硬件抗干扰技术..
硬件抗干扰的一些方法
一、下面的一些系统要特别注意抗电磁干扰：1、微控制器时钟频率特别高，总线周期特别快的系统。
2、系统含有大功率，大电流驱动电路，如产生火花的继电器，大电流开关等。
3、含微弱模拟信号电路以及高精度A/D变换电路的系统。
二、为增加系统的抗电磁干扰能力采取如下措施：1、选用频率低的微控制器：选用外时钟频率低的微控制器可以有效降低噪声和提高系统的抗干扰能力。
同样频率的方波和正弦波，方波中的高频成份比正弦波多得多。
虽然方波的高频成份的波的幅度，比基波小，但频率越高越容易发射出成为噪声源，微控制器产生的最有影响的高频噪声大约是时钟频率的3倍。
2、减小信号传输中的畸变微控制器主要采用高速CMOS技术制造。
信号输入端静态输入电流在1mA左右，输入电容10PF左右，输入阻抗相当高，高速CMOS电路的输出端都有相当的带载能力，即相当大的输出值，将一个门的输出端通过一段很长线引到输入阻抗相当高的输入端，反射问题就很严重，它会引起信号畸变，增加系统噪声。
当Tpd＞Tr时，就成了一个传输线问题，必须考虑信号反射，阻抗匹配等问题。
信号在印制板上的延迟时间与引线的特性阻抗有关，即与印制线路板材料的介电常数有关。
可以粗略地认为，信号在印制板引线的传输速度，约为光速的1/3到1/2之间。
微控制器构成的系统中常用逻辑电话元件的Tr（标准延迟时间）为3到×××s之间。
在印制线路板上，信号通过一个7W的电阻和一段25cm长的引线，线上延迟时间大致在4~20ns之间。
也就是说，信号在印刷线路上的引线越短越好，最长不宜超过25cm。
而且过孔数目也应尽量少，最好不多于2个。
当信号的上升时间快于信号延迟时间，就要按照快电子学处理。
此时要考虑传输线的阻抗匹配，对于一块印刷线路板上的集成块之间的信号传输，要避免出现Td＞Trd的情况，印刷线路板越大系统的速度就越不能太快。
用以下结论归纳印刷线路板设计的一个规则：信号在印刷板上传输，其延迟时间不应大于所用器件的标称延迟时间。
单片机硬件设计中的EMC兼容性与干扰抑制技术
单片机硬件设计中的EMC兼容性与干扰抑制技术单片机硬件设计中的电磁兼容性（EMC）与干扰抑制技术引言在现代电子设备中，单片机（Microcontroller Unit，MCU）起到了至关重要的作用。
单片机的硬件设计必须考虑电磁兼容性（Electromagnetic Compatibility，EMC）和抑制干扰的技术。
本文将介绍单片机硬件设计中的EMC兼容性和干扰抑制技术，包括电磁干扰的来源、EMC设计要求、常用的干扰抑制技术以及正确的布线和接地技巧。
一、电磁干扰的来源电磁干扰可以由各种外部和内部因素引起。
以下是一些常见的电磁干扰来源：1. 射频辐射：包括无线通信、雷达或其他射频电源等设备产生的电磁波。
2. 电源线干扰：来自交流电源线的噪声，如谐波和干扰信号。
3. 开关电源：开关电源高频噪声会通过电源线和地线传播到其他电子设备中。
4. 过电压和静电放电：电气设备的开关、电磁阀等在操作时可能产生过电压和静电放电。
5. 瞬态电压：包括闪电击中电力线、开关电源的瞬态电压等。
二、EMC设计要求为了满足EMC设计要求，单片机硬件设计应考虑以下方面：1. 辐射和传导：抑制电磁辐射和传导干扰，以确保设备不会对其他设备产生干扰。
2. 抗干扰：增强设备的抗干扰能力，使其能够正常工作并受到外部干扰的影响较小。
3. 地址线、数据线和控制线的布局：合理的布局可以减少交叉耦合和串扰，降低电磁干扰。
