探索計(jì)量儀表的抗干擾設(shè)計(jì)

1、<p>　　探索計(jì)量儀表的抗干擾設(shè)計(jì)</p><p>　　摘要：計(jì)量儀表廣泛適用于公司溫度、能源、稱重及壓力計(jì)量。在生產(chǎn)作業(yè)現(xiàn)場, 干擾源往往較多，影響到這些儀表的計(jì)量準(zhǔn)確，所以如何消除這些干擾源，便成為計(jì)量技術(shù)的嶄新課題。 </p><p>　　關(guān)鍵詞： 計(jì)量儀表抗干擾 設(shè)計(jì) </p><p>　　中圖分類號：TB932 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號： &l

2、t;/p><p><b>　　前言 </b></p><p>　　計(jì)量儀表的可靠性由多種原因決定，但提高抗干擾的性能是最有效的方式。要提高計(jì)量儀表的抗干擾性能必須從電源系統(tǒng)的抗干擾、過程通道的抗干擾、軟件系統(tǒng)的抗干擾措施等諸多方面來考慮，將干擾降低至最低程度，以提高智能儀表的整機(jī)性能。 </p><p>　　一、常見干擾源及對系統(tǒng)的干擾 </

3、p><p>　　通常來說干擾儀表測控系統(tǒng)的干擾源主要有電力網(wǎng)絡(luò)和電氣設(shè)備的暫態(tài)過程、雷電等引起空間的輻射干擾和系統(tǒng)電源線、信號引線、接地等引起的系統(tǒng)外引線干擾。這些干擾總體上分為兩大類：外部干擾和內(nèi)部干擾，詳細(xì)分析無外乎由于輻射、溫度、濕度、振動(dòng)、傳輸、感應(yīng)、電源、接地幾個(gè)方面。下面對常見的幾種干擾機(jī)制進(jìn)行分析： </p><p>　　來自空間的輻射干擾對測控系統(tǒng)影響主要通過兩條路徑：一是直接

4、對計(jì)算機(jī)內(nèi)部輻射，由電路感應(yīng)產(chǎn)生干擾；二是對計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備及通訊網(wǎng)絡(luò)的輻射，由外圍設(shè)備和通信線路的感應(yīng)引入干擾。 </p><p>　　來自傳輸?shù)母蓴_主要有兩種途徑：一是通過傳感器供電電源或公用信號儀表的供電電源即配電器串入的電網(wǎng)干擾；二是信號線受空間電磁輻射感應(yīng)的干擾，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起元件損壞，邏輯出錯(cuò)和大的系統(tǒng)故障。來自接地系統(tǒng)的干擾主要是接地系統(tǒng)混亂：測控系統(tǒng)的屏蔽接地線及機(jī)殼接地線、信號接地線、功率地線、交流

5、電源地線等引起的噪聲耦合干擾。 </p><p>　　二、計(jì)量儀表的抗干擾設(shè)計(jì) </p><p>　　根據(jù)干擾形成的三要素(干擾源、敏感器件和傳播路徑) ,在儀表設(shè)計(jì)中只要針對這三方面采取措施,就可以有效地抑制干擾的影響。 </p><p><b>　　1抑制干擾源 </b></p><p>　　抗干擾設(shè)計(jì)中優(yōu)先考慮和最

6、重要的原則是抑制干擾源,也就是盡可能地減小干擾源的du/ dt 及di/ dt ,這樣做往往會(huì)起到事半功倍的效果。du/ dt 的減小主要是通過在干擾源兩端并聯(lián)電容來實(shí)現(xiàn); di/ dt 的減小則是在干擾源回路串聯(lián)電感或電阻及增加續(xù)流二極管來實(shí)現(xiàn)。對常見的感性負(fù)載(如繼電器、電機(jī)等) 通常是在其兩端并接火花抑制電路,減小電火花的影響;可控硅的兩端并接RC 抑制電路,也可明顯減低可控硅產(chǎn)生的噪聲;儀表電路設(shè)計(jì)時(shí)在每個(gè)IC 集成塊的電源輸入

