【毕业学位论文】(Word原稿)全方位超声测距系统设计

1 全方位超声测距系统 摘要： 本设计基于超声波测距原理，以单片机（ +为控制核心，采用渡越时间测量法测距，步进电机配合完成正反转等各种动作，实现了全方位超声测距。系统可在 实时显示温度、距离和角度 。 本设计 考虑到温度会对本系统测量的影响， 根据超声波传播速度与温度的数学补偿公式，采取软件编程的方式予以科学合理的补偿，大大减少了温度变化对测量的影响，提高了测量精度。另一方面，在实现计数功能的设计方面，我们用 片取代了单片机外围扩展硬件电路，提高了计数的稳定性、可靠性、精 确度，从而提高了超声波往返时间 t 的测量精度，最终达到了提高测距精度的目的。步进电机采用四相八拍工作方式，步进 相角测量也达到了很高的精度 。 关键字 ：超声波 电动机 单片机 渡越时间测量法 。 注释：本设计技术是雷达原理的的缩影，是用来精密测量周围 360度内的物体，并能准确判断方向，是对专业高科技技术的很好的学习和应用，有利于今后的学习和深造。它的 意义是深远的。 目 录 2 1. 系统设计 4 1 1 设计要求 1 1 任务 4 1 2 设计总体方案 . 2 1 设计思路和部分原理论证 4 （ 1）渡越时间测量法原理 4 （ 2） 超声波发射器原理 5 （ 3） 盲区及发、收时序 6 （ 4 温度补偿 6 （ 5 步进电机测相原理 6 案论证与比较 10 （ 1） 控制方案 10 （ 2）距离测量 10 （ 3）超声波发送脉冲的产生 硬件电路设计 13 声波发送部分 13 波接收及处理部分 13 进电机部分 15 示部分 16 分 16 源部分 16 .3 字系统与模拟系统 18 源的干扰与抑制 19 地技术 20 离技术与屏蔽线的使用 21 波技术 22 用芯片的抗干扰措施 23 激振荡及其消除方法 24 放参数测量介绍 26 .件流程图 序列单 软件 使用方法 . 37 .测量仪器及型号 .测试方法 . 测量数据 69 验误差分析 .论 70 参考文献 70 附录 元器件清单 71 后续 73 4 1系统设计 5 计要求 务 设计并 制作一个 超声波 测距系统，实现全方位距离的实时测量。测量距离大于 1 米， 并能测方向。 精度小于 1区尽量小。 计总体方案 计思路 和部分原理论证 整个系统由发射、接收、回波处理、系统控制、显示、电机控制和电源七个部分组成。发射部分的任务是将 生的 40号放大后提供给超声波换能器，由此将超声波发射出去；接收电路则接收由被测物反射回来的回波信号，然后经回波处理部分放大、滤波、整形、反相后形成宽脉冲触发信号对判决电路进行触发；系统控制电路的作用是对整个系统进行控制和管理；显示部分负责将距离、角 度信息显示出来；电机部分则控制发射、接收换能器的动作，实现全方位扫描；电源为整个系统提供电源。框图如下： F P G 换能 器发 送 换能 器单片机系统显 示 放 大整 形测 温放 大驱 动 模 块 步 进 电 机滤 波反 相反 相键 盘1 2 1 图系统总体框图 （ 1）渡越时间测量法原理 检测从超声波发射器发出的超声波，经气体介质的传播到接收器的时间，即渡越时间。渡越时间与气体中的声速相乘，就是声波传输的距离。考虑实际情况，采用异地脉冲反射式来测距，即需测距离式声波传输距离的一半： 12L 中， L 为待测距离， v 为超声波的声速， t 为渡越时间。由下式计算测量误差 6 式中， L 为测距误差， 为声 速， t 为时间测量误差， 为声速误差。若要求测距误差小于 知声速 344m/s(20时 )，忽略声速误差，那么测量时间的误差： （ 6） 显然，直接用秒表测时间是不现实的。因此，实现声波测距必须避开直接测量时间的方法，才能获得实用的测长精度。 