硬件抗干扰技术

硬件抗干扰技术（精选5篇）

硬件抗干扰技术 篇1

广播发射机计算机控制系统, 长时间处于较强的电磁波干扰环境中, 系统在运行过程中会出现一些意外情况。。在设计系统时, 在全面地考虑系统硬件抗干扰措施的同时, 必须细致地考虑系统的软件抗干扰措施, 这样才能保证系统在复杂电磁波环境中的正常运行。

抗干扰措施主要是硬件抗干扰措施。指在硬件设计过程中, 系统不受外来信号干扰所采取的措施, 如“看门狗”电路, 不同信号地之间的广电隔离式信号传递技术、模拟“地”和数字“地”的分开处理技术, 干扰信号的硬件滤波技术、平衡信号传递技术, 控制机执行电路的物理隔离技术等。

1“看门狗”防死机技术

该技术广泛应用于工业控制领域内, 广播发射设备的微机控制系统也不例外。图1是系统原理的简易方框图。

“看门狗”电路说白了就是一个定时器电路, 一般有一个信号输入端 (用于“喂狗”信号的输入) 和一个信号输出 (用于复位信号的输出)

系统在正常工作时, 在一定的时间间隔之内向“看门狗”电路输出一个喂狗信号, “看门狗”电路“吃饱”后, 不输出系统复位信号;如果出现系统死机等现象, 系统停止向“看门狗”电路输出“喂狗”信号时, 由于看门狗电路得不到“喂食”, 向系统输出一个复位信号, 使系统复位, 恢复其正常工作。

2不同信号地之间的光电隔离式信号传输

由于系统设计要求, 在系统中经常遇到不同的电源地之间的信号传输, 为了避免不同信号地之间信号传输造成的干扰及元器件损坏, 必须用光电隔离器, 对不同地之间的信号进行物理隔离。

图2是一个数控无触点音频开关, 单片机输出的高电平时3、5 V, 它经过1 K电阻点亮光电耦合器的发光二极管, 使光电耦合器的光敏三极管饱和导通 (电压降为0.3 V) 左右;此时, 模拟切换开关4066CTRL端得到的电压接近于-8.7V, 断开音频输出, 单片机输出低电平时0 V是, 光电耦合器的发光二极管截止, 停止发光, 使光电耦合器的光敏三极管截止断开 (电压降为9 V) ;此时, 模拟切换开关4066CTRL端得到的电压接近于9 V, 接通音频输出 (音频幅度±9V之间) , 这样我们达到了不同地之间传递信号的目的, 又解决了触点式开关造成的干扰和数字“地”和模拟地分开的问题, 还防止了不同“地”之间串扰难题。

3 信号的平衡方式传输:

3.1 数字信号的平衡传输。

在发射机分布式控制系统中, 采集模块和工控机之间经常采用串行通讯方式进行通讯, 因采集模块和工控机之间的距离较远, 为了通讯不受电磁环境干扰, 采集模块和工控机之间采用平衡传输模式, 也就是RS-485传输模式, 因为此种传输模式中, 采用每一路信号对“地”平衡方式 (一正、一负) 3根线传输, 在传输过程中受到的干扰相互抵消, 接收端不产生干扰。

3.2 模拟信号的平衡传输

在实际控制过程中, 音频信号源和发射机的距离比较远, 音频信号非平衡方式传输的话, 在传输的过程中受到电磁波环境的影响, 产生很大的干扰, 影响播出质量。因此, 模拟信号也在传输过程中采用每一路信号对“地”平衡方式 (一正、一负) 3根线传输, 在传输过程中受到的干扰相互抵消, 接收端不产生干扰。

4 干扰信号的硬件滤波

在计算机控制系统中, 对频谱特性固定的电磁波干扰, 均采用特定频率硬件滤波的方式。这样做的优点是电路简单、效率高, 对干扰信号进行彻底的消除。

广播发射设备计算机控制系统的能否正常稳定运行取决于抗干扰措施的质量, 因此必须多方面考虑, 全方位做好系统的抗干扰措施。

摘要：广播发射设备计算机控制系统, 能否正常稳定运行取决于抗干扰的实施情况, 而广播发射设备在发射过程中自身就会产生较大的电磁波干扰信号, 因此必须多方面考虑, 全方位做好系统的抗干扰。

关键词：电磁波干扰,平衡信号传输,广电隔离模式,硬件滤波

硬件抗干扰技术 篇2

单片机在工业自动化、生产过程控制等工业领域的应用日趋广泛, 它的应用大大提高了产品的质量, 有效的提高了生产效率。但是, 由于现实工业环境的恶劣, 意想不到的干扰源会产生出各种各样的干扰, 对系统的可靠性与安全性构成了极大的威胁。单片机系统必须长期稳定、可靠运行, 如若没有可靠的抗干扰措施, 轻则会使控制误差增大, 影响产品质量, 严重时会使系统失灵、崩溃, 造成重大损失。本文着重分析工业环境下各种干扰对单片机应用系统的影响, 并从硬件方面给出一些抗干扰对策和切实可行的解决方法。

2 干扰现象的分析

在工业环境下影响单片机应用系统可靠、安全运行的主要因素有多种。其干扰现象主要有:

1) 在工业环境中当一些大型设备或用电量巨大的设备 (如:机械加工设备中的大型龙门刨床、热加工设备中的高频电路、有色金属冶炼设备中的电弧电路) 启动和停机时都会使局部电网的电压和电流产生较大的波动甚至造成电压瞬时跌落, 从而造成附近的单片机应用系统直流稳压电源供电电压的骤升骤降, 造成干扰, 影响系统的稳定性。

2) 大型用电设备的启停、工作与高压状态和高频状态的设备以及电磁开关工作时产生的电磁辐射干扰;雷电、电弧、广播电台等辐射的高频信号产生的电磁辐射干扰都有可能从信号采集系统、输入设备等输入通道或强电、伺服系统等输出通道进入单片机。另外形成寄生在电网上的各种高频干扰信号, 也有可能通过供电系统进入对单片机, 造成干扰。

3) 由于任何电源及辅电线都存在内阻、分布电容和电感等, 正是这些因素引发了电源的噪声干扰。此外在工业环境中由于电源系统的共用, 多台设备之间通过电源、地线也会产生相互干扰。

