第九章微機(jī)化儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)用數(shù)字技術(shù)代替模擬技術(shù)軟件算法替代硬件功能網(wǎng)絡(luò)通訊功能自診斷能力適應(yīng)范圍廣1/17/20231第九章微機(jī)化儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)9.1基本結(jié)構(gòu)9.2采樣技術(shù)9.3信號(hào)放大9.4A/D轉(zhuǎn)換9.5D/A轉(zhuǎn)換9.6抗干擾技術(shù)1/17/202329.1基本結(jié)構(gòu)增益控制采樣保持A/D微機(jī)顯示系統(tǒng)鍵盤(pán)系統(tǒng)輸出系統(tǒng)信號(hào)處理信號(hào)處理信號(hào)處理信號(hào)處理放大多路開(kāi)關(guān)1/17/202339.2采樣技術(shù)—串?dāng)_誤差Vs2Vs1mTmT+h(m+1)T(m+1)T+h1/17/202359.2采樣技術(shù)—串?dāng)_誤差任何一次采樣中采樣信號(hào)包含上個(gè)通道的信息，叫串?dāng)_誤差。串?dāng)_誤差同T-h有關(guān)，即同系統(tǒng)采樣速度有關(guān)增加C1會(huì)使誤差下降，即設(shè)計(jì)輸入濾波器時(shí)選擇大的C和小的R可用短路開(kāi)關(guān)法減小串?dāng)_誤差1/17/202369.2采樣技術(shù)—連續(xù)采樣誤差1/2R11/2R1C1C3R3C1KVsU01/17/202379.2采樣技術(shù)—孔徑時(shí)間誤差tu△t△u1/17/202399.2采樣技術(shù)—孔徑時(shí)間誤差對(duì)于二進(jìn)制系統(tǒng)，n位，則最大分辨能力為為滿(mǎn)量程允許信號(hào)的最大變化率1/17/2023109.2采樣技術(shù)—孔徑時(shí)間誤差用正弦波表達(dá)則最大變化率在處1/17/2023119.3信號(hào)放大—可變?cè)鲆娣糯笃?+占空比控制1/17/2023138.4.3信號(hào)放大—可變?cè)鲆娣糯笃?/17/2023148.4.3信號(hào)放大—可變?cè)鲆娣糯笃鞣糯蟊稊?shù)：1/17/2023159.3信號(hào)放大—時(shí)間比例型放大器-+-+模擬開(kāi)關(guān)A/D雙積分型或V/F型8253單穩(wěn)占空比使用條件：AD轉(zhuǎn)換時(shí)間1/17/2023179.4A/D轉(zhuǎn)換器逐次比較型AD574雙積分型ICL7109，MC1443V/F型LM331AD652AD537VFC32△-∑型ADS1232

24位AD轉(zhuǎn)換器1/17/2023189.4A/D轉(zhuǎn)換器—ADS12321/17/2023199.4A/D轉(zhuǎn)換器—過(guò)采樣技術(shù)對(duì)ADC測(cè)量數(shù)據(jù)求均值等價(jià)于一個(gè)降采樣低通濾波器實(shí)現(xiàn)過(guò)采樣和低通濾波器的數(shù)字信號(hào)處理過(guò)程通常被稱(chēng)為插補(bǔ)從這個(gè)意義上說(shuō),用過(guò)采樣實(shí)現(xiàn)兩個(gè)ADC碼之間的插值求均值的樣本數(shù)量越大,則低通濾波器的選擇性越強(qiáng)插值的效果就越好1/17/2023219.4A/D轉(zhuǎn)換器—過(guò)采樣技術(shù)每增加一位分辨率信號(hào)必須被以4倍的速率過(guò)采樣其中:w是所希望增加的分辨率位數(shù)fs是初始采樣頻率要求fos是過(guò)采樣頻率1/17/2023228.4.4A/D轉(zhuǎn)換器—過(guò)采樣技術(shù)條件噪聲必須逼近白噪聲在整個(gè)有用頻帶內(nèi)具有平均分布的功率譜密度噪聲幅度必須足夠大能引起輸入信號(hào)樣本之間的隨機(jī)變化變化幅度至少為兩個(gè)相鄰代碼之間的距離即1LSB輸入信號(hào)可以用一個(gè)在兩個(gè)相鄰ADC代碼之間具有等概率分布的隨機(jī)變量表示過(guò)采樣和求均值不能補(bǔ)償ADC的積分非線(xiàn)性誤差1/17/2023239.4A/D轉(zhuǎn)換器—過(guò)采樣技術(shù)voidADC_isr(void)interrupt0//AD轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷服務(wù)函數(shù){staticunsignedint_dec=256;//累加/抽取計(jì)數(shù)器staticlongaccumulator=0L;//用該變量累加ADC樣本accumulator+=ADC_VALUE;//讀ADC值并加到運(yùn)行總和變量int_dec--;//更新抽取計(jì)數(shù)器if(int_dec==0){//如果為0則執(zhí)行抽取int_dec=256;//復(fù)位計(jì)數(shù)器result=accumulator>>4;//用移位執(zhí)行除法操作accumulator=0L;//累加器清0}}1/17/2023259.5D/A轉(zhuǎn)換器—PWM發(fā)生器clockCLK0CLK1G0OUT0G1OUT1PWM輸出5V8253定時(shí)器0方式4或5定時(shí)器1方式11/17/2023269.5D/A轉(zhuǎn)換器—電流轉(zhuǎn)換器+--+1/17/2023279.6抗干擾設(shè)計(jì)--硬件抗干擾形成干擾的基本要素：

