3.5屏蔽、接地、浮置與其他干擾抑制技術3.6電源變壓器與工頻干擾3.7通過布線減小干擾3.8軟件抗干擾技術思考與練習題

第三講電子電路的抗干擾技術(二)電子電路的抗干擾技術3.5.2接地技術

1.接地的概念和目的在電子測量系統(tǒng)中，地的含義包括兩種。一是代表一個系統(tǒng)或一個電路的等電位參考點，接地的目的是為系統(tǒng)或電路的各部分提供一個穩(wěn)定的基準電位，并以低的阻抗為信號電流回流到信號源提供通路。這種地又稱為信號地。顯然，沒有信號地，系統(tǒng)或電路是無法工作的。二是指地球的大地。系統(tǒng)或電路的某些部分需要與該地連接，接地的目的是為電氣設備提供一個保護接地，或者是滿足靜電屏蔽的需要。

電子電路的抗干擾技術

2.電子測量系統(tǒng)中的多種地線

1）保護地線為了安全起見，作為三相四線制電源電網(wǎng)的零線、電氣設備的機殼、底盤以及避雷針等都需要接大地。對于單相電，為了保證用電的安全性，也應采用具有保護接地線的單相三線制配電方式。圖3-12是220V三線制交流配電原理圖?！盎鹁€”上裝有熔斷絲，保護地線應與設備外殼相連。當電流超過容限時，熔斷絲切斷電源，但不管漏電流大小或熔斷絲是否熔斷，

用電設備外殼始終保持地電位，

從而保障了人身安全。

電子電路的抗干擾技術圖3-12單相三線制配電原理圖

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2）信號地線電子測量系統(tǒng)中的地線除特別說明是接大地的以外，一般都是指作為電信號的基準電位的信號地線。信號地線又可分為兩種：模擬地和數(shù)字地。模擬地是模擬信號的零電位公共線。因為模擬信號一般較弱，所以對模擬地要求較高。數(shù)字地是數(shù)字信號的零電位公共線。電子電路的抗干擾技術

由于數(shù)字信號一般較強，故對數(shù)字地要求可低些。但由于數(shù)字信號處于脈沖工作狀態(tài)，動態(tài)脈沖電流在雜散的接地阻抗上產生的干擾電壓，即使尚未達到足以影響數(shù)字電路正常工作的程度，但對于微弱的模擬信號來說，往往已成為嚴重的干擾源。為了避免模擬地與數(shù)字地之間的相互干擾，二者應分別設置。電子電路的抗干擾技術

3）信號源地線信號源地線是傳感器本身的零電位基準公共線。傳感器可看做是測量裝置的信號源。通常傳感器安裝在生產現(xiàn)場，而顯示、記錄等測量裝置則安裝在離現(xiàn)場有一定距離的控制室內，

在接地要求上二者不同。

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4）負載地線負載的電流一般較前級信號大得多，負載地線上的電流在地線中產生的干擾作用也大，因此負載地線和放大器的信號地線也有不同的要求。有時二者在電氣上是相互絕緣的，它們之間通過磁耦合或光耦合傳輸信號。在電子測量系統(tǒng)中，上述四種地線應分別設置。在電位需要連通時，可選擇合適位置做一點相連，以消除各地線之間的干擾。

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3.電路一點接地原則

1）單級放大電路的一點接地如圖3-13（a）所示，單級選頻放大器的原理電路上有7個線端需要接地。如果只從原理圖的要求進行接線，則這7個線端可以接在接地母線任意不同位置。這樣，不同接地點間的電位差就有可能成為這級電路的干擾信號。因此，應采用圖3-13（b）所示的一點接地方式。

電子電路的抗干擾技術圖3-13單級電路的一點接地(a)多點接地方式；

(b)一點接地方式

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2）

多級電路的一點接地圖3-14（a）所示的多級電路利用一段公用地線后，再在一點接地，它雖然避免了多點接地可能產生的干擾，但是在這段公用地線上卻存在著A、B、C三點不同的對地電位差，其中UA＝(I1+I2+I3)R1，UB＝UA+(I2+I3)R2

