杨昊泽

【摘要】 随着电子技术的不断发展，智能检测仪在电子行业发挥的作用也越来越大。由于内部和外部因素的影响，造成电磁环境变得越来越复杂，因此智能检测仪受到的干扰也在不断地增大。为了更好的应对智能监测仪中微弱信号在电路检测工作中遇到的问题，本文从有限元法和电磁屏蔽法两个方面进行分析，探讨微弱信号的处理办法，保证智能监测仪的平稳运行。

【关键词】 智能检测仪 微弱信号 处理办法

智能检测仪对于电子行业的发展具有重要的作用，但是在智能检测仪的工作过程中，由于复杂的电磁环境的干扰，导致微弱信号在工作中受到影响，阻碍了智能检测仪的正常平稳的工作，所以有针对性的加强对微弱信号检测工作中存在问题的分析，并进行探讨是十分必要的[1]。

一、智能检测仪的概念

智能检测仪的概念：智能检测仪是一种智能型的测量控制仪表，能够对温度以及压力做出精确的反映，同时也可以实现联合，能够与传感器和变送器等构成各种类型、各种功能的测量控制系统。智能检测仪的信号输入并不是固定的，可以根据实际的需要，灵活的改变，还可以与热电偶和其他的标准电压、电流信号，热电阻进行搭配。智能检测仪还自带报警功能，分为四路报警，操作者可以根据需要将报警输出任意的定义，一般是上限报警和下限报警。同时还可以实现与0-10mA、4-20mA标准电流的输送及12VDC/50mA、5VDC/50mA、24VDC/50mA馈电输出。智能检测仪的特点是采用当今最先进的ATMEL单片微机作主机，减少了外围部件，提高了可靠性。其次是输出接口采用模块化结构，功能配置方便灵活。另外集多种输入型号、输出方式于一机。还有用WATCHDOG电路、软件陷阱与冗余、掉电保护、数字滤波等技术，注重现场容错能力，使整机具有很强的抗干扰能力。最后是采用双四位LED数码显示，可同时显示测量值与第一报警值。通过光柱（20线）显示测量值[2]。

二、微弱信号处理方法研究

2.1 基于有限元法

1、PCB中电磁干扰源。因为在微弱信号检测过程中，容易受到来自内部和外界各种因素的干扰，因此电磁干扰源也是多种多样的。其中包括高频信号线产生的电磁辐射、分布电感耦合引起的串扰等等，这些都对微弱信号的工作产生严重的影响[3]。PCB中的电磁辐射分为两类。一种是电场辐射，另外一种是磁场辐射。电场辐射产生的原因是在PCB设计走线时，走线的长度是电磁辐射波长四分之一的奇数倍，这时的PCB中的金属线条就充当了天线的角色，向外界辐射高频度的电磁能量，在此同时外部的电磁辐射也会对金属线条产生干扰。应当注意的是在微弱信号的工作过程中，其自身的电子元件会对接受道德电子辐射进行调频和控制，会产生相应的电子噪音，从而对用于检测微弱信号的电子设备内部的高频度电路产生不良的影响，而且还会影响到设备内部的中低频度的电路。PCB中的磁场辐射产生主要是由印制线条造成的。印制线条的长度很小，尤其是和工作的波长相比，是远远小于的，因此可以运用偶极子天线的原理进行解释。电偶极子的另外一个成为是电流元，它的长度以及它的横向的尺寸和工作的波长相比都是较小的[4]。

