抗干擾、驅(qū)動和匹配問題對數(shù)字系統(tǒng)的影響.doc

1、抗干擾、驅(qū)動和匹配問題對數(shù)字系統(tǒng)的影響目錄1數(shù)字系統(tǒng)中的抗干擾問題31.1干擾的主要類型31.2抗干擾的主要方法42數(shù)字系統(tǒng)中的驅(qū)動問題62.1 數(shù)字系統(tǒng)中驅(qū)動能力的定義62.2 提高驅(qū)動能力的措施63.數(shù)字系統(tǒng)中的匹配問題84. 案例分析-電動開關(guān)為何失效95.總結(jié)10抗干擾、驅(qū)動和匹配問題對數(shù)字系統(tǒng)的影響通信0901 徐思敏 指導(dǎo)老師 侯建軍摘要：本文論述了數(shù)字系統(tǒng)中干擾的主要類型，其中重點分析了浪涌噪聲及其危害，又列舉了幾種常用的抗干擾方法，這些方法設(shè)計的基本原則是：抑制干擾源，切斷干擾傳播路徑，提高敏感器件的抗干擾性能。在文章的第二部分介紹了數(shù)字系統(tǒng)中驅(qū)動能力的定義，及常用提高驅(qū)動能力

2、的措施，包括使用反相器，三極管，驅(qū)動芯片等。最后討論了ttl芯片和cmos芯片的匹配問題以及高速數(shù)字電路中的終端匹配問題。關(guān)鍵詞：抗干擾扇出系數(shù)驅(qū)動能力反相器三極管終端匹配技術(shù)1數(shù)字系統(tǒng)中的抗干擾問題1.1干擾的主要類型影響數(shù)字電路的干擾源大都產(chǎn)生在電流或電壓劇烈變化的部位，這些電荷劇烈移動的部位就是噪聲源，即干擾源。干擾類型通常按干擾產(chǎn)生的原因、噪聲干擾模式和噪聲的波形性質(zhì)的不同的劃分。其中：按噪聲產(chǎn)生的原因不同，分為浪涌噪聲、放電噪聲,高頻振蕩噪聲等；按噪聲的波形、性質(zhì)不同，分為持續(xù)噪聲、偶發(fā)噪聲等；按噪聲干擾模式的不同可分為共模干擾和差模干擾。浪涌噪聲是電路在遭雷擊和在接通、斷開電感負載

3、或大型負載時常常會產(chǎn)生很高的操作過電壓，這種瞬時過電壓（或過電流）稱為浪涌電壓（或浪涌電流），是一種瞬變干擾、例如直流6v繼電器線圈斷開時會出現(xiàn)300v600v的浪涌電壓；接通白熾燈時會出現(xiàn)810倍額定電流的浪涌電流；當接通大型容性負載如補償電容器組時，常會出現(xiàn)大的浪涌電流沖擊，使得電源電壓突然降低；當切斷空載變壓器時也會出現(xiàn)高達額定電壓810倍的操作過電壓。浪涌電壓現(xiàn)象日趨嚴重地危及自動化設(shè)備安全工作，消除浪涌噪聲干擾、防止浪涌損害一直是關(guān)系到自動化設(shè)備安全可靠運行的核心問題?，F(xiàn)代電子設(shè)備集成化程度在不斷提高，但是它們的抗御浪涌電壓能力卻在下降。在多數(shù)情況下，浪涌電壓會損壞電路及其部件，其損

4、壞程度與元器件的耐壓強度密切相關(guān)，并且與電路中可以轉(zhuǎn)換的能量相關(guān)。圖1 浪涌噪聲為了避免浪涌電壓擊毀敏感的自動化設(shè)備，必須使出現(xiàn)這種浪涌電壓的導(dǎo)體在非常短的時間內(nèi)同電位均衡系統(tǒng)短接（引入大地）。在其放電過程中，放電電流可以高達幾千安，與此同時，人們往往期待保護單元在放電電流很大時也能將輸出電壓限定在盡可能低的數(shù)值上。因此，空氣火花間隙、充氣式過電壓放電器、壓敏電阻、雪崩二極管、tvs（transientvoltagesuppressor）、flashtrab、valetrab、sockettrab、maintrab等元器件，是單獨或以組合電路形式被應(yīng)用到被保護電路中，因為每個元器件有其各自不同

