3.测控技术抗干扰技术解析

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1、第三章 抗干扰技术 -邵铁锋第七章 抗干扰技术为什么要学习抗干扰技术？噪声噪声:电路或系统中出现的非期望的电信号干扰干扰:噪声对电路或系统产生的不良影响u干扰的后果干扰的后果影响系统的测控精度影响系统的测控精度降低系统的可靠性降低系统的可靠性甚至导致系统的运行混乱，造成生产事故甚至导致系统的运行混乱，造成生产事故u干扰可以采取抗干扰措施削除或减弱其干扰可以采取抗干扰措施削除或减弱其影响影响例如：电磁波对时钟信号的干扰例如：电磁波对时钟信号的干扰 计算机控制系计算机控制系统的时钟电路统的时钟电路产生产生CPUCPU的工的工作时序脉冲，作时序脉冲，是是CPUCPU正常工正常工作的关键部件作的关键部

2、件。很多干扰归根很多干扰归根到底是破坏了到底是破坏了时钟的正常运时钟的正常运行，从而导致行，从而导致CPUCPU的工作失的工作失控。控。图中表明时钟信号中叠加噪声干扰后，图中表明时钟信号中叠加噪声干扰后，会改变时钟分频信号，导致会改变时钟分频信号，导致CPU工作工作时序发生紊乱。时序发生紊乱。信噪比信噪比 ：衡量干扰信号对有用信号的影响程度，即衡量干扰信号对有用信号的影响程度，即 可见，信噪比越大，干扰的影响越小。可见，信噪比越大，干扰的影响越小。NSNSlg20lg10/UUPPNS7.1 噪声干扰的形成 噪声干扰形成的三要素:噪声源 对噪声敏感的接收电路 噪声源到接收电路间的耦合通道 抑制

3、噪声干扰的方法:降低噪声源的强度 使接受电路对噪声不敏感 抑制或切断噪声源与接收电路间耦合通道 多数情况下,须在这三方面同时采取措施.外部干扰外部干扰 由使用条件和外部环境因素决定由使用条件和外部环境因素决定天电干扰天电干扰，如雷电或大气电离作用以及其他气象引起如雷电或大气电离作用以及其他气象引起的干扰电波；的干扰电波；天体干扰天体干扰，如太阳或其他星球辐射的电磁波；如太阳或其他星球辐射的电磁波；电气设备电气设备的干扰，如广播电台或通讯发射台发出的的干扰，如广播电台或通讯发射台发出的电磁波，动力机械、高频炉、电焊机等都会产生干电磁波，动力机械、高频炉、电焊机等都会产生干扰；扰；具有瞬变过程的设

4、备具有瞬变过程的设备，荧光灯、开关、电流断路器，荧光灯、开关、电流断路器、过载继电器、指示灯等；、过载继电器、指示灯等；电源电源的工频干扰也可视为外部干扰。的工频干扰也可视为外部干扰。7.1.1 噪声源噪声源高压电缆闪电雷达、电台等天线发射 微机控制系统地电位波动电机、电焊机等大用电设备引入噪声交交流流动动力力线线 图 8-1 外部干扰环境内部干扰内部干扰 内部干扰内部干扰 由系统的结构布局、制造工艺所引入的。由系统的结构布局、制造工艺所引入的。有有分布电容、分布电感分布电容、分布电感引起的耦合感应，引起的耦合感应，电磁电磁场辐射感应场辐射感应，长线传输长线传输造成的波反射；造成的波反射；多点

5、接地多点接地造成的电位差引入的干扰；装置及设造成的电位差引入的干扰；装置及设备中各种备中各种寄生振荡寄生振荡引入的干扰以及引入的干扰以及热噪声、闪热噪声、闪变噪声、尖峰噪声变噪声、尖峰噪声等引入的干扰；等引入的干扰；元器件本身元器件本身产生的噪声。产生的噪声。7.1.2 噪声的耦合方式 干扰信号进入测量装置的途径称为耦合方干扰信号进入测量装置的途径称为耦合方式。干扰耦合主要有以下几种方式：式。干扰耦合主要有以下几种方式：静电电容静电电容耦合耦合、电磁耦合电磁耦合、共阻抗耦合共阻抗耦合及及漏电流耦合漏电流耦合。一、静电电容耦合是两个电路间存在寄生一、静电电容耦合是两个电路间存在寄生电容，干扰信号

