单片机温度控制系统中的工频干扰及抑制措施

0 引 言
在研制分析测温仪时，尽管采取了有源滤波电路，但显示出的温度值个位仍然不稳定。根据A/D 转换电路分析，检测信号的不稳定电压在 0~0.5mv 之间，干扰信号主要来自电网的工频干扰。在电源整流过程中，产生了大量的高次谐波信号，这些干扰信号是造成显示不稳定的主要因素。抑制和消除工频干扰，我们采取了采样频率是工频（50Hz）整数（偶数）倍的双积分式 A/D 转换器，有效地解决了工频干扰问题。
1 干扰抑制原理分析
设A/D 转换器的输入信号为ui ，其包含真实信号uo 和 一系列工频干扰谐波信号ue 即：

ui = uo + ue
式中ue 为：
ue = U1 sinωt +U2 sin2ωt + U3 sin3ωt + … （1）

对采样时刻与采样周期进行特殊处理，设T 为工频周期，则采样周期

即一个工频周期采样四次，采样时刻分别为：

将这些采样时刻分别代入（1）式，可得到四次采样时刻的工频谐波干扰信号：

将四次采样值相加取平均值：

式中UO1，UO2，UO3，UO4 为每次采样的真值。可见，后面的谐波干扰信号只剩下4 次和8次谐波两项了，振幅较强的1 次、2 次、3 次谐波不存在了。其实，若对原信号在每一个工频周期内采样n 次，则n 个采样值平均后仅存在n 的倍数项的谐波，其余谐波都将被消除。
2 工频干扰信号的抑制措施[1]
2.1 采用RC 有源滤波器
由前面的讨论可知，在一个工频周期内均匀采样n 次，则其平均值中仅存n 的倍数的谐波及n 倍以上的高次谐波，n 倍以下的低次谐波被消除。若要得到更为干净的信号，则要消除所有高次谐波，但用上述办法已无法实现。为了抑制高次谐波干扰，可在采样开关前加入一个时间常数τ=RC 的低通源滤波器。其电路如图1 所示。设输入输出信号电压分别为ux，uy，则得频率特性[2]：

假定一个工频周期采样四次，则高频谐波干扰中的最低干扰信号频率为50×4=200Hz，若要求在200Hz 处干扰信号衰减100 倍，则由(3) 式可得τ= 0.08s在滤波电路中取Rf = 80kΩ，C=1μF 即可实现。R0 取值可根据采样信号强弱确定。将此低通有源滤波器接入采样开关之前，可以使干扰中的四次谐波衰减100 倍，更高频率的干扰信号衰减得更多。
2.2 微机采样时刻的定位
为了有效地消除工频干扰，采样时刻必须准确定位。假设工频周期为T，则采样周期必为n/T ，并且应该与工频信号同步。为了实现与电网电压同步，可将电网电压经变压器降压、隔离后送入过零比较器，如图2所示。反馈元件VDZ1、VDZ2 为两只稳压管，设其稳定电压为UZ，当输入电压UI 为 零时，VDZ1、VDZ2 不起作用，运算放大器处于开环状态，对UI 的微小变化很敏感。当UI 过负正，UN 迅速负向增长，VDZ2 击穿并稳压，UN 电压为-U；当UI 过零微负，UN 迅速正向增长，VDZ1 击穿并稳压，UN 电压为+U，比较器经二极管VD3 半波整流后，其波形如图3 所示。

图3 的方波信号可作为采样时刻的定位依据，从而实现与电网电压信号的严格同步。具体方法是：将图3 的信号作为中断源信号，如果一个工频周期采样四次，则采样周期应为5ms。将中断方式定下降沿触发，则采样时刻安排如下：中断时采样一次，并以此时刻为定时起点，每隔5ms 采样一次，直到下一次重新开始，周而复始，从而实现一个工频周期内均匀采样四次，且始终与电网电压信号同步。

3 结论
文中从理论上进行推导所得出的结论，对于在实际中进行干扰的抑制具有很好的指导作用。采取有源滤波与单片机相结合的措施，在单片机温度控制系统的应用中取得了良好的效果。当然，具体采取哪一种滤波形式效果更好，还得视具体情况而定。