某小型測試系統(tǒng)干擾抑制措施

賈紅莉

【摘要】 介紹了某小型測試系統(tǒng)的干擾現(xiàn)象，對干擾源的形成機理進行分析。針對系統(tǒng)的特點，在硬件設(shè)計中通過濾波電路、隔離與耦合技術(shù)、傳輸導線的選擇與屏蔽來提高系統(tǒng)的可靠性，在軟件方面采用跟蹤監(jiān)視定時器技術(shù)、軟件濾波等措施，使整個系統(tǒng)的干擾得到良好抑制。

【關(guān)鍵詞】 小型測試系統(tǒng) 干擾 抑制

某小型測試系統(tǒng)主要用于模擬載機系統(tǒng)來實現(xiàn)對產(chǎn)品的試驗，測試系統(tǒng)采用小型化便攜式設(shè)計。由于系統(tǒng)體積小，使用環(huán)境復雜，導致大量干擾信號存在，這對測試系統(tǒng)的穩(wěn)定度和精確度有直接的影響，嚴重時可使系統(tǒng)不能正常工作。因此，系統(tǒng)的設(shè)計、制造、使用及工作環(huán)境都需要考慮干擾的因素。

一、干擾源及形成分析

測試系統(tǒng)采用PC104總線的自動測試系統(tǒng)，由于系統(tǒng)用在外場試驗環(huán)境，使用小型加固機箱，內(nèi)部嵌入模塊板卡及電源系統(tǒng)等，機箱空間小，系統(tǒng)使用的測試距離遠、電源供電、地線等環(huán)境苛刻，存在著大量的干擾。通過試驗及數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)干擾源主要為：

1.1電源系統(tǒng)干擾

干擾主要是從電源和電源線引入系統(tǒng)。當系統(tǒng)與其它負載共用電源時，會產(chǎn)生電源噪聲，如電源過/欠壓、浪涌、下陷等干擾，這些噪聲會耦合到系統(tǒng)電路，給系統(tǒng)造成危害。當電源引線較長時，所產(chǎn)生壓降及感應(yīng)電勢等形成噪聲。系統(tǒng)所需的直流電源，會因凈化不佳，給高精度系統(tǒng)帶來干擾。

1.2數(shù)字電路引起的干擾

數(shù)字電路引出的直流電流雖然只有mA級，但是當電路處在高速開關(guān)時，就會形成較大的干擾。如，TTL門電路在導通狀態(tài)下從直流電源引出5mA左右的電流，截止狀態(tài)下則為1mA ，在Tns時間內(nèi)其電流變化為ImA ，如果在配電線上具有LμH的電感，當這個門電路改變狀態(tài)時，配電線上產(chǎn)生的噪聲電壓為：U=L*di/dt=L*I/T （1）

雖然這種門電路的供電電壓僅為5V， 但所引起的干擾噪聲將是非常嚴重的。

1.3長線傳輸干擾

信號在傳輸過程中容易出現(xiàn)延時、變形并接收干擾信號，形成傳導耦合干擾。測試系統(tǒng)使用30米的測試電纜，因此信號彼此間干擾電壓很大。導致傳輸信號發(fā)生畸變，產(chǎn)生的干擾主要有：傳輸線周圍空間電磁場對傳輸線的電磁感應(yīng)干擾；當兩條或兩條以上信號強弱不同的線靠得很近時，通過線間分布電路和互感而形成的線間干擾。

1）容性（電場）耦合干擾

當干擾源產(chǎn)生的干擾是以電壓形式出現(xiàn)時，干擾源與信號電路之間就存在容性（電場） 耦合，這時干擾電壓線電容耦合到信號電路，形成干擾源。對于平行導線，由于分布電容大，容性耦合較嚴重。在圖1a中，導線1和2是兩條平行線， C1和C2分別是各線對地的分布電容，C12是兩線間分布的耦合電容，V1是導線1對地電壓，R是導線2對地電阻。由圖1b等效電路可得，導線1電壓通過耦合導線2上產(chǎn)生的電壓V2為：V2=jωC12RV1/[1+jω（C12+C2）R] （2）

當R>>1+jω（C12+C2）時，式（2）可簡化為：V2=C12V1/（C12+C2） （3）

當R<<1+jω（C12+C2）時，式（2）可簡化為：V2=jωC12RV1 （4）

由式（2）、（3）、（4）可知，容性耦合干擾隨著耦合電容的增大而增大。

2）感性（磁性）耦合干擾

當干擾源以電流形式出現(xiàn)時，此電流所產(chǎn)生的磁場通過互感耦合對鄰近信號形成干擾。圖2是互感耦合示意圖，兩鄰近導線之間存在分布互感M，M=Ф/I1（其中，I1是流過導線1的電流，Ф是電流I2產(chǎn)生的與導線2交線的磁通），由互感耦合在導線2上形成的互感電壓為V2=2ωMI1，此電壓在導線上是串聯(lián)的。從式中可知V2與干擾的頻率和互感量成正比。