4) 在工业电网电源中50HZ的工频干扰也会对单片机应用系统的输入通道造成干扰, 影响测量精度、破坏单片机的可靠运行和正常控制。

5) 另外大功率晶闸管在导通时产生的高次谐波大电流, 也可能向空间辐射或通过传导耦合形成对单片机系统的干扰。

6) 在控制箱内和PCB板中也可能由于设计、安装的缺陷产生温度漂移、零点漂移, 寄生电容从而产生一些莫名其妙的干扰信号, 使得测量数据误差加大, 形成对单片机系统的干扰。

7) 静电和电磁感应干扰。

这些因素对单片机系统造成的干扰主要表现为:侵入单片机系统输入通道, 使得数据采集误差加大, 甚至淹没测量信号。破坏单片机片内RAM、外部扩展RAM、E2PROM中的数据, 影响程序的正常运行。

3 硬件抗干扰对策和解决方法

硬件抗干扰技术是系统设计时首选的抗干扰措施, 它能有效抑制干扰源, 阻断干扰传输通道, 保障单片机应用系统的安全。以下从四方面就单片机应用系统的硬件抗干扰技术展开讨论:

3.1 电源系统的抗干扰措施

对于单片机应用系统来说, 最严重的干扰来源于电源。一般解决的方法是:

1) 为防止大型设备启停时造成局部电网电压波动, 影响到单片机系统直流供电电压的骤然升降, 在单片机直流稳压电源前添加一台交流净化稳压电源以保证供电系统的稳定性, 防止电源的过电压和欠电压;此外还应增大直流稳压电源的功率储备。

2) 为防止电压的瞬时跌落, 添加后备电源供电保护系统。

3) 为抵抗电网上的各种高频干扰信号通过直流电源进入单片机, 应采用隔离变压器, 并使其一次侧、二次侧之间均采用屏蔽层隔离, 以减少其分布电容, 提高抗共模干扰能力。即在电源变压器初级绕组与次级绕组之间以及次级绕组之外包裹一层屏蔽层, 同时将屏蔽层接入导通良好的地线;并将整个直流电源系统用金属外壳屏蔽起来接地。实践证明, 接地技术是抑制噪音的重要手段。良好的接地可以在很大程度上提高系统的抗干扰能力。

4) 利用低通滤波器滤除高次谐波, 改善电源波形。

5) 采用分散独立功能块供电, 以减少公共阻抗的相互耦合以及公共电源的相互耦合。

3.2 输入、输出通道的抗干扰措施

输入输出通道是单片机与外设、被控对象进行信息交换的渠道。由输入输出通道引起的干扰主要是受到静电干扰噪声干扰和电磁波干扰, 以及由公共地线引发的干扰。常用的方法有:

1) 对可能影响输入、输出通道正常工作的电磁场之类的干扰源进行电磁屏蔽。有可能的话对整个系统进行电磁屏蔽, 屏蔽对静电干扰和电磁感应干扰也有强的抑制作用。传输线采用屏蔽线。开关信号检测线和模拟信号检测线使用屏蔽双胶线可以很好的抵御静电和电磁感应干扰。

2) 在实际工作中, 用屏蔽双绞线作长线传输线能有效地抑制共模噪声及电磁场干扰, 并应对传输线进行阻抗匹配, 以免产生反射, 使信号失真。对于模拟信号采样系统抵御干扰, 可以采用具有差动输入的测量放大器, 并采用屏蔽双胶线传输测量信号。变送器传递的信号应尽量采用电流型传输方式, 因电流型比电压型抗干扰能力要高。

3) 采用信号隔离措施将模拟电路通过隔离放大器隔离, 数字电路通过光电耦合器隔离。模拟接地和数字接地严格分开, 隔离器输入回路和输出回路的电源分别供电。同时考虑传输线的屏蔽技术, 如采用屏蔽线、双胶线等。

4) 为消除电源系统的50HZ工频干扰, 采用阻容滤波等技术, 除在输入通道的模数A/D转换电路中加入RC滤波电路或50HZ陷波器外, 也可在转换器件上动脑子, 例如采用采样时间是50Hz的工频周期整数倍的双积分式A/D转换器。

5) 选择合适的接地点可以有效抑制地线噪声, 在一个存在有数字地和模拟地的单片机系统中, 数字信号的地线和模拟信号的地线绝不能够接错。在线路设计中, 必须将所有器件的数字地和模拟地分别相连, 但数字地与模拟地仅在一点上相连。

6) 应当很好的处理单片机应用系统强、弱电系统的隔离, 是保证系统工作稳定。现在常用的隔离方式是光电隔离, 如在功率驱动电路中可以采用带双向可控硅驱动的光电隔离器件。需要注意的是:在光电耦合器的输入部分和输出部分必须分别采用独立的电源, 若两端共用一个电源, 则光电耦合器的隔离作用将失去意义。同样当用光电耦合器件隔离输入输出通道时, 也必须对所有的信号 (包括数字量信号、控制量信号、状态信号) 实施隔离, 使得被隔离设备的两边没有任何电气上的联系, 否则这种隔离也是没有意义的。

3.3 印制电路板及电路的抗干扰措施

印制电路板是系统中器件、信号线、电源线的高密度集合体, 印制电路板设计的好坏对抗干扰能力影响很大。故印制电路板的设计决不单是器件、线路的简单布局安排, 因此在PCB电路布线中除应遵循PCB设计的基本原则外, 还必须符合抗干扰的设计原则。通常有下述抗干扰措施:

1) 将强、弱电电路严格分开, 尽量不要把它们设计在一块印制电路扳上。易产生噪声的器件、大电流电路等应尽量远离逻辑电路。

2) 电源线的走向应尽量与数据传输方向一致。电源的地线应尽量加粗。

3) 为抑制噪声干扰应尽可能在大规模集成电路的电源引脚和接地引脚之间焊接20PF左右的高频滤波吸收电容, 在各个供电接点上还应加足够容量的退耦电容。

4) 器件布置方面应把相互有关的器件尽量安置在一起, 这样可以获得较好的抗噪声效果。如时钟发生器、晶振和CPU的时钟输入端都易产生噪声, 要相互靠近些;CPU复位电路、硬件看门狗电路也应尽量靠近CPU相应引脚。

