第六章機電一體化系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計教材課件

6.1電磁干擾形成的條件電磁干擾的兩種傳輸途徑：輻射耦合途徑，傳導耦合途徑。電磁干擾的存在必須具備三個條件：(1)電磁干擾源；(2)電磁干擾傳播途徑；(3)電磁干擾敏感體。由于系統(tǒng)通過電網(wǎng)、空間與周圍環(huán)境發(fā)生了聯(lián)系而受到干擾。若系統(tǒng)抵御不住干擾的沖擊，各電氣功能模塊將不能進行正常的工作。微機系統(tǒng)往往會因干擾產(chǎn)生程序“跑飛”，傳感器模塊將會輸出偽信號，功率驅(qū)動模塊將會輸出畸變驅(qū)動信號，使執(zhí)行機構(gòu)動作失常，凡此種種，最終導致系統(tǒng)產(chǎn)生故障，甚至癱瘓。因此，系統(tǒng)設(shè)計除功能設(shè)計、優(yōu)化設(shè)汁外，另一項重要任務(wù)是要完成系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計。6.1電磁干擾形成的條件電磁干擾的兩種傳輸途徑：16.2干擾源為了提高機電一體此系統(tǒng)抗干擾性能，首先須弄清干擾源。從干擾竄入系統(tǒng)的渠道來看，系統(tǒng)所受到的干擾源分為供電干擾、過程通道干擾、場干擾等。圖6-1機電一體化系統(tǒng)的干擾源6.2干擾源為了提高機電一體此系統(tǒng)抗干擾性能，首26.2.1供電干擾大功率設(shè)備(特別是大感性負載的啟停)會造成電網(wǎng)的嚴重污染，使得電網(wǎng)電壓大幅度地漲落、浪涌，電網(wǎng)電壓的欠壓或過壓常常超過額定電壓的±15%以上，這種狀況有時長達幾分鐘、幾小時、甚至幾天。由于大功率開關(guān)的通斷，電動機的啟停等原因，電網(wǎng)上常常出現(xiàn)幾百伏、甚至幾千伏的尖峰脈沖干擾。由于我國采用高壓(220V)高內(nèi)阻電網(wǎng)，電網(wǎng)污染嚴重，盡管系統(tǒng)采用了穩(wěn)壓措施。但電網(wǎng)噪聲仍會通過整流電路串入微機系統(tǒng)。據(jù)統(tǒng)計，電源的投入、瞬時短路、久壓、過壓、電網(wǎng)竄入的噪聲引起CPU誤動作及數(shù)據(jù)丟失占各種干擾的90%以上。6.2.1供電干擾36.2.2過程通道干擾通道干擾主要來源于長線傳輸(傳輸線長短的定義是相對于CPU的晶振頻率而定的，當頻率為lMHz時，傳輸線長度大于0.5m，頻率為4MHz時，傳輸線長度大于0.3m時。視其為長傳輸線)。當系統(tǒng)中有電氣設(shè)備漏電，接地系統(tǒng)不完善，或者傳感器測量部件絕緣不好等，都會在通道中直接串入很高的共模電壓或差模電壓；各通道的傳輸線如果處于同一根電纜中或捆扎在一起，各路間會通過分布電感或分布電容產(chǎn)生相互間的干擾。尤其是將0～15V的信號線與交流220V的電源線同處于一根長達幾百米的管道內(nèi)，其干擾相當嚴重。6.2.2過程通道干擾46.2.3場干擾系統(tǒng)周圍的空間總存在著磁場、電磁場、電場，如太陽及天體輻射電磁波；廣播、電話、通訊發(fā)射臺的電磁波；周圍中頻設(shè)備(如中頻爐。晶閘管變送電源、微波爐等)發(fā)出的電磁輻射等。這些場干擾會通過電源或傳輸線影響各功能模塊的正常工作，使其中的電平發(fā)生變化或產(chǎn)生脈沖干擾信號。6.2.3場干擾56.3提高系統(tǒng)抗電源干擾能力的方法6.3.1配電方案中的抗干擾措施抑制電源干擾首先從配電系統(tǒng)的設(shè)計上采取措施。圖6-2中的交流穩(wěn)壓器用來保證系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性，阻止電網(wǎng)供電的過壓或欠壓。6.3提高系統(tǒng)抗電源干擾能力的方法6.3.1配電方案中6圖6-3低通濾波器內(nèi)部電路圖6-4電源變壓器的隔離措施直流穩(wěn)壓電源：常規(guī)線性直流穩(wěn)壓電源、開關(guān)穩(wěn)壓電源。開關(guān)電源的振蕩頻率近10OOkHz，其濾波以高頻濾波為主，對尖脈沖有良好的抑制作用。開關(guān)電源對來自電網(wǎng)干擾的抑制能力較強，在工業(yè)控制微機中已被廣泛地采用。