2、PCB的抗干扰设计措施。抗干扰设计的措施需要用专业的方法，一般采用的是电磁兼容设计的方法，还有另外一个称谓是低噪声设计法。在进行设计的时候一般包括三个环节，布局、布线和接地。布局这一环节是十分重要的一个组成部分，因为布局的质量好坏与否直接决定了接下来走线的科学合理以及测控系统的平稳运行。所以在进行布局的过程中，要综合的考虑各个方面的因素，力求做到布局的质量高，为后续的布线工作做好基础准备。在布局时，具有逻辑关系的电子元件应该尽量要就近的放置，那些易受到干扰的、小电流电路等电子元件应该在放置的时候需要有一定的安全距离，尽量的和数字逻辑元件之间留的较远。另外微弱信号检测工作中，尽量的选用低速的芯片进行操作，保证检测工作的顺利进行。还应当注意的是PCB在进行检测的过程中，要根据电流强度的不同进行区分，将电流大小不同的板块进行分开和隔离。并且要注意的是PCB在设计的过程中尽量将干扰源和敏感器件之间的距离放大一点，比如是DAC芯片等，属于比较敏感的电子元件，所以就应该的和PCB之间的距离拉开。并且在进行DAC参考电压端的放置时，要和数字信号线之间保持一定的距离，保证避免遭受电磁的辐射和干扰，从而影响电压的平稳，造成上下的波动[5]。在微弱电路检测中，对时钟的走线要进行合理的布置，线长要适中，最好是短一点，并且在走线区域内都要进行隔离。在设计环节要最大程度的避免出现直角走线，因为将走线的角度确定为45度的设计，可以在很大程度上降低和减少对外部的电磁辐射。另外为了减少电磁之间的相互干扰，PCB在设计过程中大信号线的走线布局，要和小的型号走线避免靠近，尤其是在走线时出现平行走线的情况。这些方式有利于在很大程度上降低来自于外界的干扰，避免对敏感的信号线产生不良的影响。还有要注意在布线过程中，尽量的较少或者完全的不在小信号线的周围设置电流环路，当出现特殊的情况不得不设置的时候，要尽量采用调整布线方向的方式，从而减少电流环路区域的面积，尤其是不要在对噪声特别敏感的电子元器件的周围出现布线的设置。

3、微弱信号检测电路PCB的电磁场仿真。利用微弱信号检测电磁场的仿真，首先是要建立相关的仿真模型。Ansoft Designer是综合了电磁仿真、建模等物理原理，用有限元法解决电磁场问题的软件，同时该软件在仿真模型的建立中发挥着重要的作用。采用混合电位积分方程的计算方法，利用矩量法来计算相关的电流密度，得到参数J，从而根据得到的参数计算出S参数。接着利用Protel DXP软件画出PCB设计的方案，最后在Ansoft Designer软件中导入，结合实际的情况需要，根据实际的参数建立仿真模型。

其次是在建立PCB仿真模型之后，还要根据实际的情况添加激励端口，设置所需要的激励增幅值。在设置的环节都完成之后需要对模型进行分析工作的准备。设定分析的各项条件，扫描的频率、求解的频率等等。最后的环节是进行检验，检验合格方可进行分析工作，不合格的需要进行重新的设定，知道检验合格才能进行下一步的工作。最后根据对仿真模型分析的结果，对PCB设计中的走线方向和方式进行适当的调整，对距离较近或者是相同方向的信号线，要注意保持安全的距离，防止相互之间的干扰。另外对于垂直距离之间的走线，应当注意避免直角走线的情况。还要注意对那些比较敏感的信号线在走线设计的过程中，要尽量的远离场强较强的地方，减少影响。

2.2 基于电磁屏蔽法

1、屏蔽原理分析。屏蔽是指通过用导电的材料，以及具有导磁功能的材料制成的屏蔽体，把电磁的能量限制在一定的范围之内，从而大大的削弱电磁的传输。在现阶段一般采用的屏蔽措施是通过对一些较敏感的电子设备和元器件进行保护，阻止外部的带电磁场对设备内部产生影响，降低外界的电磁环境和电磁辐射对电子设备的内部产生影响。另外，一些具有比较严重干扰能力的电磁器件，会采用隔离的措施进行保护，从而减弱和降低电磁泄露。屏蔽的原理有很多种，大体上屏蔽的方式分为三类：电磁屏蔽和磁场的屏蔽，以及电磁的屏蔽。