7、端并接一個(gè)高頻濾波電容,可減小IC 對電源的影響。供電電源也是計(jì)量儀表中危害最嚴(yán)重的干擾來源。電源干擾根據(jù)輸出電壓變化持續(xù)時(shí)間長短可分為過壓、欠壓,浪涌、下陷,尖峰電壓,射頻干擾四種。過壓、欠壓的危害是顯而易見的,但只要采取適當(dāng)?shù)姆€(wěn)壓措施一般不難解決;浪涌與下陷是電壓的快變化,由于電源系統(tǒng)中接有反應(yīng)遲緩的磁飽和或交流穩(wěn)壓器,往往會(huì)在這些變化點(diǎn)附近產(chǎn)生振蕩,使得電壓忽高忽低,其解決方法是采用快速響應(yīng)的交流電源調(diào)壓器;尖峰電壓持續(xù)時(shí)間極短,

8、但對儀表的危害很大,會(huì)造成邏輯功能的混亂,甚至沖壞原程序,解決方法是使用有噪聲抑制能力的交流電源</p><p>　　2清除干擾傳播路徑 </p><p>　　干擾傳播路徑分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩類。所謂傳導(dǎo)干擾是指通過導(dǎo)線傳播到敏感器件的干擾。隨著單片機(jī)工作頻率的越來越高,儀表過程通道的長線傳輸干擾幾乎是無可避免,為保證長線傳輸?shù)目煽啃?可采取光電隔離、雙絞線傳輸和阻抗匹配等抗干擾措施。

9、對于高頻干擾噪聲,可根據(jù)它和有用信號的頻帶不同,通過在導(dǎo)線上增加濾波器的方法來切斷高頻干擾噪聲的傳播。輻射干擾是指通過空間輻射傳播到敏感器件的干擾。通常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、在敏感器件上加屏蔽罩等。在設(shè)計(jì)中,我們常用如下措施來切斷干擾傳播路徑。 </p><p>　　(1) 去耦設(shè)計(jì):合理的去耦設(shè)計(jì)能提高儀表的抗干擾能力,濾除因峰值電流跳變而產(chǎn)生的干擾。去耦電容(011μF)

10、直接接在器件的電源和地之間。當(dāng)單片機(jī)工作在擴(kuò)展模式時(shí),總線操作產(chǎn)生的瞬態(tài)電流比較大,還應(yīng)加上1μF 的鉭電容與011μF 的陶瓷電容并聯(lián),同時(shí)在電源處加一個(gè)10μF 的去耦電容。去耦網(wǎng)絡(luò)應(yīng)盡量接近器件的電源引腳,表面封裝電容具有較小電感,可將其安裝在PCB 的焊接面,這樣與器件/ 地之間的距離最短,可發(fā)揮最好的去耦效果。 </p><p>　　(2) 印刷電路板的抗干擾設(shè)計(jì):對印刷電路板的設(shè)計(jì)應(yīng)妥善地考慮每一元器

11、件的位置和布線、合理分區(qū),把強(qiáng)、弱信號及數(shù)字、模擬信號分塊布局,以獲得最好的抗干擾效果。設(shè)計(jì)的一般原則是:把相互有關(guān)的元器件盡量靠在一起,敏感部件要離開可能成為干擾的元器件盡量遠(yuǎn)些;定時(shí)/ 計(jì)數(shù)器易受電磁干擾影響,要盡量遠(yuǎn)離該電路板上的振蕩器;易產(chǎn)生電磁干擾的元器件、大電流電路應(yīng)盡量遠(yuǎn)離系統(tǒng)的邏輯電路(最好是另做電路板) ;四層板比雙面板的噪聲低20dB ,六層板比四層板噪聲低10dB ,因此經(jīng)濟(jì)允許時(shí)盡量用多層板;因?yàn)镮C 插座有較大

