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浅谈数字信号在传输过程中的抗干扰方案

作者: 发布时间:2020-01-17 10:49:31 阅读: 56 次

 

摘要:文章介绍了常用抗干扰技术的一般原理,并分析了它们在工程实践中的具体应用,具有较强的实用价值。实际中,如果能有机结合这几种防扰技术,将会取得很好的抗干扰成效。

关键词:数字信号传输;抗干扰技术

 

引言

近年来,微电子技术和计算机信息技术获得长足进步,尤其是单片机技术,更是在工控领域得到了广泛运用。随着技术研究的深入开展,现今的发展趋势已呈现多机化和联网化。由于受到空间地理条件的制约,各分机往往相隔较远,在数据传输过程中会伴随着各种各样的干扰信号,如果缺乏必要的抗扰措施,便会窜入内部或外部的电气信号,它们使正常传输的数据产生偏差,导致计算机终端对执行机构发出错误信号,造成系统运行失稳等不良后果。

数字信号所受干扰一般分为两类,一类是外部干扰,主要指空间电磁波耦合干扰;另一类则是由于负载阻抗和线路阻抗不匹配产生的内部反射波干扰。

 

1.屏蔽技术和双绞线传输

这两者都能抑制外部的电磁波耦合干扰,但在原理上有差异。以下将对比分析它们的主要特点和机理。

1.1屏蔽的基本概念

借助屏蔽体把空间中的电场、磁场或电磁耦合场隔离,切断它们的耦合通道,便谓之屏蔽。一般而言,良好的屏蔽手段离不开接地,将两者有机结合,能够大大降低外部噪声,获得良好抗扰效果。屏蔽体一般是由各种低电阻材料构成,用它们包围待隔离部分,便能屏蔽外部干扰。被隔离部分可以使易受干扰体,也可以是干扰源,这样既能保证被隔离部分免受外部干扰,也能屏蔽被隔离部分向外部发射干扰信号。

    1)电场屏蔽

任意形状的空心导体在电场中时,电力线无法进入空腔,只能终止与导体表面的法向,这样在导体空腔内的物体可以不受外界电场的干扰。这叫做静电屏蔽。对于一些普通电子设备和信号传输导线,静电屏蔽有一定抑制作用。但要注意的是,空腔导体要接地,否则,空腔内的电势处处相等,且跟随外电场时时变化,也就达不到屏蔽外部电场信号的效果。

2)电磁场屏蔽

电磁场常对数字信号传输产生强烈干扰,其辐射强度正比于电磁场的变化频率。因此,电磁场屏蔽包含两方面内容:电磁感应屏蔽和辐射干扰屏蔽。

1.2 双绞线和金属屏蔽线

平行线间分布电容较大,抗干扰能力弱,静电感应很容易就能通过分布电容耦合,外磁场干扰信号也会在线路上感应出感应电流。在干扰信号强度较大的场所,不宜用平型导线传输数字信号,而要将信号线加以屏蔽。

双绞线和金属网屏蔽线是常用的屏蔽信号线的方法,后者的金属外壳作为屏蔽外层,芯线用来传输信号。金属网屏蔽线用来防止静电干扰,双绞线则用来抑制电磁干扰。

1)双绞线抗干扰原理

下图是双绞线抗干扰原理的示意图,箭头代表感应磁场方向。

 

 1 双绞线间电路磁场感应干扰情况

相邻回路空间的同一导线上的噪声电流数值相等方向相反,感应磁场相互抵消。当两根导线长度相等,自身阻抗以及输入输出阻抗相等时,能获得更佳抗扰效果。

实际中常把信号输出线与返回线捆绑拧合,一般拧绞节距在五十毫米左右。实际电路中,由于拧绞工艺误差和信号线本身的制造误差,很难保证两根导线的长度严格相等,也就造成了感应噪声清除的不彻底。

两组相邻平行布置的双绞线,应将彼此的节距设置为不等,以防互相之间产生电磁感应干扰。也可以增大两组平行线的间距,或者分别将它们置于两个屏蔽网中。

 

a)节距相同

 

b)不等节距

 

2 平行布置的双绞线

2反映了平行布置的双绞线由于磁场耦合而产生感应电流的基本情况。A图中两组导线节距相同,I组绞线一旦具有电流i1,其感应磁场会穿过II组绞线的覆盖区域,并在II组绞线上产生感应电流i2i2在绞线上同向相加,无法抑制磁场干扰信号。图b中的两组导线节距不等,磁场耦合感应电流两两抵消,起到了抑制耦合干扰的作用。

2)屏蔽线的抗干扰原理

屏蔽层和导线之间有分布电容,如果屏蔽外层不接地,干扰信号会经由屏蔽层和分布电容进入主电路。一般只在屏蔽层的一端接地,避免两端接地时带来由于电阻压降造成的耦合干扰。屏蔽线对外部电磁感应干扰无作用,只能抑制静电感应干扰。

具有金属屏蔽外层的双绞线兼具屏蔽线和双绞线两者的优点,在实际中,可以用金属蛇皮包裹双绞线,并把蛇皮外拉接地,可以获得很好的防扰效果。

 

2.接地

屏蔽线接地方式对于数字信号传输影响很大。良好的接地能够抑制内部噪声,抵抗外部干扰侵入。如果没有处理好接地环节,会发生噪声耦合,反而会加大干扰程度。

2.1信号电缆屏蔽层接地要点

外界干扰信号强度和地线安装条件决定了电缆屏蔽层的接地方式。

1)选在靠近信号源处

如果信号源存在很强的共模噪声电压,可以给分布电容充电。若电缆屏蔽层在接收侧接地,共模噪声流会穿过屏蔽层后进入大地,在芯线中产生很强的感应电流。为此,应把屏蔽层的接地位置选在靠近被测装置的一侧,使得噪声电流不经屏蔽层直接流入大地。

2)选在信号接收侧

如果共模干扰较轻,分布电容不足以产生严重干扰,而且信号源侧的接地安装不方便,也可将屏蔽层接地点选在信号接受一侧,靠近接收器的入口。

3)两点接地

信号源没有很强的共模干扰,地线电流也较弱,屏蔽近用来抑制静电感应干扰,可把信号源侧和接收侧同时接地,将静电感应电荷直接引入地下。当然,此时,任一种接地方式都能够有效抑制静电干扰。

屏蔽层接地点的选择要具体问题具体分析,优先选在信号源一侧,既可以抑制共模干扰,也能防止静电干扰。

2.2双绞线的接地

工程实际中,双绞线的一根用来传输信号,另一根则充当屏蔽线作用。干扰电压产生的感应电流在两根线上的流向相反,使得噪声电流抵消。因此。屏蔽线应该双端接地,提供一个闭合的感应电流回路。

 

结语

其他的抗干扰技术还有光电隔离等。实际中,单一采取某种抗干扰技术,往往效果不佳,只有根据具体情况结合两种或几种抗干扰技术,才能保证数字信号顺利传输。

参考文献

[1]王幸之,王雷等.单片机应用系统干扰技术.[M]北京:航空航天大学出版社,2002

[2]曹志刚, 钱亚生。现代通信原理[M] . 北京: 清华大学出版社, 2001