4. 接地：良好的接地设计可以降低共模噪声和差模噪声，提高设备的抗干扰能力。
5. 输入输出端口的保护：通过使用适当的保护电路来保护单片机的输入输出端口，防止它们受到外部电磁干扰的损坏。
三、干扰抑制技术1. 滤波器：采用适当的滤波器可以抑制进入单片机的高频噪声。
常见的滤波器包括RC滤波器和LC滤波器。
2. 屏蔽：通过在关键部件周围添加屏蔽罩或屏蔽层，可以有效地防止电磁波的干扰。
3. 地线设计：良好的接地设计可以减少回路的回流电流，降低共模噪声，并提高设备的抗干扰能力。
抗干扰技术
§2.1 干扰的来源和传播途径
2、串模干扰 、串模干扰 串模干扰就是指串联叠加在工作信号上的干扰， 串模干扰就是指串联叠加在工作信号上的干扰，也 称之为正态干扰、常态干扰、横向干扰等。 称之为正态干扰、常态干扰、横向干扰等。
常用的干扰抑制技术
屏蔽技术 接地技术 浮置 平衡电路 滤波技术
静电屏蔽 在静电场作用下，导体内部无电力线，即各点等电位。静电屏蔽就是利用了与大地相连 接的导电性良好的金属容器，使其内部的电力线不外传，同时也不使外部的电力线影响其 内部。 静电屏蔽能防止静电场的影响，用它可以消除或削弱两电路之间由于寄生分布电容耦合 而产生的干扰。 在电源变压器的一次、二次侧绕组之间插入一个梳齿形薄铜皮并将它接地，以此来防止 两绕组间的静电耦合，就是静电屏蔽的范例。 电磁屏蔽 电磁屏蔽是采用导电良好的金属材料做成屏蔽层，利用高频干扰电磁场在屏蔽体，内产 生涡流，再利用涡流消耗高频干扰磁场的能量，从而削弱高频电磁场的影响。 若将电磁屏蔽层接地，则同时兼有静电屏蔽的作用。也就是说，用导电良好的金属材料 做成的接地电磁屏蔽层，同时起到电磁屏蔽和静电屏蔽两种作用 低频磁屏蔽 在低频磁场干扰下，采用高导磁材料作屏蔽层以便将干扰磁力线限制在磁阻很小的磁屏 蔽体内部，防止其干扰作用。 通常采用坡莫合金之类的对低频磁通有高导磁系数的材料。同时要有一定的厚度，以减少 磁阻。
N N
§2.1 干扰的来源和传播途径
二、 干扰的作用途径
1、静电耦合 、 干扰信号通过分布电容进行传递称为静电耦合。 干扰信号通过分布电容进行传递称为静电耦合。系 统内部各导线之间，印刷线路板的各线条之间， 统内部各导线之间，印刷线路板的各线条之间，变压器 线匝之间的绕组之间以及元件之间、 线匝之间的绕组之间以及元件之间、元件与导线之间都 存在着分布电容。 存在着分布电容。具有一定频率的干扰信号通过这些分 布电容提供的电抗通道穿行，对系统形成干扰。 布电容提供的电抗通道穿行，对系统形成干扰。
单片机系统硬件抗干扰常用方法
按产生的原 因可分为放电噪声 、 高频振荡噪
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第４ 第 期 ２ ４ 卷
（ ） 电耦合 ： ５漏
纂成
；
；
２ ｌ
的干扰 。高频 干 扰 噪 声 和 有 用 信 号 的频 带 不 同 ， 可 以通过 在 导线上 增加 滤 波器 的方 法切 断高频 干 扰 噪声 的传 播 ， 时 也 可 加 隔 离 光耦 来 解 决 。 电 有
源噪声 的危 害最 大 ， 特别 注 意处理 。 要
这 种耦 合是 纯 电阻 性 的 ， 绝缘 不 好 时 就 会 在
发生 。
３ 常用硬件抗干扰 技术
针对 形成 干扰 的三 要 素 ， 取 的抗 干 扰 主要 采
有 以下手 段 。
３ １ 抑 制干 扰源 ．
所谓辐射干扰是指通过空间辐射传播到敏感
来， 主要 有 以下几 种 ：
（） １ 直接 耦合 ：
这 是最 直接 的方 式 ， 是 系 统 中存 在 最 普 遍 也
