智能儀器開(kāi)發(fā)中的干擾抑制技術(shù)

智能儀器開(kāi)發(fā)中的干擾抑制技術(shù) 
1 前言 
　　儀器開(kāi)發(fā)必須考慮普適性，作為一個(gè)產(chǎn)品應(yīng)能應(yīng)用于各種各樣場(chǎng)合，也就是說(shuō)它不僅僅
用在實(shí)驗(yàn)室和辦公室，也可能被用在野外，礦山，或工業(yè)監(jiān)測(cè)控制現(xiàn)場(chǎng)，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(kāi)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?duì)繅?mèng)繞的問(wèn)題。 

　　隨著超大規(guī)模集成電路的發(fā)展和單片機(jī)的出現(xiàn)，命名得融入電腦，開(kāi)發(fā)智能儀器成為可
能，計(jì)算機(jī)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(jìn)一步增強(qiáng)自己所開(kāi)發(fā)儀器的抗干擾能力。 

　　工故使用儀器的苛刻運(yùn)行環(huán)境主要表現(xiàn)在：工礦現(xiàn)場(chǎng)大耗能設(shè)備多，大功率特別是大感
生負(fù)載的啟停往往會(huì)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(guò)壓，常
常達(dá)到額定電壓的１５％，這種惡劣的供電善有時(shí)長(zhǎng)達(dá)幾分鐘、幾小時(shí)，甚至幾天。在工礦
現(xiàn)場(chǎng)，各種信號(hào)線如綁扎在一起或走同一根多芯電纜，由于導(dǎo)線間存在電容性耦合、電感性
耦合世電場(chǎng)磁場(chǎng)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(hào)線與交流動(dòng)
力線同走一個(gè)長(zhǎng)的管道中、干擾尤甚，多路開(kāi)關(guān)或保持器性能不好，也會(huì)引起儀器臨近通道
信號(hào)的竄擾�？臻g各種電磁、氣象條件、雷電甚至地磁場(chǎng)的變化也會(huì)干擾得使儀器不能正常
工作。此外現(xiàn)場(chǎng)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(fēng)沙、雨淋、甚至鼠咬蟲(chóng)蛀等都會(huì)影響儀器的可靠性。 

　　儀器在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行所受到的干擾各種各樣，具體情況具體分析，對(duì)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(jī)動(dòng)的策略與普適性無(wú)疑是矛盾的。解決的辦法應(yīng)
當(dāng)采用模塊化的方法。除了基本構(gòu)件外，針對(duì)不同的運(yùn)行場(chǎng)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(duì)儀器正常工作危害最嚴(yán)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(jī)、大電機(jī)、可控機(jī)、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(xí)程序”或“死機(jī)”可用硬件、軟件結(jié)合的辦法來(lái)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(jì)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(jí)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(lái)時(shí)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(guó)第一臺(tái)聲發(fā)射售在北京某研究院做實(shí)驗(yàn)時(shí)，旁邊有一個(gè)可控硅設(shè)備
基工作。每周期，當(dāng)可控硅一導(dǎo)通我們的聲發(fā)射信上就出現(xiàn)一個(gè)尖峰脈沖干擾。對(duì)于這種周
期性干擾，我們編程進(jìn)行的時(shí)間濾波，也就是用程序控制在可控硅導(dǎo)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(shí)器與CPU形成閉合回路。定時(shí)器受CPU控制，CPU可重新設(shè)置定時(shí)器或重
新啟動(dòng)。 

圖1 

　　軟件方面這樣安排：只要在定時(shí)器定時(shí)到之前，CPU訪問(wèn)一次定時(shí)器，讓定時(shí)器重新開(kāi)
始計(jì)時(shí)，正常程序運(yùn)行，該定時(shí)器望遠(yuǎn)不會(huì)產(chǎn)生溢出脈沖，watchdog也就不會(huì)起作用。一旦
尖峰干擾出現(xiàn)了“飛程序”則CPU就不會(huì)在定時(shí)到之前訪問(wèn)定時(shí)器。、，因而定時(shí)到信號(hào)就
會(huì)出現(xiàn)，引起系統(tǒng)復(fù)位中中斷，保證智能儀器回到正學(xué)程序上來(lái)。 

3 噪聲干擾抑制技術(shù) 
　　廣義上講，一切無(wú)用的信號(hào)都叫噪聲。噪聲客觀存在，從某種意義上說(shuō)，開(kāi)發(fā)儀器的過(guò)
程自始至終就是和噪聲作斗爭(zhēng)的過(guò)程。 

