智能儀器的抗干擾技術

張警偉　楊巖　潘志洪

摘 要：智能儀器又稱為“儀器儀表”，是含有微型計算機或者微型處理器的測量儀器，擁有對用戶輸入數據進行存儲、運算、邏輯判斷及自動化操作等功能。屬于新世紀的高新技術產品，具有功能齊全、操作簡便、分析結果準確可靠等優點，是諸多行業代替人工的幫手。

關鍵詞：智能；智能儀器；儀表；抗干擾

傳統儀器一般只采用簡單的電子電路來轉換測量數據，用直觀的模式顯示或讀出測試數據，并沒有加入數據存儲和處理功能，要通過人工來進行計算甚至比對才可以得出測量結果。例如，2000年的電子秤，用戶只可以在其上讀出物體重量，卻不能通過物體的單價來計算總價格，這種只能用于一般測量的數據測量儀器，都可以算是傳統儀器，但是由于它的成本比較低，目前還擁有一定市場。

智能儀器是具有微型處理系統或可接入微型計算機的智能化儀器。它可以像小型計算機一樣，通過對電子電路來轉換測量數據的分析、判斷，通過連接各種電子設備使用戶得到其需要的結果。這種強大的功能使智能儀器現在已廣泛用于電子、化工、機械、輕工、航空等行業，對我國制造業提升產品質量的檢測手段起到了重要的作用。

但是在智能儀器中，還存在很多限制因素，在對信號采集、處理、傳輸中，抗干擾能力一直是眾多電子產品性能好壞的重要指標，對于某些智能儀器，在使用過程中會將模擬信號轉變為數字信號，數據在經過采集和壓縮后，還需要傳輸到指定的主機，一般情況下采用其自帶的連接設備就足夠了。不過在一些特定的情況下，由于源端設備、傳輸過程中、終端設備等因素限制，在傳輸和采集中經常會遇到一些信號干擾，致使傳輸的信號受到波動、失真等。

1 干擾信號大體可分為三類

1.1 源端設備引起的干擾

一般有供電電源的干擾和設備本身問題引起的干擾。判斷方法是直接在電路中接監視器觀察，如果是電源引起的干擾可以通過更換電源，采用開關電源供電，在220V交流回路中加交流濾波器等辦法解決。

1.2 傳輸過程引起的干擾

主要是傳輸電纜損壞引起的干擾、電磁輻射干擾和地電位差三種，對于傳輸電纜可以通過更換電纜或增加抗干擾設備解決。

1.3 終端設備引起的干擾

主要是設備供電、設備本身產生的干擾、接地引起的干擾、設備與設備連接引起的干擾等。

2 抗干擾的措施

提高抗干擾的措施最理想的方法是抑制干擾源，這樣可以使其不向外產生干擾或將其干擾影響降低到最小。由干擾源的復雜性，要想對所有的干擾源都做到使其不對外產生干擾是不可能的，也是不現實的。因此，除了對一些重要的干擾源，其余的主要是對一些干擾源進行抑制，將其干擾影響降低到最小，以保證系統能正常地工作。抑制干擾的措施很多，主要包括屏蔽、隔離、濾波、接地等方法。

2.1 屏蔽

一般采用良好接地的金屬網或罩實現電磁屏蔽，隔離電磁場干擾。既可防止外來電磁場干擾，又可防止本身電磁場輻射對外界的干擾。通常用銅和鋁等導電性能良好的金屬材料作屏蔽體。磁場屏蔽是為了消除或抑制由于磁場耦合引起的干擾。對靜磁場及低頻交變磁場，可用高磁導率的材料作屏蔽體，并保證通信線路暢通；對高頻交變磁場，靠線路上感生的渦流所產生的反磁場來排斥原磁場起到屏蔽作用。選用材料也是導電性良好的導體，如銅、鋁等。

