數(shù)據(jù)采集與分析技術(shù)（第2版）課件：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)抗干擾技術(shù)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)抗干擾技術(shù)7.1干擾的形成與抗干擾設(shè)計7.2硬件抗干擾技術(shù)7.3軟件抗干擾技術(shù)

在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計過程中要考慮抗干擾問題。一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計的成敗與否，很大程度上取決于該系統(tǒng)的設(shè)計是否充分考慮了干擾并采取了有效的抗干擾措施。

本章第7.1節(jié)從產(chǎn)生干擾的三要素出發(fā)，討論了抗干擾設(shè)計的一般原則和相應(yīng)措施，第7.2節(jié)和第7.3節(jié)將從硬件和軟件兩方面分別討論抗干擾技術(shù)的具體實施。

7.1干擾的形成與抗干擾設(shè)計

本書所提到的“干擾”通常是指電磁干擾(ElectroMagneticInterference，

EMI)。在進行電磁干擾分析時，應(yīng)該分別考慮“電磁”和“干擾”兩種因素。

靜止的電荷稱為靜電。當(dāng)不同的電荷向同一個方向移動時，便發(fā)生了靜電放電，產(chǎn)生電流，電流周圍產(chǎn)生磁場。如果電流的方向和大小持續(xù)不斷變化就產(chǎn)生了電磁波。電以各

種狀態(tài)存在，通常把這些狀態(tài)統(tǒng)稱為電磁場。

干擾是指設(shè)備受到電磁場的影響后性能降低，例如雷電使收音機產(chǎn)生雜音，摩托車在電視機附近行駛后電視畫面出現(xiàn)雪花以及拿起電話后聽到的無線電聲音等。

與電磁場干擾相關(guān)的概念還有電磁敏感度(ElectroMagneticSusceptibility，

EMS)和電磁兼容性(ElectroMagneticCompatibility，

EMC)。電磁敏感度(

EMS)是指由于電磁場能量造成性能下降的容易程度。為了通俗易懂，可以將電子設(shè)備比喻為人，將電磁能量比喻成感冒病毒，敏感度就是是否易患感冒。如果不易患感冒，說明免疫力強，也就是英語單詞Immunity，即抗電磁干擾性強。電磁兼容性(EMC)指設(shè)備所產(chǎn)生的電磁能量既不對其他設(shè)備產(chǎn)生干擾，也不受其他設(shè)備的電磁能量干擾的能力。

7.1.1干擾的形成

1.干擾三要素

可以把形成干擾的基本要素概括為如下三種，分別是干擾源、傳播路徑和敏感器件。

1)干擾源

干擾都是由干擾源產(chǎn)生的。干擾源是指產(chǎn)生干擾的元件、設(shè)備或信號，用數(shù)學(xué)語言可描述為電壓導(dǎo)數(shù)(du/dt)和電流導(dǎo)數(shù)(di/dt)大的地方就是干擾源，例如雷電、繼電器、可

控硅、電機、高頻時鐘和高頻PWM信號等都可能成為干擾源。

2)傳播路徑

傳播路徑指干擾從干擾源傳播到敏感器件的通路或媒介。干擾通過傳播路徑到達敏感器件，典型的干擾傳播路徑有通過導(dǎo)線的傳導(dǎo)和空間的輻射。

電磁干擾按干擾的傳播路徑可分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩類。傳導(dǎo)干擾是指通過導(dǎo)線傳播到敏感器件的干擾;輻射干擾是指通過空間輻射傳播到敏感器件的干擾。

3)敏感器件

敏感器件指容易被干擾的對象。干擾可通過敏感器件表現(xiàn)出來，并使敏感器件不能正常工作。常見的敏感器件包括A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、單片機、數(shù)字IC和弱信號放大器等。

2.干擾的分類

干擾可以按照下面所列的六類進行劃分:

(1)按照發(fā)生源的不同可將干擾分為自然干擾和人為干擾。自然干擾包括大氣干擾、雷電干擾和宇宙干擾。人為干擾包括功能性干擾及非功能性干擾。功能性干擾指系統(tǒng)中某

一部分正常工作所產(chǎn)生的有用能量對其他部分的干擾，而非功能性干擾指無用的電磁能量所產(chǎn)生的干擾，例如發(fā)動機點火系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾。

(2)按照干擾傳播途徑的不同可以將干擾分為通過電源線、信號線、地線、大地等途

徑傳播的傳導(dǎo)干擾和通過空間直接傳播的空間干擾兩類。

(3)按照產(chǎn)生原因的不同可將干擾分為電源干擾、反射干擾、振鈴(LC共振)干擾、上沖和下沖干擾、狀態(tài)翻轉(zhuǎn)干擾，串?dāng)_干擾(相互干擾、串音)以及直流電壓跌落干擾。