高頻干擾是通過電源變壓器的初級與次級間寄生耦合電容串入系統(tǒng)，在電源變壓器的初級線圈和次級線圈間加靜電屏蔽層，C3把耦合電容分隔成C2，C1，使耦合電容隔離，斷開高頻干擾信號，能有效地抑制共模干擾。電容和電感組成的低通濾波器對于2OkHz以上的干擾抑制能力較好。圖6-3低通濾波器內(nèi)部電路76.3.2利用電源監(jiān)視電路抗電源干擾在系統(tǒng)配電方案中實施抗干擾措施是必不可少的，但這些措施仍難抵御微秒級的干擾脈沖及瞬態(tài)掉電，特別是后者屬于惡性干擾，可能產(chǎn)生嚴重的事故。電源監(jiān)視電路的設(shè)計是抗電源干擾的一個有效方法。目前市場提供的電源監(jiān)視集成電路，一般具有如下的功能:(1)監(jiān)視電源電壓瞬時短路、瞬間降壓和微秒級干擾脈沖及悼電；(2)及時輸出供CPU接受的復(fù)位信號及中斷信號；6.3.2利用電源監(jiān)視電路抗電源干擾86.3.3用Watchdog抗電源于擾

在Watchdog的實現(xiàn)中，定時器時鐘輸入端CLK由系統(tǒng)時鐘提供，其控制端接CPU，定時器總在一定的時間間隔內(nèi)被CPU刷新一次，因而不會產(chǎn)出溢出信號，當系統(tǒng)因干擾產(chǎn)生程序“跑飛”或進入死循環(huán)后，定時器因未能被及時刷新而產(chǎn)生溢出，使系統(tǒng)重新初始化，而從頭開始運行。6.3.3用Watchdog抗電源于擾96.4電場與磁場干擾耦合的抑制6.4.1電場與磁場干擾耦合的特點電磁干擾特性：（1）接收特性。根據(jù)天線理論，電纜本身就是一條高效率的接收天線，它能夠接收到空間的電磁波干擾，并且還能將干擾能量傳遞給系統(tǒng)中的電子電路或電子設(shè)備中，造成敏感性的干擾影響。（2）輻射特性。根據(jù)天線理論，電纜本身還是一條高效率的輻射天線。它能夠?qū)㈦娮酉到y(tǒng)中的電磁干擾能量輻射到空間中去，造成輻射發(fā)射干擾影響。（3）寄生特性。在電纜中，導線可以看成是互相平行的，而且互相靠得很緊密。根據(jù)電磁理論，導線與導線之間必然蘊藏著大量的寄生電容(分布電容)和寄生電感(分布電感)，這些寄生電容和寄生電感是導致串擾的主要原因。（4）地電位特性。電纜的屏蔽層(金屬護層)一般情況下是接地的。因此如果電纜所連接設(shè)備接地的電位不同，必然會在電纜的屏蔽層中引起地電流的流動，在內(nèi)導線上感應(yīng)出相應(yīng)的感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流。6.4電場與磁場干擾耦合的抑制6.4.1電場與磁場干106.4.2電場與磁場干擾耦合的抑制1．電場干擾耦合等效電路分析電場干擾耦合又稱為容性干擾耦合。我們知道平行導線間存在電場(容性)干擾耦合，利用電路理論可以分析電場干擾耦合的一些特點。在這里主要討論電場干擾耦合的抑制問題。為了能比較清楚地說明問題。仍然采用兩平行導線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。在討論中，假設(shè)只對干擾源回路采取了屏蔽措施，而干擾敏感回路未采取屏蔽措施，如圖6-7所示。圖6-8給出了圖6-7的等效電路。6.4.2電場與磁場干擾耦合的抑制1．電場干擾耦合等效電路11圖6-7對干擾源回路采取屏蔽措施圖6-8分析電場（容性）干擾耦合的等效電路圖6-7對干擾源回路采取屏蔽措施圖6-8分析電場（容12圖6-9接地電阻變化使得電場干擾耦合增加屏蔽層接地質(zhì)量的好與壞，可由RsG取值的大小反映出來；屏蔽層屏蔽效能的好與壞，可由CsG的取值反映出來。圖6-9接地電阻變化使得電場干擾耦合增加屏蔽層接132．屏蔽層本身阻抗特性的影響

