第10章 单片机应用系统抗干扰技术

1张兴忠制作：[e-mail]第10章单片机应用系统抗干扰技术单片机原理与接口技术太原理工大学张兴忠制作电子工业出版社2张兴忠制作：[e-mail]1.了解单片机应用系统所遇到的干扰问题；2.熟悉单片机应用系统硬件抗干扰措施；3.熟悉单片机应用系统软件抗干扰措施；4.掌握“看门狗”技术；5.掌握数字滤波技术。本章教学要求-----第10章单片机应用系统抗干扰技术3张兴忠制作：[e-mail]本章目录10.1干扰源及其分类10.1.1干扰的定义10.1.2干扰的种类10.2干扰对单片机应用系统的影响10.3硬件抗干扰技术10.3.1无源滤波10.3.2有源滤波10.3.3去耦电路10.3.4屏蔽技术10.3.5隔离技术10.3.6接地技术10.4软件抗干扰技术10.4.1软件抗干扰的一般方法10.4.2指令冗余技术10.4.3软件陷阱技术10.4.4“看门狗”技术10.5数字滤波技术习题与思考题-----第10章单片机应用系统抗干扰技术4张兴忠制作：[e-mail]10.1干扰源及其分类叠加在有用信号上，使原来有用信号发生畸变的变化电量称为噪声。由于噪声在一定条件下影响和破坏设备或系统的正常工作，所以通常把具有危害性的噪声称为干扰。噪声原来的意义是指不同频率、不同强度杂乱声音的组合。10.1.1干扰的定义----干扰与噪声5张兴忠制作：[e-mail]10.1.2干扰的种类表11-1常见干扰的分类表1．干扰的种类----干扰的分类表6张兴忠制作：[e-mail]10.1.2干扰的种类串模干扰是指串联于信号回路中的干扰。这种干扰表现为噪声信号和有效信号串联叠加在一起作用于电路中，噪声往返于两条线路间。2．按干扰与输入信号关系分类（1）串模干扰----串模干扰7张兴忠制作：[e-mail]10.1.2干扰的种类共模干扰是干扰电压同时叠加于两条信号线上出现的干扰。干扰侵入线路和地线之间，噪声电流在两条线上各流过一部分，以地为公共回路而信号电流只在往返两条线路中流过。这种干扰出现在输入信号端和系统本体接地之间，主要是由于两者接地之间存在干扰电压引起的，如图11-1(b)所示。（2）共模干扰----共模干扰8张兴忠制作：[e-mail]10.1.2干扰的种类3．按干扰传播方式分类----干扰分类9张兴忠制作：[e-mail]10.1.2干扰的种类4．按干扰波形的性质分类----干扰分类干扰波形分为持续正弦波和各种形状的脉冲波。图10-3(a)干扰信号表现为持续正弦波形，它通常以频率、幅值和相位角等特征值来表示。图10-3(b)是浪涌脉冲电压波形，它通常以最高幅值、脉冲宽度及能量等特征值表示，如雷击波、静电放电等波形。图10-3(c)是脉冲序列波形，它通常以最高幅值、脉冲宽度、周期等特征值表示。10张兴忠制作：[e-mail]10.2干扰对单片机应用系统的影响1．数据采集误差增大2．控制状态失灵3．数据受干扰发生变化4．程序运行失常11张兴忠制作：[e-mail]10.3硬件抗干扰技术通过合理的硬件电路设计，可以消弱或抑制绝大部分干扰。本节简要介绍在工程上广泛采用的一些硬件抗干扰电路的概念及使用，主要包括无源滤波和有源滤波、去耦电路、屏蔽技术、隔离技术、接地技术等。12张兴忠制作：[e-mail]10.3.1无源滤波采用滤波技术抑制干扰的硬件电路是滤波器，滤波器按组成结构分为无源滤波器和有源滤波器。由无源元件电阻、电容和电感构成的滤波器为无源滤波器。