(4)按照不同設(shè)備工作原理的不同可以將干擾分為出現(xiàn)在輸出入端子上的干擾(電流交流聲、尖峰脈沖噪聲、回流噪聲)和影響內(nèi)部工作的干擾(開關(guān)干擾、振蕩、再生噪聲)。

(5)按照發(fā)生的頻率的不同可將干擾分為突發(fā)干擾、脈沖干擾、周期性干擾、瞬時干擾、隨機干擾和跳動干擾。

(6)按照頻率范圍的不同可以將干擾分為低頻干擾和高頻干擾。

干擾可以分成很多類別，這些干擾既產(chǎn)生于電氣電子設(shè)備，又干擾電氣電子設(shè)備，造成設(shè)備的故障和停用，使數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不能正常工作。

3.干擾的耦合方式

干擾耦合(或輻射)的形式一般包括靜電耦合、互感耦合、公共阻抗耦合和漏電流耦合。

1)靜電耦合(電容性耦合)

靜電耦合是由電路間經(jīng)雜散電容耦合到電路中的一種干擾與噪聲耦合方式。圖7.1所示的是靜電耦合的電路模型。圖中U1

為干擾電路在a、b兩點之間的電動勢，

Z2

為受擾電路在c、d兩點間的等效輸入阻抗，

C為干擾源電路和受擾電路間存在的等效寄生電容。受擾電路在點c、d間所感受到的干擾信號為

由此可見，受擾電路所感受到的干擾信號U2隨U1

、C、Z2

和干擾信號的頻率ω增大而增大。減小受擾電路的等效輸入阻抗Z2

和電路間的寄生電容C，可以降低靜電耦合的干擾與噪聲。圖7.1靜電耦合電路模型

2)互感耦合(電感性耦合)

互感耦合是由電路間寄生互感耦合到電路的一種干擾與噪聲耦合方式。圖7.2所示的是互感耦合的電路模型。圖中I1為干擾源電路在點a、b間的等效輸入電流源，

M為干擾源電路和受擾電路間的等效互感，則受擾電路在點c、d間

所感受到的干擾信號為

由此可見，受擾電路所感受到的干擾信號U2隨I1

、M

和干擾信號的頻率ω增大而增大。減小受擾電路的寄生互感M，可以降低互感耦合的干擾與噪聲。圖7.2互感耦合電路模型

3)公共阻抗耦合

公共阻抗耦合是由電路間的公共阻抗耦合到電路的一種干擾與噪聲耦合方式。圖7.3所示的是公共阻抗耦合的電路模型。圖中I1為干擾源電路在點a、b間的電流源，

Z2

為受擾電路在點c、d間的等效輸入阻抗，

Z1

為干擾源電路

和受擾電路間的公共阻抗，則受擾電路在c、d間所感受到的干擾信號為

由此可見，受擾電路所感受到的干擾信號U2隨I1

、Z1

的增大而增大。減小干擾電路和受擾電路的公共阻抗Z1

，可以降低公共阻抗耦合的干擾與噪聲。圖7.3公共阻抗耦合電路模型

4)漏電流耦合

漏電流耦合是由電路間的漏電流耦合到電路的一種干擾與噪聲耦合方式。圖7.4所示是漏電流耦合的電路模型。圖中U1

為干擾電路在點a、b之間的電動勢，

Z2

為受擾電路在點c、d間的等效輸入阻抗，

Z1為干擾源電路和受擾電路間的漏電電阻，則受擾電路在點c、d間所感受到

的干擾信號為

由此可見，受擾電路所感受到的干擾信號U2隨U1

和Z2

的增大而增大，隨Z1的增大而減小。如果增大干擾電路和受擾電路間的漏電阻抗Z1，減小受擾電路的等效輸入阻抗Z2

，都可降低漏電流耦合的干擾與噪聲。圖7.4漏電流耦合電路模型

7.1.2抗干擾設(shè)計

根據(jù)形成干擾的三要素，抗干擾設(shè)計的基本原則是抑制干擾源、切斷干擾傳播路徑和提高敏感器件的抗干擾性能。

1.抑制干擾源

抑制干擾源就是盡可能地減小干擾源的電壓導(dǎo)數(shù)“du

/dt

”和電流導(dǎo)數(shù)“di/dt

”的量值。這是抗干擾設(shè)計中最優(yōu)先考慮的和最重要的原則，常常會起到事半功倍的效果。減小干擾源的“du

/dt

”主要是通過在干擾源兩端并聯(lián)濾波電容來實現(xiàn)的，減小干擾源的“di

/dt

”則是通過在干擾源回路串聯(lián)電感或電阻以及增加續(xù)流二極管來實現(xiàn)的。

抑制干擾源的常用措施如下:

(1)繼電器線圈增加續(xù)流二極管，消除斷開線圈時產(chǎn)生的反電動勢干擾。僅加續(xù)流二極管會使繼電器的斷開時間滯后，若再增加穩(wěn)壓二極管，則繼電器在單位時間內(nèi)可動作更多的次數(shù)。