，UC＝UB+I3R3。電子電路的抗干擾技術圖3-14多級電路的一點接地(a)一點接地的串聯(lián)方式；

(b)一點接地的并聯(lián)方式

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當各級電平相差不大時，這種接地方式還勉強可以使用。如果各電路的電平相差很大時，就不能使用。因為高電平電路將會產生較大的地電流并干擾到低電平電路。這種利用一段公用地線多級接地方式的優(yōu)點是布線簡便，因此常應用在級數(shù)不多，各級電平相差不大以及抗干擾能力較強的數(shù)字電路。在使用這種接地方式時還應注意把低電平的電路放在距接地點最近的地方，因為該點最接近于地電位。電子電路的抗干擾技術

3)

放大器與信號源的接地圖3-15（a）為放大器與信號源的兩點接地方式。其中Us為信號源電壓，Rs為信號源內阻，Rc為引線電阻。對于微弱信號的放大電路，信號源地與放大器地之間存在著地電阻RG，當某種干擾電流流過此電阻時，就會形成共模干擾UG。其等效電路如圖3-15（b）所示。

電子電路的抗干擾技術圖3-15放大器與信號源的接地方式(a)放大器與信號源兩點接地；

(b)兩點接地等效電路；

(c)一點接地等效電路

電子電路的抗干擾技術電子電路的抗干擾技術3.5.3浮置技術浮置又稱浮空、浮接，它指的是電子測量系統(tǒng)的輸入信號放大器公共線(即模擬信號地)不接機殼或大地。對于被浮置的測量系統(tǒng)，測量電路與機殼或大地之間無直流聯(lián)系。

電子電路的抗干擾技術圖3-16浮置的溫度測量系統(tǒng)

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圖3-16所示的溫度測量系統(tǒng)中，其前置放大器通過三個變壓器與外界聯(lián)系。B1是輸出變壓器，B2是反饋變壓器，B3是電源變壓器。前置放大器的兩個輸入端子均不接外殼和屏蔽層，也不接大地。兩層屏蔽之間互相絕緣，外層屏蔽接大地，內層屏蔽延伸到信號源處接地。從圖中可明顯看出，采用浮置后地電位差所造成的干擾電流大大減小，而且該電流為容性漏電流。電子電路的抗干擾技術3.5.4平衡電路平衡電路又稱為對稱電路。它是指雙線電路中的兩根導線與連接到這兩根導線的所有電路對地或對其他導線電路結構對稱，對應阻抗相等。例如，電橋和差分放大器就屬于平衡電路。

采用平衡電路可以使對稱電路結構所拾撿的噪聲相等，并可以在負載上自行抵消。

電子電路的抗干擾技術圖3-17最簡單的平衡電路

電子電路的抗干擾技術

圖3-17所示電路是最簡單的平衡電路。UN1、UN2為噪聲電壓源，Us1、Us2為信號源，兩個噪聲源所產生的噪聲電流為IN1、IN2，兩個信號源產生的信號電流為Is。由電路原理圖可求出在負載上產生的總電壓為（3-15）

電子電路的抗干擾技術在一個不平衡系統(tǒng)中，電路的信號傳輸部分可采用兩個變壓器而使其變得平衡，其原理如圖3-18所示。因為長導線最易拾撿噪聲，所以這種方法對于信號傳輸電路在噪聲抑制上是很有用的。同時，變壓器還能斷開地環(huán)路，因此能消除負載與信號源之間由于地電位差所造成的噪聲干擾。

電子電路的抗干擾技術圖3-18用兩個變壓器使傳輸線平衡(a)不平衡系統(tǒng)；

(b)平衡傳輸系統(tǒng)

電子電路的抗干擾技術3.5.5濾波器

1.RC濾波器當信號源為熱電偶、應變片等信號變化緩慢的傳感器時，利用小體積、低成本的無源RC低通濾波器將對串模干擾有較好的抑制效果。對稱的RC低通濾波器電路如圖3-19所示。

電子電路的抗干擾技術圖3-19串模干擾信號濾波器(a)單級RC濾波器與放大器的連接；

(b)二級RC濾波器電子電路的抗干擾技術

2.直流電源輸出端的濾波器直流供電的儀表，其直流電源往往被幾個電路共用。因此，為了減弱經共用電源內阻在各電路之間形成的噪聲耦合，對直流電源輸出端還需加裝濾波器。圖3-20(a)、(b)是濾除高、低頻成分干擾的兩種濾波器。

