賈紅莉

【摘要】 介紹了某小型測(cè)試系統(tǒng)的干擾現(xiàn)象，對(duì)干擾源的形成機(jī)理進(jìn)行分析。針對(duì)系統(tǒng)的特點(diǎn)，在硬件設(shè)計(jì)中通過(guò)濾波電路、隔離與耦合技術(shù)、傳輸導(dǎo)線的選擇與屏蔽來(lái)提高系統(tǒng)的可靠性，在軟件方面采用跟蹤監(jiān)視定時(shí)器技術(shù)、軟件濾波等措施，使整個(gè)系統(tǒng)的干擾得到良好抑制。

【關(guān)鍵詞】 小型測(cè)試系統(tǒng) 干擾 抑制

某小型測(cè)試系統(tǒng)主要用于模擬載機(jī)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的試驗(yàn)，測(cè)試系統(tǒng)采用小型化便攜式設(shè)計(jì)。由于系統(tǒng)體積小，使用環(huán)境復(fù)雜，導(dǎo)致大量干擾信號(hào)存在，這對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的穩(wěn)定度和精確度有直接的影響，嚴(yán)重時(shí)可使系統(tǒng)不能正常工作。因此，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造、使用及工作環(huán)境都需要考慮干擾的因素。

一、干擾源及形成分析

測(cè)試系統(tǒng)采用PC104總線的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，由于系統(tǒng)用在外場(chǎng)試驗(yàn)環(huán)境，使用小型加固機(jī)箱，內(nèi)部嵌入模塊板卡及電源系統(tǒng)等，機(jī)箱空間小，系統(tǒng)使用的測(cè)試距離遠(yuǎn)、電源供電、地線等環(huán)境苛刻，存在著大量的干擾。通過(guò)試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)干擾源主要為：

1.1電源系統(tǒng)干擾

干擾主要是從電源和電源線引入系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)與其它負(fù)載共用電源時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電源噪聲，如電源過(guò)/欠壓、浪涌、下陷等干擾，這些噪聲會(huì)耦合到系統(tǒng)電路，給系統(tǒng)造成危害。當(dāng)電源引線較長(zhǎng)時(shí)，所產(chǎn)生壓降及感應(yīng)電勢(shì)等形成噪聲。系統(tǒng)所需的直流電源，會(huì)因凈化不佳，給高精度系統(tǒng)帶來(lái)干擾。

1.2數(shù)字電路引起的干擾

數(shù)字電路引出的直流電流雖然只有mA級(jí)，但是當(dāng)電路處在高速開關(guān)時(shí)，就會(huì)形成較大的干擾。如，TTL門電路在導(dǎo)通狀態(tài)下從直流電源引出5mA左右的電流，截止?fàn)顟B(tài)下則為1mA ，在Tns時(shí)間內(nèi)其電流變化為ImA ，如果在配電線上具有LμH的電感，當(dāng)這個(gè)門電路改變狀態(tài)時(shí)，配電線上產(chǎn)生的噪聲電壓為：U=L*di/dt=L*I/T （1）

雖然這種門電路的供電電壓僅為5V， 但所引起的干擾噪聲將是非常嚴(yán)重的。

1.3長(zhǎng)線傳輸干擾

信號(hào)在傳輸過(guò)程中容易出現(xiàn)延時(shí)、變形并接收干擾信號(hào)，形成傳導(dǎo)耦合干擾。測(cè)試系統(tǒng)使用30米的測(cè)試電纜，因此信號(hào)彼此間干擾電壓很大。導(dǎo)致傳輸信號(hào)發(fā)生畸變，產(chǎn)生的干擾主要有：傳輸線周圍空間電磁場(chǎng)對(duì)傳輸線的電磁感應(yīng)干擾；當(dāng)兩條或兩條以上信號(hào)強(qiáng)弱不同的線靠得很近時(shí)，通過(guò)線間分布電路和互感而形成的線間干擾。