(2)在繼電器接點兩端并接火花抑制電路(一般是RC串聯(lián)電路，電阻一般選幾千歐到幾十千歐，電容選0.01μF)，減小電火花的影響。

(3)給電機加濾波電路，電容和電感的引線要盡量短。

(4)電路板上每個IC要并接一個0.01~0.1μF高頻電容，以減小IC對電源的影響。高頻電容的布線，連線應(yīng)靠近電源端并盡量粗短，否則，等于增大了電容的等效串聯(lián)電阻，

會影響濾波效果。

(5)布線時避免90°折線，減少高頻噪聲發(fā)射。

2.切斷干擾傳播路徑

對于傳導(dǎo)干擾，高頻干擾噪聲和有用信號的頻帶不同，可以通過在導(dǎo)線上增加濾波器的方法切斷高頻干擾噪聲的傳播，有時也可加隔離光耦來解決。電源噪聲的危害最大，要

特別注意處理。

對于輻射干擾，一般的解決方法是增加干擾源與敏感器件的距離，用地線把它們隔離和在敏感器件上加屏蔽罩。

切斷干擾傳播路徑的常用措施如下:

(1)充分考慮電源對單片機的影響。電源做得好，整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的抗干擾就解決了一大半。許多單片機對電源噪聲很敏感，要給單片機電源加濾波電路或穩(wěn)壓器，以減小

電源噪聲對單片機的干擾。比如，可以利用磁珠和電容組成π形濾波電路，當(dāng)然條件要求不高時也可用100Ω電阻代替磁珠。

(2)如果單片機的I/O口用來控制電機等噪聲器件，在I/O口與噪聲源之間應(yīng)加隔離(增加π形濾波電路)?？刂齐姍C等噪聲器件，在I/O口與噪聲源之間應(yīng)加隔離(增加π形

濾波電路)。

(3)注意晶振布線。晶振與單片機引腳盡量靠近，用地線把時鐘區(qū)隔離起來，晶振外殼接地并固定。此措施可解決許多疑難問題。

(4)電路板合理分區(qū)。如強信號和弱信號分開，數(shù)字信號和模擬信號分開。盡可能把干擾源(如電機、繼電器)與敏感元件(如單片機)遠離。

(5)用地線把數(shù)字區(qū)與模擬區(qū)隔離，數(shù)字地與模擬地要分離，最后在一點接于電源地。A/D、D/A芯片布線也以此為原則，廠家分配A/D、D/A芯片引腳排列時已考慮此要求。

(6)單片機和大功率器件的地線要單獨接地，以減小相互干擾。大功率器件盡可能放在電路板邊緣。

(7)在單片機I/O口，電源線和電路板連接線等關(guān)鍵地方使用抗干擾元件，如磁珠、磁環(huán)、電源濾波器和屏蔽罩，可顯著提高電路的抗干擾性能。

3.提高敏感器件的抗干擾性能

提高敏感器件的抗干擾性能是指從敏感器件這邊考慮盡量減少對干擾噪聲的拾取，以及從不正常狀態(tài)盡快恢復(fù)的方法。

提高敏感器件抗干擾性能的常用措施如下:

(1)布線時盡量減少回路的面積，以降低感應(yīng)噪聲。

(2)布線時，電源線和地線要盡量粗。除減小壓降外，更重要的是降低耦合噪聲。

(3)對于單片機閑置的I/O口，不要懸空，要接地或接電源。其他IC的閑置端在不改變系統(tǒng)邏輯的情況下接地或接電源。

(4)對單片機使用電源監(jiān)控及看門狗電路，如IMP809、IMP706、IMP813、X25043、X25045等，可大幅度提高整個系統(tǒng)的抗干擾性能。

(5)在速度能滿足要求的前提下，盡量降低單片機的晶振和選用低速數(shù)字電路。

(6)IC器件盡量直接焊在電路板上，少用IC插座。

7.2硬件抗干擾技術(shù)

屏蔽、濾波、接地是解決電磁干擾問題的三種基本方法，下面分別討論。

7.2.1屏蔽

屏蔽是用導(dǎo)電或?qū)Т朋w的封閉面將其內(nèi)外兩側(cè)空間進行的電磁隔離。因此，從其一側(cè)空間向另一側(cè)空間傳輸?shù)碾姶拍芰?，由于屏蔽而被抑制到極小量。這種干擾抑制效果稱為

屏蔽效能或屏蔽插入衰減，用分貝表示。令空間某點在沒有屏蔽時的場強為Eo

或Ho

，設(shè)計屏蔽后該點的場強為Ei

或Hi

，于是屏蔽效能S為

或

屏蔽效能是頻率和材料電磁參數(shù)的函數(shù)。另外，材料的厚度和屏蔽體的連接對屏蔽效能也有顯著影響。

1.屏蔽的分類

根據(jù)頻率和作用機理不同，屏蔽可以分下面幾種:

