某小型测试系统干扰抑制措施

贾红莉

【摘要】 介绍了某小型测试系统的干扰现象，对干扰源的形成机理进行分析。针对系统的特点，在硬件设计中通过滤波电路、隔离与耦合技术、传输导线的选择与屏蔽来提高系统的可靠性，在软件方面采用跟踪监视定时器技术、软件滤波等措施，使整个系统的干扰得到良好抑制。

【关键词】 小型测试系统 干扰 抑制

某小型测试系统主要用于模拟载机系统来实现对产品的试验，测试系统采用小型化便携式设计。由于系统体积小，使用环境复杂，导致大量干扰信号存在，这对测试系统的稳定度和精确度有直接的影响，严重时可使系统不能正常工作。因此，系统的设计、制造、使用及工作环境都需要考虑干扰的因素。

一、干扰源及形成分析

测试系统采用PC104总线的自动测试系统，由于系统用在外场试验环境，使用小型加固机箱，内部嵌入模块板卡及电源系统等，机箱空间小，系统使用的测试距离远、电源供电、地线等环境苛刻，存在着大量的干扰。通过试验及数据分析，发现干扰源主要为：

1.1电源系统干扰

干扰主要是从电源和电源线引入系统。当系统与其它负载共用电源时，会产生电源噪声，如电源过/欠压、浪涌、下陷等干扰，这些噪声会耦合到系统电路，给系统造成危害。当电源引线较长时，所产生压降及感应电势等形成噪声。系统所需的直流电源，会因净化不佳，给高精度系统带来干扰。

1.2数字电路引起的干扰

数字电路引出的直流电流虽然只有mA级，但是当电路处在高速开关时，就会形成较大的干扰。如，TTL门电路在导通状态下从直流电源引出5mA左右的电流，截止状态下则为1mA ，在Tns时间内其电流变化为ImA ，如果在配电线上具有LμH的电感，当这个门电路改变状态时，配电线上产生的噪声电压为：U=L*di/dt=L*I/T （1）

虽然这种门电路的供电电压仅为5V， 但所引起的干扰噪声将是非常严重的。

1.3长线传输干扰

信号在传输过程中容易出现延时、变形并接收干扰信号，形成传导耦合干扰。测试系统使用30米的测试电缆，因此信号彼此间干扰电压很大。导致传输信号发生畸变，产生的干扰主要有：传输线周围空间电磁场对传输线的电磁感应干扰；当两条或两条以上信号强弱不同的线靠得很近时，通过线间分布电路和互感而形成的线间干扰。

1）容性（电场）耦合干扰

当干扰源产生的干扰是以电压形式出现时，干扰源与信号电路之间就存在容性（电场） 耦合，这时干扰电压线电容耦合到信号电路，形成干扰源。对于平行导线，由于分布电容大，容性耦合较严重。在图1a中，导线1和2是两条平行线， C1和C2分别是各线对地的分布电容，C12是两线间分布的耦合电容，V1是导线1对地电压，R是导线2对地电阻。由图1b等效电路可得，导线1电压通过耦合导线2上产生的电压V2为：V2=jωC12RV1/[1+jω（C12+C2）R] （2）

当R>>1+jω（C12+C2）时，式（2）可简化为：V2=C12V1/（C12+C2） （3）

当R<<1+jω（C12+C2）时，式（2）可简化为：V2=jωC12RV1 （4）

由式（2）、（3）、（4）可知，容性耦合干扰随着耦合电容的增大而增大。

2）感性（磁性）耦合干扰

当干扰源以电流形式出现时，此电流所产生的磁场通过互感耦合对邻近信号形成干扰。图2是互感耦合示意图，两邻近导线之间存在分布互感M，M=Ф/I1（其中，I1是流过导线1的电流，Ф是电流I2产生的与导线2交线的磁通），由互感耦合在导线2上形成的互感电压为V2=2ωMI1，此电压在导线上是串联的。从式中可知V2与干扰的频率和互感量成正比。

