智能化仪器仪表实用抗干扰技术
摘 要：分析了智能化仪器仪表的干扰源及其特点，提出了针对电源系统、主机系统和软件系统的实用抗干扰技术手段，给出了具体的抗干擾电路。
关键词：智能化；仪器仪表；抗干扰
中图分类号：TN973.3 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）32-0035-03
智能化仪器仪表一般应用于工业测控现场，承担着监视或控制生产过程参数的任务，在运行过程中，可能会遇到高温、高湿、低气压、有害气体、冲击、振动、辐射、电磁干扰等各种复杂的环境因素，其中抗电磁干扰是提高智能化仪器仪表可靠性的有效途径之一。
1 电源系统的干扰及其抗干扰措施
仪器仪表采用的稳压电源本身就是一个干扰源。在由变压器、整流管、调整管组成的线性稳压电源内，因整流形成的单向脉冲电流，本身就会产生电磁干扰。如果采用开关电源，更要慎重地选择。因为开关电源是利用电子器件的高频开关来进行工作的，一般开关频率都在20kHz以上，电压和电流的急剧变化会产生很大的浪涌电压和其他各种噪声，形成一个较强的电磁干扰源，对仪器仪表的工作有很大的危害。
供电线耦合干扰包括雷电干扰、高频感应干扰、开关干扰和电网干扰等。可以采取的抗干扰措施包括以下两点：
1.1 交流电源滤波器的使用
采用交流电源滤波器是抑制电源噪声的有效方法，可以提高电子设备的抗干扰能力。交流电源滤波器一般用在交流输入端或交流输出端，主要用来抑制30MHz以下频率范围的噪声。交流电源滤波器有电容式滤波器和电容电感式滤波器两种形式。图1所示是在智能化仪器仪表中常用而又简单有效的电容式滤波器，图中的电容C1=C2，取值为0.01～0.02μF之间，耐压400V以上。图2是改进的电容电感式滤波器。
1.2 瞬变电压抑制器TVS的使用
TVS是一种二极管形式的高效能保护器件。当TVS二极管的两极受到反向瞬态高能量冲击时，它能以10-10～10-12s量级的速度，将其两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数千瓦的浪涌功率，使两极间的电压箝位于一个预定值，有效地保护电子线路中的精密元器件，使其免受各种浪涌脉冲的损坏。由于TVS具有响应时间快、瞬态功率大、漏电流低、击穿电压偏差小、箝位电压较易控制、无损坏极限和体积小等优点，已广泛应用于计算机系统、通讯设备、智能化仪器仪表等各个领域。TVS的在电源系统中的配置如图3所示。
2 主机系统的抗干扰措施
智能化仪器仪表的主机系统都由微处理器构成，大多工作于高频状态，不论是微处理器各输入输出过程通道，还是通信接口，都很容易受到来自各个方面的电磁干扰，因此，抗干扰设计应该贯穿于整个智能化仪器仪表的设计过程中。智能化仪器仪表主机系统采取抗干扰措施的基本原则是：抑制干扰源、切断干扰传播路径和提高敏感器件的抗干扰性能。
2.1 抑制干扰源
抑制干扰源就是尽可能地减小干扰源的电压变化率（du/dt）和电流变化率（di/dt）。这是抗干扰设计中最优先考虑和最重要的原则，常常会起到事半功倍的效果。减小干扰源的du/dt主要是通过在干扰源两端并联电容来实现。减小干扰源的di/dt则是在干扰源回路串联电感或电阻以及增加续流二极管来实现。抑制干扰源的常用措施如下：
（1）继电器线圈增加续流二极管，消除断开线圈时产生的反电动势干扰。
（2）在继电器接点两端并接火花抑制电路，一般是RC串联电路，电阻一般选几KΩ～几十KΩ，电容一般选0.01uF左右。
（3）电路板上的每个集成电路芯片的电源盒地引脚间都要并接一个0.01μF～0.1μF的高频电容，以减小集成电路对电源的影响，并且高频电容的布线应靠近电源端并尽量的粗和短，否则会影响效果。
（4）印制线路板布线时要避免90度折线，90度的直角相当于一个发射天线，会向外辐射高频噪声，对其他电路造成高频干扰。
（5）如果控制中采用了可控硅原件，可控硅两端最好并接RC抑制电路，减小可控硅开关过程中产生的干扰。
2.2 切断干扰传播路径的常用措施
（1）充分考虑电源对整机的影响，可参照前面介绍的方法来处理电源，电源的抗干扰问题处理得好，整机的抗干扰问题就解决了一大半。
（2）如果微处理器的I/O口用来控制电机等噪声器件，在I/O口与噪声源之间应加隔离电路，如增加π形滤波电路等。
（3）注意晶振的布线。晶振与微处理器引脚应尽量靠近，用地线把时钟区隔离起来，晶振外壳应可靠接地。
（4）设计线路板时要进行合理分区，如强、弱电信号分开区域布线；数字、模拟信号愤慨区域布线等，尽可能使干扰源远离敏感元件。
（5）用地线把数字区与模拟区隔离，数字地与模拟地要分离设置，最后在一点接于电源地。
（6）微处理器和大功率器件要采取单独接地处理，以减小相互干扰。大功率器件应尽可能放在电路板边缘。
（7）在微处理器远传I/O口线、电源线，线路板连接线等关键部位使用磁珠、磁环、滤波器、屏蔽罩、等抗干扰器件，可显著提高电路的抗干扰性能。
2.3 提高敏感器件的抗干扰性能
提高敏感器件的抗干扰性能，是指从敏感器件考虑尽量减少对干扰噪声的拾取，以及从不正常状态尽快恢复的方法。常用提高敏感器件抗干扰性措施有：
（1）印制板布线时尽量减少回路环的面积，以降低感应噪声。
（2）印制板上的电源线和地线要尽量的粗，这样除可减少电源线和底线的压降外，更重要的是还可以降低干扰耦合的几率，如果可能应采用多层印制线路板设计。
（3）对于微处理器闲置的I/O口引脚，最好做接地或接电源处理，不要使其处于浮空状态，以避免由于干扰产生数字逻辑的混乱。