单片机测控系统中的抗干扰技术

概述

干扰是造成单片机测控系统故障的主要原因之一。干扰对系统的影响轻则影响测量与控制精度，重则使工作系统完全失常。要消除干扰必须抓住形成干扰的三要素，即：干扰源、耦合通道和接收设备。

干扰因素

在单片机测控系统中，主要存在空间辐射干扰、信号通道干扰、电源干扰和数字电路引起的干扰。

抗干扰就是针对干扰的产生性质、传播途径、侵入的位置和侵入的形式，采取适当的方法消除干扰源，抑制耦合通道，减弱电路对噪声干扰的敏感性，通常需要采取“综合治理”的措施。

(1) 合理选择元器件

根据电器参数选择合理器件以满足系统性能要求。尽量选用集成度高、温漂小、抗干扰性能好以及功耗小的元器件。

(2) 电源干扰的抑制

在交流电网进线端并接压敏电阻，吸收浪涌电压，也可防雷。高频电感与电路电容组成的低通滤波器，可抑制电网引入的高频噪声。可采取模拟电路与数字电路的电源分开、电源浮空技术、使用电源隔离变压器、隔离电源技术和电源滤波技术。在设计滤波器时必须注意让谐振频率远小于干扰频率。

(3) 电场、磁场干扰的抑制

采用由导电性能良好的金属作屏蔽盒，并接大地，则屏蔽盒内电力线不会影响外部，同时外部的电力线也不会穿透屏蔽盒进入内部，前者可抑制干扰源，后者可阻截干扰的传输途径，起电场隔离的作用。磁路屏蔽是采用高磁材料并以封闭式结构为妥，并接大地。

(4) 接地技术

单片机测控系统中的高频电路应就近多点接地，低频电路应一点接地；交流地和信号地不能共用；将系统的各个部分全部与大地浮置起来，但系统中的各机壳接地；对于数字地，印刷板中的地线应成网状，而且其他布线不要形成环路，特别是环绕外周的环路，印刷板中的条线不能长距离平行，不得已时，应加隔离电极和跨接线或屏蔽；当A/D转换器的模拟信号较弱时，可采用三线采样双层屏蔽浮地技术提高抗共模干扰的能力；系统中的高增益放大电路最好用金属罩屏蔽起来。将屏蔽体接到放大电路的公共端，将寄生电容短路防止反馈，避免放大器的震荡；对于功率地，由于地线的电流较大，接地线的线径应较粗，且与小信号地线分开，连直流地；对于小信号前置放大电路本身采用一点接地，不能一个电路多点接地，A/D前置放大电路一般浮空。内存放大电路的印刷电路板上一点入地，这类放大器的地线一定要远离功率地和噪声地。

(5) 通道干扰

a) 隔离技术

隔离分对模拟信号的隔离和对数字信号的隔离，对数字信号的隔离通常采用光电耦合器。因这种方法信号的传递是通过光信号实现的没有直接的电信号连接，因此隔离了干扰的传递途径，但这种方法隔离不断辐射，感应干扰，且光电耦器件隔离传导干扰的能力只有1kV左右。在具体电路设计时在A/D后和D/A前加光电耦合器，其电源与微机的电源必须独立，地线必须分开，保证微机与现场仅有光的联系，切断干扰通路也避免形成环流，对于强干扰或长线传输可采用两次隔离，既可消除干扰，又能解决长线驱动和阻抗匹配等问题。对于模拟信号的隔离，通常采用隔离放大器，利用隔离放大器内的变压器将信号磁耦合，隔断通路的线路连接，从而切断干扰源，也可采用光电耦合器实现模拟信号隔离，即由电压-频率转换器 VFC把模拟信号转换成数字信号再通过光电耦合器隔离，而光电耦合器的输出信号在由频率-电压转换器FVC转换成模拟信号。在多点巡回检测微机系统中若被测信号变化较慢，其多路模拟开关可选用由干簧继电器或湿簧继电器做成的电容飞渡式多路模拟开关来切断被测信号与信号通道的连线，从而起到抗干扰作用。由于负脉冲传输抗干扰能力比正脉冲强，所以，一般在长线传输时，采用负脉冲传输。而且速度不高时，在始端用驱动器比用一般的TTL效果要好。用OC门作双向总线传输可以把输出端连在一起，直接用来单向、双向总线传输。

b) 通道中器件选择与抗干扰

多路转换器的输入常常受到各种环境噪声的污染，尤其易受到共模噪声的干扰。在多路转换器输入端接入共模扼流圈，可抑制外部传感器引入的高频共模噪声。转换器高频采样时产生的高频噪声，应在单片机与A/D之间采用光电耦合器隔离。在传感器工作环境复杂和恶劣时，应选择测量放大器，使其在微弱信号系统中广泛用作前置放大器。为了防止共模噪声窜入系统可以采用隔离放大器。采样保持器电路(S/H)在采样与保持两种状态转换时，会窜入干扰，为了减少误差，印刷电路布线时，使逻辑输入端的走线与模拟输入端尽可能距离远些，或者将模拟输入端用地线包围起来，以降低线间寄生电容耦合和隔断漏电通路。降低逻辑输入信号的幅度也可以减少寄生耦合和漏电耦合干扰。配置总线驱动器可提高总线的负载能力，改善信号波形。当总线的负载接近负载总线的驱动能力时，可能会影响总线信号的逻辑电平，可通过连接某I/O线到数据线来改善总线的不平衡程度，提高系统的可靠性。在总线上适当安装上拉电阻也可提高总线信号传输的可靠性。