6、通过电容，干扰信号通过寄生电容寄生电容耦合。耦合。图所示为静电电容耦合的原理图。图所示为静电电容耦合的原理图。静电耦合定量分析1211221()NjCRUUjCCR122N121N121通常 (C+C)R1则 UjC RU UC RU小电流，高电压噪声源对测试系统的干扰主要是通过这种电容性耦合。二、电磁耦合二、电磁耦合 电磁耦合是电路间存在互感，干扰信号通过互电磁耦合是电路间存在互感，干扰信号通过互感耦合。感耦合。图是两个电路电磁耦合的示意图和等效图。图是两个电路电磁耦合的示意图和等效图。电磁耦合是由于两个电路间存在互感,如图7-1-3,图中导线1为干扰源,导线2为测试系统的一段电路,设导线1

7、.2间的互感为M。当导线1中有电流I1变化时，根据电路理论,则通过电磁耦合产生的互感干扰电压为 从上式可以看出:干扰电压UN正比于干扰叫频率 ,互感系数M和干扰电流I1,大电流低电压干扰源,干扰耦合方式主要为这种电感性偶合1NUj MI三、漏电流耦合(电阻性耦合)测试时由于绝缘不良，流经绝缘电阻R的漏电流使电测装置引起干扰.四、共阻抗耦合四、共阻抗耦合 共阻抗耦合是指两个或两个以上电路有公共阻抗时，一个电路中的电流变化在公共阻抗上产生的电压。这个电压会影响与公共阻抗相连的其它电路的工作，成为其干扰电压。共阻抗耦合的主要形式有以下几种：1.电源内阻抗的耦合干扰 2.公共地线耦合干扰 3.输出阻抗

8、耦合干扰7.1.3 噪声的干扰模式 噪声源产生的噪声通过各种耦合方式进入系统内部，造成干扰。根据噪声进入系统电路的存在模式可将噪声分为两种形态，即差摸噪声和共模噪声7.1.3 噪声的干扰模式 一、差模噪声 能够使接收电路的一个输入端相对于另一输入端产生电位差的噪声。由于这种噪声通常与输入信号串联，因此也称之为差模噪声。7.1.3 噪声的干扰模式 二、共模干扰二、共模干扰 共模干扰是在信号接收器的两个输入端同时出现的干扰。特点是不影响有用信号电压。当信号接收器的输入参数不对称时，对测量结果产生影响 。共模干扰抑制比共模干扰抑制比 共模干扰抑制比是表征测量系统对共模干扰的抑共模干扰抑制比是表征测量

9、系统对共模干扰的抑制能力的量，表达式为制能力的量，表达式为 共模干扰抑制比也可以定义为系统的差模增益与共模干扰抑制比也可以定义为系统的差模增益与共模增益之比，即共模增益之比，即 共模干扰抑制比越高，对共模干扰抑制能力越强共模干扰抑制比越高，对共模干扰抑制能力越强 cdCMRlg20kkKcdcmCMRlg20UUK7.2 硬件抗干扰技术 硬件抗干扰技术的种类:接地技术 屏蔽技术 长线传输的干扰及抑制 共模干扰的抑制 差模干扰的抑制 供电系统抗干扰 印刷电路板抗干扰7.2 硬件抗干扰技术 7.2.1 接地技术一 接地的基本概念 接地是将某点与一个等电位点或等电位面之间用低电阻导体连接起来,构成一

10、个基准电位.7.2 硬件抗干扰技术 1.测控系统中地线的种类：(1)信号地 (2)模拟地 (3)数字地 (4)负载地 (5)系统地 7.2 硬件抗干扰技术 2.共地和浮地 如果系统地与大地绝缘,则该系统称为浮地系统.如果把系统地和大地相连,则该系统称为共地系统.这里的”大地”是指地球,人们常常把他的电位作为绝对基准电位也就是绝对零电位.为了连接大地,可以在地下埋设铜板或插入金属棒或利用金属排水管作为连接大地的地线.7.2 硬件抗干扰技术 7.2.1 接地技术接地技术 接地技术是抑制干扰的一种重要措施，选接地技术是抑制干扰的一种重要措施，选择合理的接地方式能够有效地抑制干扰。择合理的接地方式能够

11、有效地抑制干扰。一、电测系统的接地一、电测系统的接地 1.安全接地安全接地 将装置的机壳和底盘接大地，接地电阻在将装置的机壳和底盘接大地，接地电阻在10以下以下(计算机房等要求计算机房等要求4以下以下)。2.信信号接地号接地 信号接地是使电测装置的零电位信号接地是使电测装置的零电位(基准电基准电位位)接地线，不一定接大地。接地线，不一定接大地。11.3 常用的抑制干扰措施常用的抑制干扰措施 3.信号源接地信号源接地 信号源地线是传感器的零电位电平基准，传信号源地线是传感器的零电位电平基准，传感器与其它测量设备在接地上有不同要求。感器与其它测量设备在接地上有不同要求。4.负载接地负载接地 负载中