（1）干擾源。指產(chǎn)生干擾的元件、設(shè)備或信號(hào)，用數(shù)學(xué)語(yǔ)言描述如下：du/dt，di/dt大的地方就是干擾源。如：雷電、繼電器、可控硅、電機(jī)、高頻時(shí)鐘等都可能成為干擾源。

（2）傳播路徑。指干擾從干擾源傳播到敏感器件的通路或媒介。典型的干擾傳播路徑是通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)的傳導(dǎo)和空間的輻射。

（3）敏感器件。指容易被干擾的對(duì)象。如：A/D、D/A變換器，單片機(jī)，數(shù)字IC，弱信號(hào)放大器等。

1/17/202329常用硬件抗干擾技術(shù)

針對(duì)形成干擾的三要素，采取的抗干擾主要有以下手段。抑制干擾源

切斷干擾傳播路徑

提高敏感器件的抗干擾性能

其它常用抗干擾措施

9.6抗干擾設(shè)計(jì)--硬件抗干擾1/17/202330

抑制干擾源就是盡可能的減小干擾源的du/dt，di/dt。減小干擾源的du/dt主要是通過(guò)在干擾源兩端并聯(lián)電容來(lái)實(shí)現(xiàn)。減小干擾源的di/dt則是在干擾源回路串聯(lián)電感或電阻以及增加續(xù)流二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)。

抑制干擾源

9.1硬件抗干擾1/17/202331（1）繼電器線(xiàn)圈增加續(xù)流二極管，消除斷開(kāi)線(xiàn)圈時(shí)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)干擾。僅加續(xù)流二極管會(huì)使繼電器的斷開(kāi)時(shí)間滯后，增加穩(wěn)壓二極管后繼電器在單位時(shí)間內(nèi)可動(dòng)作更多的次數(shù)。

（2）在繼電器接點(diǎn)兩端并接火花抑制電路（一般是RC串聯(lián)電路，電阻一般選幾K到幾十K，電容選0.01uF），減小電火花影響。

（3）給電機(jī)加濾波電路，注意電容、電感引線(xiàn)要盡量短。

抑制干擾源常用措施

9.1硬件抗干擾1/17/202332

（4）電路板上每個(gè)IC要并接一個(gè)0.01μF～0.1μF高頻去耦電容，以減小IC對(duì)電源的影響。注意高頻電容的布線(xiàn)，連線(xiàn)應(yīng)靠近電源端并盡量粗短，否則，等于增大了電容的等效串聯(lián)電阻，會(huì)影響濾波效果。

（5）布線(xiàn)時(shí)避免90度折線(xiàn)，減少高頻噪聲發(fā)射。

（6）可控硅兩端并接RC抑制電路，減小可控硅產(chǎn)生的噪聲（這個(gè)噪聲嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)把可控硅擊穿的）。

抑制干擾源常用措施

9.1硬件抗干擾1/17/202333

按干擾的傳播路徑可分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩類(lèi)。

所謂傳導(dǎo)干擾是指通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)傳播到敏感器件的干擾。高頻干擾噪聲和有用信號(hào)的頻帶不同，可以通過(guò)在導(dǎo)線(xiàn)上增加濾波器的方法切斷高頻干擾噪聲的傳播，有時(shí)也可加隔離光耦來(lái)解決。電源噪聲的危害最大，要特別注意處理。