1.4地线干扰

该测试系统电路复杂，系统中有数字地、模拟地、机壳等，而模拟地又可分为直流地和交流地。当各部分电路的电流均流过公共地线时，会在其上产生压降，形成噪声干扰。这种情况在数字电路和模拟电路共地时非常明显。通常，数字系统的入地电流比模拟系统大得多，并且有较大波动噪音。即使系统接地电阻很小，数字电路也会在其两端形成较高电压，使模拟系统的接地电压不能为零。

二、硬件抗干扰措施

2.1电源滤波电路

电源滤波电路可以防止输入电压的高频脉冲干扰，为设备内的AC/DC变换提供干净的电源，使DC输出电压稳定。同时，该电路可以防止设备中的电磁干扰通过电源线传到电网上，防止电磁干扰进入电网的其他设备。电路如图3所示：

在电路的设计中，C1的选用原则：

1）耐压高于最大输出电压的50%以上；

2）C1=1/F，F为系统的频率。滤波电容的选用原则：C≥2.5T/R；T为系统频率，R为负载电阻，一般使用中选择C≥5T/R。

2.2隔离与耦合措施

1）光电隔离与耦合

测试系统的接口，用数字式光电隔离器进行隔离，以切断公共阻抗环路，避免长线感应和共模干扰。较长时间的信号传输线可采用屏蔽与光电耦合配合使用的方法。

2）放大器隔离

测试系统中的放大电路易受共模干扰的影响，对此，前级放大电路之间可采用光电耦合进行隔离。采用两个耦合器组成互补形式，可以改善放大电路的线性度，减少温度影响。

2.3传输导线抗干扰措施

1）传输导线的选择

信号频率在100kHz以下采用双绞线传输，频率超过100kHz信号传输采用同轴电缆。双绞线对电容耦合的电场噪声几乎没有抑制作用，但对磁场的耦合噪声的抑制能力很强。同轴电缆的阻抗在高频下保持基本恒定，但同轴电缆不能用于低于10kHz的低频信号传输。

2）传输导线的屏蔽

对于长距离导线，采取屏蔽措施，提高信号传输的可靠性。为实现最佳的磁场屏蔽作用，电路的一端与地隔离。为减小屏蔽层噪声电流，低频信号线缆的屏蔽层采用单点接地。如果仅有信号源接地，屏蔽层接地点在信号源端。如果仅有负载端接地，屏蔽层接地点在负载端。高频信号的屏蔽层采用多点接地设计，为确保屏蔽线缆的良好接地，每十分之一信号波长加一个屏蔽层接地点，可通过一个小电容将屏蔽层接地。

三、软件抗干扰措施

软件抗干扰措施是系统抗干扰的一个非常重要方面，软件的抗干扰性能差，会导致系统死机或程序跑飞等现象。为此，在软件设计中采取了几种抗干扰措施：

3.1跟踪监视定时器技术

当系统受到干扰时，有时嵌入式处理器的设置值会被改变，导致程序跑飞，盲目运行或进入死循环。采用设置跟踪监视定时器，在程序失控的状态下，将跑飞的处理器指针“俘获”并强行拉回到一个处理该故障的程序中，恢复被破坏的现场，回到受干扰之前的地址，使程序正常运行。

跟踪监视定时器技术利用定时器中断功能来监视程序的运行状态。

3.2数字滤波技术

进行实时数据采集时，为了消除传感通道中的干扰信号，利用算术平均值法、FIR数字滤波算法实现软件滤波效果，减少系统的随机干扰对采样结果的影响。

四、结束语

由于小型测试系统体积小，其内部工作环境比较复杂，外部工作环境苛刻。因此，小型测试系统的可靠性是必须要考虑的重要因素，该系统在样机研制过程中，对系统的抗干扰性做了细致周全的设计，在实际使用中得到了很好的效果。