我们利用 脉冲计数的方法，间 接测量时间 ，可以把声波的时间精度提高到所需的准确度，也就是把超声波往返时间转化为对计数脉冲个数 N 的测量，所以上式可写成 2/ 式中， S 为等效标尺， ， f 为计数脉冲的频率， v 为声速，所以 )2/( 在本系统中，计数脉冲的频率 f 40 （ 2） 超声波发射器原理 总体上讲超声波发生器可以分为两大类 :一类使用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型，磁致伸缩型和电动型等 ;机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。我们选用压电型。 压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器内部有两个压电晶片和一个共振板 ,当它的两极外加脉冲信号 ,其频率等于压电晶片的固有振荡频率时 ,压电晶片将会发生共 振 ,并带动共振板振动 ,便产生超声波。反之 ,如果两电极间未外加电压 ,当共振板接收到超声波时 ,将压迫压电晶片作振动 ,将机械能转换为电信号 ,这时它就成为超声波接收器了。经分析和大量实验表明，频率为 40右的超声波在空气中传播的效率最佳，同时为了处理方便，发射的超声波被调制成 40右、具有一定间隔的调制脉冲波信号。 7 （ 3） 盲区及发、收时序 由于电声换能器的电气阻尼振荡和机械阻尼振动共同作用下，产生余振阻尼衰减信号，在换能器由发射状态转入接收状态后，首先接收到的信号是这种余振信号（绕射），在此信号衰减到 足够小的时间内，换能器接收到的回波信号与阻尼衰减信号叠加混淆，使电路鉴别不出真正的回波。在这段时间内收到的回波，系统应对其进行屏蔽，以免发生误判。这样就导致了盲区的产生。 工作时序示意图如下： a a ab c b bc a 脉冲为发送端的置位脉冲，同时作为计时器的起始脉冲； b 脉冲为虚假脉冲 (由绕射产生，应避开 )； a 、 b 的时间间隔为盲区； c 脉冲为接受端接收到的有效回波脉冲，用于停止计时器的计时。程序的主要任务就是检测 a 、 启停计时器的计时，进而得出时间，再由数据处理 、修正单元计算出实际距离，然后供显示。 （ 4） 温度补偿 声音在 25空气中传播速度的理论值为 344m/s，这个速度在 0时降为334m/s。超声波在媒质中的传播速度和温度关系很大，为提高测距精度，我们必须要采取温度补偿措施，降低温度变化对测量精度的影响。声速和温度的关系可以用以下公式来表示 : v = 3 3 1 . 4 5 12 7 3 . 1 6t （ m/s） 我们采用数字温度传感器 8温，然后利用 上式算出当前声速，从而得到精确的距离。 （ 5） 步进电机测相原理 8 步进电机有两种基本的形式：可变磁阻型和混和型。步进电机的基本工作原理，结合图 1 的结构示意图进行叙述。 图 1 是一种四相可变磁阻型的步进电机结构示意图。这种电机定子上有八个凸齿，每一个齿上有一个线圈。线圈绕组的连接方式，是对称齿上的两个线圈进行反相连接 ，如图中所示。八个齿构成四对，所以称为四相步进电机。 它的工作过程是这样的：当有一相绕组被激励时，磁通从正相齿，经过软铁芯的转子，并以最短的路径流向负相齿，而其他六个凸齿并无磁通。为使磁通路径最短，在磁场力的作用下，转子被强迫移动，使最近的一对齿与被激励的一相对准。在图 1(a)中 A 相是被激励，转子上大箭头所指向的那个齿，与正向的 这个位置再对 图 1中的 (b)，转子向反时针转过 15 。若是 D 相被激励，如图 1 中的 (c)，则转子为顺时针转过 15 。下一步是 C 相被激励。因为 C 相有两种可能 性： A B C D 或 A D C B。一种为反时针转动；另一种为顺时针转动。但每步都使转子转动 15 。电机步长 (步距角 )是步进电机的主要性能指标之一，不同的应用场合，对步长大小的要求不同。改变控制绕组数 (相数 )或极数 (转子齿数 )，可以改变步长的大小。