1）容性（電場(chǎng)）耦合干擾

當(dāng)干擾源產(chǎn)生的干擾是以電壓形式出現(xiàn)時(shí)，干擾源與信號(hào)電路之間就存在容性（電場(chǎng)） 耦合，這時(shí)干擾電壓線電容耦合到信號(hào)電路，形成干擾源。對(duì)于平行導(dǎo)線，由于分布電容大，容性耦合較嚴(yán)重。在圖1a中，導(dǎo)線1和2是兩條平行線， C1和C2分別是各線對(duì)地的分布電容，C12是兩線間分布的耦合電容，V1是導(dǎo)線1對(duì)地電壓，R是導(dǎo)線2對(duì)地電阻。由圖1b等效電路可得，導(dǎo)線1電壓通過(guò)耦合導(dǎo)線2上產(chǎn)生的電壓V2為：V2=jωC12RV1/[1+jω（C12+C2）R] （2）

當(dāng)R>>1+jω（C12+C2）時(shí)，式（2）可簡(jiǎn)化為：V2=C12V1/（C12+C2） （3）

當(dāng)R<<1+jω（C12+C2）時(shí)，式（2）可簡(jiǎn)化為：V2=jωC12RV1 （4）

由式（2）、（3）、（4）可知，容性耦合干擾隨著耦合電容的增大而增大。

2）感性（磁性）耦合干擾

當(dāng)干擾源以電流形式出現(xiàn)時(shí)，此電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)通過(guò)互感耦合對(duì)鄰近信號(hào)形成干擾。圖2是互感耦合示意圖，兩鄰近導(dǎo)線之間存在分布互感M，M=Ф/I1（其中，I1是流過(guò)導(dǎo)線1的電流，Ф是電流I2產(chǎn)生的與導(dǎo)線2交線的磁通），由互感耦合在導(dǎo)線2上形成的互感電壓為V2=2ωMI1，此電壓在導(dǎo)線上是串聯(lián)的。從式中可知V2與干擾的頻率和互感量成正比。

1.4地線干擾

該測(cè)試系統(tǒng)電路復(fù)雜，系統(tǒng)中有數(shù)字地、模擬地、機(jī)殼等，而模擬地又可分為直流地和交流地。當(dāng)各部分電路的電流均流過(guò)公共地線時(shí)，會(huì)在其上產(chǎn)生壓降，形成噪聲干擾。這種情況在數(shù)字電路和模擬電路共地時(shí)非常明顯。通常，數(shù)字系統(tǒng)的入地電流比模擬系統(tǒng)大得多，并且有較大波動(dòng)噪音。即使系統(tǒng)接地電阻很小，數(shù)字電路也會(huì)在其兩端形成較高電壓，使模擬系統(tǒng)的接地電壓不能為零。

二、硬件抗干擾措施

2.1電源濾波電路

電源濾波電路可以防止輸入電壓的高頻脈沖干擾，為設(shè)備內(nèi)的AC/DC變換提供干凈的電源，使DC輸出電壓穩(wěn)定。同時(shí)，該電路可以防止設(shè)備中的電磁干擾通過(guò)電源線傳到電網(wǎng)上，防止電磁干擾進(jìn)入電網(wǎng)的其他設(shè)備。電路如圖3所示：

在電路的設(shè)計(jì)中，C1的選用原則：

1）耐壓高于最大輸出電壓的50%以上；

2）C1=1/F，F(xiàn)為系統(tǒng)的頻率。濾波電容的選用原則：C≥2.5T/R；T為系統(tǒng)頻率，R為負(fù)載電阻，一般使用中選擇C≥5T/R。

2.2隔離與耦合措施

1）光電隔離與耦合

測(cè)試系統(tǒng)的接口，用數(shù)字式光電隔離器進(jìn)行隔離，以切斷公共阻抗環(huán)路，避免長(zhǎng)線感應(yīng)和共模干擾。較長(zhǎng)時(shí)間的信號(hào)傳輸線可采用屏蔽與光電耦合配合使用的方法。