12、的电流一般较大，在负载地线上产生负载中的电流一般较大，在负载地线上产生的干扰也较大，故对负载地线与测量仪器的地的干扰也较大，故对负载地线与测量仪器的地线有不同的要求。线有不同的要求。11.3 常用的抑制干扰措施常用的抑制干扰措施 二、电路一点接地准则二、电路一点接地准则 1.单级单级一点接地准则一点接地准则 如图所示，电路中的如图所示，电路中的7 7个点若分别接地，不个点若分别接地，不同接地点间会产生干扰电压，应在一点接地。同接地点间会产生干扰电压，应在一点接地。11.3 常用的抑制干扰措施常用的抑制干扰措施 2.多级电路一点接地多级电路一点接地 图图a所示的接地形式虽然避免了多点接地可能所示

13、的接地形式虽然避免了多点接地可能产生的干扰，但当各级电平相差较大时，会产生较产生的干扰，但当各级电平相差较大时，会产生较大的地电流干扰。图大的地电流干扰。图b采用的分别接地方式适用于采用的分别接地方式适用于低频电路。低频电路。7.2 硬件抗干扰技术 3.接地方式-单点接地与多点接地123123233()()ABACBVIIIRVVIIRVVI R7.2 硬件抗干扰技术 并联单点接地:各个电路的地线只有一点(系统地)汇合各电路的对地电位只有与本电路的地电流和地线阻抗有关,因而没有公共阻抗耦合噪声.这种联接方式的缺点比较复杂的系统,这一矛盾更加突出.在于所用地线太多，对于这种方式不能用在高频信号系

14、统。7.2 硬件抗干扰技术 上述两种接地都是属于一点接地方式,主要用在低频系统。在高频系统中,通常采用多点接地方式。在这种系统中各个电路或元件的地线以最短的距离就近连到地线汇流排上,因地线很短,底板表面镀银,所以它们阻抗都很小。多点接地不能用在低频系统中,因为各个电路的地电流流过地线汇流排的电阻会产生公共阻抗耦合噪声。7.2 硬件抗干扰技术 一般的选择标准是:在信号频率低于1MHz时,应采用单点接地方式,而当频率高于10MHz,多点接地系统是最高的.对于频率处于110MHz之间的系统,可以采用单点接地方式,但地线长度应小于信号波长的1/20.如果不能满足这一要求,应采用多点接地.在实际的低频系

15、统中,一般都采用串联和并联相结合的单点接地方式,这样既兼顾了抑制公共阻抗耦合噪声的需要,又不致使系统布线过于复杂.7.2 硬件抗干扰技术 二.接地环路与共摸干扰 当信号源与系统地都接大地时,两者之间就构成了接地环路.由于大地电阻和地电流的影响,任何两个接地点的电位都不相等.通常信号源和系统之间的距离可达数米至数十米,此时这两个接地点之间的电位差影响就不能忽视.7.2 硬件抗干扰技术 三.系统的接地设计 接地设计的两个基本要求:1.消除各电路电流流径一个公共地线阻抗时多产生的噪声电压.2.避免形成接地环路,引进共模干扰.7.2 硬件抗干扰技术 系统接地设计通常包括以下几个主要方面:1.输入信号传

16、输线屏蔽接地点的选择.2.电源变压器静电屏蔽层的接地.3.直流电源接地点的选择4.印刷电路板的地线布局5.机柜地线的布局1.输入信号传输线屏蔽接地点的选择信号源端接地，而接收端浮地，则屏蔽层应在信号源端接地 信号源浮地，接收端接地，则屏蔽层应在接收端接地 3.直流电源接地点的选择 不同性质电源地线不能任意互联，应分别汇集于一点，再与系统地相接。4.印刷电路板的地线布局 1.模拟地与数字地分设 2.尽可能减少地线电阻 3.在两信号之间增设地隔离5.机柜地线的布局7.2.2 屏蔽技术1.静电屏幕2.电磁屏蔽 电磁屏蔽主要抑制高频电磁场的干扰。3.磁屏蔽 磁屏蔽用来防止低频磁场干扰二、屏蔽的结构形式