它们之间的相互关系，可由下式计算： 360 PN 式中： 步长； P 为相数； N 为转子齿数。在图 1 中，步长为 15 ，表示电机转一圈需要 24 步。 混和步进电机的工作原理 在实际应用中，最流行的还是混和型的步进电机。但工作原理与图 1 所示的 9 可变 磁阻型同步电机相同。但结构上稍有不同。例如它的转子嵌有永磁铁。激励磁通平行于 X 轴。一般来说，这类电机具有四相绕组，有八个独立的引线终端，如图 2a 所示。或者接成两个三端形式，如图 2b 所示。每相用双极性晶体管驱动，并且连接的极性要正确。 图 3 所示的电路为四相混和型步进电机晶体管驱动电路的基本方式。它的驱动电压是固定的 。表 1 列出了全部步进开关的逻辑时序。 其中，用“ 表“ 1”，“ 表“ 0”。 四相混和型步进电机，有一特点 很有用处。它可以用半步方式驱动。就是说，在某一时间，步进角仅前进一半。用单个混合或用双向开关即可实现，这种逻辑时序由表 2 列出。 四相混和型步进电机，也能工作于比额定电压高的情况。这可以用串联电阻 10 进行降压。因为 1 相和 2 相， 3 相和 4 相是不会同时工作的，所以每对仅一个降压电阻，串接在图 3 中的 X 和 Y 点之间 。 值得注意的是，电机步进为 1 2 3 4 的顺序。在同一时间，有两相被激励。但是 1 相和 2 相， 3 相和 4 相绝对不能同时激励。 由此上述原理即可设计出步进电机的驱动时序。 我们选用四相步进电机 ,其中有四个电磁铁线圈 ,也 就是有四相 ,每两个组成一组 ,如下图所示 . 对 A 相加脉冲时 ,在外侧定子线圈的上方为 N 极 ,下方为 S 极 S 极在上侧面 N 极在下侧 ,若对 B 加脉冲 ,则定子的右侧为 N 极 ,左侧为 S 极 ,转子向右 90 方向 由于加上 A 相 B 相脉冲 ,转子向右转动 . 这样在电机上按 A 相 B 相顺序加上脉冲 ,则电机可继续向右旋转 这时的转速与所加脉冲的频率成比例 频率高转速快 ,电机的转速完全能由数字决定 或旋转一周所需要的脉冲数 ,本电机为 脉冲 给步进电机的脉冲为 40以步进电机转 360 需要的时间 t: 3 6 0 1 100 . 9 / 4 0t m Z 脉 冲满足题目步进电机在 100 秒内转动一周（ 360）的要求。 步进电机在 40冲的控制下，将准确地每次转动 ，对 40脉冲计数，就可准确得到对应的角度。 11 案论证与比较 （ 1） 控制方案 方案一 ：单片机方案；采用单片机定时器产生超声波发射器所需 40K 方波，发射时间由单片机测取。步进电机亦由单片机控制。当按键输入开始扫描命令时，步进 电机开始旋转，超声波发射器开始发射一次超声波群，同时开始计时，当超声波接收器接受到经反射得到的回波时，单片机产生一次中断，中断中停止计时得到所需时间数据（步进电机计时器不停），计算得到障碍物的距离、角度，显示并发往 。然后开始下一次测量。 方案二：单片机 +案；由 生超声波发射器所需的脉冲群和步进电机所需的驱动信号，以及记时工作；单片机控制装置的开始和结束以及每一次测量的起停。每次测量由单片机计算处理、显示。 方案一系统规模小，有一定灵活性，但是需要的定时器数目很多，且单片机（ 89生 40K 的方波信号有较大误差，将使超声波发射接收装置的灵敏度降低，且控制难度大，控制效果不理想，难以达到题目要求。方案二充分考虑了单片机控制功能力强和 速、易操作的特点，系统结构清晰、规模较小、可以实现复杂控制，且精度高，易于扩展。 鉴于以上分析，本系统使用方案二。 （ 2）距离测量 方案一：相位检测法；通过比较发射波和反射波的相位，推算出时间 t，进而得出距离。此法精度高，但检测的范围有限。且要做到精确的相位检测，硬件电路相当复杂。 方案二：声波幅值检测法；检测回射波的幅值。在发射功率一定的情况 下，回射波幅值随测量距离的增大而衰减，而回射波幅至的大小将直接影响测量的精度。