(1)直流磁場屏蔽:其屏蔽效能取決于屏蔽材料的導(dǎo)磁系數(shù)μ。

(2)地磁屏蔽:地磁場接近于直流磁場，但實際上它是在20~50Hz頻率范圍漂動。因此，對地磁屏蔽可看成是對疊加有效流場的直流磁場屏蔽。為了獲得較好的屏蔽效能，屏蔽體應(yīng)采用高導(dǎo)磁材料，通過控制剩余感應(yīng)B來抵消外界直流磁場。控制的方法是，用一個高強度的高斯線圈放在屏蔽室中或靠近屏蔽室，進行急劇磁化和交流去磁，以免屏蔽體磁化飽和或出現(xiàn)不希望的剩余感應(yīng)，使剩余感應(yīng)達到所期望的數(shù)值。

(3)低頻磁場屏蔽:從狹義角度，是指甚低頻(VLF)和極低頻(ELF)的磁場屏蔽。主要屏蔽機理是利用高導(dǎo)磁材料具有低磁阻的特性，使磁場盡可能通過磁阻很小的屏蔽殼體，而盡量不擴散到外部空間。屏蔽殼體對磁場起磁分路作用。其屏蔽效能主要取決于屏蔽材料的導(dǎo)磁系數(shù)μ;隨著頻率增加，材料的電導(dǎo)率σ也起一定作用。

(4)電磁屏蔽:從廣義角度，所有屏蔽均屬電磁屏蔽。但從狹義角度，電磁屏蔽是指從1~10kHz到40GHz頻率范圍的屏蔽。電磁屏蔽的機理是磁感應(yīng)現(xiàn)象。在外界交變電磁

場的作用下，通過電磁感應(yīng)屏蔽殼體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流，而該感應(yīng)電流在屏蔽空間又產(chǎn)生了與外界電磁場方向相反的電磁場，從而抵消了外界電磁場，產(chǎn)生屏蔽效果。因此電磁屏蔽

較適用于高頻場合。低頻時感應(yīng)電流小，屏蔽效果較差。應(yīng)保證屏蔽殼體各部分具有良好的電氣連續(xù)，使感應(yīng)電流能在殼體中暢流，以便產(chǎn)生足夠大的感應(yīng)電磁場來抵消外界電磁

場，否則將影響屏蔽效果。

(5)靜電屏蔽:用來防止靜電耦合產(chǎn)生的感應(yīng)。屏蔽殼體采用高電導(dǎo)率材料并良好接地，以隔斷兩個電路之間的分布電容耦合，達到屏蔽作用。靜電屏蔽的屏蔽殼體必須接地。

2.屏蔽策略

只有如金屬和鐵之類導(dǎo)磁率高的材料才能在極低頻率下達到較高的屏蔽效率。這些材料的導(dǎo)磁率會隨著頻率增加而降低。另外，如果初始磁場較強也會使導(dǎo)磁率降低，采用機

械方法將屏蔽罩做成規(guī)定形狀同樣會降低導(dǎo)磁率。綜上所述，選擇用于屏蔽的高導(dǎo)磁性材料非常復(fù)雜，通常要向EMI屏蔽材料供應(yīng)商以及有關(guān)咨詢機構(gòu)尋求解決方案。

在高頻電場下，采用薄層金屬作為外殼或內(nèi)襯材料可達到良好的屏蔽效果，但條件是屏蔽必須連續(xù)，并將敏感部分完全遮蓋住，沒有缺口或縫隙(形成一個法拉第籠)。然而在

實際中要制造一個無接縫及缺口的屏蔽罩是不可能的，由于屏蔽罩要分成多個部分進行制作，因此就會有縫隙需要接合，另外通常還得在屏蔽罩上打孔，以便安裝與插卡或裝配組件的連線。

設(shè)計屏蔽罩的困難在于制造過程中不可避免會產(chǎn)生孔隙，而且設(shè)備運行過程中還會需要用到這些孔隙。例如，電路板連線、通風(fēng)口、外部監(jiān)測窗口以及面板安裝組件等都需要

在屏蔽罩上打孔，從而大大降低了屏蔽性能。盡管溝槽和縫隙不可避免，但在屏蔽設(shè)計中對與電路工作頻率波長有關(guān)的溝槽長度作仔細考慮是很有好處的。

任一頻率電磁波的波長為:波長(λ)=光速(c)/頻率(f)。

當(dāng)縫隙長度為波長(截止頻率)的一半時，

RF波開始以20dB/10倍頻(1/10截止頻率)或6dB/8倍頻(1/2截止頻率)的速率衰減。通常RF發(fā)射頻率越高，它的波長越短，衰減越嚴(yán)重。當(dāng)涉及到最高頻率時，必須要考慮可能會出現(xiàn)的任何諧波，不過實際上只需考慮一次及二次諧波即可。

一旦知道了屏蔽罩內(nèi)RF輻射的頻率及強度，就可計算出屏蔽罩的最大允許縫隙和溝槽。例如，對1GHz(波長為300mm)的電磁波來講，若需要衰減20dB，則縫隙應(yīng)小于15mm(150mm的1/10);需要衰減26dB時，縫隙應(yīng)小于7.5mm(15mm的1/2);需要衰減32dB時，縫隙應(yīng)小于3.

