智能儀器開發(fā)中的干擾抑制技術(shù)

智能儀器開發(fā)中的干擾抑制技術(shù) 
1 前言 
　　儀器開發(fā)必須考慮普適性，作為一個產(chǎn)品應能應用于各種各樣場合，也就是說它不僅僅
用在實驗室和辦公室，也可能被用在野外，礦山，或工業(yè)監(jiān)測控制現(xiàn)場，可能周圍條件優(yōu)越，
也可能環(huán)境惡劣干擾頻繁，質(zhì)量就是生命，如何保證所開發(fā)的儀器具有極高的抗干擾能力和
可靠性及是研制者魂牽夢繞的問題。 

　　隨著超大規(guī)模集成電路的發(fā)展和單片機的出現(xiàn)，命名得融入電腦，開發(fā)智能儀器成為可
能，計算機的加盟令局面一新　，我們不僅可以從硬件方面采取措施，還可以從軟件方面采
取措施進一步增強自己所開發(fā)儀器的抗干擾能力。 

　　工故使用儀器的苛刻運行環(huán)境主要表現(xiàn)在：工礦現(xiàn)場大耗能設(shè)備多，大功率特別是大感
生負載的啟停往往會使電網(wǎng)產(chǎn)生幾百伏甚至幾千伏的尖脈沖干擾。工業(yè)電網(wǎng)欠壓或過壓，常
常達到額定電壓的１５％，這種惡劣的供電善有時長達幾分鐘、幾小時，甚至幾天。在工礦
現(xiàn)場，各種信號線如綁扎在一起或走同一根多芯電纜，由于導線間存在電容性耦合、電感性
耦合世電場磁場組合耦合，也是儀器通道出現(xiàn)干擾的主要原因之一，特別是信號線與交流動
力線同走一個長的管道中、干擾尤甚，多路開關(guān)或保持器性能不好，也會引起儀器臨近通道
信號的竄擾。空間各種電磁、氣象條件、雷電甚至地磁場的變化也會干擾得使儀器不能正常
工作。此外現(xiàn)場溫度、濕度的變化可能引起電路參數(shù)的發(fā)跡腐蝕性氣體、酸堿鹽的作用，野
外的風沙、雨淋、甚至鼠咬蟲蛀等都會影響儀器的可靠性。 

　　儀器在現(xiàn)場運行所受到的干擾各種各樣，具體情況具體分析，對不同的干擾采取不同的
措施，此乃抗干擾的決的原則。這種靈活機動的策略與普適性無疑是矛盾的。解決的辦法應
當采用模塊化的方法。除了基本構(gòu)件外，針對不同的運行場合，儀器可裝配不同的選　件，
以有效地抗干擾，提高可靠性。 

２ 尖峰干擾抑制技術(shù) 
　　對儀器正常工作危害最嚴重的是電網(wǎng)尖峰脈沖干擾，產(chǎn)生尖峰干擾的用電設(shè)備有：電焊
機、大電機、可控機、繼電接觸器、帶鎮(zhèn)流器的充氣照明燈，甚至電烙鐵等。尖峰干擾常使
智能儀器中的電腦“習程序”或“死機”可用硬件、軟件結(jié)合的辦法來抑制。 

2.1 用硬件線路掏尖峰干擾的影響 
　　有如下三種常用辦法：或在儀器交流電源輸入端串入按頻譜均均衡的原理設(shè)計的干擾掏
器，將尖峰電壓集中能量分配到不同的頻段上，從而減弱其破壞性，或在儀器交流電源輸入
端加超級隔離變壓器，利用鐵磁共振原理抑制尖峰脈沖；或在儀器交流電源的輸入端并聯(lián)壓
敏電阻利用尖峰脈沖到來時電阻值減小，隆低儀器從電源分得的電壓，從而削弱干擾的影響。 

2.2 利用軟件方法抑制尖峰干擾 
　　管者參與研制的我國第一臺聲發(fā)射售在北京某研究院做實驗時，旁邊有一個可控硅設(shè)備
基工作。每周期，當可控硅一導通我們的聲發(fā)射信上就出現(xiàn)一個尖峰脈沖干擾。對于這種周
期性干擾，我們編程進行的時間濾波，也就是用程序控制在可控硅導通瞬間不采樣，從而有
效地掏了干擾。 

2.3 采用硬、軟件結(jié)合的看門狗（watchdog)技術(shù)抑制尖脈沖的影響 
　　如釁１，將定時器與CPU形成閉合回路。定時器受CPU控制，CPU可重新設(shè)置定時器或重
新啟動。 