此法易受反射波的影响，反射回波幅值的大小直接影响者测量的精度，在发*射功率一定的情况下，随着测量距离的增大，反射波幅度衰减较大，不易测量。因此该方案只适合粗略测量，精度达不到题目中的要求。 方案三：固定距离标定法；这种方法是指在现场先找一个固定距离 行 12 测量，其回声时间为 段声程内的声速为 后对待测目标物进行测量，若收到目标物 的回声时间为 ： 1212F F XS v tS v t 式中 是已知的，且在相同条件下或两声速相差不大时， 式相除得到： 只要精确地测量出标定距离，取得正确的标定回波和目标回波时间，就能使测距值 所要求的准确度。此法对 依赖过大，在没有精确测量工具的前提下，不太可取。而且，此法的主要目的就是避开温度不均对声速的影响，在实验室环境下，温度恒定，这种考虑就显得没有必要 了。 方案四：度越时间检测法；检测从超声波发射器发出的超声波，经气体介质的传播到接收器的时间，即度越时间。度越时间与超声波在气体中传播速度相乘即得声波传播的距离。此法不用考虑反射信号的大小，只检测反射信号的有无，通过精确的定时，即可求出距离。适当的增大发射功率可测量较长的距离。 要做到一定精度的定时，可采用对较高频率脉冲计数的办法；对反射信号的检测只用检测其有无，不检测其大小，因此硬件电路将大大简化。另外通过实时测温，得出当前温度，从而算出当前声速。利用 12L 可以得到相当准确的结果。 鉴于以上分析，我们选用方案四。 （ 3）超声波发送脉冲的产生 方案一 ： 单片机产生；该方案既可以采用单片机定时器产生 40K 方波，又可以对单片机 12振进行 300 分频得到 40K 方波，但是这两种方法都有一个共同的缺点：频率误差大。这样就可能导致超声波发射器达不到最大功率，使测量范围受到影响。另外，此方案对于谐振频率偏离 40换能器显得有 13 些束手无策。 方案二 ： 脉冲输出 其基本原理是：以频率控制字 K 为步进，对相位增量进行累加，以累加器的最高位（进位位）作为输出， 输出频率为： /2 f其中， 参考时钟频率， N 为累加器长度。 该方案稳定度和精度都特别高，而且输出频率可以任意设定，对于谐振频率偏离 40换能器而已，完全不受影响。 鉴于以上分析，我们采用方案二。 14 硬件电路设计 声波发送部分 超声波发送脉冲信号由 生 ,将脉冲信号放大用以驱动超声波换能器发送超声波。并由 制脉冲群的脉 冲个数（ 10 脉冲）及脉冲群之间的时间间隔（连续发送） ,其发送间隔取决于要求测量的最大距离。若在有效测距范围内有被测物 ,则在后一路探测波束发出之前应当接收到前一路发出的反射波 ,否则认为前一路没有探测到物体。按有效测距范围及最大测量距离可以算出最短的脉冲群间隔发送时间。例如 ,最大测距距离为 2m 时 ,脉冲间隔时间 t=2D/C=22/340 12,实际应取 t 12们最后确定为 50电路图如下： 1 220。 1 超声波发射部分 波接收及处理部分 超声波接收是用来将探测波回波的声能 转换为电信号 ,实现超声波回波的接收。在被测物距离较远的情况下 ,回波很弱 ,一般在 ，为此需要将信号放大 1000 倍左右。放大后的信号经滤波、整形后输出一个方波信号 ,此方波信号经反相器 74向 数控制器发出申请 ,停止计数器计数，单片机读取时间计数器的计数值。电路图如下： 15 1452 367867412V+1222456786 图示 2。 2 超声波接收部分电路图 进电机部分 电机采用四相八拍工作方式，需要对电机的每“一相”进行驱动。驱动电路中，选用 林顿三极管，功率电阻 数为 8 、 2W，在 C 极与电机电源之间接入一个保护二极管 （型号 防止功率管 T 从工作状态变为截止状态时，由于感性电机绕组电流的连续性而会在三极管 C 极上产生一个较强的反向电动势（电流），而损害三极管 ;E 和 C 极间的二极管（型号 加入是为了增大三极管的反向耐压值，起到泄流保护作用。驱动电路如下： V+12 。 