标题 | 某小型测试系统干扰抑制措施 |
范文 | 贾红莉 【摘要】 介绍了某小型测试系统的干扰现象,对干扰源的形成机理进行分析。针对系统的特点,在硬件设计中通过滤波电路、隔离与耦合技术、传输导线的选择与屏蔽来提高系统的可靠性,在软件方面采用跟踪监视定时器技术、软件滤波等措施,使整个系统的干扰得到良好抑制。 【关键词】 小型测试系统 干扰 抑制 某小型测试系统主要用于模拟载机系统来实现对产品的试验,测试系统采用小型化便携式设计。由于系统体积小,使用环境复杂,导致大量干扰信号存在,这对测试系统的稳定度和精确度有直接的影响,严重时可使系统不能正常工作。因此,系统的设计、制造、使用及工作环境都需要考虑干扰的因素。 一、干扰源及形成分析 测试系统采用PC104总线的自动测试系统,由于系统用在外场试验环境,使用小型加固机箱,内部嵌入模块板卡及电源系统等,机箱空间小,系统使用的测试距离远、电源供电、地线等环境苛刻,存在着大量的干扰。通过试验及数据分析,发现干扰源主要为: 1.1电源系统干扰 干扰主要是从电源和电源线引入系统。当系统与其它负载共用电源时,会产生电源噪声,如电源过/欠压、浪涌、下陷等干扰,这些噪声会耦合到系统电路,给系统造成危害。当电源引线较长时,所产生压降及感应电势等形成噪声。系统所需的直流电源,会因净化不佳,给高精度系统带来干扰。 1.2数字电路引起的干扰 数字电路引出的直流电流虽然只有mA级,但是当电路处在高速开关时,就会形成较大的干扰。如,TTL门电路在导通状态下从直流电源引出5mA左右的电流,截止状态下则为1mA ,在Tns时间内其电流变化为ImA ,如果在配电线上具有LμH的电感,当这个门电路改变状态时,配电线上产生的噪声电压为:U=L*di/dt=L*I/T (1) 虽然这种门电路的供电电压仅为5V, 但所引起的干扰噪声将是非常严重的。 1.3长线传输干扰 信号在传输过程中容易出现延时、变形并接收干扰信号,形成传导耦合干扰。测试系统使用30米的测试电缆,因此信号彼此间干扰电压很大。导致传输信号发生畸变,产生的干扰主要有:传输线周围空间电磁场对传输线的电磁感应干扰;当两条或两条以上信号强弱不同的线靠得很近时,通过线间分布电路和互感而形成的线间干扰。 1)容性(电场)耦合干扰 当干扰源产生的干扰是以电压形式出现时,干扰源与信号电路之间就存在容性(电场) 耦合,这时干扰电压线电容耦合到信号电路,形成干扰源。对于平行导线,由于分布电容大,容性耦合较严重。在图1a中,导线1和2是两条平行线, C1和C2分别是各线对地的分布电容,C12是两线间分布的耦合电容,V1是导线1对地电压,R是导线2对地电阻。由图1b等效电路可得,导线1电压通过耦合导线2上产生的电压V2为:V2=jωC12RV1/[1+jω(C12+C2)R] (2) 当R>>1+jω(C12+C2)时,式(2)可简化为:V2=C12V1/(C12+C2) (3) 当R<<1+jω(C12+C2)时,式(2)可简化为:V2=jωC12RV1 (4) 由式(2)、(3)、(4)可知,容性耦合干扰随着耦合电容的增大而增大。 2)感性(磁性)耦合干扰 当干扰源以电流形式出现时,此电流所产生的磁场通过互感耦合对邻近信号形成干扰。图2是互感耦合示意图,两邻近导线之间存在分布互感M,M=Ф/I1(其中,I1是流过导线1的电流,Ф是电流I2产生的与导线2交线的磁通),由互感耦合在导线2上形成的互感电压为V2=2ωMI1,此电压在导线上是串联的。