在上面的分析中，沒有考慮到屏蔽層本身阻抗特性的影響。屏蔽層阻抗是沿著屏蔽層縱向分布的，只有在頻率較低或屏蔽層縱向長度遠遠小于傳輸信號波長的1/16時，才能忽略屏蔽層本身阻抗特性的影響。在低頻時或屏蔽層縱向長度不長時，采用單點接地技術(shù)較為適合。圖6-10屏蔽層單點接地干擾耦合電流流過較長距離后入地2．屏蔽層本身阻抗特性的影響圖6-10屏蔽層單點接地14當信號頻率很高或屏蔽層縱向長度接近或大于傳輸信號波長的1/16時，屏蔽層本身的縱向阻抗特性就不能被忽略。如果這時屏蔽層仍然采用單點接地技術(shù)，那么單點接地將迫使干擾電流流過較長的距離后才能入地，結(jié)果使干擾電流在屏蔽層縱向方向上會產(chǎn)生電壓降，形成屏蔽層在縱向方向上的各點電位不相同，應(yīng)在每間隔1/16信號波長的距離處進行接地一次。圖6-11保證屏蔽層每間隔1/16信號波長的距離接地一次當信號頻率很高或屏蔽層縱向長度接近或大于傳輸信號波長的115在接地技術(shù)實施過程中，常常是將屏蔽層與被屏蔽的導線分開，屏蔽層被扭絞成一個辮子形狀的粗導線后再接地，就是這個辮子形狀的粗導線很容易產(chǎn)生寄生(分布)電感，寄生電感對屏蔽層的屏蔽效能有著極為不利影響，這種影響就被稱為“豬尾（pigtail）”效應(yīng)?！柏i尾效應(yīng)”引起寄生電感Lp的存在，使屏蔽層的電場屏蔽性能發(fā)生了較大的變化，導致電場干擾耦合電壓增加。圖6-12“豬尾”效應(yīng)接地方式在接地技術(shù)實施過程中，常常是將屏蔽層與被屏蔽的導線分16圖6-13“豬尾”效應(yīng)等效電路圖圖6-14“豬尾”效應(yīng)產(chǎn)生的電場干擾耦合變化電場干擾耦合VN/Vs圖6-13“豬尾”效應(yīng)等效電路圖圖6-14“豬尾”效17圖6-15芯線伸出屏蔽層太長增加電場干擾耦合實際工程中在屏蔽電纜與設(shè)備或系統(tǒng)的接入點處，如果屏蔽層的長度過短，屏蔽電纜留出的芯線又過長，暴露在屏蔽層之外電纜芯線得不到屏蔽層的保護會使得整個電纜的電場屏蔽效能降低，圖6-15芯線伸出屏蔽層太長增加電場干擾耦合實際186.5幾種接地技術(shù)

接地從字面上看來是一件十分簡單的事情，但是對于從事電磁干擾的人來說，接地可能是一個非常復(fù)雜且難處理的事情。在一個場合中可能是一個很好的設(shè)計方案，但在另一個場合里就不一定是最好的。接地設(shè)計在很大程度上取決于設(shè)計者對“接地”這個概念理解程度的深淺和設(shè)計經(jīng)驗豐富與否。接地的方法很多，具體采用哪一種方法為妥要取決于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能。下面給出幾種在電子系統(tǒng)中經(jīng)常采用的接地技術(shù)，這些技術(shù)來源于已經(jīng)成功的經(jīng)驗之中。6.5幾種接地技術(shù)接地從字面上看來是一196.5.1單點接地單點接地是為許多接在一起的不同的電路提供一個公共電位參考點，這樣不同種類電路的信號就可以在不同種的電路之間傳輸。若沒有一個公共參考點，傳輸?shù)男盘柧蜁霈F(xiàn)錯誤。單點接地是要求每個電路只接地一次，并且全部接在同一個接地點上。該點常常作為地電位參考點。由于只存在一個參考點，因此有的電路的接地地線可能會拉得很長，增加了導線的分布電感和分布電容，因此在高頻電路中不宜采用單點接地的方法。另外因為單點接地在各電路中不存在地回路，所以能有效降低或抑制感性耦合干擾。圖6-16單點接地6.5.1單點接地單點接地是為許多接在一起的不同206.5.2多點接地設(shè)備內(nèi)電路都以機殼為參考點，而各個設(shè)備的機殼又都以地為參考點。這種接地結(jié)構(gòu)能夠提供較低的接地阻抗，而且每條地線可以做到很短。由于多根導線并聯(lián)能夠降低接地導體的總電感，因此在高頻電路中必須使用多點接地，并且要求每根接地地線的長度小于信號波長的1/16。圖6-17多點接地6.5.2多點接地設(shè)備內(nèi)電路都以機殼為參考點，而各個216.5.3混合單點接地

系統(tǒng)內(nèi)的電源需要單點接地，而高頻或射頻信號又要求多點接地，這時就可以采用混合單點接地的方法。這種接地方法的缺點是接地導線有時較長，不利于高頻或射頻電路所要求的接地性能，這種方法適用于板級電路的模擬地和數(shù)字地的接地方式。如果多點接地與設(shè)備的外殼或電源地相連接，并且設(shè)備的物理尺寸或連接電纜長度與干擾信號的波長相比很長，就存在通過機殼或電纜的作用產(chǎn)生干擾的可能性。圖6-18混合單點接地6.5.3混合單點接地系統(tǒng)內(nèi)的電源需要單點接地，而226.5.4混合多點接地混合多點接地方法不僅包含了單點接地特性也包含了多點接地特性，是經(jīng)常采用的一種接地方法。為了防止系統(tǒng)地之間的互相影響，減小地阻抗之間的耦合，接地層的面積越大越好。由于采用了就近接地，接地導線可以做到很短，這樣不僅降低了接地阻抗，同時還減小了接地回路的面積，有利于抑制干擾耦合的現(xiàn)象發(fā)生。圖6-19混合多點接地6.5.4混合多點接地混合多點接地方法不僅包含了單點23使用交流電供電的設(shè)備必須將設(shè)備的外殼與安全地線進行連接，否則當設(shè)備內(nèi)的電源與設(shè)備外殼之司的絕緣電阻變小時，會導致電擊傷害人身的事故。對于內(nèi)部噪聲和外部干擾的抑制需要在設(shè)備或系統(tǒng)上有許多點與地相連，主要是為干擾信號提供一個“最低阻抗”的旁路通道。設(shè)備的雷電保護系統(tǒng)是一個能夠泄放掉大電流強度的接地系統(tǒng)，它主要由接閃器(避雷針)、下引線和接地網(wǎng)體組成。雷電接地系統(tǒng)常常要與電源參考地線或安全地線共同連接，形成一個等電位的安全系統(tǒng)，接地網(wǎng)體的接地電阻應(yīng)足夠小(一般為幾個歐姆)。這里應(yīng)該指出，一般對地的設(shè)計要求是指對安全和雷電防護的接地要求，其他接地均包含在對系統(tǒng)或設(shè)備的功能性設(shè)計要求中。使用交流電供電的設(shè)備必須將設(shè)備的外殼與安全地線進行連246.5.5接地的一般性原則低頻電路：