3 步进电机驱动部分电路图 其工作原理是：当在 A、 B、 C、 D 电平输入端输入高电平时，使中光敏二极光发光，从而光耦三极管工作。因三极管的 C 极、 E 极的电流大约满足相等的关系，故 C 极与 E 极相当于导通，从而形成电源到地的回路，使次的达林顿三极管无法工作，再使电机的该相不能工作。反之，当 A、 B、 C、 D 电平输入为低时， 17 使用权光耦三极管不工作，从而使达林顿三极管工作，最终驱动步进电机转动。 示部分 单片机将所测得的数据进行相应的处理后，实时地将数据送给 128 64 液晶屏（ 示，显示信息包括：距离、角度、状态。 分 我们采用 冲发送控制、接受处理进行控制。单片机只控制整个系统的复位与启动，在整个收发过程中，单片机完全不干预，而是由 部的状态机来，控制脉冲发射的启动与停止，控制回波计数器的启动与停止，控制收发 干扰的消除。这样，整个系统便工作在了极高的速度下，大大提高了测量的精度。并且，使单片机能集中在人机界面的处理。 部框图如下： 8 9 s 5 2 单 片 机单 片 机 到 片 内总 线 接 口片 内 总 线总 线 到 键 盘 接 口 总 线 到 显 示 接 口4 0 k H z 直 接 频 率 合 成 系 统键 盘 显 示脉 冲 输 出F P G 控 制 器回 波 输 入计 数 门 闸 控 制 计 数 器I O 接 口步 进 电 机 控 制图 2。 5成框图 18 源部分 电源部分输出 5V， 12V 电压供给整个系统。电源采用桥式全波整流，大电容滤波，三端稳压芯片稳压的方法，产生各种直流电压。稳压芯片采用的是7805、 7905、 7812、 7912，典型电路如下： +-+-+电压（ 5V、 12V）输出前都经过了电感 +电容组合网络滤波，经实测，纹 波均小于 3 19 3、 硬件设计时的抗干扰技术 单片机系统在电子设计的各领域都有广泛的应用，但在某些控制系统中若存在强静电场 (如大功率电动机、发电机、磁力开关、变压器 )，对单片机来讲都是致命的干扰源，尽管电路和程序设计得都很合理但单片机在上述环境下也很难能正常工作。另外来自系统内部和外部的各种干扰即使不会造成系统运行失常，也会引起数据采集测量误差加大等问题，所以在设计系统时， 应事先充分考虑抗干扰性的要求，避免在设计完成后再去进行抗干扰的补救措施。 单片机主要有以下几种干扰： (1)(2)(3) 硬件抗干扰技术是设计系统时首选的抗干扰措施，它能有效抑制干扰源，阻断干扰传输通道。只要合理地布置与选择有关参数，硬件抗干扰措施就能抑制系统的绝大部分干扰。常用的硬件抗干扰措施有：接地技术、屏蔽技术、隔离技术及滤波技术等。 字系统与模拟系统 单片机系统多为数字系统与模拟系统相互联系的混合系统，模拟信号与数字信号之间的最大差别在于用来代表这些信号的能量在频域中的分布情况，因此数字信号更容易进入不属于它们的电路中去，产生干扰。 数字电路除输入引脚以外 的其它引脚 (电源脚、输出脚等 )中输 入外来信号很难影响电路的输出， 而模拟电路很容易受到从芯片任何引脚输入的信号的影响(最主要的是输入信号和电源 )。模拟信号畸变的主要原因是来自数字信号、电源线和接地平面等其它信号源的电容耦合。对于最常见的数 字信号 (或时钟信号 )与模拟信号的耦合，解决方法是： (1)就要求在电路设计时要使数字信号尽可能远离模拟信号； (2) (3)尽可能以 90 交叉； (4)模 拟信号与数字信号之间设置屏蔽； (5)要使数字地或电源平面延伸到电路的模拟部分之 20 下； (6)尽可能的使用速度慢的逻辑系列； (7)振荡。 数字信号中最为典型的是时钟信号，常用于产生单片机的工作时序脉冲，不仅是受噪声干扰最敏感的部位，同时也是单片机对外发射辐射干扰和引起内部干扰的噪声源。数字电路在时钟边沿存在着相当大的电源浪涌电流，浪涌电流与电源和地间的电阻共同作用会产生噪声， 为使电源的浪涌电流尽可能小，应提供良好的旁路电容。