75mm(7.5mm的1/2)?？刹捎煤线m的導(dǎo)電襯墊使縫隙大小限定在規(guī)定尺寸內(nèi)，從而實現(xiàn)這種衰減效果。

7.2.2濾波

濾波是為了抑制噪聲干擾。在數(shù)字電路中，當(dāng)電路從一個狀態(tài)轉(zhuǎn)換成另一個狀態(tài)時，會在電源線上產(chǎn)生一個很大的尖峰電流，形成瞬變的噪聲電壓。當(dāng)電路接通與斷開電感負

載時，產(chǎn)生的瞬變噪聲干擾往往嚴(yán)重妨礙系統(tǒng)的正常工作。所以在電源變壓器的進線端加入電源濾波器，以消弱瞬變噪聲的干擾。

濾波器按結(jié)構(gòu)分為無源濾波器和有源濾波器。無源濾波器是由無源元件電阻、電容和電感組成的濾波器;有源濾波器是由電阻、電容、電感和有源元件(如運算放大器)組成的

濾波器。

濾波器最重要的特性是其頻率特性，可用對數(shù)幅頻特性20lgA來表示。這在抗干擾技術(shù)中又稱為衰減系數(shù)。

式中，

Uo表示濾波器的輸出信號;U

i表示濾波器的輸入信號;ω表示信號的角頻率。

信號通過濾波器，被濾除(或稱被衰減)的信號頻帶稱為阻帶，被傳輸?shù)男盘栴l帶稱為通帶。根據(jù)阻帶和通帶的頻譜，又可將濾波器分為下面四種：

(1)低通濾波器：允許低頻信號通過，但阻止高頻信號通過。

(2)高通濾波器：允許高頻信號通過，但阻止低頻信號通過。

(3)帶通濾波器：允許規(guī)定的某頻段信號通過，但阻止高于和低于該頻段的信號通過。

(4)帶阻濾波器：只阻止規(guī)定的某頻段信號，允許高于或低于該頻段的信號通過。

1.差模干擾與共模干擾

若從噪聲形成的特點來看，噪聲干擾分為差模干擾與共模干擾兩種。電磁干擾濾波器必須對差模干擾和共模干擾都起到抑制作用。

設(shè)備的電源線或其他設(shè)備與設(shè)備之間相互交換的通信線路，至少要有兩根導(dǎo)線，這兩根導(dǎo)線作為往返線路輸送電能或信號。但在這兩根導(dǎo)線之外通常還有第三導(dǎo)體，這就是

“地線”。這三根導(dǎo)線的接法通常有兩種:一種是兩根導(dǎo)線分別作為往返線路傳輸(如圖7.5所示);另一種是兩根導(dǎo)線做去路，地線做返回路傳輸(如圖7.6所示)。前者叫“差?！被芈?，后者叫“共?！被芈贰Ｇ罢邥a(chǎn)生差?；芈犯蓴_，后者會形成共模回路干擾。圖7.5差模干擾圖7.6共模干擾

差模干擾回路中有一個差模干擾源VDM，該差模干擾源通過相線(L)與中線(N)形成差模干擾，差模干擾電流為IDM;共模干擾回路中有一個共模干擾源VCM

，該共模干擾源通過相線(L)、中線(N)與地線(E)形成共模干擾回路，共模干擾電流為ICM

。差模和共?；芈返膮^(qū)別在于差模電流只在相線和中線之間流動，而共模電流不但流過相線和中線，而且還流過地線。

2.無源濾波器

1)電容濾波器

電容C的電抗與頻率有關(guān)，所以電容常用做濾波元件。圖7.7所示為三種結(jié)構(gòu)的電容濾波器。圖7.7電容濾波器(a)可抗差模干擾;(b)可抗共模干擾;(c)既可抗差模干擾又可抗共模干擾

2)RC低通濾波器

RC低通濾波器共有L型、π型和T型三種結(jié)構(gòu)，如圖7.8所示。它們都具有通過低頻信號、濾除高頻信號的能力。圖7.8RC低通濾波器(a)L型;(b)π型;(c)T型

