智能传感器系统电磁兼容

1、摘要 本文祥细分析智能传感器系统的电磁兼容问题并重点介绍了其组成部分中AD转换器、电源和印制电路板的抗干扰技术。从优化系统的抗干扰性来提高智能传感器的高性能。目录v智能传感器系统简介v抑制电磁干扰的基本方法v智能传感器系统的电磁干扰分析与对策 1) AD转换器的抗干扰 2)电源抗干扰设计 3)印制电路板的抗干扰v结束语 智能传感器系统的基本框图如图1所示。主要包括传感器，信号调理器，模/数转换器，微处理器，存储器，通信接口，键盘及显示器。若用智能传感器来代替传统的模拟传感器，还可省去信号调理器等电路。智能传感器系统简介 鉴于智能传感器系统的电路复杂性，且为模拟电路与数字电路并存、硬件与软件相结

2、合，在工业环境下远距离传输模拟或数字信号时，不仅容易受到外界强干扰，而且系统本身也会产生干扰。为了进一步提高系统的高性能，首先应该考虑的，就是必须有效地抑制各种干扰，优化电路设计和软件设计。抑制电磁干扰的基本方法 通过对包括干扰的来源、性质、传播途径、耦合方式以及进入电路的形式、接收干扰的电路等的确切分析，从形成干扰的“三要素”(即干扰源、耦合通道和敏感设备)出发采取相应的措施抑制干扰。 2.1消除或抑制干扰源 消除或抑制干扰源是最积极主动的措施，因为它能从根本上消除或减小干扰。在实际工作中，只有一部分在设计者管理权限内的干扰源可以消除或抑制；而大多数干扰源是独立存在的，是无法消除或抑制的，如

3、自然干扰源、周围工厂的电器设备产生的干扰等。还存在这种情况，对某一设备是一种干扰，而对另一设备则是有用信号，对这类信号就不能进行抑制。总之，消除或抑制干扰源的方法是有一定限度的。2.2破坏干扰的耦合通道 干扰的耦合通遣即传递方式可分为两大类，一种是以“路”的形式，另一种是以“场”的形式。对不同传递形式的干扰可采用不同的对策。 (1)对于以“路”的形式侵入的干扰，可以采用阻截或给予低阻通路的办法，使干扰不能进入接收电路。例如提高绝缘电阻以抑制漏电干扰；采用隔离技术来切断地环路干扰；采用滤波、屏蔽、接地等技术给干扰以低阻通路，将干扰引开；采用整形、限幅等措施切断数字信号干扰的途径等。 (2)对于以

4、“场”的形式侵入的干扰，一般采用屏蔽措施并兼用“路”的抑制干扰措施，使干扰受到阻截并难以以“路”的形式侵入电路。2.3消除接收电路对干扰的敏感性 不同的电路结构形式对干扰的敏感程度(即灵敏度)不同。一般高输入阻抗电路比低输入阻抗电路易接收干扰；模拟电路比数字电路易于接收干扰；布局松散的电子装置比结构紧凑的易于接收干扰。为削弱电路对干扰的敏感性，可以采用滤波、选频、双绞线、对称电路和负反馈等措施。2.4采用软件抑制干扰 对于有些已进入电路的干扰，用硬件措施又不易实现或成本太高，可以通过编入一定的程序进行信号处理和分析判断。达到抑制干扰的目的。智能传感器系统的电磁干扰分析与对策 对智能传感器系统造

5、成的干扰主要来自于：外界各种电动设备的电磁辐射与磁场耦合；公共地线的耦合；漏电流耦合干扰；电网电压的尖峰脉冲和高次谐波分量等所造成的直接经电源传输线进入的干扰；线间寄生电容所产生静电干扰；总线间的耦合干扰；直流稳压电源馈线上引入的各种纹波、尖峰干扰；系统外部动力线经分布电容向电子系统施加的耦合干扰。 需要明确的是，首先，通过智能化软件，智能传感器系统可以实现非线性自动校正功能，从而消除整个传感器系统的非线性系统误差，提高其精度； 其次，在智能化软件程序的导引下，智能传感器系统可进行实时自动校零和自动校准或标定，使得固定系统误差与由某些干扰因素，如温度、电源电压波动等引起的可变系统误差得以排除，