17、 屏蔽罩，屏蔽栅网，屏蔽铜箔，隔离仓和导电涂料等。7.2.3 长线传输的干扰及抑制二 反射干扰及抑制1.阻抗匹配（1）终端并联阻抗匹配（2）始端串联阻抗匹配（3）终端并联隔直匹配（4）终端接箝位二极管匹配双 绞 线示 波 器信 号ARRP图 8-1 4 传 输 线 波 阻 抗 的 测 量1.终端阻抗匹配终端阻抗匹配双绞线ARPBR2双绞线ARPBRR1EC(a)(b)图 8-15 终端阻抗匹配n例如，485总线接收器，常在数据线终端并联120欧的匹配电阻。叠加了一个电压S 电阻取值：电阻取值：适当调整适当调整R1R1和和R2R2的阻值，可使的阻值，可使R=RPR=RP。这种匹配方法也能消除波反

18、射这种匹配方法也能消除波反射S 优点：优点：是波形的高电平下降较少是波形的高电平下降较少S 缺点：缺点：是低电平抬高，从而降低了低电平的抗干是低电平抬高，从而降低了低电平的抗干扰能力扰能力S 兼顾高电平和低电平两种情况兼顾高电平和低电平两种情况，可选取，可选取R1=R2=2RPR1=R2=2RP，此时等效电阻，此时等效电阻R=RPR=RP。实践中宁可使高电平降低。实践中宁可使高电平降低得稍多一些，而让低电平抬高得少一些，可通过得稍多一些，而让低电平抬高得少一些，可通过适当选取电阻适当选取电阻R1R1和和R2R2，并使，并使R1R1R2R2来达到此目的来达到此目的，当然还要保证等效电阻，当然还要

19、保证等效电阻R=RPR=RP。2始端阻抗匹配始端阻抗匹配p在传输线始端串入电阻在传输线始端串入电阻R R，如图，如图8-168-16所示，也能基本所示，也能基本上消除反射，达到改善波形的目的。一般选择始端匹上消除反射，达到改善波形的目的。一般选择始端匹配电阻配电阻R R为为 R RR RP PR RSCSC （8-38-3）其中，其中，R RSCSC为门为门A A输出低电平时的输出阻抗。输出低电平时的输出阻抗。双 绞 线ARPBR图 8-16 始 端 阻 抗 匹 配在DSP与外部的SDRAM连接的传输线上，常见的做法是用一个33欧（TI给的）的电阻串联实现阻抗匹配 p始端匹配方法的优点始端匹配

20、方法的优点：波形的高电平不变，p缺点：缺点：波形低电平会抬高。其原因是终端门B的输入电流在始端匹配电阻R上的压降所造成的。显然，终端所带负载门个数越多，则低电平抬高得越显著。长线驱动 长线驱动必须采用驱动电路和接收电路：驱动电路：TTL差分接收电路：差分TTL 7.2.4 共模干扰的抑制一、隔离技术二、浮置技术三、浮动电容切换法隔离技术1.隔离变压器2.纵向扼流圈3.光电耦合器7.2.5 差模干扰抑制一、频率滤波法二、积分法三、电平鉴别法 1.采用脉冲隔离门抑制干扰 2.采用削波抑制干扰四、脉宽鉴别法7.2.6 供电系统抗干扰一、从供电系统窜入的干扰二、供电系统抗干扰措施1.电源滤波和退偶2.

21、采用不间断电源和开关式直流稳压电源3.系统分别供电和采用电源模块单独供电4.供电系统馈线要合理分布7.2.7 印刷电路板抗干扰一、合理布置印刷电路板上的器件二、合理分配印刷电路板插脚三、印刷电路板合理布线四、电源线布线五、印刷电路板的接地线设计六、印刷电路板的屏蔽七、去耦电容器的配置PCB设计一、电磁兼容的基本概念1、问题的提出：随着电子技术的发展，电子设备的应用越来越普及，电子系统的规模越来越庞大，而体积却越来越小，电子设备的安装越来越密集，电子设备内部元器件的安装密度越来越高。使得电子设备之间、设备内部电路之间的干扰问题越来越突出。2、什么是电磁兼容?电磁兼容性（Electromagnet

22、ic Compatibility-EMC)是指设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁干扰的能力。（国标GB/T4365-1995）通俗的讲：电磁兼容是指多个设备或系统在同一环境中能够正常工作。其含义包括两个方面：不能形成干扰，也不能被干扰。换句话说：电磁兼容解决的是设备间干扰与被干扰的问题。3、电磁兼容研究的主要内容：电磁兼容设计；电磁兼容测试；电磁兼容标准及电磁兼容预测。4、电磁干扰的三要素：干扰源耦合通道敏感体5、解决干扰的基本思路 该三要素本身形成了一个干扰系统，切断系统中任何一个环节都可 以切断干扰。6、电磁干扰的定义、分类 任何可能引起装置、设备或

