第四章 电子系统抗干扰设计 电子系统一个主要应用领域是工业生产过程。工业生产的工作环境往往比较恶劣，干扰严重，这些干扰轻微时会造成测量的和控制的误差，严重时会损坏电子系统的器件和程序，导致系统不能运行。因此，抗干扰设计是电子系统研制中一个不可忽视的重要内容。 3.1 干扰产生的原因 在电子系统中，产生干扰的原因有3种：电耦合、磁耦合和公共阻抗耦合；

Presentation on theme: "第四章 电子系统抗干扰设计 电子系统一个主要应用领域是工业生产过程。工业生产的工作环境往往比较恶劣，干扰严重，这些干扰轻微时会造成测量的和控制的误差，严重时会损坏电子系统的器件和程序，导致系统不能运行。因此，抗干扰设计是电子系统研制中一个不可忽视的重要内容。 3.1 干扰产生的原因 在电子系统中，产生干扰的原因有3种：电耦合、磁耦合和公共阻抗耦合；"— Presentation transcript:

1 第四章 电子系统抗干扰设计 电子系统一个主要应用领域是工业生产过程。工业生产的工作环境往往比较恶劣，干扰严重，这些干扰轻微时会造成测量的和控制的误差，严重时会损坏电子系统的器件和程序，导致系统不能运行。因此，抗干扰设计是电子系统研制中一个不可忽视的重要内容。 3.1 干扰产生的原因 在电子系统中，产生干扰的原因有3种：电耦合、磁耦合和公共阻抗耦合； 由于电子系统之间以及电子系统内部元件之间、导线之间、元件与导线之间都存在着分布电容、互感及公共阻抗，因此各种干扰信号很容易通过电容形成电耦合，通过互感形成磁耦合，通过公共阻抗形成公共阻抗耦合。

2 电耦合 磁耦合 当工作回路与噪声回路之间存在分布电容时，噪声信号通过分布电容耦合到工作回路，从而引起流过负载的电流信号发生变化；
iS RL Vn 电耦合 当工作回路与噪声回路之间存在分布电容时，噪声信号通过分布电容耦合到工作回路，从而引起流过负载的电流信号发生变化； dVn/dt越大，引起的电耦合噪声就越大。 VS RL in 磁耦合 当噪声在工作回路附近产生交变的磁场时，噪声信号通过互感耦合到工作回路，从而引起负载两端的电压信号发生变化； din/dt越大，引起的磁耦合噪声就越大。

3 公共阻抗耦合 iA A Z1 B Z2 iB 由于接地导线存在一定的阻抗，当有工作电流流过接地阻抗时，各部件的接地电位将不为零，且接地电位随着接地导线上的电流变化而发生变化； 在如图所示电路中，各部件的工作电流的变化不仅影响本部件的接地电位，而且还影响有着公共阻抗的其他部件的接地电位； 接地的公共阻抗和流过公共阻抗的电流越大，由公共阻抗引入的干扰就越大。 VA0=(iA+iB)Z1 VB0= (iA+iB)Z1+iBZ2

4 3.2 干扰窜入系统的渠道 干扰信号窜入电子系统的主要渠道有三条：通过电磁辐射窜入系统的空间干扰（场干扰），通过与主机相连的前向通道、后向通道和相互通道窜入系统的过程通道干扰和通过电源和地线窜入系统的供电系统干扰。 空间干扰 空间干扰主要指电磁场在线路、导体、壳体上的辐射而引起的噪声吸收与调制； 干扰来自于系统的内部和外部，系统本身既可能接受外来干扰也可能对外产生空间干扰； 干扰在强度上远小于过程通道干扰和供电系统干扰，可用良好的屏蔽、正确的接地和布局设计加以解决。

