電子系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì).ppt

1、3.1 干擾產(chǎn)生的原因,電子系統(tǒng)一個(gè)主要應(yīng)用領(lǐng)域是工業(yè)生產(chǎn)過程。工業(yè)生產(chǎn)的工作環(huán)境往往比較惡劣，干擾嚴(yán)重，這些干擾輕微時(shí)會(huì)造成測(cè)量的和控制的誤差，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞電子系統(tǒng)的器件和程序，導(dǎo)致系統(tǒng)不能運(yùn)行。因此，抗干擾設(shè)計(jì)是電子系統(tǒng)研制中一個(gè)不可忽視的重要內(nèi)容。,第四章 電子系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì),在電子系統(tǒng)中，產(chǎn)生干擾的原因有3種：電耦合、磁耦合和公共阻抗耦合； 由于電子系統(tǒng)之間以及電子系統(tǒng)內(nèi)部元件之間、導(dǎo)線之間、元件與導(dǎo)線之間都存在著分布電容、互感及公共阻抗，因此各種干擾信號(hào)很容易通過電容形成電耦合，通過互感形成磁耦合，通過公共阻抗形成公共阻抗耦合。,電耦合,當(dāng)工作回路與噪聲回路之間存在分布電容時(shí)，噪聲信

2、號(hào)通過分布電容耦合到工作回路，從而引起流過負(fù)載的電流信號(hào)發(fā)生變化； dVn/dt越大，引起的電耦合噪聲就越大。,磁耦合,當(dāng)噪聲在工作回路附近產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)時(shí)，噪聲信號(hào)通過互感耦合到工作回路，從而引起負(fù)載兩端的電壓信號(hào)發(fā)生變化； din/dt越大，引起的磁耦合噪聲就越大。,公共阻抗耦合,由于接地導(dǎo)線存在一定的阻抗，當(dāng)有工作電流流過接地阻抗時(shí)，各部件的接地電位將不為零，且接地電位隨著接地導(dǎo)線上的電流變化而發(fā)生變化； 在如圖所示電路中，各部件的工作電流的變化不僅影響本部件的接地電位，而且還影響有著公共阻抗的其他部件的接地電位； 接地的公共阻抗和流過公共阻抗的電流越大，由公共阻抗引入的干擾就越大。,3

3、.2 干擾竄入系統(tǒng)的渠道,干擾信號(hào)竄入電子系統(tǒng)的主要渠道有三條：通過電磁輻射竄入系統(tǒng)的空間干擾（場(chǎng)干擾），通過與主機(jī)相連的前向通道、后向通道和相互通道竄入系統(tǒng)的過程通道干擾和通過電源和地線竄入系統(tǒng)的供電系統(tǒng)干擾。,空間干擾,空間干擾主要指電磁場(chǎng)在線路、導(dǎo)體、殼體上的輻射而引起的噪聲吸收與調(diào)制； 干擾來自于系統(tǒng)的內(nèi)部和外部，系統(tǒng)本身既可能接受外來干擾也可能對(duì)外產(chǎn)生空間干擾； 干擾在強(qiáng)度上遠(yuǎn)小于過程通道干擾和供電系統(tǒng)干擾，可用良好的屏蔽、正確的接地和布局設(shè)計(jì)加以解決。,從過程通道引入的干擾稱為過程通道干擾； 在過程通道中，長(zhǎng)線傳輸是干擾產(chǎn)生的主要原因，尤其當(dāng)傳輸線上的信息為脈沖波時(shí)，信號(hào)在傳輸中會(huì)

4、出現(xiàn)遲延、畸變、衰減與通道干擾耦合(交擾)，還可能接收來自空間電磁場(chǎng)的干擾； 可采用光電耦合隔離、雙絞線傳輸、同軸電纜傳輸、阻抗匹配及屏蔽等方法解決干擾問題。,供電系統(tǒng)干擾,電子系統(tǒng)中最重要、危害最嚴(yán)重的干擾來自于供電系統(tǒng)干擾； 由于任何電源及輸電線路都存在內(nèi)阻，所以電網(wǎng)中出現(xiàn)的各種干擾信號(hào)都可能對(duì)電網(wǎng)中的各種設(shè)備包括電子系統(tǒng)產(chǎn)生干擾； 供電系統(tǒng)干擾問題可以通過穩(wěn)壓、隔離、濾波等措施加以解決。,過程通道干擾,3.3 電子系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì),智能型電子系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)既有硬件方面的任務(wù)也有軟件方面的任務(wù)； 相對(duì)硬件抗干擾措施而言，軟件抗干擾措施使用靈活、成本低廉，但增加了軟件編程工作量和CPU運(yùn)行時(shí)