3)LC低通濾波器

LC低通濾波器由電感和電容組成，按電路的結(jié)構(gòu)也可以分為三種:L型、π型和T型，如圖7.9所示。

通常LC低通濾波器比RC低通濾波器具有更好的濾波性能。但是由于制造電感比較麻煩，不利于大規(guī)模生產(chǎn)，不便于集成化和小型化，因而使LC低通濾波器的應(yīng)用范圍受到局限。圖7.9LC低通濾波器(a)L型;(b)π型;(c)T型

3.有源濾波器

有源濾波器的組成元件中除了電阻和電容(或電感)之外，還有運算放大器。RC有源濾波器可做成混合型集成電路，因而體積較小。RC有源濾波器的諧振頻率可由RC網(wǎng)絡(luò)

任意設(shè)定，網(wǎng)絡(luò)的損耗由運算放大器補償。另外，這種濾波器可做成高品質(zhì)因數(shù)(Q)，并且當(dāng)Q值一定時其諧可調(diào)。因此，

RC有源濾波器是當(dāng)前應(yīng)用較多的一種濾波器。

1)一階有源低通濾波器

如圖7.10所示為一階有源低通濾波器，其傳遞函數(shù)為

用jω代替?zhèn)鬟f函數(shù)變量s可得此濾波器的頻率特性為

由此可得，此濾波器的靜態(tài)增益為-R2/R1(負號表示反向)，截止頻率(轉(zhuǎn)折頻率)為1/(R2C)。

一階有源低通濾波器的另一種結(jié)構(gòu)如圖7.11所示。

它的頻率特性為

它的截止頻率(轉(zhuǎn)折頻率)為1/(RC)。其中，集成運放工作在電壓跟隨器狀態(tài)，有極高的輸入阻抗和極低的輸出阻抗，可減小后接負載對濾波器的影響。圖7.10一階有源低通濾波器圖7.11一階有源低通濾波器

2)二階有源低通濾波器

二階有源低通濾波器電路如圖7.12所示。其傳遞函數(shù)為

其中

在二階有源低通濾波器中，當(dāng)時，截止頻率ωc

=ω

n

。具有這種特性的濾波器稱為巴特沃思(Butterworth)濾波器。圖7.12二階有源低通濾波器

4.數(shù)字電平濾波器

以上介紹的濾波器都是針對模擬信號進行濾波的濾波器。一般說來，一個系統(tǒng)對模擬信號的精度要求比較高，模擬信號也比較容易受到干擾;而數(shù)字信號不易受到干擾，或者說數(shù)字信號受到微小干擾但只要不至于影響TTL邏輯電平也沒關(guān)系。但當(dāng)干擾很大時，字信號的邏輯電平也會受到嚴(yán)重干擾而使邏輯電平混亂。例如，屏蔽不好的PWM功放對后續(xù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)字邏輯電平就會有嚴(yán)重的干擾。

為了解決數(shù)字電平易受干擾的問題，現(xiàn)介紹一種數(shù)字電平濾波器，它由D觸發(fā)器和門電路組成，使用效果相當(dāng)好。其電路圖如圖7.13所示。

如圖7.13所示，數(shù)字電平濾波器的原理是，只有當(dāng)D1

、D2

、D3

、D4

同時為高電平時，輸出Dout

才為高電平;當(dāng)D1

、D2

、D3

、D4

同時為低電平時，

Dout才為低電平。如果D1

、D2

、D3

、D4

四點電平不一致時，輸出Dout

不改變。如果忽略門電路的延時，則整個電平濾波電路的延時取決于CLK時鐘周期和D觸發(fā)器的個數(shù)。圖7.13所示的TTL電平濾波器的延時是3個時鐘周期。

根據(jù)信號受干擾的程度可選擇D觸發(fā)器的個數(shù)，邏輯電平TTL輸入信號Din干擾得越厲害，選用的D觸發(fā)器就越多，一般3個即可。濾波器的帶寬可由時鐘信號CLK控制。CLK的時鐘頻率根據(jù)實際需要選擇，

CLK時鐘頻率不可過高，否則帶寬過大，噪聲信號也能通過濾波器;CLK時鐘頻率也不可過低，否則帶寬過小，有用的數(shù)字電平信號將無法順利通過該濾波器。圖7.13數(shù)字電平濾波器

7.2.3接地

1.接地的方式

接地是抑制噪聲和防止干擾的重要措施。正確的接地可以減少或避免電路間的相互干擾，根據(jù)不同的電路可用不同的方法。主要接地方式有單點接地和多點接地。

1)單點接地

單點接地就是把整個電路系統(tǒng)中某一點作為接地的基準(zhǔn)點，其他信號的地線都連接到這一點上。單點接地又可分為兩類:串聯(lián)式單點接地(如圖7.14所示)和并聯(lián)式單點接地