2.2 隔離

隔離，是指把干擾源與接收系統隔離開來，使有用信號正常傳輸，令干擾耦合通道被切斷，達到抑制干擾的目的。常見的隔離方法有光電隔離、變壓器隔離和繼電器隔離等方法。

第一，光電隔離。光電隔離是以光作為媒介在隔離的兩端間進行信號傳輸，所用的器件是光電耦合器。光電耦合器在傳輸信息時，工作方式為借助于光作為媒介物進行耦合，因而具有較強的隔離和抗干擾的能力。光耦合器有著共模抑制比大、無觸點、壽命長、易與邏輯電路配合、響應速度快、小型、耐沖擊且穩定可靠，因此光電隔離在機電一體化系統有著廣泛的應用。

第二，變壓器隔離。變壓器隔離干擾信號用于交流信號的傳輸中。隔離變壓器將各種模擬負載和數字信號源隔離開，傳輸信號通過變壓器獲得通路，而共模干擾由于不形成回路而被抑制。

第三，繼電器隔離。繼電器線圈和觸點僅有機械上形成聯系，而沒有直接的聯系，它的觸點接在其他控制回路中，通過觸點的變化導致控制回路發生變化（例如開關的閉合和斷開），從而實現既定的控制或保護的目的。因此，可利用繼電器控制和傳輸電信號。

2.3 濾波

濾波是抑制干擾傳導的一種重要方法。由于干擾源發出的電磁干擾的頻譜比要接收的信號的頻譜寬得多，所以，當接收器接收有用信號時，也會接收到那些沒用的干擾。這就采用濾波的方法，利用低通、高通、帶通、帶阻等低通濾波器選通其所需要的頻率，抑制無用頻率。

2.4 接地

將電路、設備機殼等與作為零電位的一個公共參考點（地）與之連接，稱為接地。接地的目的有兩個：

第一，為了安全，把電子設備的機殼、機座等與大地相接，當設備中存在漏電時，不致影響人身安全，稱為安全接地。

第二，為了給系統提供一個基準電位，如脈沖數字電路的零電位點等，或為了抑制干擾屏蔽接地，稱為工作接地。

工作接地包括一點接地和多點接地兩種方式：一是一點接地。將所有設備串聯起來，通過一根導線接地，各電路間會發生相互干擾，雖然很不可取，但由于比較簡單，用的地方仍然很多。當各電路的電平相差不大時還可勉強使用，但當各電路的電平相差很大時就不能使用。二是多點接地。多點接地所需地線較多，一般適用于低頻信號，若電路工作頻率較高，電感分量大，各地線間的互感耦合會增加干擾。各接地點就近接于接地匯流排或底座、外殼等金屬構件上。

2.5 軟件方面

在軟件編寫程序時，可使用以下方法避免干擾：

第一，將不用的代碼空間全清成“0”，因為這等效于接低電平，限制引腳電壓。

第二，在使用無硬件看門狗時，可采用軟件?？撮T狗，以監測程序的運行。

第三，涉及調整或設置外部器件的參數時，定時將參數重新發送一遍，可以防止外部器件因受干擾而出錯。

第四，在有Data、CLK、INH接口時，將常態置為高，其抗干擾效果要更加明顯。

2.6 硬件方面

第一，條件允許的情況下，將每個數字元件在地與電源之間都加入104的電容。

第二，在有繼電器的應用場合，尤其是在通過大電流時，為了防繼電器觸點火花對電路的干擾，可在繼電器線圈間并聯一個104的電容和一個整流二極管，在觸點和常開端間接一個472的電容。

參考文獻：

[1] 王選民.智能儀器原理及設計[M].清華大學出版，2008.

[2] 史健芳，廖述劍，楊靜.智能儀器設計基礎[M].電子工業出版社，2012.

作者簡介：張警偉（1995—），男，遼寧海城人。

楊巖（1994—），男，黑龍江齊齊哈爾人。

潘志洪（1992—），男，福建泉州人。