電子電路的抗干擾技術圖3-20高、

低頻干擾電壓濾波器

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3.退耦濾波器當一個直流電源對幾個電路同時供電時，為了避免通過電源內阻造成幾個電路之間互相干擾，應在每個電路的直流進線與地線之間加裝退耦濾波器。圖3-21是RC和LC退耦濾波器的應用方法示意圖。應注意，LC濾波器有一個諧振頻率，其值為

(3-16)應將這個諧振頻率取在電路的通頻帶之外。在諧振頻率時，濾波器的增益與阻尼系數(shù)ξ成反比。

LC濾波器的阻尼系數(shù)

(3-17)式中,R是電感線圈的等效電阻。

為了將諧振時的增益限制在2dB以下，應取ξ>0.5。

電子電路的抗干擾技術圖3-21電源退耦濾波器(a)RC退耦濾波器；

(b)LC退耦濾波器

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4.交流電源進線端的對稱濾波器任何使用交流電源的電子測量儀表，經電源線傳導耦合到測量電路中的干擾，都會對儀表工作造成影響。為此，在交流電源進線端子間加裝濾波器是十分必要的。電子電路的抗干擾技術3.5.6光電耦合器光耦合器是由發(fā)光二極管和光敏三極管封裝在一個管殼內組成的。發(fā)光二極管兩端為信號輸入端，光敏三極管的集電極和發(fā)射極作為光耦合器的輸出端，它們之間的信號傳輸是靠發(fā)光二極管在信號電壓的控制下發(fā)光，傳送給光敏三極管來完成的。輸入信號和輸出信號二者之間在電氣上是絕緣的。電子電路的抗干擾技術圖3-22用于斷開地環(huán)路的光耦合器電子電路的抗干擾技術

見圖3-22。由于兩個電路之間采用光束來耦合，因此能把兩個電路的地電位隔離開，兩個電路的地電位即使不同也不會造成干擾。光耦合對數(shù)字電路很適用，但在模擬電路中需應用光反饋技術，以解決光耦合器特性的非線性問題。電子電路的抗干擾技術3.5.7脈沖電路的噪聲抑制技術

1.脈沖電路被干擾的一般情況對于脈沖電路來說，理想的信號波形應具有以下特征：①幅度一定；②重復周期或脈沖寬度一定；③波形無畸變，不寄生其他非工作信號波形；④沒有相位偏移；⑤零電平基準線保持不變。電子電路的抗干擾技術

實際電路中，由于各種各樣的電路條件及傳輸過程中各種干擾因素的影響，上述理想條件并不是都能滿足。例如，當脈沖信號通過電容時就失去了直流分量，零電平可能要偏離基準線；電路的時間常數(shù)不合適將使脈沖波形發(fā)生畸變；信號如通過電感將產生相移，且隨頻率變化；在包含頻率極寬的脈沖波形中，其每個頻率的相移大小各不相同，故會發(fā)生波形畸變?？傊?，信號的畸變是引起脈沖電路工作異常的重要因素之一，也是區(qū)別于模擬電路的重要特征。電子電路的抗干擾技術圖3-23常見的脈沖干擾波形(a)原波形；(b)嚴重振鈴；(c)混入了模擬干擾；(d)高頻寄生振蕩(e)垂度過大；

(f)共模干擾；

(g)尖峰干擾

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2.脈沖電路的噪聲抑制技術

1）脈沖干擾隔離門脈沖干擾隔離門利用硅二極管的正向壓降對幅度較小的干擾脈沖加以阻擋，而讓幅度較大的脈沖信號順利通過。圖3-24給出了脈沖隔離門的原理電路。圖中二極管應選用開關管。

電子電路的抗干擾技術圖3-24脈沖隔離門

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2）削波器當噪聲電壓低于脈沖的波峰值時，也可使用圖3-25所示的削波器。該削波器只讓高于電壓E的脈沖信號通過，而低于電壓E的干擾脈沖則被削掉。