圖1 

　　軟件方面這樣安排：只要在定時器定時到之前，CPU訪問一次定時器，讓定時器重新開
始計時，正常程序運行，該定時器望遠不會產(chǎn)生溢出脈沖，watchdog也就不會起作用。一旦
尖峰干擾出現(xiàn)了“飛程序”則CPU就不會在定時到之前訪問定時器。、，因而定時到信號就
會出現(xiàn)，引起系統(tǒng)復位中中斷，保證智能儀器回到正學程序上來。 

3 噪聲干擾抑制技術(shù) 
　　廣義上講，一切無用的信號都叫噪聲。噪聲客觀存在，從某種意義上說，開發(fā)儀器的過
程自始至終就是和噪聲作斗爭的過程。 

3.1 屏蔽技術(shù) 
　　根據(jù)導線間電耦合、磁耦合及電磁耦合產(chǎn)生相互干擾的機現(xiàn)，在儀器布線方面應做到：
強電的饋線必須單獨走，絕對不能和信號線混在一起；努力使強信號線與弱信號線正交；不
能避開的平稱走線，應保持強信號線與弱信號線的距離是士氣地線內(nèi)徑的40使用連接線方面
應做到：針對電場耦合引起的干擾，采用無網(wǎng)孔的鋁箔屏蔽電纜且使兩端引線外露部分量短，
同軸電纜單端接地；針對磁場耦合產(chǎn)生的干擾，采用雙絞線，讓法線相反的小回路面積相等，
使磁場干擾的影響相互抵消；針對電磁耦合產(chǎn)生的干擾可采用結(jié)合雙絞線和同軸電纜兩者優(yōu)
點的雙絞屏蔽對，此外在干擾源周圍加上屏蔽體且將屏蔽體一點接地，可把電場開成的干擾
湖屏蔽掉，使之對鄰近導線或回路不產(chǎn)生干擾且可抑制磁場對弱信號回路可能造成的干擾。 

3.2 濾波技術(shù) 
　　濾波的本質(zhì)是擋住噪聲，只讓有效信號暢通，除了前面提到的時間濾波之外，還有波濾
波、頻率濾波、幅度波波和空間濾波，無論哪種形式，其同點都是抓住噪聲和有效信號的差
別去偽存真，現(xiàn)分述如下： 
　�。�1）波形濾波 
　　這種方式是根據(jù)真假信號波形前沿陡度不同設(shè)置的，例如聲發(fā)射信號波形的前沿很耳，
而噪聲的前沿卻不韋，我們可以利用兩上間限電路和一個計時電路進行鑒別。外來的信號前
沿超過下門限就妄動計時，到達上門限就停止計時，再借助比較器和門電路，只有計時小于
一定值的才是真信號，打開門讓其進到儀器中，否則便是噪聲，控制將其拒之門外。 
　�。�2）頻率濾波 
　　這種謀劃　根據(jù)真假信號的頻率不同設(shè)置的，可分有濾源波器和無源濾波器兩大類，每
一類又包括低通、高通、帶通、帶阻四種，視有效信號的噪聲和頻率決定采用哪種濾波器。 
　�。�3）幅值濾波 
　　這種方式是建立在噪聲的幅度較小而有效信號幅度較大的基礎(chǔ)上的，利用比較器設(shè)置門
檻電路，實現(xiàn)對幅值超過門檻的信號，開門放行，將幅值低于門檻的信號作為噪聲擋住。 
　�。�4）空間濾波 
　　這種方式是建立在已知有效信號源空間位置基礎(chǔ)之上的，來自 里的信號是有效信號，把
其空間發(fā)出的信號都當作噪聲，可用符合和主從兩種方式鑒別。例如我們要用發(fā)射儀監(jiān)視一
條焊穎，就把傳感器對稱放置在焊穎的兩邊，于是兩上傳感器同時收到的便 是來自焊穎的信
號，認為是真的，讓其進到儀器中處理；而兩上傳感器不是同時收到的信號就是假的，不予
處理。再例如我們要用聲發(fā)射儀監(jiān)視一個區(qū)域，可以把傳感器分為主從兩類，多個傳感器這
樣設(shè)置，使來自監(jiān)視區(qū)的信號讓從傳感器先收到，主傳感器后收到，相應設(shè)計線路保證主傳
感器先收到的信號以真的對待，而從傳感器先收到的信號以假的論處。 
　�。�5）軟件濾波 
　　程序?qū)崿F(xiàn)濾波是智能儀器所獨有的，可對包括頻率很低（如0.01Hz)的干擾信號在內(nèi)的各
種干擾信號進行濾波，一個數(shù)字濾波程序能為儀器多個輸入通道共用。常用的軟件濾波方法： 
　　a:平均值濾波，即把M次采樣的自述平均值作為濾波器的輸出，也可以根據(jù)需要增加新鮮
采樣的值的比重，形成加權(quán)平均值濾波。 
　　b:中值濾波，即把M次連續(xù)采樣值進行排序，取其中位值作為濾波器的輸出，這種方法對
緩變過程的脈沖干擾濾波效果良好。 
　　c:限幅濾波，這種方法是根據(jù)采樣周期和真實信號的正常變化率確定相鄰兩次采樣的最
大可能差值Δ，將本次采樣和上次采樣的差值小于等于Δ的信號認為是有效信號，大于Δ的
信號作為噪聲處理。 
　　d:慣性濾波，此乃模擬PC濾波器的數(shù)字實現(xiàn)，適用于波罷頻繁的有效信號。 