(如圖7.15所示)。圖7.15并聯(lián)式單點接地

串聯(lián)式單點接地由于共用一條地線，易引起公共地阻抗干擾。從噪聲的觀點來看，串聯(lián)式單點接地是最差的接地方法。因為任何導(dǎo)線都會有電阻(如圖7.14所示)，故流經(jīng)這些

導(dǎo)線的電流會使導(dǎo)線產(chǎn)生壓降，使A、B、C和“地”四點地電位互相不等。

雖然串聯(lián)式單點接地有缺點，但由于其省工省料，故常被指標(biāo)要求較寬的系統(tǒng)采用。這種接地法絕對不可用于功率強度相差甚遠的系統(tǒng)之間，因信號功率較大的系統(tǒng)將會嚴(yán)重

影響功率較小的系統(tǒng)。若某些場合非得使用此種接地方法時，應(yīng)將最易受干擾的電路置于離接地點最近處，以圖7.14為例，此點應(yīng)為A點。

并聯(lián)式單點接地是將每個電路單元單獨地用地線連接到同一個接地點，在低頻時，可有效避免各單元之間的地阻抗干擾。低頻放大電路的地線設(shè)計宜采用這種并聯(lián)式單點接

地。但在高頻時，相鄰地線間的耦合增強，易造成各電路單元之間的相互干擾，所以并聯(lián)式單點接地僅適用于1MHz以下電路。

2)多點接地

多點接地(如圖7.16所示)是指設(shè)備(或系統(tǒng))中各個接地點都直接接到距它最近的接地線上，使接地引線的長度最短。圖7.16多點接地

在數(shù)字電路設(shè)計時，宜采用多點接地方式。多點接地系統(tǒng)的優(yōu)點是電路構(gòu)成比單點接地簡單，而且由于采用了多點接地，接地線可能出現(xiàn)的高頻駐波現(xiàn)象顯著減少。但是，采用多點接地后設(shè)備會增加許多地線回路，它們會對設(shè)備內(nèi)較低電平的信號單元產(chǎn)生不良影響。

一般而言，

1MHz以下的電路最好采取單點接地;而10MHz以上的電路最好采取多點接地的方法;介于1~10MHz之間的電路則視接地導(dǎo)線的長短來決定采用何種接地方法。如接地導(dǎo)線所需長度少于1/20工作信號的波長時，則以單點接地較為合適，否則就需采用多點接地。

電路中既有低頻電路又有高頻電路時，低頻電路宜采用單點接地方式，而高頻電路需采用多點接地。對于單元電路一般采用單點接地方式，但多級電路地線設(shè)計，應(yīng)根據(jù)信號通過頻率的高低靈活采用各種不同的接地方式，有時可以采用混合接地措施，如圖7.17所示。

如圖7.17所示，大部分系統(tǒng)至少要求三個分開的接地點。信號接地點用于低功率或低能量的電子電路，絕不能與繼電器或電動機電路高噪聲接地點混合使用。第三個機殼接地點專供機械外殼、機身、機架和機殼底盤等使用。如果電力輸配線經(jīng)過這些系統(tǒng)，則電力線接地點接于機殼接地點上。以上三個接地點最后只能接于同一個接地點上。圖7.17混合接地

2.電纜屏蔽層的接地

對于屏蔽層的接地，不僅應(yīng)遵循一點接地，而且接地點不同其效果也不相同。按照單地原則，一個不接地信號源和一個接地的放大器相連時屏蔽端的接地應(yīng)該接放大器的地端。同理，一個接地信號源和一個不接地的放大器相連時屏蔽端的接地應(yīng)該接信號源的地端。

若信號源和電路均接地，則屏蔽線兩端也須接地，這時靠屏蔽體分流干擾，如圖7.18所示。如果遠方電路不接地，則屏蔽也不接地，而是與電路相接，此時，地線變成單點接

地，未形成干擾回路，如圖7.19所示。圖7.18屏蔽體雙點接地圖7.19屏蔽體單點接地

7.2.4電源抗干擾

在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，為了保證各部分電路的工作，需要一組或多組直流電源。直流電源都是由交流電(如市電220VAC)經(jīng)過變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓后得到的。直流電源的輸入直接接在電網(wǎng)上，因此電網(wǎng)上的各種干擾便會通過直流電源引入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)內(nèi)部造成影響。所以必須對電網(wǎng)電源采取抗干擾措施。

1.電源干擾的類型

1)電源線中的高頻干擾

供電電力線相當(dāng)于一個接收天線，能把雷電、開閉日光燈、啟停大功率的用電設(shè)備、電弧、廣播電臺等輻射的高頻干擾信號通過電源變壓器初級耦合到次級，形成干擾。