圖3-25削波器(a)原理圖；

(b)波形圖

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3）積分電路在脈沖電路中為了抑制窄脈沖型的噪聲干擾，使用積分電路是最有效的。當脈沖電路以脈沖前沿的相位作為信息傳輸時，通常用微分電路取出前沿相位。但是，如果有噪聲脈沖存在，其寬度即使很小也會出現(xiàn)在輸出端。如果使用積分電路，則脈沖寬度大的信號輸出大而脈沖寬度小的噪聲脈沖輸出小，所以能將噪聲脈沖干擾濾除掉。圖3-26以波形圖的形式說明了用積分電路消除干擾脈沖的原理。

電子電路的抗干擾技術圖3-26用積分電路消除干擾脈沖(a)混有干擾的脈沖信號；

(b)微分電路的輸出波形；

(c)積分電路的輸出波形

電子電路的抗干擾技術3.6電源變壓器與工頻干擾3．6．1電源變壓器的屏蔽措施

1．電源變壓器原、副邊繞組之間加入單層靜電屏蔽后的漏電流分析

圖3-27帶靜電屏蔽的變壓器等效電路電子電路的抗干擾技術3．6．2電源濾波器的構造及抗干擾特性任何使用交流電源的電子測量系統(tǒng)，經電源線傳導耦合到測量電路中的干擾，都會對系統(tǒng)工作造成影響。為此，在交流電源進線端子間加裝濾波器是十分必要的。在電源和負載之間插入交流電源濾波器之后可以將幾千赫茲至幾十兆赫茲范圍內的電磁干擾衰減到幾十分之一。交流電源濾波器有不同的構造，因此也有不同的抗干擾特性。

電子電路的抗干擾技術圖3-31是幾種常用的電源濾波器的結構原理圖。圖（a）是高頻旁路電容濾波器，可以濾除電源中的高頻串模干擾。圖（b）是并接在電源輸入兩端的兩個串聯(lián)旁路電容，電容間的連接點接地。這種濾波器可以濾除電源的共模干擾。圖（c）所示的濾波器電路中，C1、C2對濾除共模干擾起作用，而C3對濾除串模干擾起作用。圖（d）是濾除電源串模干擾的濾波器，L1、L2對于高頻干擾源來說是高阻抗，C為低阻抗。圖（e）是濾出共模干擾的濾波器。

圖3-31各種電源濾波器的構成

電子電路的抗干擾技術圖3-32是對串模干擾和共模干擾均有濾除效果的電源濾波器。100μH電感、0.1μF電容組成高頻濾波器，能吸收從電源線傳導進來的中短波段的高頻噪聲干擾。圖中兩只對稱的5mH電感是由繞在同一只鐵芯兩側、匝數(shù)相等的電感繞組構成的，稱為共模電感（或抗共模干擾扼流圈）。由于電源的進線側至負載的往返電流在鐵芯中產生的磁通方向相反、互相抵消，因而不起電感的作用，對50Hz的大負載電流阻抗很小，但對于電源相線和中性線同時存在的大小相等、相位相同的共模噪聲干擾來說，是一個較大的電感，它呈高阻抗，所以對共模噪聲干擾有良好的抑制作用。圖中的10μF電容能吸收因電源波形畸變而產生的諧波干擾；圖中的壓敏電阻R能吸收因雷擊等引起的浪涌電壓干擾。

電子電路的抗干擾技術圖3-32交流電源濾波器電路

電子電路的抗干擾技術3.6.3鐵氧體磁珠濾波器及浪涌吸收器

1.鐵氧體磁珠濾波器在穩(wěn)壓電源的直流輸出端接一個電源濾波器，能有效地抑制電源干擾，但是當輸出直流電流很大時，如數(shù)十安培乃至數(shù)百安培時，濾波器中的抗共模干擾扼流圈勢必要做得很大，特別是線圈的線要粗，鐵芯截面積要大，給制作和安裝帶來很大的麻煩。在這種場合下，鐵氧體磁珠可以作為濾波器使用。鐵氧體磁珠是一個對高頻有很大的損耗，而對低頻及直流幾乎沒有損耗的元件，它對1MHz以上的干擾有顯著的衰減作用。磁珠可根據(jù)需要做成大型的或小型的。小型的孔徑為1mm左右，可以直接穿在銅線、電阻、晶體管等引線上面，起濾波作用。鐵氧體磁珠可分為電阻性的和電感性的兩種，一般用電感性的磁珠作為濾波器。這種磁珠的等效電路為一個電阻和一個電感的串聯(lián)，