本文根据实际应用经验总结了单片机应用系统在工业环境下硬件抗干扰技术一些常见的对策和解决方法。此外如若在硬件抗干扰措施的基础上, 再采取软件抗干扰技术加以补充, 作为硬件措施的辅助手段, 则会大大加强单片机应用系统在工业环境下的抗干扰能力。

摘要：由于现实工业环境的恶劣, 意想不到的干扰源所产生的干扰, 会对单片机应用系统的可靠性与安全性构成极大的威胁。轻则会使控制误差增大, 影响产品质量, 严重时会使系统失灵、崩溃, 造成重大损失。该文着重分析了工业环境下主要干扰源对单片机应用系统产生干扰的现象, 同时就单片机应用系统采用硬件技术抵御干扰的对策和解决方法进行了探讨。

关键词：单片机应用系统,工业环境下抗干扰技术,硬件抗干扰技术

参考文献

[1]王月姣, 朱家驹.工业生产现场单片机硬件抗干扰的研究[J].中南民族大学学报:自然科学版, 2003 (3) :47-50.

硬件抗干扰技术 篇3

1 干扰噪声产生的原因

噪声是任何不希望有的对系统产生负作用的信号。噪声分内部噪声、人为噪声和自然噪声。人为噪声是由其他电子设备或系统产生的噪声, 自然噪声是天文气象中大自然产生的噪声。人为噪声和自然噪声是系统外部的, 通过隔离和屏蔽措施可以避免。内部噪声是系统内部或器件本身产生的噪声。下面着重分析机载计算机高速数字系统内部干扰噪声产生的原因。

1.1 过渡干扰

过渡干扰是由于逻辑信号传输时间的影响而引起的干扰。它与电路内部竞争、险象以及可能出现的中间状态有关。例如, 在图1的逻辑电路中, 信号B发生变化时, 该变化经G1和G2到达G4的时间与经G3到达G4的时间有先有后, 使得电路出现竞争现象。

过渡干扰可以导致系统产生错误的逻辑动作, 使逻辑关系混乱, 控制失灵, 甚至破坏电路正常工作。

1.2 尖峰噪声

尖峰噪声是由器件的开关门动作引起的。器件在开关时会产生很大的冲击电流, 并在传输线和供电电源内阻上产生较大压降形成尖峰噪声干扰。在如图2所示的TTL与非门中, 当输出端开关时, 引起晶体管T4和T5在截止和饱和状态之间转换, 由于这种转换需要一定的时间, 因此T4和T5有一短时间处在导通状态, 使得输出负载增大。这种增大的负载在电源VCC上引起一个负尖峰信号, 在电源地VSS上引起一个正尖峰信号。高速电路系统中, 许多门同时快速开关, 在电源和地线上将引起严重噪声。

1.3 电磁干扰

电磁干扰 (EMI) 是由于任何载流导体周围存在磁场而引起的, 来自一个导体的磁通量在另一个导体可以感应电流而产生瞬时电压。根据Fourier信号分析理论, 快速跳变信号在产生和传输过程中, 必然伴随着丰富的高次谐波的产生和传输, 这些信号放大之后会产生电磁能量辐射, 因此在高速数字电路系统中, 电磁噪声是很严重的干扰源。

1.4 静电干扰

静电干扰 (ESI) 是由两个邻近的导体通过电容耦合而引起的。由于任意两条导线之间均存在分布电容, 相邻两导线之间分布电容比较大。这样两根邻近的导线就象电容器的两个极板那样起作用;在一个导体上建立的电荷在另一个导体上感应出相反的电荷。

1.5 反射干扰

信号反射是由于终端负载不匹配造成的。在高速数字电路中, 信号线的负载电容对信号传输影响很大。由于负载电容的存在, 随着信号线的增加, 信号在传输线上的延时会增加。这使得信号在未经终端匹配的信号线上传输过程中发生多次反射, 导致振铃现象。振铃会产生非法电压过渡, 甚至损坏元器件。

2 干扰噪声耦合途径

干扰噪声产生后, 要经过传输途径耦合的其他电路中, 对被干扰对象产生干扰。下面分析干扰噪声几个主要的耦合途径。

2.1 信号线耦合

信号线耦合是干扰噪声经过信号导线直接传导到信号接受电路中而造成对接受电路的干扰。信号线耦合最常见的传导模式是差模传导和共模传导。

差模传导方式如图3所示。噪声往返与两信号线间, 噪声电流和信号电流的往返路径是一致的。

共模传导方式如图4所示。噪声电流在两信号线上各流一部分, 以地为公共回路。信号电流只在往返信号线上流过。

2.2 电源地耦合

电源地耦合是一个器件产生的干扰噪声经过电源线和地线耦合到系统各器件中。在高速数字电路系统中, 器件快速开关产生的尖峰噪声大部分是通过电源地耦合到其他电路。

2.3 公共阻抗耦合

公共阻抗耦合是干扰噪声通过噪声源和信号源的公共阻抗传导耦合。因为两电路的电流流经一个公共阻抗时一个电路在该电阻上的电压降将会影响到另一个电路。常见的公共阻抗耦合有公共地和电源阻抗两种。

2.4 电容耦合

电容耦合是干扰噪声通过电路中的分布电容耦合到被干扰对象。由于元件之间、导线之间、导线与元件之间存在着分布电容, 若在一导体上发生电位变化通过分布电容使其他导体的电位受到影响。

2.5 电磁辐射耦合

电磁辐射耦合是高频干扰噪声通过电磁场辐射耦合到被干扰对象。在高速数字电路中, 由于信号脉冲快速变化产生高频电流。当高频电流流过导体时, 该导体周围产生电力线和磁力线, 并发生高频变化, 从而形成一种在空中传播的电磁场。处于电磁波中的导体便会感应出相应频率的电动势。

3 硬件抗干扰设计

由于机载计算机高速数字系统的高速特性, 使得系统噪声产生很复杂而且噪声也更为严重。这需要硬件电路设计者全面权衡、精心设计, 采用有效措施来消除干扰噪声源, 阻断干扰噪声的传输通道, 以提高系统抗干扰能力。

