抗干扰_硬件设计和软件滤波.pdf

1Q06板级抗干扰设计板级抗干扰设计 形成干扰的基本要素：形成干扰的基本要素：?（（1）干扰源，指产生干扰的元件、设备或信号，用数学语言描述 如下：）干扰源，指产生干扰的元件、设备或信号，用数学语言描述 如下：du/dt，， di/dt大的地方就是干扰源如：雷电、继电器、可 控硅、电机、高频时钟等都可 能成为干扰源大的地方就是干扰源如：雷电、继电器、可 控硅、电机、高频时钟等都可 能成为干扰源2）传播路径，指干扰从干扰源传播到敏感器件的通路或媒介 典型的干扰传 播路径是通过导线的传导和空间的辐射传播路径，指干扰从干扰源传播到敏感器件的通路或媒介 典型的干扰传 播路径是通过导线的传导和空间的辐射3）敏感器件，指容易被干扰的对象如：）敏感器件，指容易被干扰的对象如：A/D、、D/A变换器， 单片机，数字变换器， 单片机，数字IC， 弱信号放大器等 弱信号放大器等1Q06板级抗干扰设计板级抗干扰设计 抗干扰设计的基本原则：抗干扰设计的基本原则：?抑制干扰源抑制干扰源切断干扰传播路径切断干扰传播路径提高敏感器件的抗干扰性能提高敏感器件的抗干扰性能1Q06板级抗干扰设计板级抗干扰设计 抑制干扰源：抑制干扰源：抑制干扰源就是尽可能的减小干扰源的du/dt，di/dt。

这是抗干扰设计中最优先考虑和最重要的原则减小干扰源的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1Q06板级抗干扰设计板级抗干扰设计 抑制干扰源的常用措施如下：抑制干扰源的常用措施如下：?（（1）加滤波电路，注意电容、电感引线要尽量短加滤波电路，注意电容、电感引线要尽量短2）电路板上每个）电路板上每个IC要并接一个高频电容，以减小要并接一个高频电容，以减小IC对 电源的影响对 电源的影响3）布线时避免）布线时避免A,则本次值无效则本次值无效,放弃本次值放弃本次值,用上次值代替本次 值用上次值代替本次 值B、优点：能有效克服因偶然因素引起的脉冲干扰、优点：能有效克服因偶然因素引起的脉冲干扰C、缺点无法抑制那种周期性的干扰平滑度差、缺点无法抑制那种周期性的干扰平滑度差1Q06板级抗干扰设计板级抗干扰设计 软件滤波：软件滤波：?中位值滤波法中位值滤波法A、方法：连续采样、方法：连续采样N次（次（N取奇数）把取奇数）把N次采样值按大小排列取中间值为本次有效值次采样值按大小排列取中间值为本次有效值B、优点：能有效克服因偶然因素引起的波动干扰对温度、液位的变化缓慢的被测参数有良好的滤波效果、优点：能有效克服因偶然因素引起的波动干扰对温度、液位的变化缓慢的被测参数有良好的滤波效果C、缺点：对流量、速度等快速变化的参数不宜、缺点：对流量、速度等快速变化的参数不宜1Q06板级抗干扰设计板级抗干扰设计 软件滤波：软件滤波：?算术平均滤波法A、方法：连续取N个采样值进行算术平均运算N值较大时：信号平滑度较高，但灵敏度较低N值较小时：信号平滑度较低，但灵敏度较高N值的选取：一般流量，N=12；压力：N=4B、优点：适用于对一般具有随机干扰的信号进行滤波这样信号的特点是有一个平均值，信号在某一数值范围附近上下波动C、缺点：对于测量速度较慢或要求数据计算速度较快的实时控制不适用比较浪费RAM1Q06板级抗干扰设计板级抗干扰设计 软件滤波：软件滤波：?递推平均滤波法（又称滑动平均滤波法）递推平均滤波法（又称滑动平均滤波法）A、方法：把连续取、方法：把连续取N个采样值看成一个队列，队列的长度固定为个采样值看成一个队列，队列的长度固定为N每次采样到一个新数据放入队尾每次采样到一个新数据放入队尾,并扔掉原来队首的一次数据并扔掉原来队首的一次数据.