磁珠的阻抗與頻率之間有如下關系：

電子電路的抗干擾技術（3-19）

式中，R為磁珠的等效電阻，L為等效電感。由于磁珠的電阻R使電感的Q值下降，而成為低Q值電路，這對磁珠作為寬頻帶有效的扼流圈是十分重要的。當用一個磁珠還不足以衰減干擾時，可用幾個串聯(lián)在一起。在直流大電流時要注意選擇磁珠的規(guī)格，不要引起磁珠的磁飽和。

電子電路的抗干擾技術

2.浪涌吸收器在電源電路中用浪涌吸收器，以吸收電源中的各種浪涌脈沖干擾。這也是抑制電源干擾的有效措施之一。浪涌吸收器的主要特點是其電流—電壓關系很特殊，電流的增加和減少，使電阻值也發(fā)生相應變化。所以，浪涌吸收器也常稱為變阻器。其伏安特性曲線如圖3-33所示。若一旦擊穿，其兩端的壓降迅速降低，電流迅速增加。浪涌吸收器的主要技術指標有擊穿電壓、浪涌電流及導通電壓。

電子電路的抗干擾技術圖3-33浪涌吸收器的伏安特性曲線

電子電路的抗干擾技術3.7通過布線減小干擾1、強弱信號分開布線2、交直流線路分開布線3、高低壓線路分開走線4、減小線路的環(huán)路面積5、導線和元件的固定6、印刷電路板的設計電子電路的抗干擾技術較差較好電子電路的抗干擾技術很好較好較差電子電路的抗干擾技術3.7.1印刷電路板的設計一、印刷電路板基板的選擇電子電路的抗干擾技術電子電路的抗干擾技術二、印刷電路的分布電容及載流量電子電路的抗干擾技術分布電容大分布電容跟單面接近電子電路的抗干擾技術3.7.3印刷線路板的布線設計：1、走線呈直線狀，切忌往返交錯：較好較差電子電路的抗干擾技術2、盡量減小布線的分布電容，這與接地電阻應小相矛盾。

a、采用隔離走線

b、采用短接線（跳線）電子電路的抗干擾技術C、采用屏蔽線或屏蔽板d、集成電路用隔離地線和電源線電子電路的抗干擾技術3、接地線應隨著接地點的增加而不斷加寬，盡量減小接地電阻。4、絕對避免印刷銅箔形成環(huán)路，以減小對噪聲信號的接收。5、從安全角度考慮，電源回路的銅箔應能承受電路的最大電流值．６、高頻電路和高壓電路在拐彎處不應開成尖角，以避免高壓打火或高頻寄生振蕩。７、印制條狀銅箔間的距離不可太小。電子電路的抗干擾技術電子電路的抗干擾技術輸出電路（第四級）放大電路（第三級）放大電路（第一級）電源電路放大電路（第二級）振蕩電路INOUT（a）輸出電路（第四級）放大電路（第三級）放大電路（第一級）電源電路放大電路（第二級）振蕩電路INOUT(b)不合理較合理電子電路的抗干擾技術電容電容電容電容（a）電容電容電容電容（b不合理較合理電子電路的抗干擾技術電容電容按鈕電阻電阻電阻電阻電阻電容電容按鈕電阻電阻電阻電阻電阻(a)(b)不合理較合理電子電路的抗干擾技術3.8軟件抗干擾技術

3.8.1數(shù)字濾波技術在信號檢測系統(tǒng)中均含有各種噪聲和干擾，它們來自被測信號本身、傳感器、外界干擾等。為了進行準確測量，必須消除被測信號中的噪聲和干擾。噪聲有兩大類：一類為周期性的；另一類為不規(guī)則的。前者的典型代表為50Hz的工頻干擾，對于這類信號，可以采用前幾節(jié)介紹的抗干擾措施；對于不規(guī)則的隨機干擾，可以用數(shù)字濾波方法予以削弱或濾除。所謂數(shù)字濾波，就是通過一定的計算或判斷程序減少干擾在有用信號中的比重，因此它實質上是一種程序濾波。數(shù)字濾波克服了模擬濾波器的不足，與模擬濾波器相比，它有以下幾個優(yōu)點：電子電路的抗干擾技術（1）數(shù)字濾波是用程序實現(xiàn)的，不需要增加硬件設備，所以可靠性高、穩(wěn)定性好。（2）數(shù)字濾波可以對頻率很低(如0.01Hz)的信號實現(xiàn)濾波，克服了模擬濾波器的缺陷。（3）數(shù)字濾波器可以根據(jù)信號的不同，采用不同的濾波方法或濾波參數(shù)，具有靈活、方便、功能強的特點。