3.1 元器件选择

元器件是构成系统的基础。设计者在进行电路设计时, 要根据系统 (或模块) 的功能特性精心选择器件。为提高机载计算机的速度和抗干扰性能, 建议设计者选择那些速度快、集成度高、抗干扰能力强、功耗小的元器件。使用集成度高的器件, 可以使减少印制板连线, 从而可以减少线间串扰。使用功耗小的器件可以降低器件的发热量, 这样可以减少因器件温飘引起的噪声。

3.2 电源地设计

很多干扰噪声是通过电源引入机载计算机系统, 并由电源线和地线传导耦合到各电路中。因此对引入系统的电源先要经过滤波器滤波, 其作用可以抑制供电电源尖峰, 同时也可以防止电磁干扰侵入系统。然后经过电源模块的变换、整流和稳压等处理得到系统工作电压。为阻止电源噪声侵入系统各功能模块中, 需要对各功模块的输入电源实施去耦滤波。其方法是在印制板入口处的电源线和地线间放置一个大容量的钽电解电容和一个小容量的非电解电容。大电容滤除电源的低频干扰成分, 小电容滤除电源的高频干扰成分。另外在IC器件的电源线和地线间接入0.1μF的去耦电容, 其作用可提供和吸收IC器件开关瞬间的充放电能量, 同时可以旁路掉器件的高频噪声。在器件的电源和地线间放置去耦电容来消除尖峰噪声, 因为去耦电容可以提供器件开关过程中所需的额外电流。

3.3 电路设计

3.3.1 复位电路设计

复位信号对噪声很敏感。设计可靠的复位电路能够有效地提高数字系统的抗干扰性能。复位电路要求具有快速上电复位和掉电复位功能。如图5, 用MAX791芯片可构成良好的复位电路。MAX791能监控电源电压, 复位产生时间足够长可保证系统完成复位。MAX791产生复位输出的条件如下:

(1) 电源VCC<4.65V;

(2) 复位输入MR#<1.25V;

(3) 复位输出保持200ms。

3.3.2 时钟电路设计

在高速数字系统中, 高频时钟信号是严重的干扰源, 同时也易受到噪声的干扰。时钟是系统的同步基准信号, 必须避免受噪声干扰。高频时钟电路设计如图6所示, 高频时钟信号经单向驱动器驱动, 再用串联电阻端接时钟输出以获得完整规则的时钟信号。端接电阻用具有低电感的磁膜电阻。在一条时钟线上不可放置多余两个以上的负载一避免时钟信号产生反射。为避免高频时钟干扰信号, 时钟线应用地线包起来。

3.3.3 处理器电路设计

中央处理器CPU是高速数字系统核心器件, 易受到噪声的干扰。处理器电路设计如图7所示, CPU的数据、地址和输出控制信号经驱动器驱动送到局部总线, 局部总线的数据、地址和输入控制信号经驱动器隔离送中央处理器。这样设计处理器是基于如下两个因素:

(1) 由于CPU是大规处理芯片, 集成度高, 发热比较大。为尽可能降低CPU的功耗, 其驱动能力很低, 一般为2~5m A。因此驱动器可提高CPU的负载能力;

(2) 外部的干扰噪声是通过总线传导耦合到CPU。当CPU受到噪声干扰后, 会造成程序计数器PC值改变。PC值被干扰后是随机的, CPU在PC值的错误引导下, 引起程序混乱, 破坏程序正常运行, 从而使系统失去控制。因此CPU受到的干扰会对系统引起很坏的影响, 为了减少噪声对CPU的干扰, 采用驱动器的隔离措施阻止噪声侵入CPU。

3.3.4 看门狗电路设计

看门狗电路主要用于监控程序运行周期, 防止程序“跑飞”或陷入“死循环”。看门狗电路不断监视程序循环运行时间, 若发现时间超过定时的时间, 则认为程序“跑飞”或陷入“死循环”。这时看门狗电路产生中断, 引导中断处理程序处理看门狗超时故障。看门狗用电路MAX791实现, 电路设计如图8所示。看门狗输入WDI来自IO口离散量, 看门狗输出WDO送给中断INT处理。SWT用于设置看门狗定时时间, 当SWT通过跨线S接电源VCC时, 看门狗报警周期为1.6秒。如果在1.6秒内WDI的输入电平没有变化, 即没有定时“喂狗”, 则WDO会产生报警输出给中断INT。

看门狗定时周期可以由用户自行配置。用户在不跨接S的情况下, 改变电容C的值, 可改变看门狗定时周期。定时周期preriod按公式1计算:

3.3.5 控制电路设计

控制电路一般由可编程器件实现, 控制逻辑由设计者自己编写。控制电路要根据系统时序要求产生各种控制信号以控制系统各电路有条不紊的工作。在逻辑电路设计中增加冗余项或在信号输出端增加滤波电路可以消除过渡干扰。

3.4 总线设计

在高速数字电路系统中, 信号在总线上传输所造成的延迟、总线的负载、总线上由于分布参数造成的交叉串扰、由于负载不匹配造成的反射等问题变得不可忽略。总线设计要注意以下几个问题。

3.4.1 总线分级

为了使故障隔离, 阻止外部噪声入侵, 可将总线分级, 每级总线总线设计接口电路并由驱动器隔离。一般可将总线分成局部总线、系统总线和IO总线。

局部总线用于处理机程序和数据存储器。因为CPU访问ROM和RAM的频率远高于访问其他资源, 这样可保证处理机快速访问存储器。

系统总线用于处理机模块和系统其他模块间的连接, 其总线宽度小于局部总线。IO总线用于处理机访问IO设备, 速度要求很低。

3.4.2 总线上拉

为了是总线稳定, 要求用电阻上拉总线。数据总线上拉有利于消除三态状态;地址总线上拉可增加地址变化惰性;控制总线上拉可降低毛刺的干扰。

3.4.3 线路端接

在高速数字电路中, 由于负载不匹配造成的反射变得很严重。反射可引起假信号跃变、数据错误和对输入电压电平的干扰。对信号线进行端接可以使信号反射减至最小并且能抑制输入电平的上冲和下冲。线路端接有串联端接和分岔端接两种。

串联端接如图9所示。串联端接方法补偿信号沿线路运动以前所产生的过流。因为端接电阻增加了信号的上升和下降时间, 从而使线路在较长时间内发生电流变化。

分岔端接如图10所示。分岔端接调整线路终端电流。因为当线路电压开始上升超过VCC时R2电阻吸收多余的电流, 当线路电压开始上降到地以下时R1电阻向电路提供电流。

4 结束语

机载计算机高速数字电路系统的干扰噪声很复杂。对于具体的系统, 要提高系统的可靠性和看干扰性能需要设计者的精心设计。本文介绍了机载计算机高速数字电路系统的硬件抗干扰设计方面的内容, 可以为大家提供有益的参考和借鉴。总之, 机载计算机需要很高的可靠性, 希望设计者重视系统的抗干扰设计。

参考文献

[1]刘川.测试技术研究[J].电子科学, 2009, 18 (1) :50-53.