12、的分布電容,盡量不要使用IC 插座,應(yīng)把IC 直接焊在印刷板上。 </p><p>　　(3) 接地技術(shù):合理接地是系統(tǒng)抑制干擾的重要方法,接地的一般原則是:盡可能使接地電路各自形成回路,減少電路與地線之間的電流耦合;恰當(dāng)布置地線使電流局限在盡可能小的范圍;根據(jù)地線電流的大小和信號頻率的高低,選擇相應(yīng)形狀地線和接地方式。一般在低頻電路(小于1MHz) 中,其布線和元器件間的電感影響較小,因此常采用一點(diǎn)接地。當(dāng)信號

13、頻率大于10MHz 時(shí),必須采用多點(diǎn)接地。高速模擬信號容易受數(shù)字噪聲的影響,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將模擬電路與數(shù)字電路盡量分開,分別提供電源和地線,這樣在數(shù)字地上產(chǎn)生的壓降不會(huì)影響到模擬輸入信號。 </p><p>　　3減小敏感器件的干擾拾取 </p><p>　　從敏感器件的角度出發(fā),提高敏感器件的抗干擾性能就是要盡量減少對干擾噪聲的拾取量,以及能從不正常狀態(tài)(受干擾噪聲影響所致) 盡快恢復(fù)到正常狀

14、態(tài)的方法。我們常用下面的方法來提高敏感器件的抗干擾性能。 </p><p>　　(1) 多層PCB 的使用,有助于縮小信號電流的回路面積,但對于大多數(shù)低價(jià)格的計(jì)量儀表是不現(xiàn)實(shí)的。對于單面或雙面PCB ,主要采取加大電源線和地線的走線面積及盡量減少回路環(huán)的面積,以減低感應(yīng)噪聲的可能性。 </p><p>　　在智能儀表系統(tǒng)中最敏感的是時(shí)鐘信號,為避免時(shí)鐘信號被干擾,可采取以下措施:晶振與微處

15、理器的連線要盡可能短而粗;時(shí)鐘線要遠(yuǎn)離I/ O 線,確實(shí)沒法遠(yuǎn)離時(shí),時(shí)鐘線與I/ O 線垂直比平行干擾要小得多。 </p><p>　　(3) 在滿足系統(tǒng)要求的前提下,盡量降低單片機(jī)的晶振頻率。晶振外殼要接地,在晶振下面要加大接地面積,盡量避免走其它信號線。 </p><p>　　(4) 閑置不用的門電路輸入端不要懸空; IC 的閑置端在不改變系統(tǒng)邏輯的情況下接地或接電源,例如閑置不用的運(yùn)

16、放正輸入端接地、負(fù)輸入端接輸出;CMOS芯片的輸入阻抗高,易受感應(yīng),對其不用端要接地或接正電源;單片機(jī)不用的I/ O 口可定義成輸出,單片機(jī)閑置的電源、接地端不能懸空。 </p><p>　　(5) 市場出售的元件,很多是可用但性能不佳,這些元件極易受干擾,只能在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下工作。因此在選擇元件時(shí), 特別是單片機(jī)、晶振、RAM、EPROM時(shí),應(yīng)選購抗干擾性能好的產(chǎn)品。 </p><p>&

17、lt;b>　　結(jié)束語 </b></p><p>　　計(jì)量儀表的開發(fā)過程中，常常會(huì)碰到一個(gè)很棘手的問題：即在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下樣機(jī)工作正常，但批量生產(chǎn)并安裝到現(xiàn)場后，儀表卻工作不正常。究其原因，主要是產(chǎn)品開發(fā)時(shí)只注重儀表的功能設(shè)計(jì)，沒有系統(tǒng)的方法和手段針對儀表的抗干擾問題進(jìn)行同步開發(fā)。隨著計(jì)量儀表在測控領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，儀表可靠性的矛盾日益突出，加強(qiáng)儀表的抗干擾能力顯得越來越重要。 </p>

18、<p><b>　　參考文獻(xiàn) </b></p><p>　　[1] 何麗華,劉強(qiáng).談智能化儀器儀表的抗干擾[J]. 工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置. 1999(04) </p><p>　　[2] 李飛,王保良,黃志堯.對電磁流量計(jì)中干擾問題的討論[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào). 2005(S2) </p><p>　　[3] 張平,謝翔.隔離端子的