从式中可知V2与干扰的频率和互感量成正比。 1.4地线干扰 该测试系统电路复杂,系统中有数字地、模拟地、机壳等,而模拟地又可分为直流地和交流地。当各部分电路的电流均流过公共地线时,会在其上产生压降,形成噪声干扰。这种情况在数字电路和模拟电路共地时非常明显。通常,数字系统的入地电流比模拟系统大得多,并且有较大波动噪音。即使系统接地电阻很小,数字电路也会在其两端形成较高电压,使模拟系统的接地电压不能为零。 二、硬件抗干扰措施 2.1电源滤波电路 电源滤波电路可以防止输入电压的高频脉冲干扰,为设备内的AC/DC变换提供干净的电源,使DC输出电压稳定。同时,该电路可以防止设备中的电磁干扰通过电源线传到电网上,防止电磁干扰进入电网的其他设备。电路如图3所示: 在电路的设计中,C1的选用原则: 1)耐压高于最大输出电压的50%以上; 2)C1=1/F,F为系统的频率。滤波电容的选用原则:C≥2.5T/R;T为系统频率,R为负载电阻,一般使用中选择C≥5T/R。 2.2隔离与耦合措施 1)光电隔离与耦合 测试系统的接口,用数字式光电隔离器进行隔离,以切断公共阻抗环路,避免长线感应和共模干扰。较长时间的信号传输线可采用屏蔽与光电耦合配合使用的方法。 2)放大器隔离 测试系统中的放大电路易受共模干扰的影响,对此,前级放大电路之间可采用光电耦合进行隔离。采用两个耦合器组成互补形式,可以改善放大电路的线性度,减少温度影响。 2.3传输导线抗干扰措施 1)传输导线的选择 信号频率在100kHz以下采用双绞线传输,频率超过100kHz信号传输采用同轴电缆。双绞线对电容耦合的电场噪声几乎没有抑制作用,但对磁场的耦合噪声的抑制能力很强。同轴电缆的阻抗在高频下保持基本恒定,但同轴电缆不能用于低于10kHz的低频信号传输。 2)传输导线的屏蔽 对于长距离导线,采取屏蔽措施,提高信号传输的可靠性。为实现最佳的磁场屏蔽作用,电路的一端与地隔离。为减小屏蔽层噪声电流,低频信号线缆的屏蔽层采用单点接地。如果仅有信号源接地,屏蔽层接地点在信号源端。如果仅有负载端接地,屏蔽层接地点在负载端。高频信号的屏蔽层采用多点接地设计,为确保屏蔽线缆的良好接地,每十分之一信号波长加一个屏蔽层接地点,可通过一个小电容将屏蔽层接地。 三、软件抗干扰措施 软件抗干扰措施是系统抗干扰的一个非常重要方面,软件的抗干扰性能差,会导致系统死机或程序跑飞等现象。为此,在软件设计中采取了几种抗干扰措施: 3.1跟踪监视定时器技术 当系统受到干扰时,有时嵌入式处理器的设置值会被改变,导致程序跑飞,盲目运行或进入死循环。采用设置跟踪监视定时器,在程序失控的状态下,将跑飞的处理器指针“俘获”并强行拉回到一个处理该故障的程序中,恢复被破坏的现场,回到受干扰之前的地址,使程序正常运行。 跟踪监视定时器技术利用定时器中断功能来监视程序的运行状态。 3.2数字滤波技术 进行实时数据采集时,为了消除传感通道中的干扰信号,利用算术平均值法、FIR数字滤波算法实现软件滤波效果,减少系统的随机干扰对采样结果的影响。 四、结束语 由于小型测试系统体积小,其内部工作环境比较复杂,外部工作环境苛刻。因此,小型测试系统的可靠性是必须要考虑的重要因素,该系统在样机研制过程中,对系统的抗干扰性做了细致周全的设计,在实际使用中得到了很好的效果。 |
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