2)感性負載產(chǎn)生的瞬變噪聲

切斷大容量感性負載時，能產(chǎn)生很大的電流和電壓變化率，從而形成瞬變噪聲干擾，成為電磁干擾的主要原因。

3)晶閘管通斷時所產(chǎn)生的干擾

晶閘管由截止到導(dǎo)通，僅在幾微秒的時間內(nèi)使電流由零很快上升到幾十甚至幾百安培，因此電流變化率di/dt很大。這樣大的電流變化率，使得晶閘管在導(dǎo)通瞬間流過一個具有高次諧波的大電流，在電源阻抗上產(chǎn)生很大的壓降，從而使電網(wǎng)電壓出現(xiàn)缺口。這種畸變了的電壓波形含有高次諧波，可以向空間輻射，或者通過傳導(dǎo)耦合，干擾其他電子設(shè)備。

4)電網(wǎng)電壓的短時下降干擾

當(dāng)啟動如大電動機等大功率負載時，由于啟動電流很大，可導(dǎo)致電網(wǎng)電壓短時大幅度下降。當(dāng)下降值超出穩(wěn)壓電源的調(diào)整范圍時，就會干擾電路的正常工作。

5)拉閘過程形成的高頻干擾

當(dāng)計算機與電感負載共用一個電源時，拉閘時產(chǎn)生的高頻干擾電壓通過電源變壓器的初、次級間的分布電容耦合到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，再經(jīng)該裝置與大地間的分布電容形成耦合回路。

2.常用電源抗干擾措施

1)電路濾波器

電路濾波器的結(jié)構(gòu)如圖7.20所示，由縱向扼流圈L和濾波電容C組成。1、3為交流電網(wǎng)電源輸入端口，

2為外部接地端，

4、5為電源輸出端。恰當(dāng)?shù)卮_定L和C的數(shù)值，可有效地抑制電網(wǎng)中100kHz以上的干擾與噪聲。圖7.20電源濾波器結(jié)構(gòu)

2)切斷噪聲變壓器

切斷噪聲變壓器的結(jié)構(gòu)如圖7.21所示。它的鐵芯材料、形狀以及線圈位置都比較特殊，可以切斷高頻噪聲磁通，使之不能感應(yīng)到二次繞組，既能切斷共模噪聲，也能切斷差

模噪聲。

圖7.21中，切斷噪聲變壓器的一次、二次繞組分別繞在鐵芯的不同處，且鐵芯選用高頻時有效磁導(dǎo)率盡量低的材料。干擾與噪聲因頻率高，在通過鐵芯向二次繞組交連時被顯著地衰減，而變壓器中的有用信號因頻率較低，仍可被正常地傳輸。切斷噪聲變壓器還將一次、二次繞組和鐵芯分別予以屏蔽并接地，切斷了更高頻率的干擾與噪聲通過分布電容向二次繞組的傳播。采用切斷噪聲變壓器，可使測控設(shè)備對電網(wǎng)干擾與噪聲的抑制能力顯著地提高，用脈沖干擾模擬器測得對電網(wǎng)干擾抑制的敏感閾值可達5000V以上。圖7.21切斷噪聲濾波器結(jié)構(gòu)

7.3軟件抗干擾技術(shù)

軟件抗干擾技術(shù)是硬件抗干擾技術(shù)的一個補充和延伸，軟件抗干擾技術(shù)運用得法可以顯著提高數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的可靠性，并且在一定程度上避免和減輕不必要的損失。

軟件抗干擾的工作主要集中在CPU抗干擾技術(shù)和輸入/輸出信號的抗干擾技術(shù)兩個方面。前者主要是抵御因干擾造成的程序“跑飛”，后者主要是用各種數(shù)字濾波方法消除信

號中的干擾以提高系統(tǒng)精度。

這里著重講解CPU抗干擾技術(shù)，至于各種數(shù)字濾波方法將在第10章中進行介紹。CPU軟件抗干擾技術(shù)通常包括:廣布陷阱法、重復(fù)功能設(shè)定法、指令冗余、設(shè)置監(jiān)視跟蹤定時器和重要數(shù)據(jù)備份法。下面分別進行具體介紹。

1.廣布陷阱法

有時一個意想不到的干擾就能破壞和中斷所有程序的正常運行。此時程序指針(ProgrammCounter，

PC)值可能在程序區(qū)內(nèi)，也可能在程序區(qū)之外，要使其能夠自恢復(fù)正常運行，只有依賴于廣布“陷阱”的方式。

所謂“陷阱”，是指某些類型的CPU提供給用戶使用的軟中斷指令或者復(fù)位指令。例如，

Z80指令RST38H，其機器碼為FFH。CPU執(zhí)行該指令時，則將當(dāng)前程序計數(shù)器PC的值壓入堆棧，然后轉(zhuǎn)到0038H地址執(zhí)行程序。如果把0038H作為一個重啟動入口，則機器就可以恢復(fù)新的工作了。再如，

INTEL8098、80198系列的復(fù)位指令RST，機器碼也為FFH。CPU執(zhí)行該指令時，其內(nèi)部進行復(fù)位操作，然后從