5、間，而且對(duì)于某些干擾也難以消除； 在系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將軟、硬件抗干擾措施有機(jī)地結(jié)合起來，使它們相輔相成，保證系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。,切斷來自電源的干擾,硬件抗干擾措施,切斷干擾的渠道,電源的設(shè)計(jì)中應(yīng)采用交流穩(wěn)壓、隔離變壓、低通濾波和直流穩(wěn)壓及各種去耦等措施。,切斷來自過程通道的干擾,過程通道的抗干擾措施有以下幾種： 模擬信號(hào)通過各類隔離放大器進(jìn)行隔離； 數(shù)字信號(hào)用光電耦合器隔離； 模擬地和數(shù)字地分開，避免公共地阻抗對(duì)模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生耦合作用； 用電流傳輸代替電壓傳輸； 采用雙絞線、同軸電纜或屏蔽線進(jìn)行傳輸； 長(zhǎng)線傳輸?shù)淖杩蛊ヅ洹?抑制空間干擾,抑制空間干擾的主要措施有： 加大印刷板間的間隔

6、，加大導(dǎo)線間、元器件間的間隔，導(dǎo)線之間添加接地線等； 系統(tǒng)中敏感部件遠(yuǎn)離開關(guān)功率源； 長(zhǎng)線傳輸使用雙絞線、同軸電纜或屏蔽線進(jìn)行傳輸； 使用金屬機(jī)殼并接地屏蔽。,印刷電路板的抗干擾設(shè)計(jì),印刷電路板是電子系統(tǒng)中器件、信號(hào)線、電源線的高密度集合體，印刷電路板設(shè)計(jì)的好壞對(duì)系統(tǒng)的抗干擾能力影響很大； 常用的抗干擾措施有：,地線設(shè)計(jì),單點(diǎn)接地與多點(diǎn)接地選擇： 在低頻電路中，導(dǎo)線與元器件間的電感影響較小，而接地電路中的環(huán)流引起的干擾對(duì)系統(tǒng)影響較大，因而采用一點(diǎn)接地； 在高頻電路中，地線阻抗變得很大，此時(shí)應(yīng)盡量降低地線阻抗，應(yīng)采用就近多點(diǎn)接地法。,數(shù)字信號(hào)地與模擬信號(hào)地分開連接，最終單點(diǎn)相連，消除地電路經(jīng)過公

7、共阻抗而產(chǎn)生的干擾； 接地線盡量加粗，盡可能減小地線阻抗，從而減小因公共阻抗耦合而產(chǎn)生的干擾； 將數(shù)字地做成閉合的網(wǎng)格，可以降低各元器件之間的地線電位差，能明顯提高抗干擾能力。,電源線布置,盡量加大線條寬度； 利用電源線高頻阻抗小的特點(diǎn)，將它與邏輯信號(hào)線平行布線，以起到與地線相似的隔離作用；,配置去耦電容,在印刷電路板的各個(gè)關(guān)鍵部位配置去耦電容是印刷電路板設(shè)計(jì)的一項(xiàng)常規(guī)做法： 在電路板電源輸入端跨接一個(gè)10100F(或更大)的電解電容，消除電源中的低頻干擾； 在每個(gè)關(guān)鍵集成電路芯片的電源輸入端跨接一個(gè)0.010.1F的陶瓷電容或鉭電容，消除電源中的高頻干擾； 去耦電容的引線不能太長(zhǎng)，特別是高頻

8、旁路電容不能有長(zhǎng)引線。,印刷電路板尺寸與器件布置,印刷電路板尺寸要適中： 過大時(shí)，印刷線條長(zhǎng)，阻抗增加，不僅抗干擾能力下降，而且成本提高； 過小，則散熱不好，且易受鄰近線條干擾； 器件布置的原則： 相關(guān)器件應(yīng)盡量放得靠近些。例如晶振和CPU的時(shí)鐘信號(hào)輸入端應(yīng)相互靠近些； 遠(yuǎn)離易產(chǎn)生噪聲的器件。例如信號(hào)線與其他器件應(yīng)盡量遠(yuǎn)離晶振； 邏輯電路應(yīng)遠(yuǎn)離大電流噪聲電路。例如控制電路與驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)分板制作。,雖然系統(tǒng)硬件抗干擾措施能夠消除大部分干擾，但它不可能完全消除干擾； 電子系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)必須把硬件抗干擾和軟件抗干擾結(jié)合起來。,軟件抗干擾措施,數(shù)字濾波,干擾侵入電子系統(tǒng)前向通道時(shí)，疊加在信號(hào)上的干擾使