2、屏蔽效能分析。对于屏蔽效能的分析，一般通过计算来验证。屏蔽的效果用公式可以表示，传输系数T与屏蔽效能SE之间存在一定的比例关系。在公式中字母T所代表的是在屏蔽之后，某一处的场强（用字母E1和H1表示）和未经屏蔽处理之前的场强（用字母E2和H2表示）之间的比，由此可以得出关系式：即有对电场存在T1=E1/E2的反比例关系；对磁场存在T2=H1/H2的反比例关系，并且在关系式中，传输系数的值，也就是T的值越小，代表着该屏蔽效能越强，屏蔽的效果越佳。另一方面屏蔽的效能（用字母SE表示）也存在一定的比例关系，是指经过屏蔽之后某一处的场强E1和H1与和之前未经过屏蔽处理的场强E2与H2之间形成的比，所得到的数据单位是dB，由此可以得出公式：对电场存在S1=20log（E1/E2），对磁场存在S2=20log（H1/H2）的关系。并由此可知，屏蔽的效能值，也即是S值越大，代表着屏蔽物体所产生的屏蔽效果越强。利用屏蔽效能对屏蔽物体所产生的效果进行表示，能够在进行多层屏蔽体的效果计算过程中，直接简单的通过加减运算就能够表示出整体的屏蔽效能，更加的直观简洁。

3、孔缝对屏蔽效能的影响。电磁波要对系统内部产生电磁干扰，一般会通过两种形式。一种是利用设备的天线耦合，另一种是从设备的缝隙进入。针对第一种情况，为了防止外界电磁的干扰，可以加装相关的抗干扰电子元件对设备进行保护。但是另一方面电子设备的内部不可避免的存在孔缝，孔缝会导致内部电磁对外界的辐射，也更容易的使外界的电磁干扰直接的进入电子设备的内部，难以保证屏蔽的效果。屏蔽效果还受到孔缝尺寸和面积的影响，一般来说，矩形孔缝造成的电磁辐射和泄漏要远远的大于方形或者是圆形孔缝所造成的电磁污染，然而方形孔缝造成的电磁泄漏比圆形的泄漏要严重得多。

4、Ansoft HFSS中屏蔽效能仿真分析。Ansoft HFSS是针对于微波电子器件的设计，利用有限元法解决电磁场问题，对电磁场数值进行高精度仿真的一款软件，在电子领域的各个行业中应用广泛。利用该软件进行屏蔽效能的仿真分析，可以总结出：避免在屏蔽物体表面留下缝隙，否则会降低屏蔽的效果，另外，在必须要有缝隙的情况下，尽量减小缝隙的面积，采用圆形空洞，减少电磁的泄漏；敏感的元器件在放置过程中要远离孔缝，从而减少电磁的干扰，提高屏蔽的效果。

三、结束语

综上所述，在电子技术的发展过程中，智能检测仪微弱信号电路检测工作能够发挥重大的作用，保证了不受电磁辐射的干扰，同时通过对微弱信号的处理办法的探讨，有利于提高抗电磁干扰的能力，保证电子系统的平稳运行。

参 考 文 献：

[1]朱维娜，林敏.基于随机共振和人工鱼群算法的微弱信号智能检测系统[J].仪器仪表学报，2013，11：2464-2470.

[2]宋毅，杨裕翠.散射式低能见度无线预警检测仪设计[J].测控技术，2013，10：55-58.

[3]刘旭飞.强噪声下微弱信号处理方法研究[J].科技信息，2012，07：83-84.

[4]黄佳亮.微弱信号检测的噪声和处理方法[J].仪器仪表与分析监测，1995，01：38-54.

[5]杨汉祥.微弱信号检测技术的研究[J].科技广场，2009，01：27-30.

[6]杨晓阔，王曙钊，王峻，刘鹏.基于特征向量盲分离的多频微弱信号检测方法[J].传感技术学报，2008，08：1393-1397.