3.1 屏蔽技術(shù) 
　　根據(jù)導(dǎo)線間電耦合、磁耦合及電磁耦合產(chǎn)生相互干擾的機(jī)現(xiàn)，在儀器布線方面應(yīng)做到：
強(qiáng)電的饋線必須單獨(dú)走，絕對(duì)不能和信號(hào)線混在一起；努力使強(qiáng)信號(hào)線與弱信號(hào)線正交；不
能避開(kāi)的平稱走線，應(yīng)保持強(qiáng)信號(hào)線與弱信號(hào)線的距離是士氣地線內(nèi)徑的40使用連接線方面
應(yīng)做到：針對(duì)電場(chǎng)耦合引起的干擾，采用無(wú)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(duì)磁場(chǎng)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(chǎng)干擾的影響相互抵消；針對(duì)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(diǎn)的雙絞屏蔽對(duì)，此外在干擾源周圍加上屏蔽體且將屏蔽體一點(diǎn)接地，可把電場(chǎng)開(kāi)成的干擾
湖屏蔽掉，使之對(duì)鄰近導(dǎo)線或回路不產(chǎn)生干擾且可抑制磁場(chǎng)對(duì)弱信號(hào)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(hào)暢通，除了前面提到的時(shí)間濾波之外，還有波濾
波、頻率濾波、幅度波波和空間濾波，無(wú)論哪種形式，其同點(diǎn)都是抓住噪聲和有效信號(hào)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(hào)波形前沿陡度不同設(shè)置的，例如聲發(fā)射信號(hào)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(gè)計(jì)時(shí)電路進(jìn)行鑒別。外來(lái)的信號(hào)前
沿超過(guò)下門限就妄動(dòng)計(jì)時(shí)，到達(dá)上門限就停止計(jì)時(shí)，再借助比較器和門電路，只有計(jì)時(shí)小于
一定值的才是真信號(hào)，打開(kāi)門讓其進(jìn)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(hào)的頻率不同設(shè)置的，可分有濾源波器和無(wú)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(hào)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(hào)幅度較大的基礎(chǔ)上的，利用比較器設(shè)置門
檻電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)幅值超過(guò)門檻的信號(hào)，開(kāi)門放行，將幅值低于門檻的信號(hào)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(hào)源空間位置基礎(chǔ)之上的，來(lái)自 里的信號(hào)是有效信號(hào)，把
其空間發(fā)出的信號(hào)都當(dāng)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(duì)稱放置在焊穎的兩邊，于是兩上傳感器同時(shí)收到的便 是來(lái)自焊穎的信
號(hào)，認(rèn)為是真的，讓其進(jìn)到儀器中處理；而兩上傳感器不是同時(shí)收到的信號(hào)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(gè)區(qū)域，可以把傳感器分為主從兩類，多個(gè)傳感器這
樣設(shè)置，使來(lái)自監(jiān)視區(qū)的信號(hào)讓從傳感器先收到，主傳感器后收到，相應(yīng)設(shè)計(jì)線路保證主傳
感器先收到的信號(hào)以真的對(duì)待，而從傳感器先收到的信號(hào)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(dú)有的，可對(duì)包括頻率很低（如0.01Hz)的干擾信號(hào)在內(nèi)的各
種干擾信號(hào)進(jìn)行濾波，一個(gè)數(shù)字濾波程序能為儀器多個(gè)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(jìn)行排序，取其中位值作為濾波器的輸出，這種方法對(duì)
緩變過(guò)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(shí)信號(hào)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(hào)認(rèn)為是有效信號(hào)，大于Δ的
信號(hào)作為噪聲處理。 
　　d:慣性濾波，此乃模擬PC濾波器的數(shù)字實(shí)現(xiàn)，適用于波罷頻繁的有效信號(hào)。 

3.3 接地技術(shù) 
　　為避免噪聲耦合，通常在儀器中應(yīng)有3條分開(kāi)的地線：一條是低電平地線，一條是強(qiáng)電
的地線（又稱噪聲地線），一條是儀器機(jī)殼地線（又稱“金屬件”地線）視而不見(jiàn)條地線應(yīng)
在一點(diǎn)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(shí)，應(yīng)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(gè)接插件時(shí)，每條電纜的屏蔽層最好單獨(dú)
用一個(gè)端子。 

　　以上措施筆者在開(kāi)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(qiáng)電或長(zhǎng)輸線上產(chǎn)生的各種干擾信號(hào)進(jìn)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(wú)電
氣上的連接，在電氣上是互相獨(dú)立的兩上系統(tǒng)，各自獨(dú)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(lái)傳送信息。 
　�。�1）磁隔離的方法 
　　常見(jiàn)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�(lái)傳判定工關(guān)信號(hào)，也可用來(lái)傳遞交、緩變甚至是直流的模擬信號(hào)，在低頻范
圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)理想傳輸，但也有速度慢，功耗大，會(huì)造成較高的頻率信號(hào)的損失及開(kāi)關(guān)信號(hào)的前
沿耳度下降等缺點(diǎn)。 
　�。�2）光隔離的方法 
　　光隔離的方法是采用肖傳遞信息進(jìn)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(hào)不易受處蜀如雷電、強(qiáng)磁場(chǎng)等的影響，所以是一種較理想的隔離方法。常見(jiàn)的光隔
離器件有：光電開(kāi)關(guān)、光電隔離器、光纜、光觸發(fā)可控硅及模擬信號(hào)光電隔離裝置等。因?yàn)?br />其功耗小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠，故開(kāi)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(kāi)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(duì)防止電網(wǎng)電壓波動(dòng)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(hào)源內(nèi)阻可大大降低共模干擾
的影響。 
　�。�3）軟件補(bǔ)償技術(shù) 
　　外界因素如姿態(tài)溫濕度變化等也會(huì)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(jìn)行修正，去掉干擾，筆者在飛機(jī)燃油油量的計(jì)算機(jī)測(cè)量
系統(tǒng)中有成功的應(yīng)用。 

參考文獻(xiàn) 
[1]楊天怡、共勤，微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，重慶大學(xué)出版社，1996年6月 
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[3]富鋼，材料的聲發(fā)射技術(shù)和多通道聲發(fā)射籠，沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院學(xué)術(shù)報(bào)告論文集，1983年。 
[4]何立民，MCS-51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)，北京航空航天大學(xué)出版社，1990年3月 

——富鋼　丁一軍　孫小平　沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué) 
摘自《電源世界》