23、系统性能降低的电磁现象。国标GB/T4365-1995）场的干扰：电场的干扰，磁场的干扰，电磁辐射的干扰。传导干扰：公共阻抗干扰（电阻、电容、电感），地干扰，漏电干扰7、电磁干扰的解决方法 空间分离：地点位置控制，自然地形隔离，方位角控制，电场矢量方向控制。频率管理：频率管制，滤波，频率变换。地线隔离：变压器隔离，光电隔离，继电器隔离，DC/DC变换 传输通道抑制：滤波，屏蔽。时间分割：时间分隔，同步。8、什么叫EMC认证 产品的EMC认证是依据产品的电磁兼容标准和相应的技术要求，经过认证机构测试确认，并通过颁发认证证书和认证标志来证明某一产品符合相应标准和相应技术的要求。在我国EMC认证已纳

24、入3C认证范围(中国强制认证，英文名称为“China Compulsory Certification”，英文缩写为“CCC”，也可简称为“3C认证”)，国家对有强制性电磁兼容国家标准或强制性电磁兼容行业标准以及标准中有电磁兼容强制条款的产品实行安全认证制度，对这些实施电磁兼容安全认证的产品在进入流通领域实施强制性监督管理（没有进行电磁兼容安全认证就不能进入流通领域)。9、电磁兼容性的测量EMC传导干扰测量电磁干扰测量辐射干扰测量测量传导敏感度测量电磁敏感度测量辐射敏感度测量 地线阻抗：地线的实施必须通过导体来实现，任何导体都存在阻抗，对地线来讲主要是分布电阻和分布电感。而且由于趋肤效应的存在

25、，高频影响更大。导线阻抗：减小地线阻抗的方法：加大导线截面积，采用大面积接地，采用多股线，表面镀银等。电路的抗干扰技术与PCB设计三、PCB的基本知识1、什么是印刷电路板？印刷电路板也称PCB(Printed Circuit Board)板,它是在敷铜 板上用腐蚀的方法除去多余的铜箔、保留必要的铜箔作为导体而得到的可焊接电子元件的电路板。腐蚀后留下的可焊接元件的铜箔电路绝缘基板其分为：单面板 双面板 多层板电路的抗干扰技术与PCB设计 印制电路板的设计就是根据电路的功能、工作频率、功率等合理的安排元件和导线。印制电路板的设计要综合考虑电路参数、元件参数、安装位置、尺寸大小、散热、干扰、pcb材

26、料等多种因素，折衷考虑 PCB板设计的好坏没有统一的标准，只有一般的、指导性的意见。电路的抗干扰技术与PCB设计 2、电路板的层（Layer）：电路板中的层不是虚拟的而是印刷板材料本身实实在在的铜箔层,除了常用的单层电路板之外，由于一些较新的电子产品电子线路的元件密集中，所用的印刷板不仅有上下两面双层走线,在板的中间还设有能被特殊加工的夹层铜箔，例如计算机主板所用的印板材料多在4 层以上。其分为：单面板 双面板 多层板顶层 Top过孔 Via底层 Bottom中间层 Mid绝缘层电路的抗干扰技术与PCB设计 3、各种膜（Mask）焊盘阻焊膜（Solder Mask）丝印膜（Silkscreen

27、）助焊膜（Past Mask）多层板多层板电路的抗干扰技术与PCB设计4、敷铜板的分类 敷铜板,全称应为 敷铜箔层压板，是在绝缘基板上粘一层铜箔而成。绝缘基板铜箔电路的抗干扰技术与PCB设计（30）（1）酚醛纸敷铜板 易潮，不阻燃，便宜，做收音机等。（2）环氧纸敷铜板 耐潮、耐高温，价偏高，做仪器、仪表等。（3）环氧玻璃布敷铜板 基板透明，优于前者，价较高，做高档电器。（4）聚四氟乙烯敷铜板 介质损耗低 价高，用于高频电路（5）柔性电路板 可弯曲电路的抗干扰技术与PCB设计5、PCB版的制作过程 A、根据电路原理图设计PCB板图 B、光绘成正像胶片 C、准备敷铜板 D、上保护油墨 E、曝光 F

28、、清洗 G、腐蚀 H、上阻焊油墨 I、曝光 J、清洗 K、印字符 L、上助焊剂电路的抗干扰技术与PCB设计干膜干膜压膜前压膜前压膜后压膜后 压膜压膜 将经处理之基板铜面透过热压方式贴上抗蚀干膜电路的抗干扰技术与PCB设计曝光曝光 经光源作用将原始底片上的图像转移到感光底板上主要原物料主要原物料:底片 内层所用底片为负片,即白色透光部分发生光聚合反应,黑色部分则因不透光,不发生反应,外层所用底片刚好与内层相反,底片为正片UV光光曝光前曝光前曝光后曝光后电路的抗干扰技术与PCB设计显影显影用碱液作用将未发生化学反应之干膜部分冲掉主要原物料主要原物料:Na2CO3使用将未发生聚合反应之干膜冲掉,而发

