智能儀器的抗干擾技術(shù)

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(jì)算機(jī)或者微型處理器的測(cè)量?jī)x器，擁有對(duì)用戶輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、運(yùn)算、邏輯判斷及自動(dòng)化操作等功能。屬于新世紀(jì)的高新技術(shù)產(chǎn)品，具有功能齊全、操作簡(jiǎn)便、分析結(jié)果準(zhǔn)確可靠等優(yōu)點(diǎn)，是諸多行業(yè)代替人工的幫手。

關(guān)鍵詞：智能；智能儀器；儀表；抗干擾

傳統(tǒng)儀器一般只采用簡(jiǎn)單的電子電路來轉(zhuǎn)換測(cè)量數(shù)據(jù)，用直觀的模式顯示或讀出測(cè)試數(shù)據(jù)，并沒有加入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理功能，要通過人工來進(jìn)行計(jì)算甚至比對(duì)才可以得出測(cè)量結(jié)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(jià)來計(jì)算總價(jià)格，這種只能用于一般測(cè)量的數(shù)據(jù)測(cè)量?jī)x器，都可以算是傳統(tǒng)儀器，但是由于它的成本比較低，目前還擁有一定市場(chǎng)。

智能儀器是具有微型處理系統(tǒng)或可接入微型計(jì)算機(jī)的智能化儀器。它可以像小型計(jì)算機(jī)一樣，通過對(duì)電子電路來轉(zhuǎn)換測(cè)量數(shù)據(jù)的分析、判斷，通過連接各種電子設(shè)備使用戶得到其需要的結(jié)果。這種強(qiáng)大的功能使智能儀器現(xiàn)在已廣泛用于電子、化工、機(jī)械、輕工、航空等行業(yè)，對(duì)我國(guó)制造業(yè)提升產(chǎn)品質(zhì)量的檢測(cè)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(duì)信號(hào)采集、處理、傳輸中，抗干擾能力一直是眾多電子產(chǎn)品性能好壞的重要指標(biāo)，對(duì)于某些智能儀器，在使用過程中會(huì)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，數(shù)據(jù)在經(jīng)過采集和壓縮后，還需要傳輸?shù)街付ǖ闹鳈C(jī)，一般情況下采用其自帶的連接設(shè)備就足夠了。不過在一些特定的情況下，由于源端設(shè)備、傳輸過程中、終端設(shè)備等因素限制，在傳輸和采集中經(jīng)常會(huì)遇到一些信號(hào)干擾，致使傳輸?shù)男盘?hào)受到波動(dòng)、失真等。

1 干擾信號(hào)大體可分為三類

1.1 源端設(shè)備引起的干擾

一般有供電電源的干擾和設(shè)備本身問題引起的干擾。判斷方法是直接在電路中接監(jiān)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(guān)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(duì)于傳輸電纜可以通過更換電纜或增加抗干擾設(shè)備解決。

1.3 終端設(shè)備引起的干擾

主要是設(shè)備供電、設(shè)備本身產(chǎn)生的干擾、接地引起的干擾、設(shè)備與設(shè)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(chǎn)生干擾或?qū)⑵涓蓴_影響降低到最小。由干擾源的復(fù)雜性，要想對(duì)所有的干擾源都做到使其不對(duì)外產(chǎn)生干擾是不可能的，也是不現(xiàn)實(shí)的。因此，除了對(duì)一些重要的干擾源，其余的主要是對(duì)一些干擾源進(jìn)行抑制，將其干擾影響降低到最小，以保證系統(tǒng)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(wǎng)或罩實(shí)現(xiàn)電磁屏蔽，隔離電磁場(chǎng)干擾。既可防止外來電磁場(chǎng)干擾，又可防止本身電磁場(chǎng)輻射對(duì)外界的干擾。通常用銅和鋁等導(dǎo)電性能良好的金屬材料作屏蔽體。磁場(chǎng)屏蔽是為了消除或抑制由于磁場(chǎng)耦合引起的干擾。對(duì)靜磁場(chǎng)及低頻交變磁場(chǎng)，可用高磁導(dǎo)率的材料作屏蔽體，并保證通信線路暢通；對(duì)高頻交變磁場(chǎng)，靠線路上感生的渦流所產(chǎn)生的反磁場(chǎng)來排斥原磁場(chǎng)起到屏蔽作用。選用材料也是導(dǎo)電性良好的導(dǎo)體，如銅、鋁等。

2.2 隔離

隔離，是指把干擾源與接收系統(tǒng)隔離開來，使有用信號(hào)正常傳輸，令干擾耦合通道被切斷，達(dá)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(jìn)行信號(hào)傳輸，所用的器件是光電耦合器。光電耦合器在傳輸信息時(shí)，工作方式為借助于光作為媒介物進(jìn)行耦合，因而具有較強(qiáng)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(diǎn)、壽命長(zhǎng)、易與邏輯電路配合、響應(yīng)速度快、小型、耐沖擊且穩(wěn)定可靠，因此光電隔離在機(jī)電一體化系統(tǒng)有著廣泛的應(yīng)用。

第二，變壓器隔離。變壓器隔離干擾信號(hào)用于交流信號(hào)的傳輸中。隔離變壓器將各種模擬負(fù)載和數(shù)字信號(hào)源隔離開，傳輸信號(hào)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(diǎn)僅有機(jī)械上形成聯(lián)系，而沒有直接的聯(lián)系，它的觸點(diǎn)接在其他控制回路中，通過觸點(diǎn)的變化導(dǎo)致控制回路發(fā)生變化（例如開關(guān)的閉合和斷開），從而實(shí)現(xiàn)既定的控制或保護(hù)的目的。因此，可利用繼電器控制和傳輸電信號(hào)。

2.3 濾波

濾波是抑制干擾傳導(dǎo)的一種重要方法。由于干擾源發(fā)出的電磁干擾的頻譜比要接收的信號(hào)的頻譜寬得多，所以，當(dāng)接收器接收有用信號(hào)時(shí)，也會(huì)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(shè)備機(jī)殼等與作為零電位的一個(gè)公共參考點(diǎn)（地）與之連接，稱為接地。接地的目的有兩個(gè)：

第一，為了安全，把電子設(shè)備的機(jī)殼、機(jī)座等與大地相接，當(dāng)設(shè)備中存在漏電時(shí)，不致影響人身安全，稱為安全接地。

第二，為了給系統(tǒng)提供一個(gè)基準(zhǔn)電位，如脈沖數(shù)字電路的零電位點(diǎn)等，或?yàn)榱艘种聘蓴_屏蔽接地，稱為工作接地。

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

2.5 軟件方面

在軟件編寫程序時(shí)，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?yàn)檫@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(shí)，可采用軟件模看門狗，以監(jiān)測(cè)程序的運(yùn)行。

第三，涉及調(diào)整或設(shè)置外部器件的參數(shù)時(shí)，定時(shí)將參數(shù)重新發(fā)送一遍，可以防止外部器件因受干擾而出錯(cuò)。

第四，在有Data、CLK、INH接口時(shí)，將常態(tài)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(gè)數(shù)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(yīng)用場(chǎng)合，尤其是在通過大電流時(shí)，為了防繼電器觸點(diǎn)火花對(duì)電路的干擾，可在繼電器線圈間并聯(lián)一個(gè)104的電容和一個(gè)整流二極管，在觸點(diǎn)和常開端間接一個(gè)472的電容。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王選民.智能儀器原理及設(shè)計(jì)[M].清華大學(xué)出版，2008.

[2] 史健芳，廖述劍，楊靜.智能儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].電子工業(yè)出版社，2012.

作者簡(jiǎn)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。