所謂輻射干擾是指通過(guò)空間輻射傳播到敏感器件的干擾。一般的解決方法是增加干擾源與敏感器件的距離，用地線(xiàn)把它們隔離和在敏感器件上加屏蔽罩。

干擾傳播路徑9.6抗干擾設(shè)計(jì)--硬件抗干擾1/17/202334

（1）充分考慮電源對(duì)單片機(jī)的影響。電源做得好，整個(gè)電路的抗干擾就解決了一大半。許多單片機(jī)對(duì)電源噪聲很敏感,要給單片機(jī)電源加濾波電路或穩(wěn)壓器，以減小電源噪聲對(duì)單片機(jī)的干擾。比如，可以利用磁珠和電容組成π形濾波電路，當(dāng)然條件要求不高時(shí)也可用100Ω電阻代替磁珠。

（2）如果單片機(jī)的I/O口用來(lái)控制電機(jī)等噪聲器件，在I/O口與噪聲源之間應(yīng)加隔離（增加π形濾波電路）。

（3）注意晶振布線(xiàn)。晶振與單片機(jī)引腳盡量靠近，用地線(xiàn)把時(shí)鐘區(qū)隔離起來(lái)，晶振外殼接地并固定。

干擾傳播路徑措施9.6抗干擾設(shè)計(jì)--硬件抗干擾1/17/202335

（4）電路板合理分區(qū)，如強(qiáng)、弱信號(hào)，數(shù)字、模擬信號(hào)。盡可能把干擾源（如電機(jī)、繼電器）與敏感元件（如單片機(jī)）遠(yuǎn)離。

（5）用地線(xiàn)把數(shù)字區(qū)與模擬區(qū)隔離。數(shù)字地與模擬地要分離，最后在一點(diǎn)接于電源地。A/D、D/A芯片布線(xiàn)也以此為原則。

（6）單片機(jī)和大功率器件的地線(xiàn)要單獨(dú)接地，以減小相互干擾。大功率器件盡可能放在電路板邊緣。

（7）在單片機(jī)I/O口、電源線(xiàn)、電路板連接線(xiàn)等關(guān)鍵地方使用抗干擾元件如磁珠、磁環(huán)、電源濾波器、屏蔽罩，可顯著提高電路的抗干擾性能。