29、生聚合反应之干膜则保留在板面上作为蚀刻时之抗蚀保护层显影后显影后显影前显影前电路的抗干扰技术与PCB设计 蚀刻后蚀刻后蚀刻前蚀刻前 蚀刻蚀刻 利用药液将显影后露出的铜蚀掉,形成内层线路图形 主要原物料主要原物料:蚀刻药液(CuCl2)去膜后去膜后去膜前去膜前 去膜去膜 利用强碱将保护铜面之抗蚀层剥掉,露出线路图形 主要原物料主要原物料:NaOH电路的抗干扰技术与PCB设计 电路的抗干扰技术与PCB设计设计印制板布局时考虑的几个问题（1）热稳定性的考虑（2）抗干扰性能的考虑（3）机械强度的考虑（4）布线及加工工艺（加工精度和成本）电路的抗干扰技术与PCB设计（1）热稳定性的考虑 意义：电子电路一

30、般对温度的变化比较敏感（参数变化），耐受高温的能力也比较差（烧毁或寿命缩短），所以在设计印制电路板时必须考虑电路板的散热和电路的热稳定性，使电路在规定的环境温度范围内都能正常工作。不利因素：印制电路板本身是热的不良导体；在平面安装时不利于热空气对流（不透气）；元件的安装密度比较大，而且希望将所有元件都安装在电路板上；体积越来越小；和防尘、防水、防潮存在矛盾。考虑因素：任何电路元件只要通电就会有损耗、就会发热，设计印制电路板时主要是通过合理地安排元件的布局，尽可能有利于散热和减少温度的影响。电路的抗干扰技术与PCB设计 假设一个平面安装的电路板上各元件均匀分布且发热量相等（称为均匀热负载），则热

31、平衡后板上温度分布如图所示所以，一般来讲：温度敏感元件尽量靠近电路板的边沿安装；发热量大的元件尽量靠近电路板的边沿安装；温度敏感元件尽量远离发热量大的元件和温度比较高区域。温升也可以采取隔热措施：在发热元件和温度敏感元件之间安装一块隔热板；将发热元件安装在高位，温度敏感元件安装在低位。例如：将电路板立式安装；或将发热元件架高安装。另一种方法是采取散热措施：给发热元件加装散热器（分为自然、风冷.），并使热量尽可能的排到机箱外；给发热元件、温度敏感元件下面打散热孔，解决对流问题；利用印制板铜箔散热（两面都利用时要打过孔，并去掉阻焊）；增加机箱的散热性能（开孔的大小、形状、数量等），发热元件靠近散热

32、孔；使用导热硅脂等辅助材料。电路的抗干扰技术与PCB设计（45）（2）抗干扰性能的考虑 干扰敏感元件和干扰源之间拉开距离，如直尺排列，导线间距加大，高电平和低电平电路分开；干扰敏感元件和干扰源之间隔离，如导线隔离、元件隔离、电源地线层隔离，布线层隔离；干扰敏感元件和干扰源之间变换方位，如导线避免平行，电感垂直安装，电容垂直安装；干扰敏感元件和干扰源之间的频谱错开，减小带宽；合理进行地线层分割，各电路模块集中安装，如数字模拟地分开，干扰被干扰地分开；加宽电源、地线宽度，尽量用大面积接地；做好电源滤波，每个有源器件都要有滤波电容，而且离引脚最近。利用印制板的分布电感和电容进行滤波；如电源、地线层间

33、重合。减少电路板面积，减少信号回路的面积，减少导线长度，使用表面安装。（3）机械强度的考虑 印制板的尺寸不能太大；1.0mm 大尺寸应采取加固措施，周边固定，中间支撑；减小元件重量，重量较大的元件不能安装在印制板或者专门加固；体积较大的、重量较大的、高度较高的元件要加固，元件和印制板一起加固到机壳，必要时加缓冲垫；及减振、隔振措施。对振动敏感的元器件，安置在振动小的位置，或采取减振、隔振措施。例如分印制板、加橡胶垫等。可调电容、可调电感、电位器。元件的安装高度控制在7-9mm。固定螺丝一定要加弹簧垫圈；外接导线要固定，插头插座要锁定；元件和电路板不能有明显的共振点。电路的抗干扰技术与PCB设计