就是 干扰 源 。如 ： 电、 电器 、 雷 继 可控 硅 、 机 、 电 高 频 时钟 等都 可能成 为 干扰 源 。 （ ） 播 路径 。指 干扰 从 干 扰 源传 播 到 敏 感 ２传 器件 的通路 或媒介 。典型 的 干扰传 播路 径是 通过 导 线 的传导 和空 间 的辐射 。
号， 用数 学语 言描 述 如 下 ：ｕ ｄ ，ｄ ｄ 大 的地 方 ｄ／ ｔ ｉ ｔ ／
干扰源产生的干扰信号是通过一定的耦合通 道才对测控系统产生作用 的。因此 ， 有必要研究 干扰源和被干扰对象之间的传递方式 。干扰的耦
合方 式 ， 主要 是通 过 导线 、 间 、 共 线等 ， 空 公 细分 下
电子设备怎样抗干扰的原理
电子设备怎样抗干扰的原理电子设备在工作过程中会遭受各种干扰，这些干扰可能来自于其他电子设备、外界电磁场、无线电波等等。
为了确保电子设备的正常运行，保持信号的准确传输和数据的正确处理，电子设备需要采取各种措施来抗干扰。
电子设备抗干扰的原理主要包括以下几个方面：1. 地线和屏蔽：地线和屏蔽是电子设备抗干扰的首要手段。
地线可以将设备的电磁噪声引导到地面，从而减少对信号的干扰。
而屏蔽则是在电子设备外壳上加上金属或导电材料，形成一个闭合的屏蔽结构，有效地隔绝外界电磁干扰。
2. 滤波器：滤波器是电子设备抗干扰的重要组成部分。
它能够滤除掉电源线上的高频噪声，使得电压波动较小，从而保证电子设备的正常运行。
常见的滤波器包括电源滤波器、信号滤波器等。
3. 隔离器：隔离器是将电子设备与外界分开的装置。
它可以通过隔离传输媒介、光电耦合等技术，防止外界的电磁波通过传输媒介进入设备内部，造成信号干扰。
4. 接地：良好的接地是保证电子设备抗干扰的基础。
接地可以将设备上的电磁波引到地面，避免它们对其他设备造成干扰。
同时，接地还可以形成一个电磁屏蔽环境，减少电磁辐射的影响。
5. 屏蔽和驱动能力：电子设备的输入和输出信号线往往容易受到干扰。
设备可以通过加上屏蔽层来减少外界干扰，同时增强驱动能力，保证信号的传输和处理准确性。
6. 抗干扰设计：在电子设备设计的过程中，还需要考虑抗干扰的因素。
例如，对电源线进行布线时，要避免与信号线相交，以减少电源线对信号的干扰；在电路板布局中，要合理安排元器件的位置，减少互相干扰的可能性。
7. 屏蔽技术：电子设备可以利用屏蔽技术来减少干扰的影响。
屏蔽技术可以包括电磁屏蔽、电磁波吸收、电磁波隔离等方式，有效地防止外界电磁辐射对设备的干扰。
总之，电子设备抗干扰的原理主要是通过地线和屏蔽、滤波器、隔离器、接地、屏蔽和驱动能力、抗干扰设计等手段，减少外界电磁干扰对设备的影响，保证设备的正常运行。
同时，合理的屏蔽技术也可以应用于电子设备的设计和制造中，提高设备的抗干扰性能。
单片机硬件抗干扰技术的应用
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一
＋一—— ■墨曲
杜 彦 明 张 大 军
单片机硬ｆ抗能价 格 比 ，被广 泛地 应 用于 各个领 域 。随着单 片机 功能 越来越 完 善 ，硬 件 的 设计也 变得越 来越 简单 。实验 室 里设计 的控 制 系
抗干扰 技 术的应 用 变得越 来越 重要 了。
１ 干扰 的来 源和 后果
工控 现场 环境 中干扰 是 以脉 冲的形 式进 入单 片 机 系统 ，其主要 的 渠道有 三条 ，即 ，空 间干 扰 、供
电系统干 扰 、过 程通 道干 扰 。空 间干 扰 多发 生在 高 电压 、大 电流 、高频 电磁场附近 ，并通过静 电感应 ，