干擾傳播路徑措施9.6抗干擾設(shè)計(jì)--硬件抗干擾1/17/202336

提高敏感器件的抗干擾性能是指從敏感器件這邊考慮盡量減少對(duì)干擾噪聲的拾取，以及從不正常狀態(tài)盡快恢復(fù)的方法。

常用措施如下：

提高敏感器件的抗干擾性能9.6抗干擾設(shè)計(jì)--硬件抗干擾

（1）布線(xiàn)時(shí)盡量減少回路環(huán)的面積，以降低感應(yīng)噪聲。

（2）布線(xiàn)時(shí)，電源線(xiàn)和地線(xiàn)要盡量粗。除減小壓降外，更重要的是降低耦合噪聲。

1/17/202337常用措施如下：

（3）對(duì)于單片機(jī)閑置的I/O口，不要懸空，要接地或接電源。其它IC的閑置端在不改變系統(tǒng)邏輯的情況下接地或接電源。

（4）對(duì)單片機(jī)使用電源監(jiān)控及看門(mén)狗電路，可大幅度提高整個(gè)電路的抗干擾性能。

（5）在速度能滿(mǎn)足要求的前提下，盡量降低單片機(jī)的晶振和選用低速數(shù)字電路。

（6）IC器件盡量直接焊在電路板上，少用IC座。

提高敏感器件的抗干擾性能9.1硬件抗干擾1/17/202338有以下幾種地線(xiàn)：模擬地、數(shù)字地、信號(hào)地、系統(tǒng)地、交流地和保護(hù)地。1．接地的設(shè)計(jì)方法（1）單點(diǎn)接地就是把需要接地的電路、單元及屏蔽體都接到設(shè)備接地面的同一個(gè)接地點(diǎn)上。單點(diǎn)接地方式試用于低頻電路。（2）多點(diǎn)接地就是把需要接地的電路、單元及屏蔽體用多條通路和設(shè)備接地面相連，多點(diǎn)接地降低了接地線(xiàn)的阻抗。多點(diǎn)接地方式試用于高頻電路。（3）懸浮接地就是把控制系統(tǒng)的地線(xiàn)與外殼或大地浮置，提高對(duì)電源、外殼引進(jìn)干擾的抑制。接地技術(shù)9.1硬件抗干擾1/17/202339（1）出現(xiàn)地線(xiàn)環(huán)路問(wèn)題時(shí)，應(yīng)采用浮地隔離技術(shù)。（2）接地線(xiàn)應(yīng)盡量的短，并具有良好的導(dǎo)電性（3）對(duì)于那些出現(xiàn)較大突變電流的電路，要采用單獨(dú)接地的系統(tǒng)，以減小其它電路的瞬態(tài)耦合。（4）低電平接地線(xiàn)要和其它接地線(xiàn)隔離。（5）系統(tǒng)中數(shù)字地、模擬地應(yīng)一點(diǎn)相連。（6）信號(hào)線(xiàn)和電源線(xiàn)交叉的地方要使導(dǎo)線(xiàn)相互垂直。（7）采用平衡差分電路，以盡量減小接地電路的干擾。（8）低電平傳輸時(shí)要使用多層屏蔽。2．接地的設(shè)計(jì)原則9.6抗干擾設(shè)計(jì)--硬件抗干擾1/17/2023409.6抗干擾設(shè)計(jì)--硬件抗干擾單片機(jī)的自動(dòng)復(fù)位是單片機(jī)抗干擾技術(shù)的一種重要方法。當(dāng)單片機(jī)受到干擾后，可以按下人工復(fù)位按鈕，強(qiáng)制系統(tǒng)復(fù)位。1．4060構(gòu)成的自動(dòng)復(fù)位電路自動(dòng)復(fù)位與電源的監(jiān)測(cè)技術(shù)1/17/2023419.6抗干擾設(shè)計(jì)--硬件抗干擾2.MAX813L是MAX公司生產(chǎn)的μP監(jiān)控芯片。當(dāng)單片機(jī)由干擾引起的系統(tǒng)失控時(shí)，為單片機(jī)提供可靠的上、掉電復(fù)位、電源監(jiān)測(cè)、“看門(mén)狗”及電源管理功能。1/17/202342（1）交流端用電感電容濾波:去掉高頻低頻干擾脈沖。

（2）變壓器雙隔離措施:變壓器初級(jí)輸入端串接電容,初、次級(jí)線(xiàn)圈間屏蔽層與初級(jí)間電容中心接點(diǎn)接大地,次級(jí)外屏蔽層接印制板地,這是硬件抗干擾的關(guān)鍵手段。次級(jí)加低通濾波器:吸收變壓器產(chǎn)生的浪涌電壓。

（3）采用集成式直流穩(wěn)壓電源:有過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)熱等保護(hù)作用。

（4）I/O口采用光電、磁電、繼電器隔離，同時(shí)去掉公共地。其它常用抗干擾措施9.6抗干擾設(shè)計(jì)--硬件抗干擾1/17/202343

（5）通訊線(xiàn)用雙絞線(xiàn):排除平行互感。

（6）防雷電用光纖隔離最為有效。

（7）A/D轉(zhuǎn)換用隔離放大器或采用現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)換:減少誤差。

（8）外殼接大地:解決人身安全及防外界電磁場(chǎng)干擾。

（9）加復(fù)位電壓檢測(cè)電路。防止復(fù)位不充分,CPU就工作,尤其有EEPROM的器件,復(fù)位不充份會(huì)改變EEPROM的內(nèi)容。其它常用抗干擾措施9.6抗干擾設(shè)計(jì)--硬件抗干擾1/17/202344①電源線(xiàn)加粗，合理走線(xiàn)、接地，三總線(xiàn)分開(kāi)以減少互感振蕩。

②CPU、RAM、ROM等主芯片,VCC和GND之間接電解電容及瓷片電容，去掉高、低頻干擾信號(hào)。

③獨(dú)立系統(tǒng)結(jié)構(gòu),減少接插件與連線(xiàn)，提高可靠性,減少故障率。

④集成塊與插座接觸可靠,用雙簧插座,最好集成塊直接焊在印制板上，防止器件接觸不良故障。

⑤有條件的采用四層以上印制板,中間兩層為電源及地。其它常用抗干擾措施--印制板工藝抗