5 过程通道干扰 供电系统干扰 从过程通道引入的干扰称为过程通道干扰；
在过程通道中，长线传输是干扰产生的主要原因，尤其当传输线上的信息为脉冲波时，信号在传输中会出现迟延、畸变、衰减与通道干扰耦合(交扰)，还可能接收来自空间电磁场的干扰； 可采用光电耦合隔离、双绞线传输、同轴电缆传输、阻抗匹配及屏蔽等方法解决干扰问题。 供电系统干扰 电子系统中最重要、危害最严重的干扰来自于供电系统干扰； 由于任何电源及输电线路都存在内阻，所以电网中出现的各种干扰信号都可能对电网中的各种设备包括电子系统产生干扰； 供电系统干扰问题可以通过稳压、隔离、滤波等措施加以解决。

6 3.3 电子系统抗干扰设计 智能型电子系统的抗干扰设计既有硬件方面的任务也有软件方面的任务；
3.3 电子系统抗干扰设计 智能型电子系统的抗干扰设计既有硬件方面的任务也有软件方面的任务； 相对硬件抗干扰措施而言，软件抗干扰措施使用灵活、成本低廉，但增加了软件编程工作量和CPU运行时间，而且对于某些干扰也难以消除； 在系统抗干扰设计时应将软、硬件抗干扰措施有机地结合起来，使它们相辅相成，保证系统运行的可靠性。

7 硬件抗干扰措施 切断干扰的渠道 切断来自电源的干扰 电源的设计中应采用交流稳压、隔离变压、低通滤波和直流稳压及各种去耦等措施。 现象 特点
过压、欠压、停电 ∆t>1S 交流稳压、UPS 浪涌、下陷 10mS<∆t<1S 压敏电阻、快速交流调压器 尖峰电压 ∆t<1mS 低通滤波器、隔离变压器 电源的设计中应采用交流稳压、隔离变压、低通滤波和直流稳压及各种去耦等措施。

8 切断来自过程通道的干扰 过程通道的抗干扰措施有以下几种： 模拟信号通过各类隔离放大器进行隔离； 数字信号用光电耦合器隔离；
模拟地和数字地分开，避免公共地阻抗对模拟信号和数字信号产生耦合作用； 用电流传输代替电压传输； 采用双绞线、同轴电缆或屏蔽线进行传输； 长线传输的阻抗匹配。

9 抑制空间干扰 抑制空间干扰的主要措施有： 加大印刷板间的间隔，加大导线间、元器件间的间隔，导线之间添加接地线等；
系统中敏感部件远离开关功率源； 长线传输使用双绞线、同轴电缆或屏蔽线进行传输； 使用金属机壳并接地屏蔽。

10 印刷电路板的抗干扰设计 地线设计 印刷电路板是电子系统中器件、信号线、电源线的高密度集合体，印刷电路板设计的好坏对系统的抗干扰能力影响很大；
常用的抗干扰措施有： A B C 地线设计 单点接地与多点接地选择： 在低频电路中，导线与元器件间的电感影响较小，而接地电路中的环流引起的干扰对系统影响较大，因而采用一点接地； 在高频电路中，地线阻抗变得很大，此时应尽量降低地线阻抗，应采用就近多点接地法。 A B C

11 数字信号地与模拟信号地分开连接，最终单点相连，消除地电路经过公共阻抗而产生的干扰；
接地线尽量加粗，尽可能减小地线阻抗，从而减小因公共阻抗耦合而产生的干扰； 将数字地做成闭合的网格，可以降低各元器件之间的地线电位差，能明显提高抗干扰能力。 巨大电位差

12 电源线布置 配置去耦电容 尽量加大线条宽度； 利用电源线高频阻抗小的特点，将它与逻辑信号线平行布线，以起到与地线相似的隔离作用；
在印刷电路板的各个关键部位配置去耦电容是印刷电路板设计的一项常规做法： 在电路板电源输入端跨接一个10～100μF(或更大)的电解电容，消除电源中的低频干扰； 在每个关键集成电路芯片的电源输入端跨接一个0.01～0.1μF的陶瓷电容或钽电容，消除电源中的高频干扰； 去耦电容的引线不能太长，特别是高频旁路电容不能有长引线。

13 印刷电路板尺寸与器件布置 印刷电路板尺寸要适中： 器件布置的原则： 过大时，印刷线条长，阻抗增加，不仅抗干扰能力下降，而且成本提高；
过小，则散热不好，且易受邻近线条干扰； 器件布置的原则： 相关器件应尽量放得靠近些。例如晶振和CPU的时钟信号输入端应相互靠近些； 远离易产生噪声的器件。例如信号线与其他器件应尽量远离晶振； 逻辑电路应远离大电流噪声电路。例如控制电路与驱动电路应分板制作。