----C、RC、LC滤波电路13张兴忠制作：[e-mail]10.3.2有源滤波由电阻、电容、电感和有源元件如晶体管、线性运算放大器等构成的滤波器为有源滤波器。----有源滤波器14张兴忠制作：[e-mail]10.3.3去耦电路由于单片机系统三总线上的信息变化几乎是在同一时刻发生的，所产生的尖峰电流将在电源内阻抗上产生压降、在公共传输导线阻抗上产生压降，使供电电压跳动。欲降低尖峰电流的影响，一种方法是在布线上采取措施，使杂散电容降至最小。另一种方法是设法降低供电电源的内阻，使尖峰电流不致引起过大的电源电压波动。----C吸收频电流15张兴忠制作：[e-mail]10.3.4屏蔽技术屏蔽是指用屏蔽体把通过空间进行电场、磁场或电磁场耦合的部分隔离开来，割断其空间场的耦合通道。屏蔽的方法通常是用低电阻材料作成屏蔽体，把需要隔离的部分包围起来。被隔离的部分既可以是干扰源，也可以是易受干扰的部分。1．屏蔽的概念-----屏蔽是作用16张兴忠制作：[e-mail]屏蔽信号线的方法，一种是采用双绞线，其中一根用作屏蔽线，另一根用作信号传输线；另一种是采用金属网状编织的屏蔽线，金属编织网作屏蔽外层，芯线用来传输信号。一般的原则是：抑制静电感应干扰采用金属网的屏蔽线，抑制电磁感应干扰用双绞线。2．信号传输中屏蔽技术的使用10.3.4屏蔽技术----屏蔽信号线的方法17张兴忠制作：[e-mail]10.3.5隔离技术从电路上把干扰源和易干扰的部分隔离开来，使单片机应用系统与现场仅保持信号联系，不直接发生电的联系。隔离的实质是把引进干扰的通道切断，从而达到隔离现场干扰的目的。测控装置与现场信号之间、弱电和强电之间，常用的隔离方式有光电隔离、变压器隔离、继电器隔离等。-----隔离的实质18张兴忠制作：[e-mail]光电隔离是由光电耦合器件来完成的，光电耦合器是以光为媒介传输信号的器件。其输入端配置发光源，输出端配置受光器，因而输入和输出在电气上是完全隔离的。输入和输出之间无电接触，能有效地防止输入端的电磁干扰以电耦合的方式进入单片机测控系统。1．光电隔离10.3.5隔离技术----光电耦合器19张兴忠制作：[e-mail]10.3.5隔离技术图11-10是光电耦合器在实际电路中的应用，图(a)所示是模拟信号采集电路用光电耦合器输入的电路，信号从发射极引出；图(b)是脉冲信号输入电路，采用施密特触发器输出的光电耦合电路；图(c)是利用光电耦合作为输出的电路，其中J为继电器线圈；图(d)是用光电耦合器控制晶闸管的电路。----隔离的应用20张兴忠制作：[e-mail]10.3.5隔离技术继电器的线圈和触点之间没有电气上的联系，因此，可利用继电器的线圈接受电气信号，利用触点发送和输出信号，从而避免强电和弱电信号之间的直接接触，实现了抗干扰隔离。2．继电器隔离-----继电器及使用21张兴忠制作：[e-mail]脉冲变压器可实现数字信号的隔离。脉冲变压器的匝数较少，而且一次和二次绕组分别缠绕在铁氧体磁芯的两侧，分布电容仅几pF，所以可作为脉冲信号的隔离器件。3．变压器隔离10.3.5隔离技术----脉冲变压器及使用22张兴忠制作：[e-mail]10.3.6接地技术实践证明，单片机测控系统和其他工业用电子设备的干扰与系统的接地方式有很大关系。良好接地可以在很大程度上抑制系统内部噪声耦合，防止外部干扰的侵入，提高系统的抗干扰能力。反之，若接地处理得不好，会导致噪声耦合，形成严重干扰。因此，在抗干扰设计中，对接地方式应予以认真考虑。23张兴忠制作：[e-mail]所谓“大地”，这里是指电气设备的金属外壳、线路等通过接地线、接地极与地球大地相连接。