5、的特性，并且具有不同的性能：放電能力；響應(yīng)特性；滅弧性能；限壓精度。根據(jù)不同的應(yīng)用場合以及設(shè)備對浪涌電壓保護的要求，可根據(jù)各類產(chǎn)品的特性來組合出符合應(yīng)用要求的過電壓保護系統(tǒng)共模干擾和差模干擾共模干擾和差模干擾是一種比較常用的分類方法。共模干擾是信號對地的電位差，主要由電網(wǎng)串入、地電位差及空間電磁輻射在信號線上感應(yīng)的共態(tài) ( 同方向 ) 電壓迭加所形成。共模電壓可通過不對稱電路轉(zhuǎn)換成差模電壓，它會直接影響測控信號，造成元器件損壞 ( 這就是一些系統(tǒng) i o 模件損壞率較高的主要原因 ) ，這種共模干擾可以是直流、亦可為交流。差模干擾主要是指作用于信號兩極之間的干擾電壓，其中最主要的是空間電磁場在

6、信號間耦合感應(yīng)及不平衡電路的轉(zhuǎn)換共模干擾所形成的電壓，它會直接疊加在信號上，影響測量與控制精度。圖2 差模干擾信號和共模干擾信號1.2抗干擾的主要方法在電子系統(tǒng)設(shè)計中，為了少走彎路和節(jié)省時間，應(yīng)充分考慮并滿足抗干擾性的要求，避免在設(shè)計完成后再去進行抗干擾的補救措施。形成干擾的基本要素有三個： （1）干擾源，指產(chǎn)生干擾的元件、設(shè)備或信號，用數(shù)學(xué)語言描述如下：du/dt， di/dt大的地方就是干擾源。如：雷電、繼電器、可控硅、電機、高頻時鐘等都可 能成為干擾源。 （2）傳播路徑，指干擾從干擾源傳播到敏感器件的通路或媒介。典型的干擾傳 播路徑是通過導(dǎo)線的傳導(dǎo)和空間的輻射。 （3）敏感器件，指容易被

7、干擾的對象。如：a/d、d/a變換器，單片機，數(shù)字ic， 弱信號放大器等。 抗干擾設(shè)計的基本原則是：抑制干擾源，切斷干擾傳播路徑，提高敏感器件的 抗干擾性能。（類似于傳染病的預(yù)防） 1 抑制干擾源 抑制干擾源就是盡可能的減小干擾源的du/dt，di/dt。這是抗干擾設(shè)計中最優(yōu) 先考慮和最重要的原則，常常會起到事半功倍的效果。 減小干擾源的du/dt主要是通過在干擾源兩端并聯(lián)電容來實現(xiàn)。減小干擾源的 di/dt則是在干擾源回路串聯(lián)電感或電阻以及增加續(xù)流二極管來實現(xiàn)。 抑制干擾源的常用措施如下： （1）繼電器線圈增加續(xù)流二極管，消除斷開線圈時產(chǎn)生的反電動勢干擾。僅加 續(xù)流二極管會使繼電器的斷開時間

8、滯后，增加穩(wěn)壓二極管后繼電器在單位時間內(nèi)可 動作更多的次數(shù)。 （2）在繼電器接點兩端并接火花抑制電路（一般是rc串聯(lián)電路，電阻一般選幾k 到幾十k，電容選0.01uf），減小電火花影響。 （3）給電機加濾波電路，注意電容、電感引線要盡量短。 （4）電路板上每個ic要并接一個0.01f0.1f高頻電容，以減小ic對電源的 影響。注意高頻電容的布線，連線應(yīng)靠近電源端并盡量粗短，否則，等于增大了電 容的等效串聯(lián)電阻，會影響濾波效果。 （5）布線時避免90度折線，減少高頻噪聲發(fā)射。 （6）可控硅兩端并接rc抑制電路，減小可控硅產(chǎn)生的噪聲（這個噪聲嚴重時可能 會把可控硅擊穿的）。2.切斷干擾傳播路徑圖3

9、 光電轉(zhuǎn)換切斷干擾途徑按干擾的傳播路徑可分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩類。 所謂傳導(dǎo)干擾是指通過導(dǎo)線傳播到敏感器件的干擾。高頻干擾噪聲和 有用信號的頻帶不同，可以通過在導(dǎo)線上增加濾波器的方法切斷高頻干擾 噪聲的傳播，有時也可加隔離光耦來解決。電源噪聲的危害最大，要特別 注意處理。所謂輻射干擾是指通過空間輻射傳播到敏感器件的干擾。一般 的解決方法是增加干擾源與敏感器件的距離，用地線把它們隔離和在敏感 器件上加 蔽罩。切斷干擾傳播路徑的常用措施如下： （1）充分考慮電源對單片機的影響。電源做得好，整個電路的抗干擾就 解決了一大半。許多單片機對電源噪聲很敏感,要給單片機電源加濾波電路 或穩(wěn)壓器，以減小電源