對于低頻電路接地的問題，應(yīng)堅持一點接地的原則，而在一點接地的原則中，又有串聯(lián)接地和并聯(lián)接地兩種。單點接地是為許多接在一起的電路提供共同的參考點，其中并聯(lián)單點接地最為簡單而實用，地線上不會出現(xiàn)耦合干擾電流。這種接地方式一般在1MHz以下的工作頻率段內(nèi)能工作得很好，隨著使用信號頻率的升高，接地阻抗會隨著越來越大，電路模塊上會產(chǎn)生較大的共模干擾電壓。因此，單點接地不能適合于高頻電路模塊的接地設(shè)計。圖6-20串聯(lián)型和并聯(lián)型單點接地6.5.5接地的一般性原則低頻電路：圖6-20串聯(lián)25高于10MHz高頻電路：

對于工作頻率較高的模擬電路和數(shù)字電路而言，由于各個電路模塊或電路中的元器件引線的分布電感和分布電容以及電路布局本身的分布電感和分布電容都將會增加接地線的阻抗，非常容易造成電路間的互相耦合干擾的機會，從而使電路工作出現(xiàn)不穩(wěn)定等現(xiàn)象。為了降低接地線阻抗和接地線間的分布電感和分布電容所造成的電路引互相耦合干擾的機會，高頻電路宜采用就近接地，即“多點接地”的原則，將各電路模塊中的系統(tǒng)地線就近接到具有低阻抗的地線上。一般來說，當電路的工作頻率高于10MHz時，應(yīng)采用多點接地的方式。高頻接地的關(guān)鍵技術(shù)就是盡量減少接地線的分布電感和分布電容，所以高頻電路在接地的實施技術(shù)和方法上與低頻電路是有很大區(qū)別的。

高于10MHz高頻電路：26高低頻率混合電路：

當一個系統(tǒng)中既有低頻電路又有高頻電路(這是常有的情況)時，應(yīng)該采用混合接地的原則。系統(tǒng)內(nèi)的低頻部分需要單點接地，而高頻部分需要多點接地。一般情況下，可以把地線分成3大類，即電源地、信號地和屏蔽地。所有電源地線都接到電源總地線上，所有的信號地線都接到信號總地線上，所有的屏蔽地線都接到屏蔽總地線上，最后將3大類地線匯總到公共的地線上。高低頻率混合電路：276.6過程通道抗干擾措施抑制傳輸線干擾措施：光電隔離、雙絞線傳輸、阻抗匹配。1.光電隔離的長線浮置措施利用光電耦合器的電流傳輸特性，在長線傳輸時可以將模塊間兩個光電耦合器件用連線“浮置”起來。這種方法不僅有效地消除了各電氣功能模塊間的電流流經(jīng)公共地線時所產(chǎn)生的噪聲電壓互相竄擾，而且有效地解決了長線驅(qū)動和阻抗匹配問題。圖6-21長線傳輸?shù)墓怦罡≈锰幚?.6過程通道抗干擾措施抑制傳輸線干擾措施：光電隔離、雙絞282.雙絞線傳輸措施在長線傳輸中，雙絞線是較常用的一種傳輸線，與同軸電纜相比，雖然頻帶較窄，但阻抗高。降低了共模干擾。由于雙絞線構(gòu)成的各個環(huán)路，改變了線間電磁感應(yīng)的方向。使其相互抵消，因而對電磁場的干擾有一定的抑制效果。圖6-22雙線降低共模干擾2.雙絞線傳輸措施圖6-22雙線降低共模干擾29雙絞線10m以上雙絞線10m左右（a）（5m以內(nèi)）（b）(c)圖6-23長線傳輸中雙絞線的使用方法當傳輸距離在5m以下時，收發(fā)兩端設(shè)計負載電阻，若發(fā)射側(cè)為OC門輸出，接收側(cè)采用施密特觸發(fā)器更能提高抗干擾能力。

對于遠距離傳輸或傳輸線途經(jīng)強噪聲區(qū)域時，可選用平衡輸出的驅(qū)動器和平衡接收的接收器集成電路芯片，收發(fā)信號兩端都有無源電阻，選用的雙絞線也應(yīng)進行阻抗匹配。