14 软件抗干扰措施 数字滤波 虽然系统硬件抗干扰措施能够消除大部分干扰，但它不可能完全消除干扰；
电子系统的抗干扰设计必须把硬件抗干扰和软件抗干扰结合起来。 数字滤波 干扰侵入电子系统前向通道时，叠加在信号上的干扰使数据采集的误差加大； 抑制干扰常用的方法是采用硬件电路进行滤波，但要获得较好的抑制效果，所加的硬件电路十分复杂； 采用软件实现滤波则是当前干扰抑制技术中的一种新技术。

15 程序判断滤波 根据人们的经验，确定出两次采样输入信号可能出现的最大偏差δy，若本次输入信号与上次输入信号的偏差超过δy，就放弃本次采样值； X t k 中值滤波 对一个采样点连续采集多个信号，取其中间值作为本次采样值； 算术平均滤波法 对一个采样点连续采样多次，计算其平均值，以其平均值作为该点采样结果，即：

16 比较舍取法 一阶递推数字滤波 此法特别适用于数字信号输入的情况；
当系统测量结果中有个别数据存在偏差时，为了剔除个别错误数据，可采用比较舍取法； 对每个采样点连续采样几次，剔除个别不同的数据，取相同的数据为采样结果。 一阶递推数字滤波 这种方法是利用软件完成RC低通滤波器的算法； 一阶递推数字滤波公式为：

17 加权平均滤波 复合滤波 有时为了突出信号中的某一部分，抑制信号中的另一部分，可将各采样点的采样值与邻近的采样点作加权平均，即：
为了提高滤波效果，往往将两种以上的滤波方法结合在一起使用，即为复合滤波； 例如将中值滤波与算术平均值滤波方法结合在一起，将采样点的最大值与最小值去除，然后求出其余采样值的算术平均值，则可取得较好的滤波效果。

18 设置自检程序 在软件中加设自检程序，在系统运行前和运行中不断循环测试电子系统内部特定部位的运行状态，对出现的错误状态进行及时处理，以保证系统运行的可靠性。 软件冗余 对于条件控制系统，将对控制条件的一次采样、处理、控制输出改为循环采样、处理、控制输出。这种方法对于惯性比较大的控制系统具有良好的抗偶然因素干扰作用。 设置监视定时器 监视定时器一旦启动就不能停止运行，当程序运行正常时，程序中的刷新操作可以保证监视定时器不会溢出。当程序由于受到干扰而进入死循环时，由于监视定时器得不到刷新而溢出，并产生中断或复位信号，可使程序脱离死循环。

19 设置软件陷阱 当系统受到干扰侵害，程序指针超出应用程序代码区而进入数据区，将造成程序盲目运行，最后由偶然巧合进入死循环；
可在非代码区设置拦截程序措施，使程序进入陷阱，然后可以迫使程序进入初始状态，或进入错误处理程序； 软件陷阱的设置方法是在数据区的前后都设置相当数量的空操作代码，并最后加入一条转向错误处理程序的指令代码。 NOP …… LJMP ERROR TABLE: DB XX DB XX

20 利用复位指令 有的单片机系统有复位指令（如MCS－96系列单片机），将复位指令代码填满程序存储器中没有使用的区域，当程序指针受到干扰而进入这些区域时系统执行复位指令，使系统回到复位状态。 小结 软件抗干扰措施可以不增加任何硬件设备，既降低了系统成本又提高了系统的可靠性。同时，软件抗干扰措施增减方便，可以随时改变选择的算法或改变参数； 软件抗干 扰措施需要增加CPU的运行时间，在某些对速度要求较高的应用场合往往不能采用或很少采用。同时，软件抗干扰措施对于某些干扰也难以奏效，不可能完全取代硬件抗干扰措施； 因此设计者应根据实际情况权衡利弊，选择使用各种软、硬件抗干扰措施。