10、噪聲對單片機的干擾。比如，可以利用磁珠和電容 組成形濾波電路，當然條件要求不高時也可用100電阻代替磁珠。 （2）如果單片機的i/o口用來控制電機等噪聲器件，在i/o口與噪聲源之 間應(yīng)加隔離（增加形濾波電路）。 控制電機等噪聲器件，在i/o口與噪聲源之 間應(yīng)加隔離（增加形濾波電路）。 （3）注意晶振布線。晶振與單片機引腳盡量靠近，用地線把時鐘區(qū)隔離 起來，晶振外殼接地并固定。此措施可解決許多疑難問題。 （4）電路板合理分區(qū)，如強、弱信號，數(shù)字、模擬信號。盡可能把干擾源（如電機，繼電器）與敏感元件（如單片機）遠離。 （5）用地線把數(shù)字區(qū)與模擬區(qū)隔離，數(shù)字地與模擬地要分離，最后在一 點接于電源地。

11、a/d、d/a芯片布線也以此為原則，廠家分配a/d、d/a芯片 引腳排列時已考慮此要求。 （6）單片機和大功率器件的地線要單獨接地，以減小相互干擾。 大功率 器件盡可能放在電路板邊緣。 （7）在單片機i/o口，電源線，電路板連接線等關(guān)鍵地方使用抗干擾元件 如磁珠、磁環(huán)、電源濾波器，屏蔽罩，可顯著提高電路的抗干擾性能。3 提高敏感器件的抗干擾性能 提高敏感器件的抗干擾性能是指從敏感器件這邊考慮盡量減少對干擾噪聲 的拾取，以及從不正常狀態(tài)盡快恢復(fù)的方法。 提高敏感器件抗干擾性能的常用措施如下：（1）布線時盡量減少回路環(huán)的面積，以降低感應(yīng)噪聲。 （2）布線時，電源線和地線要盡量粗。除減小壓降外，更重

12、要的是降低耦 合噪聲。 （3）對于單片機閑置的i/o口，不要懸空，要接地或接電源。其它ic的閑置 端在不改變系統(tǒng)邏輯的情況下接地或接電源。 （4）對單片機使用電源監(jiān)控及看門狗電路，如：imp809，imp706，imp813， x25043，x25045等，可大幅度提高整個電路的抗干擾性能。 （5）在速度能滿足要求的前提下，盡量降低單片機的晶振和選用低速數(shù)字 電路。 （6）ic器件盡量直接焊在電路板上，少用ic座。2數(shù)字系統(tǒng)中的驅(qū)動問題2.1 數(shù)字系統(tǒng)中驅(qū)動能力的定義一般用“扇出系數(shù)”表示，意思就是單個邏輯門能夠驅(qū)動（后面級聯(lián)）的數(shù)字信號輸入的最大個數(shù)。2.2 提高驅(qū)動能力的措施一種是如755

13、5定時器中所使用的反相器，這里應(yīng)當指出驅(qū)動能力的大小是和那個邏輯門（如反相器-是結(jié)構(gòu)最簡單的門）的尺寸相關(guān)的，尺寸就是nmos和pmos的寬長比(w/l)。假設(shè)有兩個反相器，按照對稱設(shè)計pmos和nmos 的寬長比之比為2：1，如果一個反相器的nmos的（w/l）為1，另一個（w/l）為5，則后者的驅(qū)動能力就是前者的5倍。圖4 7555芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)并不是所有的反相器都可以做驅(qū)動器。大尺寸的反相器有大的驅(qū)動能力，小尺寸的反相器的驅(qū)動能力依然不行。其實所有其他邏輯門都是可以通過增加尺寸而提升驅(qū)動能力的，只不過反相器結(jié)構(gòu)最為簡單，而且兩個反相器級聯(lián)即可恢復(fù)原信號，所以才經(jīng)常使用反相器來增大驅(qū)動能力。

14、還有就是通過驅(qū)動芯片或使用三極管。以單片機為例，早期的51單片機，驅(qū)動能力很低。p1、p2和p3口只能驅(qū)動3個lsttl輸入端，p0口可驅(qū)動8個。如果想要驅(qū)動更多的器件，就要用到“總線驅(qū)動芯片”。經(jīng)常用的就是74ls244（單向）和74ls245（雙向）?，F(xiàn)在常用的 at89c51 單片機引腳的輸出能力已經(jīng)大多了，從 pdf 手冊文件中可查出：單片機輸出低電平的時候，單個的引腳，向引腳灌入的最大電流為 10 ma；一個 8 位的接口（p1、p2 以及 p3），灌入的總電流最大為 15 ma，p0 允許灌入的最大總電流為 26 ma；全部的四個接口所允許的灌電流之和，最大為 71 ma。但是當引