多数模拟信号以地信号为准，如果模拟地有任何干扰，则必将叠加到模拟信号上，同样，与模拟器件相连的电源上的噪声也会影响正在处理的信号。使用单独的数字和模拟电源将有助于减少数字电路对模拟电路的干扰，在使用单独电源有困难的情况下，可以对模拟电源进行单独隔离。模拟电路除了要求电源本身具有较小噪声外，还要在较宽的范围内有较低的输出阻抗，这样在电源上某部分产生的噪声就不会传输到其它的部分去。关于接地和电源干扰的抑制，在后文中会有详细介绍。另外，模拟电路越复杂，数字信号对其 影响的机会就越多，可能时用数字电路代替模拟电路，使模拟部分尽可能简单。 源的干扰与抑制 (1)在直流电源电路中由于单片机及一些存储器、接口电路等都是数字电路，所以在电源电路会产生峰值很大的尖峰电流， 供电电源是外部瞬时脉冲窜入系统的主要通道，必须对其采取必要的抗干扰措施，如电源滤波、变压器屏蔽隔离等。设计系统时实用的一些措施有：采用 钽电容或电解电容加在电源线与地线之间，作为旁路电容滤除纹波；在数字芯片的电源输入处采用一个 20F 的电解电容并联形成电荷池接地，有效地抑制了数字芯片对电源的影响。电容连线靠近电源端并尽量粗短，一般直接用焊锡连接；1 感组成的滤波网络进行滤波，以除去干扰。电感采用双线绕法 如图 示；其中 F 电容用来抑制高频， 100 F 电容用来抑制低频分量电感线圈可以抑制其变化的电流电压使电源具有一个稳 图 电源滤波电路 定的电压输出，使整个系统正常工作。 (2)在使用的市电供电电网中，正常的 50弦波形上叠加有许多高电压的尖峰脉冲信号，这些信号 会严重影响系统的正常工作，可产生较大干扰。抑制和消除工频干扰，常用的方法是在 A/D 转换电路之前加 波器，或者采用采样时间是 50工频期整数倍的双积分式 A/D 转换器。硬件抗干扰措施无法完全抑制工频干扰时，可采用软件方法，具体 实现已在算法章节中的“ 软件滤波 ” 做 过相应介绍。 地技术 接地的目的有三个：为各电路的工作提供基准电位、安全和抑制干扰。据此可将接地方式分为三类：安全接地，作为一种保护措施，防止强电的高电压、大容量危及人身安全，所有测试现场使用的电子设备的外壳、底盘、机座都应接地；工作接地 ，信号回路接于基准导体或基准电位点；屏蔽接地，电缆、变压器等屏蔽层的接地。屏蔽接地的具体注意事项在后文中会有所介绍。 接地连接可能构成大量令人讨厌的干扰源，特别是大型电子设备流入大地的电流将造成各接地连接之间的电位差，形成较强的干扰。同时适当的 接地方法也是抑制干扰的 主要方法或对系统的一种保护措施。 一般在控制系统中有三类地：(1)称为工作地，指系统中小信号回路、控制电路、逻辑电路、直流电流电路的地线。 (2)被控制或被捡测对象比如继电器、电磁阀等电器的地线。 (3)系统中 电 机 等构件的接地。这三类地线最好相应独立，同时系统接地 常采用以下一些处理措施： (1)低频电路全部于一点接地； (2)高频电路就近分开接地； (3)数字地与模拟地分 开走线，只在一点汇在一起，或用电感相连。 22 电子设备种类繁多，频率从直流到微波、能量从微弱信号到大功率都有，它们的接地应该根据设备种类、性能、测试要求等不同分别予以考虑。 离技术与屏蔽线的使用 隔离技术是将易受干扰的部分和干扰源隔离开来，使两者之间仅保持信号关系，但不直接发生电的关系，以此达到抗干扰的目的。常用的隔离方法为光电隔离、变压器隔离 、继电器隔离等。光电隔离是将两个电路的电信号隔离开，通过光耦合来传递信号。这样能保证信号的正确传输，又具有较高的电气隔离和抗干扰能力。光耦合不仅可以隔断噪声信号还可以实现电平转换；继电器隔离是利用继电器的线圈接受电气信号，利用触点发送和输出信号，从而实现抗干扰隔离；脉冲变压器可实现数字信号的隔离，但不能传递直流分量，常用于不要求传递直流分量的数字信号输入 /输出系统中。 屏蔽是指用屏蔽体把通过空间进行电磁场耦合的部分隔离开来，阻断空间场的耦合通道。