（ ２）程序运 行失 常。
２ 单 片机应用 系 统的 硬 件 抗 干 扰 设 计
２ １ 供 电系统 ．
（ １）防 止从 电源 系统 引入干 扰 ，可采 取交流稳
压 器保证 供 电的稳 定性 ，防 止 电源 的过 压 和 欠压 。 使用 隔离 变压 器滤掉 高频噪 声 ，低通 滤波 器滤掉 工
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好的接地 网 ，防止产生地 电位 差和元件之 间的耦 合 。 （ ２）印制 电路 板要 合理分 区 。模拟 电路 区、数
（ ）闲置不用 的 Ｉ ８ Ｃ管脚 不要悬空以避免干扰 引
入 ，不用 的运算 放大 器正输 入端 接地 ，负输入端 接
将 主机部 分和 前 向、后 向通道 及其 它部 分切断 电路
的联 系 ，可有 效 的防止 干扰 进入 主机 系统 。
互联 导线尽量短 ，使用 ４ 。或者 圆弧折线 布线 ，不 ５
要使 用 ９ 。折线 ，以减小高 频信号 的发射 。 ０
（ ２）双绞 线传输 和终端 阻抗 匹配 。在数 字信号
嵌入式系统硬件抗干扰技术研究
4元 器件提 可靠性的 和方法 高 措施
构成系 统电 路的基本单 元是元器件， 选择 质量好合适的元器件是抑制千扰的基本保证。 4. 1 微处理器的 选择 目 为了 前， 提高硬件系 统自 身的可靠性， 各 制造商在单片机设计上采取了 一系列措施: ( 1 ) 降低外时钟频率，) 低噪声系 (2 列单片 (3 机; ) 时钟监测电 路、“ 狗”技术与低电 位。 看门 压复 (4 EFT 整形技术等。而且各种先进技术还在 ) 不断地发展和应用之中。因此， 要选用抗干扰 能力 较强， 有看门狗的微处理器。
2 硬件电路可靠性和抗干扰性设计 通常来自 供电系 信号传输通道的干扰 统和
是影响整个系统可靠性的主要因素， 因此硬件 抗干扰设计应将重点放在这里。硬件抗干扰 设计得好可将绝大部分干扰拒之门外， 使系统
的稳定 幅度提高. 性大
2. 1 供电系统抗干扰设计 电源在向系 统供电 也将其噪声祸合到 时， 系统电源上， 电源祸合的干扰对电路的影响非 常大， 统提供优质 给系 稳定的电源是保证系统 可靠性能的关键之一。为防止从电源系统引 入干扰， 可用隔离变压器接入电网， 防止电网 干扰侵入微机系统， 同时可作各种滤波器滤 波。 2.2 信号传输通道抗千扰设计 信号传 输通道包 统的前向 括系 通道和后向 通道， 对信号传输通道的可靠性设计可从以下 几个方面着手: ( 1 ) 利用光电祸合器及滤波器 对输入、 信号采用光电 输出 隔离措施， 可 将微处理器与前向通道、后向通道及其他部
微控制器硬件抗干扰技术
输入 端的输 入 电流在 １ Ｘ 左右 ，输 入 电容 在 １ Ｆ ＩＡ ０ｐ 左 右 ，输 入阻 抗 相 当高 。其输 出端 有 一定 的 带 负 载
能 力 ， 将 一 个 门 的 输 出 端 通 过 一 段 很 长 的 线 引 到 输 入 阻 抗 相 当 高 的 输 入 端 ， 反 射 问 题 就 很 严 重 ， 会 引 起 信 号 的 畸 变 ， 增 加 系 统 的 噪 声 。 信 号 在 印 刷 线 路 板 上 传 输 有 一 定 的 延 迟 时 间 ， 其 传 播 速 度 约 为 光 速 的 １３ ／ ／ ～１ ２之 间 。 在 有 微 控 制 器 的 系 统 中 ， 常 用 逻
图 ２ 信 号 线 间 的 交 叉 干 扰