34、（4）布线及加工工艺导线的分布电感与互感；导线的分布电容；导线尽可能短直，转弯要少；禁止环状线；导线转弯用45度角；到线宽度要连续；顶层和底层导线一般用垂直走向；同种类型的信号线同方向同长度，保证时延相同；导线的宽度10mil导线之间的间距10mil焊盘的尺寸50mil 过孔的尺寸40mil7.3 7.3 软件抗干扰措施软件抗干扰措施|引言引言|8.3.1 8.3.1 指令冗余技术指令冗余技术|8.3.2 8.3.2 软件陷阱技术软件陷阱技术引言 介绍了这么多的硬件电路抗干扰措施，再来看看软件上又有哪些好的措施。q数字滤波：数字滤波：首先是在控制系统的输入输出通道中，采用某种计算方法对通道的信

35、号进行数字处理，以削弱或滤除干扰噪声，这就是在第四章中讨论过的数字滤波方法。这是一种廉价而有效的软件程序滤波，在控制系统中被广泛采用。q渗入：渗入：而对于那些可能穿过通道而进入CPU的干扰，可采取指令冗余、软件陷阱以及程序运行监视等措施来使CPU恢复正常工作。8.3.1 指令冗余技术指令冗余技术|作用：作用：当计算机系统受到外界干扰，破坏了CPU正常的工作时序，可能造成程序计数器PC的值发生改变，跳转到随机的程序存储区。当程序跑飞到某一单字节指令上，程序便自动纳入正轨；当程序跑飞到某一双字节指令上，有可能落到其操作数上，则CPU会误将操作数当操作码执行；当程序跑飞到三字节指令上，因它有两个操作

36、数，出错的机率会更大。|原理：原理：为了解决这一问题，可采用在程序中人为地插入一些空操作指令NOP或将有效的单字节指令重复书写，此即指令冗余技术。由于空操作指令为单字节指令，且对计算机的工作状态无任何影响，这样就会使失控的程序在遇到该指令后，能够调整其PC 值至正确的轨道，使后续的指令得以正确地执行。|副作用：副作用：但我们不能在程序中加入太多的冗余指令，以免降低程序正常运行的效率。一般是在对程序流向起决定作用的指令之前以及影响系统工作状态的重要指令之前都应插入两、三条NOP指令，还可以每隔一定数目的指令插入NOP指令，以保证跑飞的程序迅速纳入正确轨道。|局限：局限：指令冗余技术可以减少程序出

37、现错误跳转的次数，但不能保证在失控期间不干坏事，更不能保证程序纳入正常轨道后就太平无事了。解决这个问题还必须采用软件容错技术，使系统的误动作减少，并消灭重大误动作。8.3.2 软件陷阱技术软件陷阱技术q作用：作用：指令冗余使跑飞的程序安定下来是有条件的，首先跑飞的程序必须落到程序区，其次必须执行到冗余指令。当跑飞的程序落到非程序区(如EPROM中未使用的空间、程序中的数据表格区)时，对此情况采取的措施就是设立软件陷阱。q方法：方法：软件陷阱，就是在非程序区设置拦截措施，使程序进入陷阱，即通过一条引导指令，强行将跑飞的程序引向一个指定的地址，在那里有一段专门对程序出错进行处理的程序。如果我们把这

38、段程序的入口标号称为ERROR的话，软件陷阱即为一条JMP ERROR指令。为加强其捕捉效果，一般还在它前面加上两条NOP指令，因此真正的软件陷阱是由3条指令构成：NOP NOP JMP ERRORq位置：位置：软件陷阱安排在以下四种地方：未使用的中断向量区，未使用的大片ROM空间，程序中的数据表格区以及程序区中一些指令串中间的断裂点处。q多多安插：多多安插：由于软件陷阱都安排在正常程序执行不到的地方，故不影响程序的执行效率，在当前EPROM容量不成问题的条件下，还应多多安插软件陷阱指令。8.4 8.4 程序运行监视系统程序运行监视系统|引言|8.4.1 Watchdog Timer8.4.1

39、 Watchdog Timer工作原理工作原理|8.4.2 Watchdog Timer8.4.2 Watchdog Timer实现方法实现方法引言引言 作用：作用：工业现场难免会出现瞬间的尖峰高能脉冲干扰，可能会长驱直入作用到CPU芯片上，使正在执行的程序跑飞到一个临时构成的死循环中，这时候的指令冗余和软件陷阱技术也无能为力，系统将完全瘫痪。此时必须强制系统复位，摆脱死循环。由于操作者不可能一直监视系统，这就需要一个独立于CPU之外的监视系统，在程序陷入死循环时，能及时发现并自动复位系统，这就是看守大门作用的程序运行监视系统，国外称为“Watchdog Timer”，即看门狗定时器或看门狗。

