电路 | 抗干扰技术

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差模干扰的抑制

差模噪声可以简单的认为是与被测信号叠加在一起的噪声，它可能是信号源产生的，也可能是引线感应耦合来的。差模噪声与被测信号叠加在一起，所以对信号就会形成干扰，即差模干扰。
抑制差模干扰一方面采取措施切断噪声耦合途径，如将引线屏蔽；另一方面利用干扰与信号的差别来把干扰消除掉或减小到最小。常用的方法有以下几种。

1.频率滤波法

该方法是利用差模干扰与有用信号在频率上的差异，采用高（低）通滤波器滤除比有用信号频率低（高）的差模干扰。

2.积分法

双积分A/D转换器由积分器、过零比较器（C）、时钟脉冲控制门（G）和定时器、计数器（FF0～FFn）等几部分组成。
工作原理：
（1）准备阶段
计数器清零，积分电容放电， Uo=0V。
（2）第一次积分阶段
t=0时，开关S1与A端接输入电压Ui加到积分器的输入端。积分器从0开始分：
由于Uo<0V，过零比较器输出Uc=1，控制门G开。计数器从0开始数。经过2n个时钟脉冲后，触发器FF0～FFn－1都翻转到0态，而Qn=1，开关S1由A点转到B点，第一次积分结束。第一次积分时间为：

t=T1=2nTC

第一次积分结束时，积分器的输出电压Up为

（3）第二次积分阶段
当t=t1时，S1转接到B点，基准电压－UREF加到积分器的输入端；积分器开始向相反进行第二次积分。
当t=t2时，积分器输出电压Uo>0V，比较器输出Uc=0，控制门G被关闭，计数停止。
在此阶段结束时UO的表达式可写为：
设T2=t2－t1，于是有：
设在此期间计数器所累计的时钟脉冲个数为λ，则：

 T2=λTc

可见，T2与UI成正比，T2就是双积分A/D转换过程的中间变量。
显然
干扰抑制效果为
当定时积分时间T1选定为干扰噪声周期的整数倍，即k为整数时，NMR＝
。

3.电平鉴别法

如果信号和噪声在幅值上有较大的差别，且信号幅值较大，噪声幅值较小，则可用电平鉴别法将噪声消除。
（1）采用脉冲隔离门抑制干扰
可以用硅二极管的正向压降对幅度较小的干扰脉冲加以阻挡，而让幅度较大的脉冲信号顺利通过。如图所示。电路中的二极管最好选用开关管。
（2）采用削波器抑制干扰
当噪声电压低于脉冲信号波形的波峰值时，可以采用下图所示的削波器。该削波器只让高于电压U的脉冲信号通过,而低于电压U的噪声被削去。

4.脉宽鉴别法

如果噪声幅值较高，但噪声波形的脉宽要比信号脉宽窄的多，则可以利用RC积分电路来有效的消除脉宽较窄的噪声。一般要求RC积分电路的时间常数要大于噪声的脉宽而小于信号的脉宽。
RC积分电路原理图如下所示。

供电系统抗干扰

1.从供电系统窜入的干扰

（1）大功率的感性负载或可控硅切换时，在电网中产生的强大瞬态高压所对系统的严重干扰；
（2）采用整流方式供电时，由于滤波不良产生的纹波噪声；
（3）采用直流－直流变换器或开关稳压电源时，产生的高频开关噪声干扰；
（4）电源的进线和输出线很容易受到的工业现场以及天线的各种干扰噪声。

2. 供电系统抗干扰措施

（1）电源滤波和退耦
此方法是抑制电源干扰的主要措施。
（2）采用不间断电源（UPS）和开关式直流稳压电源
UPS除了有很强的抗电网干扰的能力外，更主要的是万一电网断电，它能以极短的时间切换到后备电源上去。
开关式稳压电源由于开关频率可达10～20kHz或更高，因而扼流圈和变压器都可小型化，高频开关晶体管工作在饱和截止状态，效率可达60%~70%,抗干扰性能强，故被广泛应用。

3. 系统分别供电和采用电源模块单独供电

当同时向两个易于相互干扰的电感设备供电时，供电线路要分开。
近年来，在一些数据采集板卡上，广泛采用DC-DC电源电路模块，或三端稳压集成块如7805等组成的稳压电源单独供电。采用单独供电方式与集中供电相比的优点有：

①不致因个别电源影响整个系统；
②有利于减小公共阻抗的相互耦合和电源散热；
③有利于提高板卡可靠性。

4. 供电系统馈线要合理布线

（1）从电源引入口经开关器件至低通滤波器之间的馈线尽量用粗线；
（2）电源后面的一段均应用双绞线且要短，还要分开布线；
（3）尽量避免公共线。

印刷电路板抗干扰

印刷电路板是测控系统中器件、信号线、电源线的高度集合体，印刷电路板设计的合理性，对抗干扰能力影响很大。从抗干扰设计角度去看，通常有以下几种布线原则。

1.合理布置印刷电路板上的器件

印刷电路板上器件的布置应符合器件之间电气干扰小和易于散热的原则。
（1）器件之间干扰应将器件按照其功率的大小及抗干扰能力的强弱分类集中布置。
（2）散热问题

①散热器的安装；
②发热元件分散布置；
③热敏元件远离发热元器件。
④散热材料的选用[电路板]

2.合理分配印刷电路板插脚

当印刷电路板是插入PC及S-100等总线扩展槽中使用时，为了抑制线间干扰，对印刷电路板的插脚必须进行合理分配。

3.印刷电路板合理布线

（1）交叉配线最好改为通过元器件实行跨接线方法；
（2）配线不要做成环路；
（3）不要有长段窄条并行；
（4）旁路电容器[消除高频噪声]引线不能长；
（5）单元电路的输入线和输出线，应当用地线隔开。
（6）信号线尽可能短，优先考虑小信号线，采用双面走线，使线间距尽可能宽些。

4.电源线的布置

电源线、地线的走向应尽量与数据传输方向一致，且应尽量加大其宽度。

5.印刷电路板的屏蔽

（1）屏蔽线的接入导线屏蔽主要用于极限频率高、上升时间短的系统。
如右上图，内部接有屏蔽线的信号线。

（2）屏蔽环
屏蔽环是一条导电通路，它位于印刷电路板的边缘并围绕着该电路板，如果只在某一点上与基准电位相连，那么它可对外界电容性干扰起屏蔽作用；如果起点与终点在电路板上相连，形成一个短路，那么它可对电感性干扰起抑制作用。

6.去耦电容器的配置

集成电路在工作状态翻转时，其工作电流变化是很大的。故对其工作时产生的电流突变，可以在集成电路附近加接旁路去耦电容将其抑制。
如右下图是加了旁路去耦电容使得高频冲击电流被去耦电容旁路。印刷电路板的各个需要配置去耦电容的关键部位：
（1）电源输入端；
（2）原则上，每个集成电路芯片；
（3）抗干扰能力弱，关断时电流变化大的器件和ROM 、 RAM存储器件。

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