系统 ；③ 含有 微弱模 拟 信号 电路 以及 高精 度 Ａ／ Ｄ转 换 电路 的 系 统 ， 源自 须 要 解 决 上 述 问题 。
迟 ， ｔ 时 间 以 后 会 感 应 出 １个 宽 度 为 ｔ的 负 脉 冲 。 在
Ｃ点 ，由 于 ＡＢ上信 号的 传输 与反 射 ， 会 感应 出 １ 个
的 向 前 传 输 、到 达 Ｂ 点 后 的 信 号 反 射 和 ＡＢ 线 的 延
２ 常 见抗 干 扰 技术
（ １） 抗 电 磁 干 扰
一
方 面 ， 一 个 系 统 的 运 行 对 环 境 造 成 的 电 磁 干
扰 不 得 影 响 其 它 设 备 ； 另 一 方 面 ， 系 统 本 身 抗 电 磁
而 信 号 在 印 刷 线 路 板 上 通 过 １ ２ ｍ 的 引 线 时 ， 其 段 ５ｃ 延 迟 时 间 为 ４ ２ ｓ 所 以 ， 引线 长 度 越 短 越 好 ， 最 ～ ０ｎ 。
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光电耦合器的特点
1. 密封在一个管壳里或模压塑料封装，不受外界光的干扰； 2. 靠光传递信号，切断了各部件电路之间的地线联系； 3. 发光二极管的动态电阻小，而干扰源的内阻一般比较大，能 够传送到光电耦合器输入端的干扰信号很小； 4. 光电耦合器的传输比和晶体管的放大倍数相比一般很小，远 不如晶体管对干扰信号灵敏，而光电耦合器的发光二极管只 在通过一定电流时才发光，因此即使在干扰电压幅值比较高 的情况下，由于没有足够的能量，仍不能使发光二极管发光， 从而可以有效抑制干扰信号。
在计算机控制系统中，被测信号有单端对地输入和双端不对地 输入两种输入形式
对于存在共模干扰的场合，不能采用单端对地输入方式，因为此 时的共模干扰电压将全部成为串模干扰电压，如左图所示。所以必须 采用双端输入不对地方式，如右图所示。
ZS、ZS1、ZS2为信号源US的内阻抗，ZC、ZC1、ZC2为输入电路的输入 阻抗。共模干扰电压Ucm对两个输入端形成两个电流回路，每个输入端A 和B的共模电压和两个输入端之间的共模电压分别为：
•一般情况下，共模干扰电压Ucm总是转换成一定的串模干扰Un 出现在两个输入端之间。
•为了衡量一个输入电路抑制共模干扰的能力，常用共模抑制 比CMRR(Common Mode Rejection Ratio)来表示，即
U cm CMRR 20lg (dB) Un
•Ucm是共模干扰电压，Un是Ucm转化成的串模干扰电压。显然， 对于单端对地输入方式，由于Un=Ucm，所以CMRR=0，说明 无共模抑制能力。对于双端不对地输入方式来说，由Ucm引入 的串模干扰Un越小，CMRR就越大，所以抗共模干扰能力越 强。
2.过程通道抗干扰技术
干扰沿过程通道进入计算机系统的主要原因是过程通道与主机 之间存在公共地线。
(1)串模干扰及其抑制方法 串模干扰：指叠加在被测信号上的干扰噪声。 抑制方法：应根据干扰信号的特性和来源采用不同的措施。
串模干扰的抑制方法
•①如果串模干扰频率比被测信号频率高，则采用输入低通滤 波器来抑制高频率串模干扰；如果串模干扰频率比被测信号频 率低，则采用高通滤波器来抑制低频串模干扰；如果串模干扰 频率落在被测信号频谱的两侧，则应用带通滤波器。 • 一般情况下，串模干扰均比被测信号变化快，故常用二级 阻容低通滤波网络作为模/数转换器的输入滤波器。当被测信 号变化较快时，应相应改变网络参数，以适当减小时间常数。
硬件抗干扰技术
• 硬件抗干扰技术
(一) 计算机控制系统中的干扰源及途径