设计中最常使用的屏蔽技术是利用屏蔽线对传输的有效信号进行保护。 屏蔽线有用于低频设备的单芯、两芯及多芯普通屏蔽线，双绞屏蔽线和用于高频设备的同轴电缆等。良好的屏蔽是和接地紧密相连的，由于其使用环境、条件及传输信号的不同，因此在实施屏蔽时的接地方式也不同。如果用于低频设备测试连接的屏蔽线的屏蔽层有两个以上接地点时，有可能通过屏蔽层构成噪声地线回路而产生噪声电流，从而在屏蔽芯线上产生噪声电压，所以应尽量采用单点接地方式。但即使采用单点接地，芯线与屏蔽层间的分布电容也将产生噪声耦合，从而形成意想不到的干扰或造成屏蔽防护作用的降低。进行信号屏蔽线连接时应注意以下几个问题： (1) (2)空的屏蔽层往往会形成更严重的干扰； (3)测量设备的地极易形成噪声干扰； (4)蔽层接测量设备的公共地； (5)蔽层接于信号源对地低阻抗端。 对高频 设备屏蔽线，不宜继续采用单点接地的方式，因为此时导线间的杂散 23 电容的影响作用已不可忽视。两端接地是一种实用的接地方法，但对于长电缆传输信号的场合，应多点接地，保证两接地点间的电缆长度不超过信号波长的 1/4，以减少接 地阻抗和防止电缆传输中的反射干扰。 系统设计中较为实用的方法是使用双绞线和同轴线：模块与模块之间的信号线用同轴线，这样可以有效地屏蔽信号，防止信号与外部串扰；数字信号的走线则使用双绞线，其中一根用作信号传输线，另一根用作屏蔽线，可以有效地抑制高频毛刺。对于两组平行放置的双绞线，可采用彼此节距不同来抑制相互间的电磁感应干扰。 波技术 滤波技术通常分为简单的滤波电容的添加和无源、有源滤波器的使用。 在系统中，往往只需要在合适的位置添加合适的滤波电容就可以达到很好的抗干扰效果，这在接地技术和电源噪声抑 制方法中已介绍过，具体的添加规律还要靠实验经验的积累。另外常用无源或有源滤波器电路来滤除电路中已存在噪声的干扰。 无源滤波器通常由电阻、电容、电感组成，电容、电感滤波器常用于抑制串模和共模干扰， 防止串模和共模干扰关系到整个系统的稳定性。串模干扰是指叠加在被测信号上的干扰信号；共模干扰是指不同 “ 地 ” 之间存在共模电压，以及模拟信号系统对地存在漏阻抗。较 图 电容滤波 为典型的滤波电路如 图 示。这种结构能有效的抑制共模 (由 成 )和串模干 扰 (由 电 路成 )。 有源滤波器由电阻、电容和运 算放大器组成。 源滤波器中的 络可以任意设定有源滤波器的谐振频率，网络的损耗由运算放大器补偿，而且滤波器可以做成高品质因数，并且当 Q 值一定时其谐振频率可调，因此为当以前使用较多的一种滤波器。基本滤波器的设计有现成的滤波器设计表可参照，操作比较方便，在此不再累述。 24 用芯片的抗干扰措施 元器件及芯片的选择是系统抗干扰的重要环节，通常遵循降额设计的准则，并尽量在一个系统中减少元器件品种、型号。另外，不同元器件的抗干扰措施也不尽相同。 (1)在元器件的使用时，尤其要注意电容 的选择。电容按介质材料分可分为云母电容、纸介电容、陶瓷电容、塑料介质电容和电解电容。云母电容可用于中频、高频及要求耐压高的电路，但价格较贵；纸介电容适用于频率小于 电路中，但易损坏，使用年限短；陶瓷电容分低介电常 数型 (型 )、高介电常数型 (型 )和半导体型 ( 型 )三 种。 、 型和 型特性基本相同，但它们没有温度系数线性和容差偏差小的特点，适宜做高频滤波电路。 型主要用于对温度稳定性要求比较高的电路，如晶振、 A/D 转换、 V/F 转换电路的积分电路等；塑料介质电容耐压高，稳定，可用于高、中频电路，但怕 高热；电解电容中的铝电解电容适用于做电源滤波及低频旁路，钽电解电容在频率特性、漏电特性、温度特性方面优于铝电解电容，低温时应选钽电解电容。电容使用时必须注意极性，同时电解电容不宜使用在交流电路中，但可在脉冲电路中使用。电容使用不当也会成为噪声源，如在处理微小信号时电容会因为漏电，或由于某些 原 因 (如温度变化 )而形成新的噪声源。 