[2]王建晓, 初伟先, 于宏波.单片机系统硬件抗干扰的方法[J].山东科学, 2006, (5) :59-61.

[3]路宏敏.工程电磁兼容[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2003.

[4]吴良斌.现代电子系统的电磁兼容性设计[M].北京:国防工业出版社, 2004.

硬件抗干扰技术 篇4

我们知道干扰就是在一定条件下有用信号以外的噪声或造成恶劣影响的变化部分总称。要形成干扰必须同时具备三个因素, 即干扰源、耦合通道、接收体。这三个因素缺一都将对系统产生不了干扰。因此, 抗干扰无非是对干扰源尽可能避开抑制, 对耦合通道采取措施加以切断, 同时提高应用系统本身的抗干扰能力。这三点谈起来较易, 对学生来说实际做起来往往理不出头绪。该文建议可从以下几点入手, 去分析、思考硬件抗干扰的初步办法.

1 供电系统的干扰及抑制

单片机应用系统中的电源往往与工业系统共用, 系统中各种大型电气设备的运行启停和都会产生很大的干扰。因此, 可采用了以下几种硬件方法, 提高供电系统的质量。

1) 采用低通电源滤波器, 允许50HZ的交流通过, 隔断其它高频谐波的干扰。

2) 采用隔离变压器, 在一次和二次线圈间加静电屏蔽层, 实现电容耦合隔离

3) 两极稳压。前级为交流稳压, 其输出可做为被控强电系统的交流电源和后级稳压的输入, 后级为直流稳压, 其输出做为计算机电源。

4) 分别用多组电源供电。例如:通过对系统中各个功能模块分别供电, 减少了公共电源和公共阻抗的相互耦合, 就可提高电源的抗干扰性和可靠性。

2 CPU的抗干扰措施

当干扰作用到单片机时, 单片机将无法按正常状态执行程序, 从而引起系统混乱。在CPU抗干扰中需要解决的问题是:如何发现CPU受到了干扰, 如何拦截CPU中失去控制的程序流向, 怎样才能使系统的损失减小, 如何恢复CPU正常运行。可采用以下几种硬件方法来解决。

1) 对于失控的CPU进行手动复位。

2) 当单片机处在睡眠状态时, CPU对系统总线上出现的干扰无任何反应, 从而降低对干扰的敏感程度。在没有正常工作时, 可让CPU休眠, 必要时再通过中断来唤醒它。

3) 设计电源电压监控保护电路, 注意防止电源的开关、瞬时降压、瞬时脉冲干扰对CPU造成的误动作和数据丢失。

4) 采用外部硬件计数器, 或门电路, 或专用片子等构成一个硬狗来形成自动复位信号, 强行把运行不正常的系统拉入正常运行。

3 I/O接口的硬件抗干扰。

由于单片机控制系统中的I/0接口, 大多数是进行数据采集、控制执行等工作。其受到干扰的机会相对更多, 通常可考虑以下硬件抗干扰方法:

1) 光电耦合隔离。通过光电耦合器可切断2个电路间的电气联系, 能有效抑制尖峰脉冲和各种噪声的干扰, 防止干扰进入主机。使用光耦时, 它的输入部分和输出部分必须分别采用独立的电源供电。

2) 采用双绞线传输。使各个小环路的电磁感应干扰相抵消, 抑制共模干扰。

3) 长线传输中的阻抗匹配。要求源的输出阻抗、传输线的特性阻抗与接受端的输入阻抗三者相等。以防止信号在传输线中产生反射, 造成失真。

4) 尽量采用串形传送和电流信号、负脉冲或负电位。

5) 输入线尽量短。避免信号线与动力线、数据线和脉冲线接近。

6) 对单片机中不用的I/O口定义成输出;系统中闲置的门电路输入端不要悬空;不用的运算放大器正输入端接地, 负输入端与输出端知短接等。

7) 采用抑制办法来防止执行机构动作而引起的回馈干扰。例如:电容加电阻方法, 用电容把触点断开的电弧电压最大值时间推迟到触点完全断开来抑制触点放电, 用电阻抑制触点闭合时的短路电流。二极管加电阻方法, 用来抑制电源切断瞬间产生的反电势形成的电流。利用非线性电阻稳压特性来吸收触点断开负载时的反电势。

4 屏蔽措施

对于场的干扰可以通过屏蔽的方法加以抑制。

1) 电场的屏蔽。使用接地的金属体包裹或隔离信号传输线, 屏蔽体必须接地, 形状最好是盒形和全封闭的。

2) 磁场的屏蔽。在对直流磁场和甚高频磁场屏蔽时, 可利用高磁导率、低磁阻特性的屏蔽体对磁通的磁分路作用, 使屏蔽体内部的磁场减小。设计时应遵循以下准则:磁屏蔽体要选用高磁导率的铁磁性材料, 以防止产生磁饱和;被屏蔽物与屏蔽体内壁要留有一定的间隙, 以防止磁短路;可适当增加屏蔽体壁厚, 也可用双层屏蔽或多层屏蔽, 以防止磁饱和;屏蔽体加工成型后都要进行退火处理;对屏蔽体一般要接地。

3) 电磁场的屏蔽。利用屏蔽体阻止电磁场在空间传播, 反射和吸收电磁场。在设计时, 选择屏蔽体材料的原则是:当干扰电磁波的频率较低时, 要采用高导磁率的材料, 从而使磁力线被限制在屏蔽体内部, 以防止扩散到屏蔽的空间去;当干扰电磁场的频率较高时, 要利用低电阻率的金属材料中产生的涡流形成对外来电磁波的抵消作用;如果要求对低频和高频电磁场都有良好的屏蔽效果时, 可用不同的金属材料和磁材料来组成多层屏蔽体。