6、从而提高了系统的精度与稳定性；最后，智能传感器系统具有数据存储、记忆与信息处理功能，通过智能化软件可以进行数字滤波、相关分析和统计平均处理等，并可消除偶然误差、排除内部或外部引入的干扰，将有用信号从噪声中提取出来，从而使智能传感器系统具有高的信噪比与高的分辨率。 所以本文重点讨论智能传感器系统的硬件抗干扰技术，以下主要分析MD转换器、电源和印制电路板的抗干扰技术。3.1 A/D转换器的抗干扰 由智能传感器获得的信号，经A/D转换器的输入端，往往会窜入各种各样的干扰。为抑制干扰，可采取硬件和软件两方面的措施，本文重点介绍硬件抗干扰方法。 1对差模干扰的抑制 (1)在差模干扰严重的场合，可以采用积

7、分式或双积分式A/D转换器。这样转换的是平均值，瞬间干扰和高频噪声对转换综合影响很小。同时由同一积分电路进行的正反两次积分，使积分电路的非线性误差得到了补偿，所以转换精度高，但转换速度较慢。 (2)低频滤波。对于低频干扰，可采用同步采样的方法加以消除。这需对干扰先检测出频率，然后选取与此频率成整数倍的采样频率，并使二者同步。 (3)传感器与A/D转换器相距较远时，信号的传输可用电流传输代替电压传输。 2对共模干扰的抑制 (1)采用三线采样双层屏蔽浮置技术。所谓三线采样，就是将地线和信号线一起采样，这样的双层屏蔽技术是抗共模干扰最有效的方法。图2(a)是原理电路，(b)是等效电路。(a) (b)

8、 图2 三线采样双层屏蔽原理图vR3-A/D的等效输入电阻；vR1、R2-传感器桥臂电阻；vR4-输入信号低端到内屏蔽层漏电阻；vR6-内屏蔽层到外屏蔽层的漏电阻；vC4-输入信号低端到内屏蔽层的分布电容；vC5-内屏蔽层到外屏蔽层的分布电容；vC6-输入信号低端到外屏蔽层的分布电容。 采用内外层屏蔽后，由共模电压(U/2+Uac)所引起的共模干扰电流有Icm1、Icm2、Icm3。Icm1是主要部分，它通过R5、C5入地，不流经传感器电阻R2，所以不引起干扰。Icm2路径上的阻抗比Icm1的大一倍，所以lcm2=Icm1/2。Icm3在R2上产生的压降可以忽略不计。从图中可以看出只有lcm2

9、在R2上的压降导致差模干扰。这种情况下，电路的共模干扰抑制比为： 直流干扰时，DC 50Hz干扰时，AC 这种抑制干扰技术的效果是明显的。但在应用时要注意屏蔽层的接法和A/D电源自成系统，不能与大地相接。 (2)采用隔离技术。使电的干扰不能进入A/D转换器的输入端。1131020lgd =160d10CMRRBB631/ 220lgd124d10fCCMRRBB3.2 电源抗干扰设计 3.2.1 采用滤波和屏蔽供电 如图3所示为采用滤波和屏蔽的供电电源，其具体做法是，在交流220V进线处，设置一个低通滤波器，它对50Hz的市电影响很小，而对于频率很高的干扰波具有很强的抑制力。滤波器要加屏蔽外壳

10、，并使其接地良好；进线端与出线端要严格分开，以防止感应和辐射耦合。电源变压器的初级绕组和次级绕组需分别加屏蔽层，初、次级间再加屏蔽层，其初级的屏蔽层接交流电网的零线，次级屏蔽层和初、次级间的屏蔽层接至直流地端。3.2.2 采用交流稳压及隔离供电 在滤波和屏蔽之前，采取交流稳压及隔离措施，以将交流电网隔离开来，有时也可以直接采用DC/DC隔离变换器，如图4所示。3.2.3 采用串连开关式稳压电源 串连型开关式稳压电源是使电路中的串连调整管工作于开关状态，即调整管主要工作在饱和导通和截止两种状态。由于管子饱和和导通时的管压降和截止时流经管子的电流都很小，管耗主要发生在状态转换过程中，所以，效率可高

