智能仪器的抗干扰技术

张警伟　杨岩　潘志洪

摘 要：智能仪器又称为“仪器仪表”，是含有微型计算机或者微型处理器的测量仪器，拥有对用户输入数据进行存储、运算、逻辑判断及自动化操作等功能。属于新世纪的高新技术产品，具有功能齐全、操作简便、分析结果准确可靠等优点，是诸多行业代替人工的帮手。

关键词：智能；智能仪器；仪表；抗干扰

传统仪器一般只采用简单的电子电路来转换测量数据，用直观的模式显示或读出测试数据，并没有加入数据存储和处理功能，要通过人工来进行计算甚至比对才可以得出测量结果。例如，2000年的电子秤，用户只可以在其上读出物体重量，却不能通过物体的单价来计算总价格，这种只能用于一般测量的数据测量仪器，都可以算是传统仪器，但是由于它的成本比较低，目前还拥有一定市场。

智能仪器是具有微型处理系统或可接入微型计算机的智能化仪器。它可以像小型计算机一样，通过对电子电路来转换测量数据的分析、判断，通过连接各种电子设备使用户得到其需要的结果。这种强大的功能使智能仪器现在已广泛用于电子、化工、机械、轻工、航空等行业，对我国制造业提升产品质量的检测手段起到了重要的作用。

但是在智能仪器中，还存在很多限制因素，在对信号采集、处理、传输中，抗干扰能力一直是众多电子产品性能好坏的重要指标，对于某些智能仪器，在使用过程中会将模拟信号转变为数字信号，数据在经过采集和压缩后，还需要传输到指定的主机，一般情况下采用其自带的连接设备就足够了。不过在一些特定的情况下，由于源端设备、传输过程中、终端设备等因素限制，在传输和采集中经常会遇到一些信号干扰，致使传输的信号受到波动、失真等。

1 干扰信号大体可分为三类

1.1 源端设备引起的干扰

一般有供电电源的干扰和设备本身问题引起的干扰。判断方法是直接在电路中接监视器观察，如果是电源引起的干扰可以通过更换电源，采用开关电源供电，在220V交流回路中加交流滤波器等办法解决。

1.2 传输过程引起的干扰

主要是传输电缆损坏引起的干扰、电磁辐射干扰和地电位差三种，对于传输电缆可以通过更换电缆或增加抗干扰设备解决。

1.3 终端设备引起的干扰

主要是设备供电、设备本身产生的干扰、接地引起的干扰、设备与设备连接引起的干扰等。

2 抗干扰的措施

提高抗干扰的措施最理想的方法是抑制干扰源，这样可以使其不向外产生干扰或将其干扰影响降低到最小。由干扰源的复杂性，要想对所有的干扰源都做到使其不对外产生干扰是不可能的，也是不现实的。因此，除了对一些重要的干扰源，其余的主要是对一些干扰源进行抑制，将其干扰影响降低到最小，以保证系统能正常地工作。抑制干扰的措施很多，主要包括屏蔽、隔离、滤波、接地等方法。

2.1 屏蔽

一般采用良好接地的金属网或罩实现电磁屏蔽，隔离电磁场干扰。既可防止外来电磁场干扰，又可防止本身电磁场辐射对外界的干扰。通常用铜和铝等导电性能良好的金属材料作屏蔽体。磁场屏蔽是为了消除或抑制由于磁场耦合引起的干扰。对静磁场及低频交变磁场，可用高磁导率的材料作屏蔽体，并保证通信线路畅通；对高频交变磁场，靠线路上感生的涡流所产生的反磁场来排斥原磁场起到屏蔽作用。选用材料也是导电性良好的导体，如铜、铝等。

2.2 隔离

隔离，是指把干扰源与接收系统隔离开来，使有用信号正常传输，令干扰耦合通道被切断，达到抑制干扰的目的。常见的隔离方法有光电隔离、变压器隔离和继电器隔离等方法。

第一，光电隔离。光电隔离是以光作为媒介在隔离的两端间进行信号传输，所用的器件是光电耦合器。光电耦合器在传输信息时，工作方式为借助于光作为媒介物进行耦合，因而具有较强的隔离和抗干扰的能力。光耦合器有着共模抑制比大、无触点、寿命长、易与逻辑电路配合、响应速度快、小型、耐冲击且稳定可靠，因此光电隔离在机电一体化系统有着广泛的应用。

第二，变压器隔离。变压器隔离干扰信号用于交流信号的传输中。隔离变压器将各种模拟负载和数字信号源隔离开，传输信号通过变压器获得通路，而共模干扰由于不形成回路而被抑制。

第三，继电器隔离。继电器线圈和触点仅有机械上形成联系，而没有直接的联系，它的触点接在其他控制回路中，通过触点的变化导致控制回路发生变化（例如开关的闭合和断开），从而实现既定的控制或保护的目的。因此，可利用继电器控制和传输电信号。

2.3 滤波

滤波是抑制干扰传导的一种重要方法。由于干扰源发出的电磁干扰的频谱比要接收的信号的频谱宽得多，所以，当接收器接收有用信号时，也会接收到那些没用的干扰。这就采用滤波的方法，利用低通、高通、带通、带阻等低通滤波器选通其所需要的频率，抑制无用频率。

2.4 接地

将电路、设备机壳等与作为零电位的一个公共参考点（地）与之连接，称为接地。接地的目的有两个：

第一，为了安全，把电子设备的机壳、机座等与大地相接，当设备中存在漏电时，不致影响人身安全，称为安全接地。

第二，为了给系统提供一个基准电位，如脉冲数字电路的零电位点等，或为了抑制干扰屏蔽接地，称为工作接地。

工作接地包括一点接地和多点接地两种方式：一是一点接地。将所有设备串联起来，通过一根导线接地，各电路间会发生相互干扰，虽然很不可取，但由于比较简单，用的地方仍然很多。当各电路的电平相差不大时还可勉强使用，但当各电路的电平相差很大时就不能使用。二是多点接地。多点接地所需地线较多，一般适用于低频信号，若电路工作频率较高，电感分量大，各地线间的互感耦合会增加干扰。各接地点就近接于接地汇流排或底座、外壳等金属构件上。

2.5 软件方面

在软件编写程序时，可使用以下方法避免干扰：

第一，将不用的代码空间全清成“0”，因为这等效于接低电平，限制引脚电压。

第二，在使用无硬件看门狗时，可采用软件模看门狗，以监测程序的运行。

第三，涉及调整或设置外部器件的参数时，定时将参数重新发送一遍，可以防止外部器件因受干扰而出错。

第四，在有Data、CLK、INH接口时，将常态置为高，其抗干扰效果要更加明显。

2.6 硬件方面

第一，条件允许的情况下，将每个数字元件在地与电源之间都加入104的电容。

第二，在有继电器的应用场合，尤其是在通过大电流时，为了防继电器触点火花对电路的干扰，可在继电器线圈间并联一个104的电容和一个整流二极管，在触点和常开端间接一个472的电容。

参考文献：

[1] 王选民.智能仪器原理及设计[M].清华大学出版，2008.

[2] 史健芳，廖述剑，杨静.智能仪器设计基础[M].电子工业出版社，2012.

作者简介：张警伟（1995—），男，辽宁海城人。

杨岩（1994—），男，黑龙江齐齐哈尔人。

潘志洪（1992—），男，福建泉州人。