9、數(shù)據(jù)采集的誤差加大； 抑制干擾常用的方法是采用硬件電路進(jìn)行濾波，但要獲得較好的抑制效果，所加的硬件電路十分復(fù)雜； 采用軟件實(shí)現(xiàn)濾波則是當(dāng)前干擾抑制技術(shù)中的一種新技術(shù)。,程序判斷濾波,根據(jù)人們的經(jīng)驗(yàn)，確定出兩次采樣輸入信號(hào)可能出現(xiàn)的最大偏差y，若本次輸入信號(hào)與上次輸入信號(hào)的偏差超過y，就放棄本次采樣值；,中值濾波,對(duì)一個(gè)采樣點(diǎn)連續(xù)采集多個(gè)信號(hào)，取其中間值作為本次采樣值；,算術(shù)平均濾波法,對(duì)一個(gè)采樣點(diǎn)連續(xù)采樣多次，計(jì)算其平均值，以其平均值作為該點(diǎn)采樣結(jié)果，即：,比較舍取法,此法特別適用于數(shù)字信號(hào)輸入的情況； 當(dāng)系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果中有個(gè)別數(shù)據(jù)存在偏差時(shí)，為了剔除個(gè)別錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，可采用比較舍取法； 對(duì)每個(gè)采樣

10、點(diǎn)連續(xù)采樣幾次，剔除個(gè)別不同的數(shù)據(jù)，取相同的數(shù)據(jù)為采樣結(jié)果。,一階遞推數(shù)字濾波,這種方法是利用軟件完成RC低通濾波器的算法； 一階遞推數(shù)字濾波公式為：,加權(quán)平均濾波,有時(shí)為了突出信號(hào)中的某一部分，抑制信號(hào)中的另一部分，可將各采樣點(diǎn)的采樣值與鄰近的采樣點(diǎn)作加權(quán)平均，即：,復(fù)合濾波,為了提高濾波效果，往往將兩種以上的濾波方法結(jié)合在一起使用，即為復(fù)合濾波； 例如將中值濾波與算術(shù)平均值濾波方法結(jié)合在一起，將采樣點(diǎn)的最大值與最小值去除，然后求出其余采樣值的算術(shù)平均值，則可取得較好的濾波效果。,在軟件中加設(shè)自檢程序，在系統(tǒng)運(yùn)行前和運(yùn)行中不斷循環(huán)測(cè)試電子系統(tǒng)內(nèi)部特定部位的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)出現(xiàn)的錯(cuò)誤狀態(tài)進(jìn)行及時(shí)處

11、理，以保證系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。,對(duì)于條件控制系統(tǒng)，將對(duì)控制條件的一次采樣、處理、控制輸出改為循環(huán)采樣、處理、控制輸出。這種方法對(duì)于慣性比較大的控制系統(tǒng)具有良好的抗偶然因素干擾作用。,設(shè)置自檢程序,軟件冗余,監(jiān)視定時(shí)器一旦啟動(dòng)就不能停止運(yùn)行，當(dāng)程序運(yùn)行正常時(shí)，程序中的刷新操作可以保證監(jiān)視定時(shí)器不會(huì)溢出。當(dāng)程序由于受到干擾而進(jìn)入死循環(huán)時(shí)，由于監(jiān)視定時(shí)器得不到刷新而溢出，并產(chǎn)生中斷或復(fù)位信號(hào)，可使程序脫離死循環(huán)。,設(shè)置監(jiān)視定時(shí)器,當(dāng)系統(tǒng)受到干擾侵害，程序指針超出應(yīng)用程序代碼區(qū)而進(jìn)入數(shù)據(jù)區(qū)，將造成程序盲目運(yùn)行，最后由偶然巧合進(jìn)入死循環(huán)； 可在非代碼區(qū)設(shè)置攔截程序措施，使程序進(jìn)入陷阱，然后可以迫使程序進(jìn)入初始狀態(tài)，或進(jìn)入錯(cuò)誤處理程序； 軟件陷阱的設(shè)置方法是在數(shù)據(jù)區(qū)的前后都設(shè)置相當(dāng)數(shù)量的空操作代碼，并最后加入一條轉(zhuǎn)向錯(cuò)誤處理程序的指令代碼。,設(shè)置軟件陷阱,NOP NOP LJMP ERROR TABLE:DB XX DB XX NOP NOP LJMP ERROR,有的單片機(jī)系統(tǒng)有復(fù)位指令（如MCS96系列單片機(jī)），將復(fù)位指令代碼填滿程序存儲(chǔ)器中沒有使用的區(qū)域，當(dāng)程序指針受到干擾而進(jìn)入這些區(qū)域時(shí)系統(tǒng)執(zhí)行復(fù)位指令，使系統(tǒng)回到復(fù)位狀態(tài)。,利用復(fù)位指令,軟件抗干擾措施可以