(二)抗干扰措施
过程通道抗干扰技术
系统供电
CPU抗干扰技术 接地技术
1干扰源及其转播路径
干扰源：外部干扰源与内部干扰源 外部：与系统结构无关，由外部环境因素决定。主要是 空间电或磁的影响，环境温度、湿度等气象条件，如各种 电气装置（电机、电焊机、家电和交通工具等）的起停以 及运行中发出的电磁波，太阳以及其它天体发出的电磁波、 供电电源的波动以及沿供电线路串入的干扰等。 内部：由系统结构、制造工艺决定。如不同信号的感应 （分布电容、分布电感引起的耦合感应，电磁场辐射感 应），多点接地造成的电位差，长线传输的波反射，元器 件产生的噪声等。
•④从选择逻辑器件入手，利用逻辑器件的特性来抑制串 模干扰。 • ⑤采用双绞线作信号引线的目的是减少电磁感应，并且 使各个小环路的感应电势互相呈反向抵消。选用带有屏蔽 的双绞线或同轴电缆做信号线，且有良好接地，并对测量 仪表进行电磁屏蔽。
(2)共模干扰及其抑制方法
共模干扰：模/数转换器两个输入端上公有的干扰电压。共 模干扰也称为共态干扰。
电磁场屏蔽：作用是防止高频电磁场对电路的影响。方法是屏 蔽加滤波，屏蔽罩用非磁性材料做，不能有孔缝，并让屏蔽罩接 地，在受干扰设备地输入端加入LC组合的滤波器。
对于由于空间感应引起的干扰，主要采用屏蔽技术来消除干扰。
磁场屏蔽：作用是将低频磁场干扰限制在屏蔽体内，方法是 利用高导磁率的金属材料做屏蔽罩。要求屏蔽罩不能有孔缝， 屏蔽物的厚度影响屏蔽效果。 导线屏蔽：在信号线上加一个金属编织的网状屏蔽套从而 屏蔽两点之间由于单根导线连接而产生的干扰。在使用屏蔽套 时，屏蔽套必须接地。 目前常用双绞线传输信号以抵消磁场干扰。因为双绞线的每 一分节形成一个相互靠近的环路，环路空间中电流方向相反， 故产生的磁场相互抵消。
干扰的主要传播路径：空间电磁感应、过程I/O通道、供 电系统、接地系统。如下图所示：
空间感应 过程I/O通道 干扰信号 供电系统 接地系统 微机系统
2 抗干扰措施 1、屏蔽技术
电场屏蔽：作用是抑制电路之间由于分布电容的耦合而产生的 电场干扰，方法是利用号Us的参考接地点和计算机输入信号的参考接 地点之间往往存在着一定的电位差Ucm
共模干扰示意图
U cm UA Zc1 单端对地输入和双端不对地输入 Z s1 Zc1
U cm UB Zc 2 Z s 2 Zc 2
U AB Z c1 Zc 2 U A UB ( )U cm Z s1 Z c1 Z s 2 Z c 2
•②当尖峰型串模干扰成为主要干扰源时，用双积分式A/D转 换器可以削弱串模干扰的影响。因为此类转换器是对输入信 号的积分值进行测量，而不是测量信号的瞬时值。若干扰信 号是周期性的而积分时间又为信号周期或信号周期的整数倍， 则积分后干扰值为零，对测量结果不产生误差。
•③对于串模干扰主要来自电磁感应的情况下，对被测信号应 尽可能早地进行前置放大，从而达到提高回路中的信号噪声 比的目的；或者尽可能早地完成模/数转换或采取隔离和屏蔽 等措施。
共模干扰的抑制方法 ①变压器隔离
•利用变压器把模拟信号电路与数字信号电路隔离开来，也就是 把模拟地与数字地断开，以使共模干扰电压Ｕcm不成回路，从 而抑制了共模干扰。另外，隔离前和隔离后应分别采用两组互 相独立的电源，切断两部分的地线联系。
②光电隔离
•光电耦合器是由发光二极管和光敏三极管封装在一个管壳 内组成的，发光二极管两端为信号输入端，光敏三极管的集 电极和发射极分别作为光电耦合器的输出端，它们之间的信 号是靠发光二极管在信号电压的控制下发光，传给光敏三极 管来完成的。