5 PCB板设计环节上多下功夫

1) 注意器件布局。例如:晶振位置接近CPU, 外壳接地。基本系统相对集中。输入、输出部分位置相对集中。大电流器件相对集中, 对有较高电位差的部分应隔开一定距离。各功能块相对集中。

2) 讲究布线。例如:线条适当加宽。输入、输出线尽量避免相邻平行。基本系统中数据线应尽量拉大距离。读、写线最好分开, 中间加一个其它线。

3) 讲究几种地线的连接形式。例如:交流地、直流地、模拟地、数字地应分开走线, 最后单点相连。屏蔽可直接接大地, 数字、模拟的共点地可接大地或以4μF电容接大地, 也可置成浮地形式。尽量减小地线上电阻。

4) 注意加去藕电容。

6 结束语

初次设计系统时首先可采用以上硬件抗干扰基本方法, 再辅以必要的软件抗干扰措施, 一般就可获得满意的抗干扰效果, 从而保证系统可靠地工作。

摘要：该文针对学生在把单片机应用于实践过中的拦路虎——抗干扰问题, 论述了开始完成单片机应用系统时, 从硬件上应考虑的抗干扰基本方法和思路以及采取的基本措施。

关键词：单片机,硬件抗干扰,隔离,屏蔽,PCB

参考文献

[1]丁向荣.单片机应用系统与开发技术[M].清华大学出版社, 2009.

硬件抗干扰技术 篇5

随着微电子技术和计算机技术的迅速发展,继电保护也已经迈向微机时代。一方面,微机保护装置早已突破常规保护的概念,向计算机化、网络化、智能化,保护、控制、测量和数据通信一体化发展。大量微电子技术的应用使其在电磁干扰方面有明显的敏感性和脆弱性;另一方面,微机保护装置一般工作在电磁环境极为恶劣的变电站中,使位于开关场内的继电保护装置比主控室继电保护所遭受的电磁干扰更加强烈,因此研究微机保护装置的抗电磁干扰性能具有重要的意义,不少学者对此都作了深入探讨[1,2]。

1 电磁干扰源分析

保护设备位于变电站内,变电站的电磁干扰是非常强烈的。随着输电电压的提高,当开关进行运行操作或发生故障时,在空间内会产生更强的电磁场。而且,SF6开关和GIS(Gas-Insulated Substation,GIS)系统的使用也越来越普遍。由于SF6气体的去游离能力极强,当开关操作时,母线上会出现频率极高的快速暂态过电压,向空间辐射上升沿极陡的脉冲电磁场,成为频带很宽的更强烈的干扰源[3],其电磁环境极为恶劣,EMC问题就更加突出。具体地说,可能存在的电磁干扰有很多种,例如变电站内可能产生的电磁干扰如高压回路中操作隔离开关及断路器引起的电气暂态现象;高压回路中绝缘击穿或避雷器和火花间隙放电引起的电气暂态现象;高压装置产生的工频电场和磁场;接地系统中的短路电流引起的电位升;雷电引起的电气暂态现象;低压设备开合操作引起的快速瞬变干扰;静电放电;设施内部或外部的无线电发射装置产生的高频场;设施内部其他电气或电子设备产生的高频传导和辐射干扰;供电线路串来的低频传导干扰;核电磁脉冲(NEMP);地磁干扰等等。归纳起来,常见电磁现象的属性如表1所示。

由于电磁环境是非常复杂的,可以用三类现象来描述所有的电磁干扰。(1)低频现象(传导及辐射的,除静电放电以外);(2)高频现象(传导及辐射的,除静电放电以外);(3)静电放电现象(传导及辐射的)。表2列出了基本电磁干扰现象,其分类是相当广泛的,包罗了绝大多数的电磁现象。在对于一个给定的设备进行抗干扰分析时,需要按照设备所处的环境及固有特性来进行组合分析。

2 电磁兼容性与电磁干扰机理

2.1 电磁兼容性

电磁兼容(Electromagnetic Compatibility,EMC)是研究在有限的空间、有限的时间及有限的频谱资源条件下,各种设备可以共存并不致引起性能降低的一门科学。电磁兼容定义为:“设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁干扰的能力。”从上述定义看,电磁兼容应包括:设备不受干扰的影响;设备不对周围的其他设备形成不能承受的干扰。电磁兼容涉及到以下问题:干扰源特性的研究,包括电磁干扰产生的机理、频域及时域的特性、抑制其发射强度的方法等;敏感设备的抗干扰性能;电磁干扰的特性,包括辐射和传导;电磁兼容的测量,包括测量设备、测量方法、数据处理方法以及测量结果的评价;系统内及系统间的电磁兼容性。电磁兼容的研究涉及自然界的电磁干扰(Electromagnetic Interference,EMI)源及其模型的研究、EMI、EMC的测量及评估、实现EMC的技术及技巧,其内容包括:

(1)自然界及人为的电磁干扰源及其模型的研究:闪电及静电放电是两个自然界的电磁干扰源。

(2)EMI和EMC的测量:开阔场地的测量;辐射干扰的测量;传导干扰的测量;脉冲干扰的测量(静电放电、电快速瞬时变脉冲群、电浪涌)。

(3)实现EMC的技术及技巧:屏蔽;接地;绑接;滤波;适当的频率规划及实现;采用特殊设计的电缆及连接器来抑制干扰。

2.2 电磁干扰机理

形成电磁干扰必须同时具备三个因素:电磁干扰源;对此种类型的干扰能量敏感的接受器(敏感设备);将能量从干扰源耦合到敏感设备的媒质(耦合通道)。因此,抗干扰设计必须从两个方面着手:减小设备内部存在的射频能量(发射);减小进入设备内的射频能量(敏感度或抗扰度)。发射和干扰是通过辐射及传导途径传输。为了更深入地研究干扰途径,必须认识到传播途径包含多种传播方式。一般来说,干扰途径有:从干扰源到敏感设备的直接辐射;从干扰源将射频能量直接辐射到敏感设备的电源线或信号控制电缆;射频能量通过电源线、信号线及控制线,从干扰源辐射到敏感设备;射频能量通过公共电源线或公共信号/控制电缆。对于上述耦合途径,存在四种形式的耦合:传导、电磁场、磁场及电场。