15、腳輸出高電平的時候，它們的“拉電流”能力可就差多了，竟然還不到 1 ma。單片機的輸出特性和很多常用的lsttl器件的輸出特性是相同的，都有灌電流較大的特點。實際上，現(xiàn)在常用的單片機io引腳驅(qū)動能力，就和早期的單片機增加了“總線驅(qū)動芯片”的效果基本是相同的?，F(xiàn)在的單片機輸出低電平的時候，就已經(jīng)可以直接驅(qū)動led發(fā)光了。上述的數(shù)值，也并非是不可逾越的破壞性極限數(shù)值。當略超過這些數(shù)值范圍的時候，單片機io引腳的電壓，就會發(fā)生變化，造成“高電平不高”、“低電平不低”，這就會縮小外接器件的噪聲容限。如果環(huán)境再稍有干擾，外接器件就無法正確判定單片機送來的高、低電平，將會胡亂動作。為了合理利用io引腳的低

16、電平能力強的特點，在外接耗電較大的器件（如led數(shù)碼顯示器、繼電器等）的時候，應(yīng)該優(yōu)先選用低電平輸出來驅(qū)動外部器件。驅(qū)動更大電流的負載，可以使用三極管來擴充電流，也可使用集成芯片uln2003（或uln2008），另外也可使用專用的驅(qū)動器件l298、各種型號的igbt等等。常用的三極管如下：8550（pnp）和8050（npn）：它們是一組可以配對使用的三極管，特點是集電極允許的電流很大，icm竟然能達到1500ma！而且還不需要使用散熱片。它們的集電極反向擊穿電壓bvceo為25v，pcm為0.5w。2n5401（pnp）和2n5551（npn）：它們也是一組可以配對使用的三極管，它們的特點

17、是耐壓比較高，集電極反向擊穿電壓bvceo可達160v！它們的最大集電極電流icm為0.6a，pcm為0.6w。不同廠家的產(chǎn)品，參數(shù)會稍有不同。下面以常見的繼電器為負載繼續(xù)說明驅(qū)動方法。繼電器線圈的驅(qū)動電流往往要有40ma以上，單片機的引腳肯定是不能承受了，必須用三極管來擴充輸出能力。如：+5v的大電流負載，用8550（pnp型）驅(qū)動電路可見下圖。圖5+5v的大電流負載，用8550（pnp型）驅(qū)動p3.7輸出低電平的時候，在r1中形成ib約有2ma，經(jīng)過8550的放大，ic足夠驅(qū)動繼電器了。用這個電路，不僅可以驅(qū)動繼電器，也驅(qū)動蜂鳴器、揚聲器、多個led等等，甚至驅(qū)動小型的直流電機，也是可以的

18、。3.數(shù)字系統(tǒng)中的匹配問題本文論述了ttl芯片和cmos芯片的匹配問題，和高速數(shù)字電路中的終端匹配技術(shù)。ttl芯片和cmos芯片的匹配要考慮兩個方面1.驅(qū)動門為負載門提供足夠大的灌電流和拉電流。驅(qū)動門與負載門電流之間的驅(qū)動應(yīng)滿足：ioh(max)niih(max) ，iol(max)miil(max)（n和m是負載電流的個數(shù)）2.驅(qū)動門的輸出電壓應(yīng)在負載門所要求的輸入電壓范圍內(nèi)。驅(qū)動門與負載門之間的邏輯電平應(yīng)滿足：uoh(min)uih(min)，uol(max)uil(max)。具體做法因為數(shù)字電子技術(shù)課上都講過，這里就不再贅述，下面詳細論述高速數(shù)字電路中的終端匹配技術(shù)。阻抗控制和終端匹配是

19、高速電路設(shè)計中的基本問題。通常每個電路設(shè)計中射頻電路均被認為是最重要的部分，然而一些比射頻更高頻率的數(shù)字電路設(shè)計反而忽視了阻抗和終端匹配。由于阻抗失配產(chǎn)生的幾種對數(shù)字電路致命的影響，參見下圖：圖6 阻抗失配傳輸數(shù)字信號將會在接收設(shè)備輸入端和發(fā)射設(shè)備的輸出端間造成反射。反射信號被彈回并且沿著線的兩端傳播直到最后被完全吸收。反射信號造成信號在通過傳輸線的響鈴效應(yīng)，響鈴將影響電壓和信號時延和信號的完全惡化。失配信號路徑可能導(dǎo)致信號對環(huán)境的輻射。由阻抗不匹配引起的問題可以通過終端電阻降到最小。終端電阻通常是在靠近接收端的信號線上放置一到兩個分立器件，簡單的做法就是串接小的電阻。終端電阻限制了信號上升時間及吸收了部分反射的能量。值得注意的是利用阻抗匹配并不能完全消除破壞性因素。然而認真的選用合適的器件，終端阻抗可以很有效的控制信號的完整性。4. 案例分析-電動開關(guān)為何失效在設(shè)計系統(tǒng)的時候，為了增加系統(tǒng)的可靠性和防止意外情況發(fā)生，我們總是會在重要的控制中加入手動開關(guān)控制這一終極策略，但是在這個案例中正是這個手動