3.3 接地技術(shù) 
　　為避免噪聲耦合，通常在儀器中應有3條分開的地線：一條是低電平地線，一條是強電
的地線（又稱噪聲地線），一條是儀器機殼地線（又稱“金屬件”地線）視而不見條地線應
在一點連接接地。 

　　儀器的高電平線和低電平線不要接同一接插件，不得已用同一接插件時，應把地線和備
用端子放在高低電平端子的中間。低電平電纜的屏蔽層要一端接地，屏蔽層外面要有絕緣層，
以防與其它地線磁觸。兩條以上的屏蔽電纜共用一個接插件時，每條電纜的屏蔽層最好單獨
用一個端子。 

　　以上措施筆者在開發(fā)智能供水裝置中均采用，效果良好。 

3.4 電氣隔離技術(shù) 
　　為防止高電壓、大電流、大功率等強電或長輸線上產(chǎn)生的各種干擾信號進入智能儀器內(nèi)
部，防礙正常工作，可使信息傳輸?shù)穆窂皆陔姎馍细綦x，亦即隔離前后兩部分線路之間無電
氣上的連接，在電氣上是互相獨立的兩上系統(tǒng)，各自獨立的電源和參考電位，互相間毫不相
關(guān)，靠非電方式（如磁、光等）來傳送信息。 
　�。�1）磁隔離的方法 
　　常見磁隔離種類有：隔離變壓器、電流為壓器、各種電壓電流互感器，調(diào)制觸調(diào)式隔離
放大器�？捎脕韨髋卸üりP(guān)信號，也可用來傳遞交、緩變甚至是直流的模擬信號，在低頻范
圍內(nèi)實現(xiàn)理想傳輸，但也有速度慢，功耗大，會造成較高的頻率信號的損失及開關(guān)信號的前
沿耳度下降等缺點。 
　�。�2）光隔離的方法 
　　光隔離的方法是采用肖傳遞信息進行電氣隔離。由于光隔離的電氣絕緣性能極佳，光纜
傳遞信號不易受處蜀如雷電、強磁場等的影響，所以是一種較理想的隔離方法。常見的光隔
離器件有：光電開關(guān)、光電隔離器、光纜、光觸發(fā)可控硅及模擬信號光電隔離裝置等。因為
其功耗小、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠，故開發(fā)智能儀器首選 這種方法。 

3.5 其他抗干擾技術(shù) 
　�。�1）穩(wěn)壓技術(shù) 
　　目前智能儀器開發(fā)中常用的穩(wěn) 壓電源有兩種：一種是由集成穩(wěn)壓芯片提供的串聯(lián)調(diào)整
電源，另一種是DC-DC穩(wěn) 壓電源，這對防止電網(wǎng)電壓波動干擾儀器正常工作有效。 
　　（2）抑制共模干擾技術(shù) 
　　采用差分放大器，提高差分放大器的輸入阻抗 或降低信號源內(nèi)阻可大大降低共模干擾
的影響。 
　　（3）軟件補償技術(shù) 
　　外界因素如姿態(tài)溫濕度變化等也會引起某些參數(shù)的變化，造成偏差。我們可以利用軟根
據(jù)好的外界因素的變化和誤差由線進行修正，去掉干擾，筆者在飛機燃油油量的計算機測量
系統(tǒng)中有成功的應用。 

參考文獻 
[1]楊天怡、共勤，微型計算機控制技術(shù)，重慶大學出版社，1996年6月 
[2]富鋼，飛機燃油測量 量的計算機測量系統(tǒng)，微處理機。1998年4月 
[3]富鋼，材料的聲發(fā)射技術(shù)和多通道聲發(fā)射籠，沈陽航空工業(yè)學院學術(shù)報告論文集，1983年。 
[4]何立民，MCS-51單片機應用系統(tǒng)設(shè)計，北京航空航天大學出版社，1990年3月 

——富鋼　丁一軍　孫小平　沈陽航空工業(yè)學 
摘自《電源世界》