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1.常用的數(shù)字濾波方法

1）算術平均值濾波法算術平均值濾波法是在采樣點連續(xù)采樣數(shù)次并相加，然后取算術平均值作為本次采樣值的方法。這種方法可以減小系統(tǒng)的隨機干擾對采樣結果的影響。

采樣次數(shù)取3~5次即可。

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2）限幅濾波法由于大的隨機干擾或傳感器的不穩(wěn)定，使得采樣數(shù)據(jù)偏離實際值太遠，為此采用上、下限限幅，即

（3-20）

而且采用限速(亦稱限制變化率)，即

（3-21）

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3）中值濾波法中值濾波法的原理是對被測參數(shù)連續(xù)采樣m（m為大于等于3的奇數(shù)）次，并按大小順序排列，再取中間值作為本次采樣的有效數(shù)據(jù)。中值濾波法和平均值濾波法結合起來使用，濾波效果會更好。即在每個采樣周期，先用中值濾波法得到m個濾波值，再對這m個濾波值進行算術平均，得到可用的被測參數(shù)。

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4）慣性濾波法慣性濾波法實際上是用軟件方法代替硬件RC濾波器，也就是利用軟件完成低通濾波器的算法。以上討論了四種數(shù)字濾波方法，在實際應用中，究竟選取哪一種數(shù)字濾波方法，應視具體情況而定。一般來說，算術平均值濾波法適用于周期性干擾；中值濾波法和限幅濾波法適用于偶然的脈沖干擾；慣性濾波法適用于高頻及低頻的干擾信號。針對不同的測量對象，有時還會同時采用幾種濾波方法，比如先用中值濾波法或限幅濾波法，然后再用算術平均值濾波法。

總之，應用恰當?shù)臄?shù)字濾波方法，可以有效地濾除和減小各種干擾和噪聲。

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2.數(shù)字濾波器設計方法數(shù)字濾波器實際上是通過一定的計算機程序對采樣數(shù)據(jù)進行處理，來實現(xiàn)上述濾波方法的。下面以匯編語言編寫的MCS-51系列單片機中值數(shù)字濾波子程序為例，說明其設計方法。中值數(shù)字濾波子程序的功能是對被測信號連續(xù)采樣三次，從中選擇中間值作為有效信號。將連續(xù)采樣的三個數(shù)據(jù)分別存入R1、R2、R3寄存器，最后得到的結果存入R0寄存器。電子電路的抗干擾技術程序清單如下：ZZLB：PUSHPSW；將PSW和累加器A進棧保護

PUSHACC

MOVA,R1；將第一次采樣的數(shù)據(jù)放于A

CLRC

SUBBA，R2

JNCZZLB1；第一次采樣的數(shù)據(jù)大于第二次的，則轉ZZLB1

MOVA，R1

XCHA，R2；將第一次和第二次采樣的數(shù)據(jù)互換

MOVR1，AZZLB1：MOVA，R3

CLRC

SUBBA，R1

JNCZZLB3；第三次采樣的數(shù)據(jù)大于前二次的，則轉ZZLB3電子電路的抗干擾技術

MOVA，R3

CLRC

SUBBA,R2

JNCZZLB4

MOVA,R2

MOVR0,AZZLB2：POPACC

POPPSW

RETZZLB3：MOVA，R1

MOVR0，A

AJMPZZLB2ZZLB4：MOVA，R3

MOVR0，A

AJMPZZLB2電子電路的抗干擾技術3.8.2指令冗余技術當CPU受到干擾后，往往會將一些操作數(shù)當作指令碼來執(zhí)行，引起程序混亂。當程序“跑飛”到某一單字節(jié)指令上時，便自動納入正軌；當程序“跑飛”到某一雙字節(jié)指令上時，有可能落到其操作數(shù)上，從而繼續(xù)出錯；當程序“跑飛”到三字節(jié)指令