这种接地可以保证设备和人身安全，提供静电屏蔽通路，降低电磁感应噪声。“工作基准地”是指信号回路的基准导体，如系统电源的零电位，又称“系统地”。这时的所谓接地是指将装置内部各单元电路信号返回线与基准导体之间的连接。这种接地目的是为电路提供稳定的基准电位。对这种接地的要求是尽量减小接地回路中的公共阻抗压降，以减小系统中干扰信号施加于公共阻抗的耦合。10.3.6接地技术1．接地的含义----“大地”与“系统地”24张兴忠制作：[e-mail]根据用电法规，电气设备的金属外壳必须接地，称为安全接地。其目的是防止电气设备的金属外壳上出现过高的对地电压，以及漏电流而危害人身、设备的安全。2．接地目的10.3.6接地技术（l）安全电气设备接地目的其一是为各电路的工作提供基准电位，其二是为了安全，其三是为了抑制干扰。----接地为了安全25张兴忠制作：[e-mail]电子设备的某些部分与大地相接可以起到抑制干扰作用。例如，金属屏蔽层接地可以抑制变化电场的干扰；双绞线中一根作信号线，另一根两端接地可以防止电磁干扰；大型电子设备往往具有很大的对地分布电容，合理选择接地点可以削弱分布电容的影响。10.3.6接地技术（2）抑制千扰----接地为了抑制干扰26张兴忠制作：[e-mail]根据电气设备中回路性质和接地目的，可将接地方式分为三类：安全接地、工作接地、屏蔽接地。10.3.6接地技术3．接地的分类（1）安全接地设备金属外壳等的接地，它是为保护高压用电设备使用人员以防触电所必须的，一般要求接地电阻rd10Ω。----安全接地27张兴忠制作：[e-mail]信号回路接于基准导体或基准电位点。控制系统中的基准电位是电路工作的参考电位，基准电位的连线称为工作地，又称系统地，通常是控制回路直流电源的零伏导线。电子设备的工作接地方式有三种：浮地、直接接地和电容方式接地。浮地方式是指装置的整个地线系统和大地之间无导体连接，是以悬浮的“地”作为系统的参考电位。它适用于系统对地电阻很大，对地分布电容很小的电子系统。这种接地方式由外部共模干扰引起的干扰电流很小。10.3.6接地技术（2）工作接地----工作接地28张兴忠制作：[e-mail]直接接地是指将控制系统中的基准电位点直接与大地相连。当控制设备有很大的对地分布电容时，只要合理选择接地点，就可以抑制分布电容的影响。电容接地方式，即经过电容器把工作地与大地相连。接地电容主要是为高频干扰分量提供对地通道，抑制分布电容的影响。电容式接地主要用于工作地与大地间存在直流或低频电位差的情况，所用的电容应具有良好的高频特性和耐压性能，一般选2~10µF。10.3.6接地技术----直接接地与电容接地29张兴忠制作：[e-mail]屏蔽接地是指电缆、变压器等屏蔽层的接地。为了抑制变化电场的干扰，单片机测控系统和其他电子设备中广泛采用屏蔽保护。如电源变压器的初、次级间的屏蔽层，功能器件或线路的屏蔽罩等。10.3.6接地技术（3）屏蔽接地----屏蔽线接地30张兴忠制作：[e-mail]10.3.6接地技术-----接地技术应用31张兴忠制作：[e-mail]在单片机测控系统中，通常把数字系统和模拟系统的工作基准地浮空，而设备外壳或机箱采用屏蔽接地。浮地方式可使测控系统不受大地电流的影响，提高了系统的抗干扰性能。由于强电设备大都采用保护接地，浮地技术切断了强电与弱电的联系，系统运行安全可靠。单片机系统设备外壳或机箱采用屏蔽接地，无论从防止静电干扰和电磁感应干扰的角度，