件陷阱即为一条无条件转移指令 为了加强其捕捉效果 一般还在它前面加上两条NOP指令 因此软件陷阱由三条指令组成 NOP NOP LJMPERR 78 软件陷阱一般安排在程序中的四个地方 未使用的中断矢量区 未使用的大片EPROM空间 表格和程序区 由于软件陷阱都安排在正常程序执行不到的地方 故不影响程序的执行效率 在当前EPROM容量足够的条件下 还是应该多安排一些 79 思考与练习题 1 什么是电子测量系统的 干扰 与 抑制 抑制 的措施是什么 2 按产生干扰的物理原因 通常可将干扰分成哪几类 分别采取什么抑制措施 3 电磁干扰窜入系统的耦合方式主要有哪几种 试举例说明 4 形成干扰的三要素是什么 研究它们的目的是什么 5 什么是共模干扰 串模干扰和共模干扰抑制比 6 屏蔽有哪几类 各有何特点 80 7 在电子技术中的 接地 概念是什么 一般有哪几种地线 一点接地与多点接地各有什么特点 8 常用的脉冲干扰抑制技术有哪些 其原理是什么 9 什么是浮置技术 试通过实例加以说明 10 常用的交流电源滤波器有哪些 各有何特点 81