雙絞線10m以上雙絞線10m左右（a）（5m以內(nèi)）30當雙絞線與光電隔離器件聯(lián)合使用時，6-24(a)中的發(fā)射端為OC門(如7407)與光電耦合器的連接電路。6-24(b)為中間開關(guān)觸點通過雙絞線與光電耦合器的連接電路。如果在光電耦合器的光敏晶體管的基極上接有隊0.01μF左右的電容及10-20MΩ高阻值電阻，且后面又接斯密特觸發(fā)器時，則會大大增強抗信號振蕩與抗干擾能力。圖6-24光電耦合器與雙絞線聯(lián)合使用當雙絞線與光電隔離器件聯(lián)合使用時，6-24(a)中的發(fā)313.長線傳輸?shù)淖杩蛊ヅ溟L線傳輸時，若收發(fā)兩端的阻抗不匹配，則會產(chǎn)生信號反射，使信號失真，其危害程度與傳輸?shù)念l率及傳輸線長度有關(guān)。為了對傳輸線進行阻抗匹配，首先要估算出它的特性阻抗Rp。圖6-25所示為利用示波器進行測定的方法。圖中調(diào)節(jié)電位器阻值R，當A門的輸出波形失真最小，反射波幾乎消失，這時的R值可以被認為是該傳輸線的特性電阻Rp的值。圖6-25傳輸線特性阻抗測試3.長線傳輸?shù)淖杩蛊ヅ鋱D6-25傳輸線特性阻抗測試32a)終端并聯(lián)阻抗匹配b)始端串聯(lián)阻抗匹配c)終端并聯(lián)隔直流匹配d)終端接鉗位二極管匹配圖6-26傳輸線的阻抗匹配形式(1)終端并聯(lián)阻抗匹配:終端匹配電阻的R1、R2的阻值按Rp=R1/R2(一般R1為220～230Ω，R2為270～390Ω)。由于終端阻值低，相當于加重負載，使高電平有所下降，故高電平的抗干擾能力會有所下降。(2)始端阻抗匹配:匹配電阻R的取值為Rp與A點輸出低電平時的輸出阻抗(約20Ω)之差。這種匹配方法會使終端的低電平提高，相當于增加了輸出阻抗。降低了低電平的抗干擾能力。(3)終端隔直匹配:當電容C值較大時，可使其阻抗近似為零，它只起隔離直流作用，而不影響阻抗匹配，所以只要R=Rp即可。而C≥lO×T/(R1+Rp)，其中T為傳輸脈沖寬度；R1為始端低電平輸出阻抗(約20Ω)；這種連接方式能增加傳輸線對高電平的抗干擾能力。(4)終端接鉗伍二極管匹配:利用二極管D把B門輸入端低電平鉗位在0.3V以內(nèi)，減少波的反射和振蕩，并且可以大大減少線間竄擾，提高動態(tài)干擾能力。a)終端并聯(lián)阻抗匹配b)始端串聯(lián)阻抗匹配(1)終334.長線的電流傳輸

長線傳輸時，用電流傳輸代替電壓傳輸，可獲得較好的抗干擾能力。例如，以傳感器直接輸出0～20mA電流在長線上傳輸，在接收端可并上500Ω(或1kΩ)的精密金屬膜電阻，將此電流轉(zhuǎn)換為0～5V(或0～10V)電壓，然后送入A/D轉(zhuǎn)換通道。圖6-27傳感器的長線電流傳輸4.長線的電流傳輸345.傳輸線的合理布局（1）強電饋線必須單獨走線，不能與信號線混扎在一起；（2）強信號線與弱信號線應(yīng)盡量避免平行走向，有條件的場合下，應(yīng)努力使二者正交；（3）強弱信號平行走線時，線間距離應(yīng)為干擾線內(nèi)徑的40倍。5.傳輸線的合理布局356.7模擬信號的線性光耦隔離