40、8.4.1 Watchdog Timer8.4.1 Watchdog Timer工作原理工作原理q为了保证程序运行监视系统的可靠性，监视系统中必为了保证程序运行监视系统的可靠性，监视系统中必须包括一定的硬件部分，且应完全独立于须包括一定的硬件部分，且应完全独立于CPUCPU之外，之外，但又要与但又要与CPUCPU保持时时刻刻的联系。因此，程序运行保持时时刻刻的联系。因此，程序运行监视系统是硬件电路与软件程序的巧妙结合。图监视系统是硬件电路与软件程序的巧妙结合。图8-308-30给出了给出了Watchdog TimerWatchdog Timer的工作原理。的工作原理。qCPUCPU可设计成由程

41、序确定的定时器可设计成由程序确定的定时器1 1，看门狗被设计成，看门狗被设计成另一个定时器另一个定时器2 2，它的计时启动将因，它的计时启动将因CPUCPU的定时访问脉的定时访问脉冲冲P1P1的到来而重新开始，定时器的到来而重新开始，定时器2 2的定时到脉冲的定时到脉冲P2P2连连到到CPUCPU的复位端。两个定时周期必须是的复位端。两个定时周期必须是 T1T1T2T2，T1T1就是就是CPUCPU定时访问定时器定时访问定时器2 2的周期，也就的周期，也就是在是在CPUCPU执行的应用程序中每隔执行的应用程序中每隔T1T1时间安插一条访问时间安插一条访问指令。指令。q在正常情况下，CPU每隔T

42、1时间便会定时访问定时器2，从而使定时器2重新开始计时而不会产生溢出脉冲P2；而一旦CPU受到干扰陷入死循环，便不能及时访问定时器2，那么定时器2会在T2时间到达时产生定时溢出脉冲P2，从而引起CPU的复位，自动恢复系统的正常运行程序。CPU(T1)定时器(T2)定时访问脉冲P1重新启动复位定时到脉冲P2图 8-30 Watchdog Timer工作原理P1P2T2应用程序访问指令访问指令访问指令T1T1T1死循环T18.4.2 Watchdog Timer8.4.2 Watchdog Timer实现方法实现方法 以前的以前的Watchdog TimerWatchdog Timer硬件部分是用

43、单稳电硬件部分是用单稳电路或自带脉冲源的计数器构成，一是电路有些复路或自带脉冲源的计数器构成，一是电路有些复杂，二是可靠性有些问题。美国杂，二是可靠性有些问题。美国XicorXicor公司生产的公司生产的X5045X5045芯片，集看门狗功能、电源监测、芯片，集看门狗功能、电源监测、EEPROMEEPROM、上电复位等四功能为一体，使用该器件将大大简上电复位等四功能为一体，使用该器件将大大简化系统的结构并提高系统的性能。化系统的结构并提高系统的性能。X5045与CPU的接口电路如图8-31所示。X5045 只有8根引脚：SCK：串行时钟。SO：串行输出，时钟SCK的下降沿同步输出数据。SI：串

44、行输入，时钟SCK的上升沿锁存数据。CS：片选信号，低电平时X5045工作，变为高电平时将使看门狗定时器重新开始计时。WP：写保护，低电平时写操作被禁止，高电平时所有功能正常。RESET：复位，高电平有效。用于电源检测和看门狗超时输出。VSS：地。VCC：电源电压。图 8-31 X5045 与CPU的接口电路RESETD0D1D2D3SOSISCKCSWCCWPVSSX5054+5VRESETCPUm它与CPU的接口电路很简单，X5045的信号线SO、SI、SCK、CS与CPU的数据线D0D3相连，用软件控制引脚的读（SO）、写（SI）及选通（CS）。X5045的引脚RESET与CPU的复位端RESET相连，利用访问程序造成CS引脚上的信号变化，就算访问了一次X5045。m在CPU正常工作时，每隔一定时间(小于X5045的定时时间)运行一次这个访问程序，X5045就不会产生溢出脉冲。一旦CPU陷入死循环，不再执行该程序也即不对X5045进行访问，则X5045就会在RESET端输出宽度100ms400ms的正脉冲，足以使CPU复位。m这里，X5045中的看门狗对CPU提供了完全独立的保护系统，它提供了三种定时时间：200ms、600ms和1.4s，可用编程选择。