(先进先出先进先出)把队列中的把队列中的N个数据进行算术平均运算个数据进行算术平均运算,就可获得新的滤波结果就可获得新的滤波结果N值的选取：流量，值的选取：流量，N=12；压力：；压力：N=4；液面，；液面，N=4~12；温度，；温度，N=1~4B、优点：对周期性干扰有良好的抑制作用，平滑度高适用于高频振荡的系统、优点：对周期性干扰有良好的抑制作用，平滑度高适用于高频振荡的系统C、缺点：灵敏度低对偶然出现的脉冲性干扰的抑制作用较差不易消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差不适用于脉冲干扰比较严重的场合、缺点：灵敏度低对偶然出现的脉冲性干扰的抑制作用较差不易消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差不适用于脉冲干扰比较严重的场合比较浪费比较浪费RAM1Q06板级抗干扰设计板级抗干扰设计 软件滤波：软件滤波：?中位值平均滤波法（又称防脉冲干扰平均滤波法）中位值平均滤波法（又称防脉冲干扰平均滤波法）A、方法：相当于、方法：相当于“中位值滤波法中位值滤波法”+“算术平均滤波法算术平均滤波法”连续采样连续采样N个数据，去掉一个最大值和一个最小值然后计算个数据，去掉一个最大值和一个最小值然后计算N-2个数据的算术平均值个数据的算术平均值N值的选取：值的选取：3~14B、优点：融合了两种滤波法的优点对于偶然出现的脉冲性干扰，可消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差、优点：融合了两种滤波法的优点对于偶然出现的脉冲性干扰，可消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差C、缺点：测量速度较慢，和算术平均滤波法一样、缺点：测量速度较慢，和算术平均滤波法一样比较浪费比较浪费RAM1Q06板级抗干扰设计板级抗干扰设计 软件滤波：软件滤波：?限幅平均滤波法限幅平均滤波法A、方法：相当于、方法：相当于“限幅滤波法限幅滤波法”+“递推平均滤波法递推平均滤波法”每次采样到的新数据先进行限幅处理，再送入队列进行递推平均滤波处理每次采样到的新数据先进行限幅处理，再送入队列进行递推平均滤波处理B、优点：融合了两种滤波法的优点对于偶然出现的脉冲性干扰，可消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差、优点：融合了两种滤波法的优点对于偶然出现的脉冲性干扰，可消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差C、缺点：比较浪费、缺点：比较浪费RAM1Q06板级抗干扰设计板级抗干扰设计 软件滤波：软件滤波：?一阶滞后滤波法一阶滞后滤波法A、方法：取、方法：取a=0~1本次滤波结果本次滤波结果=（（1-a））*本次采样值本次采样值+a*上次滤波结果上次滤波结果B、优点：对周期性干扰具有良好的抑制作用适用于波动频率较高的场合、优点：对周期性干扰具有良好的抑制作用适用于波动频率较高的场合C、缺点：相位滞后，灵敏度低滞后程度取决于、缺点：相位滞后，灵敏度低滞后程度取决于a值大小不能消除滤波频率高于采样频率的值大小不能消除滤波频率高于采样频率的1/2的干扰信号的干扰信号1Q06板级抗干扰设计板级抗干扰设计 软件滤波：软件滤波：?加权递推平均滤波法A、方法：是对递推平均滤波法的改进，即不同时刻的数据加以不同的权通常是，越接近现时刻的数据，权取得越大。