現(xiàn)代電子電氣測量、控制中，常常需要用低壓器件去測量、控制高電壓、強電流等模擬量，如果模擬量與數(shù)字量之間沒有電氣隔離，那么，高電壓、強電流很容易串入低壓器件，并將其燒毀。線性光耦可以較好的實現(xiàn)模擬量與數(shù)字量之間隔離。本節(jié)介紹線性光耦器件HCNR200及其工作原理。6.7模擬信號的線性光耦隔離現(xiàn)代電子366.7.1HCNR200基本工作原理HCNR200光電耦合器主要技術(shù)指標如下：(1)具有±0.05%的最大線性誤差，HCNR200具有最大±15%的傳輸增益偏差；(2)具有較寬的帶寬，從DC到1MHz以上；(3)絕緣電阻高達1013Ω，輸入和輸出回路之間的分布電容為0.4pF；(4)耐壓能力為5000V/min，最大絕緣工作電壓為1000V；具有0～15V的輸入輸出電壓范圍。6.7.1HCNR200基本工作原理37圖6-28HCNR200的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理HCNR200光電耦合器的內(nèi)部LED為發(fā)光二極管，PD1、PD2是兩個相鄰匹配的光敏二極管。光敏二極管的PN結(jié)在反向偏置狀態(tài)下運行，它的反向電流與光照強度成正比，這種封裝結(jié)構(gòu)決定了每一個光敏二極管都能從LED得到近似相等的光強，從而消除了LED的非線性和偏差特性所帶來的誤差。電流If流過LED時，LED發(fā)出的光被耦合到PD1與PD2，在器件輸出端產(chǎn)生與光強成正比的輸出電流Ipd1和Ipd2。Ipd1=K1·If，Ipd2=K2·If，K=Ipd2/Ipd1。K1、K2分別為輸入、輸出光電二極管的電流傳輸比，其典型值均在0.05%左右。K為傳輸增益，當一只HCNR200被制造出來后，其輸出側(cè)光電流Ipd2和輸入側(cè)光電流Ipd1之比是一個恒定值K，K在1±0.15之間。圖6-28HCNR200的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理HCNR20386.7.2HCNR200基本工作電路Vin=Ipd1·R1Vout=Ipd2·R2Vout/Vin=K(R2/R1)其中K=Ipd2/Ipd1，K為HCNR200的傳輸增益，K在1±0.15之間?？梢钥闯?，Vout和Vin成線性關(guān)系，與LED的光強輸出特性無關(guān)。并且僅僅通過調(diào)整R1和R2的值，就可以改變此隔離放大電路的增益。圖6-29HCNR200的基本工作電路6.7.2HCNR200基本工作電路圖6-29HCNR39圖6-30高精度電壓檢測電路Ipd1=UAIN/R2Ipd2=UAOUT/(R4+R5//R6)從而得到UAOUT=UAIN·K（R4+R5//R6）/R2

可見，被測電壓和輸出電壓之間存在正比的關(guān)系，只要適當選取電阻R2、R4、R5、R6的阻值，就可以得到一定比例的隔離輸出電壓。圖6-30高精度電壓檢測電路Ipd1=UAIN/R240圖6-31實用模擬信號線性光電隔離電路圖6-31是一個實用的模擬信號線性光電隔離電路，實驗數(shù)據(jù)證明UAOUT=UAIN，誤差小于±1%。圖6-31實用模擬信號線性光電隔離電路圖6-31是一個實用416.8空間干擾的抑制空間電磁輻射干擾的強度雖然小于傳導型干擾，但因為系統(tǒng)中的傳輸線以及電源線都具有天線效應(yīng)，不但能吸收電磁波產(chǎn)生干擾電動勢，而且能自身輻射能量。形成電源線及信號線之間的電場和磁場耦合。防止空間干擾的主要方法是屏蔽和接地，要做到良好屏蔽和正確接地，須注意以下問題:（1）消除靜電干擾最簡單的方法是把感應(yīng)體接地，接地時要防止形成接地環(huán)路。（2）為了防止電磁場干擾，可采用帶屏蔽層的信號線(絞線型最佳)，并將屏蔽層單端接地。（3）不要把導線的屏蔽層當作信號線或公用線來使用。（4）在布線方面，不要在電源電路和檢測、控制電路之間使用公用線，也不要在模擬電路和數(shù)字脈沖電路之間使用公用線，以免互相串擾。6.8空間干擾的抑制空間電磁輻射干擾的強度雖然小于426.9軟件抗干擾技術(shù)各種形式的干擾最終會反映在系統(tǒng)的微機模塊中，導致數(shù)據(jù)采集誤差、控制狀態(tài)失靈、存儲數(shù)據(jù)竄改以及程序運行失常等后果，雖然在系統(tǒng)硬件上采取了上述多種抗干擾措施，但仍然不能保證萬無一失，因此，軟件抗干擾措施的研究愈來愈引超人們的重視。6.9.1實施軟件抗干擾的必要條件軟件抗干擾是屬于微機系統(tǒng)的自身防御行為，采用軟件抗干擾的必要條件是:（1）在干擾的作用下，微機硬件部分以及與其相連的各功能模塊不會受到任何損毀，或易損壞的單元設(shè)置有監(jiān)測狀態(tài)可查詢。（2）系統(tǒng)的程序及固化常數(shù)不會因干擾的侵入而變化。（3）RAM區(qū)中的重要數(shù)據(jù)在干擾侵入后可重新建立，并且系統(tǒng)重新運行時不會出現(xiàn)不允許的數(shù)據(jù)。6.9軟件抗干擾技術(shù)各種形式的干擾最終會反映在系統(tǒng)436.9.2數(shù)據(jù)采樣的抗干擾的抑制1.抑制工頻干擾

工頻干擾侵入微機系統(tǒng)的前向通道后，往往會將干擾信號迭加在被測信號上，特別當傳感器模擬量接口是小電壓信號輸出時，這種串聯(lián)迭加會使被測信號淹沒。要消除這種串聯(lián)干擾，可使采樣周期等于電網(wǎng)工頻周期的整數(shù)倍，使工頻干擾信號在采樣周期內(nèi)自相抵消。實際工作中，工頻信號頻率是變動的，因此采樣觸發(fā)信號應(yīng)采用硬件電路捕獲電網(wǎng)工頻，并發(fā)出工頻周期的整數(shù)倍的信號輸入微機。微機根據(jù)該信號觸發(fā)采樣，這樣可使系統(tǒng)對工頻串模干擾能力。6.9.2數(shù)據(jù)采樣的抗干擾的抑制442.數(shù)字濾波

