抗干擾、驅(qū)動(dòng)和匹配問(wèn)題對(duì)數(shù)字系統(tǒng)的影響.doc

1、抗干擾、驅(qū)動(dòng)和匹配問(wèn)題對(duì)數(shù)字系統(tǒng)的影響目錄1數(shù)字系統(tǒng)中的抗干擾問(wèn)題31.1干擾的主要類(lèi)型31.2抗干擾的主要方法42數(shù)字系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)問(wèn)題62.1 數(shù)字系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)能力的定義62.2 提高驅(qū)動(dòng)能力的措施63.數(shù)字系統(tǒng)中的匹配問(wèn)題84. 案例分析-電動(dòng)開(kāi)關(guān)為何失效95.總結(jié)10抗干擾、驅(qū)動(dòng)和匹配問(wèn)題對(duì)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(lèi)型，其中重點(diǎn)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(jì)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(dòng)能力的定義，及常用提高驅(qū)動(dòng)能力

2、的措施，包括使用反相器，三極管，驅(qū)動(dòng)芯片等。最后討論了ttl芯片和cmos芯片的匹配問(wèn)題以及高速數(shù)字電路中的終端匹配問(wèn)題。關(guān)鍵詞：抗干擾扇出系數(shù)驅(qū)動(dòng)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(wèn)題1.1干擾的主要類(lèi)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(dòng)的部位就是噪聲源，即干擾源。干擾類(lèi)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(kāi)電感負(fù)載

3、或大型負(fù)載時(shí)常常會(huì)產(chǎn)生很高的操作過(guò)電壓，這種瞬時(shí)過(guò)電壓（或過(guò)電流）稱(chēng)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(kāi)時(shí)會(huì)出現(xiàn)300v600v的浪涌電壓；接通白熾燈時(shí)會(huì)出現(xiàn)810倍額定電流的浪涌電流；當(dāng)接通大型容性負(fù)載如補(bǔ)償電容器組時(shí)，常會(huì)出現(xiàn)大的浪涌電流沖擊，使得電源電壓突然降低；當(dāng)切斷空載變壓器時(shí)也會(huì)出現(xiàn)高達(dá)額定電壓810倍的操作過(guò)電壓。浪涌電壓現(xiàn)象日趨嚴(yán)重地危及自動(dòng)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(dòng)化設(shè)備安全可靠運(yùn)行的核心問(wèn)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(huì)損壞電路及其部件，其損

4、壞程度與元器件的耐壓強(qiáng)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(dòng)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(shí)間內(nèi)同電位均衡系統(tǒng)短接（引入大地）。在其放電過(guò)程中，放電電流可以高達(dá)幾千安，與此同時(shí)，人們往往期待保護(hù)單元在放電電流很大時(shí)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(guò)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(dú)或以組合電路形式被應(yīng)用到被保護(hù)電路中，因?yàn)槊總€(gè)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(chǎng)合以及設(shè)備對(duì)浪涌電壓保護(hù)的要求，可根據(jù)各類(lèi)產(chǎn)品的特性來(lái)組合出符合應(yīng)用要求的過(guò)電壓保護(hù)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(lèi)方法。共模干擾是信號(hào)對(duì)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(hào)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(guò)不對(duì)稱(chēng)電路轉(zhuǎn)換成差模電壓，它會(huì)直接影響測(cè)控信號(hào)，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(hào)兩極之間的干擾電壓，其中最主要的是空間電磁場(chǎng)在

6、信號(hào)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(huì)直接疊加在信號(hào)上，影響測(cè)量與控制精度。圖2 差模干擾信號(hào)和共模干擾信號(hào)1.2抗干擾的主要方法在電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為了少走彎路和節(jié)省時(shí)間，應(yīng)充分考慮并滿(mǎn)足抗干擾性的要求，避免在設(shè)計(jì)完成后再去進(jìn)行抗干擾的補(bǔ)救措施。形成干擾的基本要素有三個(gè)： （1）干擾源，指產(chǎn)生干擾的元件、設(shè)備或信號(hào)，用數(shù)學(xué)語(yǔ)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(jī)、高頻時(shí)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(guò)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(duì)象。如：a/d、d/a變換器，單片機(jī)，數(shù)字ic， 弱信號(hào)放大器等。 抗干擾設(shè)計(jì)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(lèi)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(jì)中最優(yōu) 先考慮和最重要的原則，常常會(huì)起到事半功倍的效果。 減小干擾源的du/dt主要是通過(guò)在干擾源兩端并聯(lián)電容來(lái)實(shí)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(lái)實(shí)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(kāi)線圈時(shí)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)干擾。僅加 續(xù)流二極管會(huì)使繼電器的斷開(kāi)時(shí)間

8、滯后，增加穩(wěn)壓二極管后繼電器在單位時(shí)間內(nèi)可 動(dòng)作更多的次數(shù)。 （2）在繼電器接點(diǎn)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(jī)加濾波電路，注意電容、電感引線要盡量短。 （4）電路板上每個(gè)ic要并接一個(gè)0.01f0.1f高頻電容，以減小ic對(duì)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(huì)影響濾波效果。 （5）布線時(shí)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(gè)噪聲嚴(yán)重時(shí)可能 會(huì)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(lèi)。 所謂傳導(dǎo)干擾是指通過(guò)導(dǎo)線傳播到敏感器件的干擾。高頻干擾噪聲和 有用信號(hào)的頻帶不同，可以通過(guò)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(shí)也可加隔離光耦來(lái)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(guò)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(duì)單片機(jī)的影響。電源做得好，整個(gè)電路的抗干擾就 解決了一大半。許多單片機(jī)對(duì)電源噪聲很敏感,要給單片機(jī)電源加濾波電路 或穩(wěn)壓器，以減小電源