数字电路中存在的电源线的阻抗问题和数字电路受高速跳变的电流作用时产生的阻抗噪声都可由设置合适的去耦电容来解决。 列单片机最高晶振为 12个机器周期为 1s，去耦电容 可选 振低于 6，去耦电容选用 (2)、 D/A 转换器的干扰抑制 A/D、 D/A 转换器是系统与外部信息的交换通道，又是数字量与模拟量共存的部位，根据它们所处位置及功能特点，主要受到的干扰及其改善措施为： 来自输入 /输出电路的干扰。 A/D 转换器的输入模拟量一般来自传感器或放大器的输出，因此关于测量单元的抗干扰技术，如采用差动式测量放大器、输 25 入滤波、隔离放大器、电压 /电流变送器等，对 A/D 装置的抗干扰是十分必要的。应将输出信号就近进行 A/D 转换，用数字量进行信息传输将 增强系统的抗干扰性能。 D/A 转换器的输出信号一般很强，不易受外界干扰，但往往会形成对系统的干扰。因此，应将模拟信号或数字信号进行隔离。 来自供电电源的干扰。通其他芯片采取同样的抗干扰措施，具体方法前文已介绍。 数字信号对模拟信号的窜扰。 A/D、 D/A 转换电路是数字信息与模拟信息共存的区域，同样要注意避免数字信息对模拟信息的窜扰。 A/D 转换中的混叠噪声。模拟信号是非有限频带，无论采样频率取多高，各个频谱间的重叠都是不可避免的。因此，在把实际信号作为频带有限信号处理时，应根据采样定理，结合对象及 精度要求，确定系统的采样频率，使混叠噪声不影响系统的性能。 A/D 转换中的量化噪声。增加位数 N 和提高采样频率就可以有效的降低量化噪声。 (3)在有继电器、接触器、电磁阀等感性负载电路中，当电路断开时会产生很高的电动势，既会在线路上造成电磁感应干扰，又会形成电弧干扰。抑制这种瞬变噪声干扰的方法是在线圈两端并联吸收装置，如并联电阻、并联放电二极管、并联电阻和二极管、并联 路、并联双向二极管或稳压管等。另外，值得提醒的是，固态继电器内部一般有 5 10漏电流，不宜用它直接控制很 小功率的负载。 激振荡及其消除方法 自激振荡现象在分立元件电路中比集成电路中更为普遍，它是由于放大器中的正反馈造成的。正反馈往往是由于安装、布线不合理等因素造成的，可通过合理布线、在放大器的一级的基极对地及基极对集电极间并接一个小电 容 (称中和电容 )，或 改善电源、在放大器各级之间加上 “ 去耦电路 ” ，以消除后级通过电源 26 与前级之间的耦合形成正反馈，或通过尽可能缩短各接地线之间的距离形成自激振荡，或通过晶体管内部反馈形成自激振荡。 7、 2)虽然心电信号的最低可能频率成分只达到 应于心脏搏动 30次 /分 )，但为 抑制 极化电流，心电信号放大电路的低频截止频率必须达到心电信号的低频截止频率的 1/10，即 用简单 通电路实现。 根据 路的传输函数，截止频率为2 1，理论设计值为 10 、 3 ，电路如图 6示。由于电容 电会引起以不应选用电解电容，而应使用介质特性较好的钽电容。 图 6通 100 500低通滤波器 ， 采用专用滤波器设计软件 计二阶贝塞尔 滤波器 ，电路 分别 如图 6图 6示 ： 图 6100通滤波器 图 6500通滤波器 为了达到任务要求的带外衰减速率，每个滤波网络均使用两级相同的滤波电路级联，组成 4 阶贝塞尔滤波器。 系统中还需用到 3低通滤波器模拟电话通道，为避免使传输的信号失真，仍采用贝 塞尔滤波器，设计电路及参数如图 6 设计的电路参数分别为： 图 63通滤波器 100通： 21 ， 042 ， 01 ， 22 ; 27 500通： 591R ， 52 ， ， ; 3通： 631R ， 52 ， ， 。 (3)降低稳压源的噪声 是 减少 50频干扰的主要措施，用普通集成三端稳压电路直接构成稳压电源难以达到 “ # # # /*液晶显示器的地址口 */ #;10;21;32; /*变量定义与说明 */ i,a=0; ,; c=0,e; d; 0=0 /*0显示代码数组 *