（1）“采四取二”值濾波；（2）均值濾波；（3）一階遞推數(shù)字濾波:這種方法是利用軟件實現(xiàn)RC低通道濾波器的功能，能很好地消除周期性干擾和頻率較高的隨機干擾，適用于對變化過程比較慢的參數(shù)進行采樣。一階遞推濾波的計算公式為式中α為與數(shù)字濾波器的時間常數(shù)有關(guān)的系數(shù)，α=采樣周期/（濾波時間常數(shù)+采樣周期）xn為第n次采樣數(shù)據(jù)；yn為第n次濾波輸出數(shù)據(jù)(結(jié)果)。α取值越大，其截止頻率越高。2.數(shù)字濾波453.寬度判斷抗尖峰脈沖干擾若被測信號為脈沖信號，由于在正常情況時，采樣信號具有一定的脈沖寬度，而尖峰干擾的寬度很小，因此可通過判斷采樣信號的寬度來剔除干擾信號。首先對數(shù)字輸入口采樣，等待信號的上升沿到來(設(shè)高電平有效)，當信號到來時，連續(xù)訪問該口n次(圖中為5次)，若n次訪問中，該口電平始終為高，則認為該脈沖有效。若n次采樣中有不為高電平的信號，則說明該口受到干擾，信號無效。這種方法在使用時，應(yīng)注意n次采樣時間總和必須小于被測信號的脈沖寬度。4.重復(fù)檢查法這種方法是一種容錯技術(shù)，是以軟件冗余的辦法來提高系統(tǒng)的抗干擾特性，適用于緩慢變化的信號抗干擾處理。因為干擾信號的強弱不具有一致性，因此，對被測信號多次采樣，若所有采樣數(shù)據(jù)均一致，則認為信號有效；若相鄰兩次采樣數(shù)據(jù)不一致，或多次采樣的數(shù)據(jù)均不一致，則認為是干擾信號。3.寬度判斷抗尖峰脈沖干擾466.9.3程序運行失常的軟件抗干擾措施系統(tǒng)因受到干擾侵害致使程序運行失常，是由于程序指針PC被竄改。當程序指針指向操作數(shù)，將操作數(shù)作為指令碼執(zhí)行時，或程序指針值超過程序區(qū)的地址空間，將非程序區(qū)中的數(shù)據(jù)作為指令碼執(zhí)行時，都將造成程序的盲目運行，或進入死循環(huán)。程序的盲目運行，不可避免地會盲目讀寫RAM或寄存器，而使數(shù)據(jù)區(qū)及寄存器的數(shù)據(jù)發(fā)生竄改。對程序運行失常的對策是:（1）設(shè)置Watchdog功能，由硬件配合，監(jiān)視軟件的運行情況，遇到故障進行相應(yīng)的處理。（2）設(shè)置軟件陷阱，當程序指針失控而使程序進入非程序空間時，在該空間中設(shè)置攔截指令，使程序避入陷阱，然后強迫其轉(zhuǎn)入初始狀態(tài)。6.9.3程序運行失常的軟件抗干擾措施476.10鐵氧體插損器6.10.1鐵磁性材料（鐵氧體）特性在抑制電磁波輻射干擾時，經(jīng)常利用鐵磁性材料的特性來達到抗干擾設(shè)計的要求，用得最多的一種鐵磁性材料就是鐵氧體材料。鐵氧體材料常常被制作成各種各樣的屏蔽腔體或屏蔽構(gòu)件，以達到抑制干擾的設(shè)計要求。鐵氧體材料最重要的特性就是它的復(fù)磁導率特性。復(fù)磁導率與鐵氧體材料的阻抗有著非常緊密的聯(lián)系。鐵氧體材料的應(yīng)用范圍主要有以下3個方面：(1)低電平信號系統(tǒng)中的干擾抑制。(2)電源系統(tǒng)中的干擾抑制。(3)電磁輻射干擾的抑制。6.10鐵氧體插損器6.10.1鐵磁性材料（鐵氧體）特486.10.2磁導率對電磁干擾的影響在應(yīng)用鐵氧體抑制電磁干擾方面，對鐵氧體性能影響最大的是鐵氧體材料的磁導率特性。鐵氧體抑制傳導或輻射電磁干擾的3種方式：第1種方式：將鐵氧體制成實際的屏蔽層來將導體、元器件或電路與周圍環(huán)境中的雜散干擾電磁場隔離開，這種方式不常用。第2種方式：是將鐵氧體用作電容器器件，形成低通濾波器的特性。在低頻段提供衰減較小的感性—容性通路，而在較高的頻段范圍內(nèi)衰減較大，這樣就抑制了較高頻段范圍內(nèi)電磁干擾。第3種方式：將鐵氧體制成鐵氧體芯，單獨安裝在元器件的引線端或電路板上的輸入/輸出引線上，以達到抑制輻射歸納擾的目的。這是最常用的一種應(yīng)用方式，鐵氧體芯能夠抑制任何形式的寄生電磁振蕩、電磁感應(yīng)、傳導輻射等在元器件引線端或與之電路板相連的電纜芯線中的干擾信號。6.10.2磁導率對電磁干擾的影響49在第2種和第3種方式的應(yīng)用中，就是利用鐵氧體芯能夠消除或衰減出現(xiàn)在源端電磁干擾的高頻電流，達到抑制傳導輻射干擾的目的。利用鐵氧體材料在高頻段能夠提供足夠高的高頻阻抗來減小高頻干擾電流這一特性。從理論上來講，較為理想的鐵氧體能夠在高頻段范圍內(nèi)提供較高阻值的阻抗，而在其他頻段上提供低值阻抗。但是在實際中，鐵氧體芯的阻抗值是隨著頻率變化而變化的，一般情況下，在低頻段范圍內(nèi)(低于lMHz以下)，不同材料的鐵氧體，給出的最高阻抗值在50Ω～300Ω之間。在頻率范圍lOMHz～1OOMHz之間，會出現(xiàn)更高的阻抗值。在第2種和第3種方式的應(yīng)用中，就是利用鐵氧體芯能夠消50圖6-32初始磁導率為2500的錳鋅鐵氧體隨頻率變化的特性圖6-33初始磁導率為850的鎳鋅鐵氧體隨頻率變化的特性鐵氧體的復(fù)磁導率參數(shù)是一個非常重要的參數(shù)，它的大小直接影響著鐵氧體材料抑制電磁干擾性能的好與壞。