给予新采样值的权系数越大，则灵敏度越高，但信号平滑度越低B、优点：适用于有较大纯滞后时间常数的对象和采样周期较短的系统C、缺点：对于纯滞后时间常数较小，采样周期较长，变化缓慢的信号不能迅速反应系统当前所受干扰的严重程度，滤波效果差1Q06板级抗干扰设计板级抗干扰设计 软件滤波：软件滤波：?消抖滤波法消抖滤波法A、方法：设置一个滤波计数器将每次采样值与当前有效值比较：如果采样值＝当前有效值，则计数器清零如果采样值、方法：设置一个滤波计数器将每次采样值与当前有效值比较：如果采样值＝当前有效值，则计数器清零如果采样值=上限上限N(溢出溢出) 如果计数器溢出如果计数器溢出,则将 本次值替换当前有效值则将 本次值替换当前有效值,并清计数器并清计数器B、优点：对于变化缓慢的被测参数有较好的滤波效果、优点：对于变化缓慢的被测参数有较好的滤波效果,可避免在临界值附近控制器的反复开可避免在临界值附近控制器的反复开/关跳动或显示器上数值抖动关跳动或显示器上数值抖动C、缺点：对于快速变化的参数不宜如果在计数器溢出的那一次采样到的值恰好 是干扰值、缺点：对于快速变化的参数不宜如果在计数器溢出的那一次采样到的值恰好 是干扰值,则会将干扰值当作有效值导入系统则会将干扰值当作有效值导入系统1Q06板级抗干扰设计板级抗干扰设计 软件滤波：软件滤波：?限幅消抖滤波法A、方法：相当于“限幅滤波法”+“消抖滤波法”先限幅,后消抖B、优点：继承了“限幅”和“消抖”的优点改进了“消抖滤波法”中的某些缺陷,避免将干扰值导入系统C、缺点：对于快速变化的参数不宜1Q06板级抗干扰设计板级抗干扰设计 冗余设计：冗余设计：?冗余设计冗余设计2倍以上的冗余量。

比如：倍以上的冗余量比如：1））5V的电源，选用的电源，选用25V耐压的电容；耐压的电容；2）功耗）功耗1/8W的电阻，选用的电阻，选用1/4W的电阻；的电阻；3）系统平均功耗）系统平均功耗5V/2A，选用，选用5V/4A的开关电源等的开关电源等4）光耦的电流，在数据手册额定的范围内；）光耦的电流，在数据手册额定的范围内；5）驱动芯片带负载，如）驱动芯片带负载，如7407，，uln2003等，选取工作范围的一半～等，选取工作范围的一半～3/4 处；处；1Q06板级抗干扰设计板级抗干扰设计 AD：：?AD的高精度测量类设计?1:参考电压需要足够精确,推荐使用外部高精准参考电压. ?2:如果PGA可调,增益系数一般是越小噪声越低. ?3:一般最好用到接近满量程,此时AD精度不浪费. ?4:如果有偏置,需要进行自校. ?5:请注意在使用DEMO板调试时,会由调试口导入PC噪声,由信号连 接线导入外部噪声,因此建议使用屏蔽电缆传输信号. ?6:板上注意模拟电源和数字电源,以及模拟地和数字地要分开,减少耦 合噪声路径. 1Q06板级抗干扰设计板级抗干扰设计 AD：：?7:使用差分输入可以减少共模噪声,但是差模噪声会增大. ?8:如果是片内集成AD的MCU,支持高速时钟,如果不影响性能,内部工作时钟 越低,对您的AD采样引起的干扰越小,如果是板上就需要注意走线和分区. ?9:信号输入前级接滤波电路,一般一阶RC电路较多,注意Fc=1/1000~1/100 采 样频率,电阻和电容的参数注意选取.信号接入后级接滤波电路最好采用sinc 滤波方式.注意输入偏置电流会限制您外部的滤波电阻阻值的大小. ?R x Ib < 1LSB. ?有的片内AD还有集成输入Buffer,有助与抑制您的噪声,一般是分两当,看输入 信号范围和满量程之间的关系. ?AD分为很多中,SAR,FLASH,并行比较型,逐次逼近型,Delta sigma型,?针对不同场合不同成本不同要求分别选用. 。