1.4地線干擾

該測試系統(tǒng)電路復雜，系統(tǒng)中有數(shù)字地、模擬地、機殼等，而模擬地又可分為直流地和交流地。當各部分電路的電流均流過公共地線時，會在其上產(chǎn)生壓降，形成噪聲干擾。這種情況在數(shù)字電路和模擬電路共地時非常明顯。通常，數(shù)字系統(tǒng)的入地電流比模擬系統(tǒng)大得多，并且有較大波動噪音。即使系統(tǒng)接地電阻很小，數(shù)字電路也會在其兩端形成較高電壓，使模擬系統(tǒng)的接地電壓不能為零。

二、硬件抗干擾措施

2.1電源濾波電路

電源濾波電路可以防止輸入電壓的高頻脈沖干擾，為設(shè)備內(nèi)的AC/DC變換提供干凈的電源，使DC輸出電壓穩(wěn)定。同時，該電路可以防止設(shè)備中的電磁干擾通過電源線傳到電網(wǎng)上，防止電磁干擾進入電網(wǎng)的其他設(shè)備。電路如圖3所示：

在電路的設(shè)計中，C1的選用原則：

1）耐壓高于最大輸出電壓的50%以上；

2）C1=1/F，F(xiàn)為系統(tǒng)的頻率。濾波電容的選用原則：C≥2.5T/R；T為系統(tǒng)頻率，R為負載電阻，一般使用中選擇C≥5T/R。

2.2隔離與耦合措施

1）光電隔離與耦合

測試系統(tǒng)的接口，用數(shù)字式光電隔離器進行隔離，以切斷公共阻抗環(huán)路，避免長線感應(yīng)和共模干擾。較長時間的信號傳輸線可采用屏蔽與光電耦合配合使用的方法。

2）放大器隔離

測試系統(tǒng)中的放大電路易受共模干擾的影響，對此，前級放大電路之間可采用光電耦合進行隔離。采用兩個耦合器組成互補形式，可以改善放大電路的線性度，減少溫度影響。

2.3傳輸導線抗干擾措施

1）傳輸導線的選擇

信號頻率在100kHz以下采用雙絞線傳輸，頻率超過100kHz信號傳輸采用同軸電纜。雙絞線對電容耦合的電場噪聲幾乎沒有抑制作用，但對磁場的耦合噪聲的抑制能力很強。同軸電纜的阻抗在高頻下保持基本恒定，但同軸電纜不能用于低于10kHz的低頻信號傳輸。

2）傳輸導線的屏蔽

對于長距離導線，采取屏蔽措施，提高信號傳輸?shù)目煽啃浴閷崿F(xiàn)最佳的磁場屏蔽作用，電路的一端與地隔離。為減小屏蔽層噪聲電流，低頻信號線纜的屏蔽層采用單點接地。如果僅有信號源接地，屏蔽層接地點在信號源端。如果僅有負載端接地，屏蔽層接地點在負載端。高頻信號的屏蔽層采用多點接地設(shè)計，為確保屏蔽線纜的良好接地，每十分之一信號波長加一個屏蔽層接地點，可通過一個小電容將屏蔽層接地。

三、軟件抗干擾措施

軟件抗干擾措施是系統(tǒng)抗干擾的一個非常重要方面，軟件的抗干擾性能差，會導致系統(tǒng)死機或程序跑飛等現(xiàn)象。為此，在軟件設(shè)計中采取了幾種抗干擾措施：

3.1跟蹤監(jiān)視定時器技術(shù)

當系統(tǒng)受到干擾時，有時嵌入式處理器的設(shè)置值會被改變，導致程序跑飛，盲目運行或進入死循環(huán)。采用設(shè)置跟蹤監(jiān)視定時器，在程序失控的狀態(tài)下，將跑飛的處理器指針“俘獲”并強行拉回到一個處理該故障的程序中，恢復被破壞的現(xiàn)場，回到受干擾之前的地址，使程序正常運行。

跟蹤監(jiān)視定時器技術(shù)利用定時器中斷功能來監(jiān)視程序的運行狀態(tài)。

3.2數(shù)字濾波技術(shù)

進行實時數(shù)據(jù)采集時，為了消除傳感通道中的干擾信號，利用算術(shù)平均值法、FIR數(shù)字濾波算法實現(xiàn)軟件濾波效果，減少系統(tǒng)的隨機干擾對采樣結(jié)果的影響。

四、結(jié)束語

由于小型測試系統(tǒng)體積小，其內(nèi)部工作環(huán)境比較復雜，外部工作環(huán)境苛刻。因此，小型測試系統(tǒng)的可靠性是必須要考慮的重要因素，該系統(tǒng)在樣機研制過程中，對系統(tǒng)的抗干擾性做了細致周全的設(shè)計，在實際使用中得到了很好的效果。