11、达8090。此种电源体积小、重量小、隔离性能好以及抗干扰能力强。 另有一种开关电源，它是先把直流电压经过调制、整流，而后再稳压，因此具有很强的抗干扰能力。3.2.4 整流后加多级滤波供电 电源的干扰大部分是高次谐波，因此采用低通滤波器让50Hz市电基波通过，滤去高次谐波，以改善电源波形。在低压下，当滤波负载有大电流时，宜采用小电感和大电容构成的滤波网络；当滤波负载有小电流时，宜采用大电感和小电容构成的滤波网络。在整流后可采用双T滤波，如图5所示，以消除50Hz的工频干扰。其优点是结构简单，对固定频率的抗干扰效果好。3.2.5 采用分散独立的集成电路模块供电 每个功能块单独对电源进行过载保护，不

12、会因某块稳压电源故障而使整个系统破坏，而且也减小了公共阻抗的相互耦合和公共电源的相互耦台大大提高了供电可靠性，也有利于电源散热。3.2.6 采用高抗干扰稳压电源及干扰抑制器 可以采用反激变换器开关稳压电源来增强抗干扰能力，也可以采用压敏电阻器和瞬变电压抑制器Tvs来增强对干扰的抑制。在一般正常工作电压下，压敏电阻呈高阻状态，相当于开路；当有过电压时，压敏电阻呈低阻状态。相当于短路。当浪涌电压过后，压敏电阻又恢复到高阻状态。瞬变电压抑制器又称作瞬变电压抑制二极管。当两端经受瞬间高能量冲击时，它能以极高的速度把两端间的阻抗值由高阻抗变为低阻抗，吸收一个大电流，从而把两端间的电压钳位在一个预定的数值

13、上，保护后面的电路元件不因瞬态的电压的冲击而损坏。3.3 印制电路板的抗干扰 印制电路板的抗干扰措施，主要有合理分配印制管脚、合理布置印制板上的连线和在板上采用一定的屏蔽措施等三个方面。 3.3.1 合理分配印制电路板插脚 为了抑制线间干扰对印制电路板的插脚必须进行合理分配。为了减小强信号输出线对弱信号输入线的干扰，将输入、输出线分置于印制电路板的两侧；地线设置在输入与输出信号线之间，对减小信号线问分布电容的影响。能起到一定的屏蔽作用。3.3.2 印制电路板合理布线 印制板是一个平面，不能交叉配线，但若在板上出现十分曲折的路径时，可以考虑通过元器件跨接的方法。配线不宜作成环路，特别是不要沿印制

14、板周围作成环路。不要有长段的窄条并行，不得已而并行时，窄条间要再设置隔离用的窄条。旁路电容的引线不能长，尤其是高频旁路电容，应该考虑不用引线直接接地。地线的宽度通常要选大一些，但要注意避免增大电路和地之间的寄生电容。单元电路的输入线和输出线，应分开设置，通常用地线隔开,以避免通过分布电容而引起寄生耦合。 3.3.3 印制电路板的屏蔽 屏蔽线。为了减小外界作用于电路板的或电路板内部导线或元器件之间出现的电容性干扰，可以在两个电流回路的导线之间另设根导线，并将它与有关的基准电位相连，就可以发挥屏蔽作用。 屏蔽环。屏蔽环是一条导电通路，它在印制电路板的边缘围绕着该电路板，并只在某一点与基准电位相连。它可以对外部作用于电路板的电容性干扰起屏蔽作用。若屏蔽环的起点与终点在电路板上相连，或通过插头连接，则将形成一个短路环，这将使穿过其中的磁场削弱，对感性干扰起抑制作用。这种屏蔽环不允许作为基准电位线使用。 屏蔽板。在印制电路板上设置屏蔽板，将受干扰部分与无干扰部分加以隔离，分置于两个空间中。 基板涂覆。一般印制电路板设计时，除了所需的线条之外，其他所有的基底材料均用腐蚀法除去。而基板涂覆法，则是