电磁干扰与耦合方式有关。在装置的端口或敏感设备的回路上的作用形式可以分为共模干扰、差模干扰两种情形。差模干扰是串联于信号源之中的干扰;共模干扰是引起回路对地电位发生变化的干扰,即对地干扰。共模干扰可为直流,也可为交流,它是装置不正常工作的主要来源。通常认为差模信号携带有用的数据及信息;共模信号不含有任何有用的信息,是最主要的辐射源,对装置的EMC影响最大。共模电流的幅度一般比差模电流小,但它却能产生非常高的辐射电场。差模电流的辐射发射可以被削弱,但是绝对无法消除,因为两个传输途径不可能绝对一致。此时共模电流的发射也随之产生。有许多因素,如距导电面的距离、结构的对称性等都会产生共模电流。非常小的共模电流产生的RF发射能量将与非常大的差模电流RF能量相当,并且共模电流在RF回流路径中不可能被取消。

应当注意:印制板PCB上的共模电流,与差模电流相比,是很难预测的。共模电流的返回通路常常是经杂散电容(位移电流)至其他相邻物体。因此一个完整的预测方案必须详细考虑PCB和其外壳的机械结构以及对地和对其他设备的接近程度。削弱共模干扰的主要方法有:浮空隔离技术;双层屏蔽技术;系统一点接地;低阻抗匹配传输、电流传输代替电压传输;采用隔离变压器;采用光电耦合器等。

当两个信号线都有差分阻抗,就存在差模电流与共模电流的转换。这些阻抗在射频下主要是由于杂散电容及杂散电感产生。在印制板布置时,一定要使装置的杂散电容及杂散电感最小,以阻止差模、共模电流的产生。由于需要平衡的电压及参考地,对于存在高频信号的电路一定要平衡设计,使每个导体上的杂散电容保持一致,最大程度地降低射频辐射能量、减少对其他信号的影响及提高抗扰度。

3 数字电路在干扰下的行为及其影响因素分析

大多数微控制器(MCU)采用CMOS技术。由于这些器件的同步特性,时钟信号电平的差异可能引起误动作。所有的CMOS设备都有一个噪声阀值,当超过该值时,将产生错误。元器件在干扰作用下被破坏的形式如下:(1)干扰功率过大造成半导体器件PN结点熔化或者烧毁;(2)电压过高,使半导体器件厚度仅为微米级的氧化膜绝缘层击穿而损坏;(3)电流过大使半导体器件的镀敷金属烧毁;(4)出现幅度过大的尖峰电压,使半导体器件处于不能自动恢复至正常状态,造成电路“死机”,切断电源后尚可恢复正常。由于半导体器件的损坏存在累计过程,所以任何不良的影响均会由潜伏性损坏导致永久性损坏。而器件的损坏会带来额定电压下降、性能降低、计算机数据丢失、误动作、拒动作等不良后果。电磁干扰导致电子设备失效的最根本原因在于电子元器件在电磁干扰能量作用下的破坏,其脉冲能量及元器件失效能量如表3和表4所示。

从装置系统级EMC考虑,在EMC研究中应考虑以下几点[4]:(1)频率,研究问题的频谱。(2)幅值,干扰源的电平多强?引起有害干扰的最大电势是多大?(3)时间,研究的问题是连续信号或者仅在操作间隔内出现?(4)阻抗,干扰源、敏感设备的阻抗以及传输途径的阻抗。(5)物理尺寸,设备能够引起发射的物理尺寸。当装置产生EMI问题时,依照上述特性分析问题是非常有益的。此外根据“Norton等效定理”得到的Norton网络,EMI问题都可以迎刃而解。

4 微机保护硬件系统抑制干扰的策略

通常抑制干扰的措施包括:积极防范电磁干扰的措施,即抑制干扰源;消极防电磁干扰措施,即阻断干扰途径;预防性抑制电磁干扰的措施,即降低受干扰装置的噪声敏感度。在研究系统级EMC问题时应当注意:不使用不当的抑制干扰措施;电缆及接插件(连接器)的错误设计、实施及接地处理;错误的印制板(PCB)布置。具体地说,也就是抑制干扰的措施与时钟和周期信号的布线、印制板的布局及信号的布置、选择高频谱能量分布的元器件、共模、差模滤波器、接地处理和不充分的旁路、退耦电容有关系。为了克服上述缺陷,可采用屏蔽、密封、接地、滤波、解耦、正确布线、隔离、电路阻抗控制等措施。

4.1 布局与布线

布局与布线的好坏对PCB的电磁兼容性影响是非常大的,所以在布局与布线前就应考虑到电磁兼容性问题。数字电路、模拟电路以及电源电路的元件的布局和布线特点各不相同,它们产生的干扰以及抑制措施也不相同。所以在元件布局时,应将数字电路、模拟电路以及电源电路分别放置,将高频电路与低频电路分开。在条件允许的情况下应使之各自隔离或单独做成一块电路板。此外,布局中还应特别注意强、弱信号的器件分布及信号传输方向、途径等问题。时钟发生器、晶振和CPU的时钟输入端都易产生噪声,要相互靠近些。易产生噪声的器件、小电流电路、大电流电路等应尽量远离逻辑电路。

电路元件和信号通路的布局必须最大限度地减少无用信号的相互耦合:低电平信号不能靠近高电平信号和无滤波的电源线;将低电平的模拟电路和数字电路分开,避免模拟电路、数字电路和电源公共回线产生公共阻抗耦合;高、中、低速逻辑电路在PCB上要用不同区域;安排电路时要使得信号线长度最小;保证相邻板之间、同一板相邻层之间、同一层面相邻布线之间不能有过长的平行信号线;EMI滤波器要尽可能靠近EMI源,并放在同一块线路板上;DC/DC变换器、开关元件和整流器尽可能靠近变压器放置,使导线长度最小;尽可能靠近整流二极管放置调压元件和滤波电容器;将印刷电路板按频率和电流开关特性分区,噪声元件与非噪声元件要距离远一些;对噪声敏感的布线不要与大电流,高速开关线平行[5]。在布线时,要注意:

(1)45°角的路径:与过孔相似,应该避免直角的转弯路径,因为它在内部的边缘能产生集中的电场。该场能耦合较强噪声到相邻路径。因此,当转动路径时全部的直角路径应该采用45°。

(2)短截线:会产生反射,同时也潜在增加天线辐射的可能。虽然短截线长度可能不是任何系统已知信号波长的1/4整数,但是附带的辐射可能在短截线上产生振荡。因此,避免在传送高频率和敏感的信号路径上使用短截线。

(3)不变的路径宽度:信号路径的宽度从驱动到负载应该是常数。改变路径宽度时路径阻抗会产生改变,从而产生反射和造成线路阻抗不平衡。

(4)树型信号线排列:虽然树型排列适用于多个PCB印刷线路板的地线连接,但它带有可能产生多个短截线的信号路径。因此,应尽量避免用树型排列高速和敏感的信号线。

(5)辐射型信号线排列:辐射型信号排列通常有最短的路径,以及产生从源点到接收器的最小延迟,但是这也能产生反射和辐射干扰,所以应避免用辐射型排列高速和敏感信号线。

(6)过孔密度:经过电源和地层的过孔过于密集会在接近过孔的地方产生局部化的阻抗差异。这个区域不仅成为信号活动的“热点”,而且电源在这点是高阻,影响射频电流传递。

(7)接地敷铜区:所有的敷铜区应该被连接到地,否则,这些大的敷铜区能充当辐射天线。

(8)最小化环面积:保持信号路径和它的地返回线紧靠在一起将有助于最小化地环,因而,也避免了潜在的天线环。对于高速单端信号,有时如果信号路径没有沿着低阻的地层走,地线回路必须沿着信号路径流动来布置。

(9)其他布线策略:采用平行走线可以减少导线电感,但导线之间的互感和分布电容会增加,如果布局允许,电源线和地线最好采用井字形网状布线结构,具体做法是印刷板的一面横向布线,另一面纵向布线,然后在交叉孔处用金属孔相连。

4.2 接地设计

在电子设备中,接地是控制干扰的重要方法。如能将接地和屏蔽正确结合起来使用,可解决大部分干扰问题。电子设备中地线结构大致有系统地、机壳地(屏蔽地)、数字地(逻辑地)和模拟地等。在PCB板的地线设计中,接地技术既应用于多层PCB,也应用于单层PCB。接地技术的目标是最小化接地阻抗,从而减少从电路返回到电源之间的接地回路电势。

(1)正确选择单点接地与多点接地。在低频电路中,信号的工作频率小于1 MHz,它的布线和器件间的电感影响较小,而接地电路形成的环流对干扰影响较大,因而应采用单点接地。当信号工作频率大于10 MHz时,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。当工作频率在1~10 MHz时,如果采用单点接地,其地线长度不应超过波长的1/20,否则应采用多点接地。高频电路宜采用多点串联接地,地线应短而粗,高频元件周围尽量布置栅格状大面积接地铜箔。

(2)将数字电路与模拟电路分开。电路板上既有高速逻辑电路又有模拟电路,应尽量使它们分开,两者的地线不要相混,应分别与电源端地线相连。要尽量加大模拟电路的接地面积。

(3)接地线应尽量短而粗。因为导体电感与其直径对应成反比,而与其长度成正比,若接地线用很细的线条,导线电感增大,接地电位会随电流的变化而变化,致使电子设备的定时电平信号不稳,抗噪声能力变弱。因此应将接地线尽量加粗,使它能通过三倍于印刷线路板的允许电流。

(4)将接地线构成闭环路。在设计只由数字电路组成的地线系统时,将接地线作成闭环路可以明显地提高PCB抗噪声能力。因为当印刷线路板上继承电路元件比较多时,耗电量比较大,受接地线粗细的限制,会在地结上产生较大的电位差,引起抗噪声能力下降,若将接地构成环路,则能减小电位差值,提高PCB的抗噪声能力。

(5)当采用多层线路板设计时,可将其中一层作为接地层,这样可以减少接地阻抗,同时又起到屏蔽作用。设计中常在印刷板周边布一圈的地线,也是起同样的作用。

(6)在多层板的设计中,应把电源面和接地面尽可能近地放置在相邻层中,因为电源面和接地面间的绝缘薄层可以产生PCB电容。在单层板中,电源线和地线的平行布放也存在这种电容效应。PCB电容的一个优点是它具有非常高的频率响应和均匀地分布在整个面或整条线上的低串联电感,它等效于一个均匀分布在整个板上的去耦电容。

(7)布放高速电路和元件时应使其接近地面,而低速电路和元件应使其接近电源面。

(8)当电路需要不只一个电源供给时,应采用接地将每个电源分离开。

5 结束语

抗电磁干扰问题是很复杂的,在硬件系统设计中考虑问题稍有不慎,就有可能给微机保护系统留下先天性的故障隐患。随着继电保护装置的更新换代,电磁兼容问题变得尤为突出,因此结合工程实践对微机继电保护装置的抗电磁干扰性能展开研究,针对可能产生的电磁干扰提出抑制相应的抗电磁干扰措施是有工程参考意义的。

参考文献

[1]黄益庄.变电站智能电子设备的电磁兼容技术[J].电力系统保护与控制,2008,36(15):6-9.HUANG Yi-zhuang.EMC technology for IED in substations[J].Power System Protection and Control,2008,36(15):6-9.

[2]黄海,张辉,华栋.变电站内的电磁干扰及电磁兼容问题[J].电力建设,2002(2):32-33.HUANG Hai,ZHANG Hui,HUA Dong.Problems of electromagnetic interference and compatibility within substations[J].Electric Power Construction,2002(2):32-33.

[3]杨吟梅.变电站内电磁兼容问题——有关的基本概念[J].电网技术,1997,21(2):61-69.YANG Yin-mei.Problems of compatibility within substations about basic concepts[J].Power System Technology,1997,21(2):61-69.

[4]Designing for electromagnetic compatibility(EMC)with HCMOS microcontrollers[M].Motorola Inc,2000.