2）放大器隔離

測(cè)試系統(tǒng)中的放大電路易受共模干擾的影響，對(duì)此，前級(jí)放大電路之間可采用光電耦合進(jìn)行隔離。采用兩個(gè)耦合器組成互補(bǔ)形式，可以改善放大電路的線性度，減少溫度影響。

2.3傳輸導(dǎo)線抗干擾措施

1）傳輸導(dǎo)線的選擇

信號(hào)頻率在100kHz以下采用雙絞線傳輸，頻率超過(guò)100kHz信號(hào)傳輸采用同軸電纜。雙絞線對(duì)電容耦合的電場(chǎng)噪聲幾乎沒有抑制作用，但對(duì)磁場(chǎng)的耦合噪聲的抑制能力很強(qiáng)。同軸電纜的阻抗在高頻下保持基本恒定，但同軸電纜不能用于低于10kHz的低頻信號(hào)傳輸。

2）傳輸導(dǎo)線的屏蔽

對(duì)于長(zhǎng)距離導(dǎo)線，采取屏蔽措施，提高信號(hào)傳輸?shù)目煽啃?。為?shí)現(xiàn)最佳的磁場(chǎng)屏蔽作用，電路的一端與地隔離。為減小屏蔽層噪聲電流，低頻信號(hào)線纜的屏蔽層采用單點(diǎn)接地。如果僅有信號(hào)源接地，屏蔽層接地點(diǎn)在信號(hào)源端。如果僅有負(fù)載端接地，屏蔽層接地點(diǎn)在負(fù)載端。高頻信號(hào)的屏蔽層采用多點(diǎn)接地設(shè)計(jì)，為確保屏蔽線纜的良好接地，每十分之一信號(hào)波長(zhǎng)加一個(gè)屏蔽層接地點(diǎn)，可通過(guò)一個(gè)小電容將屏蔽層接地。

三、軟件抗干擾措施

軟件抗干擾措施是系統(tǒng)抗干擾的一個(gè)非常重要方面，軟件的抗干擾性能差，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)死機(jī)或程序跑飛等現(xiàn)象。為此，在軟件設(shè)計(jì)中采取了幾種抗干擾措施：

3.1跟蹤監(jiān)視定時(shí)器技術(shù)

當(dāng)系統(tǒng)受到干擾時(shí)，有時(shí)嵌入式處理器的設(shè)置值會(huì)被改變，導(dǎo)致程序跑飛，盲目運(yùn)行或進(jìn)入死循環(huán)。采用設(shè)置跟蹤監(jiān)視定時(shí)器，在程序失控的狀態(tài)下，將跑飛的處理器指針“俘獲”并強(qiáng)行拉回到一個(gè)處理該故障的程序中，恢復(fù)被破壞的現(xiàn)場(chǎng)，回到受干擾之前的地址，使程序正常運(yùn)行。

跟蹤監(jiān)視定時(shí)器技術(shù)利用定時(shí)器中斷功能來(lái)監(jiān)視程序的運(yùn)行狀態(tài)。

3.2數(shù)字濾波技術(shù)

進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集時(shí)，為了消除傳感通道中的干擾信號(hào)，利用算術(shù)平均值法、FIR數(shù)字濾波算法實(shí)現(xiàn)軟件濾波效果，減少系統(tǒng)的隨機(jī)干擾對(duì)采樣結(jié)果的影響。

四、結(jié)束語(yǔ)

由于小型測(cè)試系統(tǒng)體積小，其內(nèi)部工作環(huán)境比較復(fù)雜，外部工作環(huán)境苛刻。因此，小型測(cè)試系統(tǒng)的可靠性是必須要考慮的重要因素，該系統(tǒng)在樣機(jī)研制過(guò)程中，對(duì)系統(tǒng)的抗干擾性做了細(xì)致周全的設(shè)計(jì)，在實(shí)際使用中得到了很好的效果。