圖6-32初始磁導率為2500的圖6-33初始磁導率為851當鐵氧體材料用于低電平信號系統(tǒng)和低功率電源系統(tǒng)方面時，所涉及到的頻率參數(shù)都低于上述頻率值，因此，在低電平信號系統(tǒng)和低功率電源系統(tǒng)方面應(yīng)用時，很少討論鐵氧體磁導率和磁損耗等參數(shù)。當應(yīng)用在高頻環(huán)境中時，例如，用于抑制電磁干擾方面時，就必須要給出鐵氧體磁導率或磁損耗的頻率特性的參數(shù)。

第六章機電一體化系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計教材課件526.10.3鐵氧體的特性阻抗用磁導率來表示鐵氧體材料阻抗的表達式：（6-7）式中，μ＇為復(fù)磁導率的實部；μ＇＇為復(fù)磁導率的虛部；j為虛部矢量L０為鐵氧體材料空芯時的電感量。鐵氧體材料的阻抗也可以看作是感抗XL和損耗電阻Rs的串聯(lián)形式。它們都與頻率有著密切的關(guān)系：（6-8）式中，Rs為損耗阻抗的總和。Rs=RM+RE，RM代表磁損耗等效阻，RE代表銅損耗等效阻抗。6.10.3鐵氧體的特性阻抗53在低頻段的范圍內(nèi)，鐵氧體材料的阻抗主要是損耗電阻。隨著頻率的升高，電感抗隨之增加，阻抗增加，插入損耗增加。（a）（b）圖6-35便攜安裝對開式鐵氧體材料的幾何形狀及插入損耗隨頻率變化曲線（a）便攜安裝對開式鐵氧體材料的幾何形狀（b）便攜安裝對開式鐵氧體材料插入損耗隨頻率變化曲線在低頻段的范圍內(nèi)，鐵氧體材料的阻抗主要是損耗電阻。546.10.3鐵氧體插損器件及應(yīng)用鐵氧體插損器件就是利用鐵氧體材料制成的，在不同頻段內(nèi)具有不同插入損耗值的一種器件，可以作為電纜和連接器等來抑制射頻干擾。這種器件使用最簡單、最方便和最有效，因而被廣泛使用。它們既可衰減射頻干擾信號，也可在不降低直流或低頻信號能量的情況下，抑制無用的高頻振蕩信號。影響鐵氧體抑制干擾性能的參數(shù)主要是電、磁和結(jié)構(gòu)關(guān)系的性能特征參數(shù)。選擇鐵氧體插損器件時，要根據(jù)不同頻段的敏感度來進行匹配。當安裝上了鐵氧體插損器件時，低頻信號的損耗非常小，能夠順利通過，信號能量不會有明顯的降低，但對于頻率較高的信號，鐵氧體對其產(chǎn)生比低頻段區(qū)域更高的阻抗，從而有選擇地抑制掉了高頻干擾信號。6.10.3鐵氧體插損器件及應(yīng)用55圖6-38鐵氧體材料制成的插入衰減器（鐵氧體插損器件）

較為常用的鐵氧體插損器是一種對開式插損器，它使用安裝非常方便，適合應(yīng)用于許多場合中。對開式鐵氧體插損器具有較高的磁導率，性能相對鐵氧體濾波器來講較為穩(wěn)定，不會有較高的渦流損耗。與其他材料制成的插損器相比，單位體積阻抗值可以做到非常高，這是鐵氧體材料的最大優(yōu)點。對開式鐵氧體衰減器能夠用來滿足電磁兼容領(lǐng)域內(nèi)的各種工作需求。圖6-38鐵氧體材料制成的插入衰減器（鐵氧體插損器件）56圖6-39鐵氧體衰減器抑制供電電源上的輻射干擾