10、噪聲對(duì)單片機(jī)的干擾。比如，可以利用磁珠和電容 組成形濾波電路，當(dāng)然條件要求不高時(shí)也可用100電阻代替磁珠。 （2）如果單片機(jī)的i/o口用來(lái)控制電機(jī)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(jī)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(jī)引腳盡量靠近，用地線把時(shí)鐘區(qū)隔離 起來(lái)，晶振外殼接地并固定。此措施可解決許多疑難問(wèn)題。 （4）電路板合理分區(qū)，如強(qiáng)、弱信號(hào)，數(shù)字、模擬信號(hào)。盡可能把干擾源（如電機(jī)，繼電器）與敏感元件（如單片機(jī)）遠(yuǎn)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(diǎn)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(shí)已考慮此要求。 （6）單片機(jī)和大功率器件的地線要單獨(dú)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(jī)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(duì)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(shí)盡量減少回路環(huán)的面積，以降低感應(yīng)噪聲。 （2）布線時(shí)，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(duì)于單片機(jī)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(duì)單片機(jī)使用電源監(jiān)控及看門(mén)狗電路，如：imp809，imp706，imp813， x25043，x25045等，可大幅度提高整個(gè)電路的抗干擾性能。 （5）在速度能滿(mǎn)足要求的前提下，盡量降低單片機(jī)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(dòng)問(wèn)題2.1 數(shù)字系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)能力的定義一般用“扇出系數(shù)”表示，意思就是單個(gè)邏輯門(mén)能夠驅(qū)動(dòng)（后面級(jí)聯(lián)）的數(shù)字信號(hào)輸入的最大個(gè)數(shù)。2.2 提高驅(qū)動(dòng)能力的措施一種是如755

13、5定時(shí)器中所使用的反相器，這里應(yīng)當(dāng)指出驅(qū)動(dòng)能力的大小是和那個(gè)邏輯門(mén)（如反相器-是結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的門(mén)）的尺寸相關(guān)的，尺寸就是nmos和pmos的寬長(zhǎng)比(w/l)。假設(shè)有兩個(gè)反相器，按照對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)pmos和nmos 的寬長(zhǎng)比之比為2：1，如果一個(gè)反相器的nmos的（w/l）為1，另一個(gè)（w/l）為5，則后者的驅(qū)動(dòng)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(dòng)器。大尺寸的反相器有大的驅(qū)動(dòng)能力，小尺寸的反相器的驅(qū)動(dòng)能力依然不行。其實(shí)所有其他邏輯門(mén)都是可以通過(guò)增加尺寸而提升驅(qū)動(dòng)能力的，只不過(guò)反相器結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單，而且兩個(gè)反相器級(jí)聯(lián)即可恢復(fù)原信號(hào)，所以才經(jīng)常使用反相器來(lái)增大驅(qū)動(dòng)能力。

14、還有就是通過(guò)驅(qū)動(dòng)芯片或使用三極管。以單片機(jī)為例，早期的51單片機(jī)，驅(qū)動(dòng)能力很低。p1、p2和p3口只能驅(qū)動(dòng)3個(gè)lsttl輸入端，p0口可驅(qū)動(dòng)8個(gè)。如果想要驅(qū)動(dòng)更多的器件，就要用到“總線驅(qū)動(dòng)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(jī)引腳的輸出能力已經(jīng)大多了，從 pdf 手冊(cè)文件中可查出：?jiǎn)纹瑱C(jī)輸出低電平的時(shí)候，單個(gè)的引腳，向引腳灌入的最大電流為 10 ma；一個(gè) 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(gè)接口所允許的灌電流之和，最大為 71 ma。但是當(dāng)引

15、腳輸出高電平的時(shí)候，它們的“拉電流”能力可就差多了，竟然還不到 1 ma。單片機(jī)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(diǎn)。實(shí)際上，現(xiàn)在常用的單片機(jī)io引腳驅(qū)動(dòng)能力，就和早期的單片機(jī)增加了“總線驅(qū)動(dòng)芯片”的效果基本是相同的?，F(xiàn)在的單片機(jī)輸出低電平的時(shí)候，就已經(jīng)可以直接驅(qū)動(dòng)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(dāng)略超過(guò)這些數(shù)值范圍的時(shí)候，單片機(jī)io引腳的電壓，就會(huì)發(fā)生變化，造成“高電平不高”、“低電平不低”，這就會(huì)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(wú)法正確判定單片機(jī)送來(lái)的高、低電平，將會(huì)胡亂動(dòng)作。為了合理利用io引腳的低

16、電平能力強(qiáng)的特點(diǎn)，在外接耗電較大的器件（如led數(shù)碼顯示器、繼電器等）的時(shí)候，應(yīng)該優(yōu)先選用低電平輸出來(lái)驅(qū)動(dòng)外部器件。驅(qū)動(dòng)更大電流的負(fù)載，可以使用三極管來(lái)擴(kuò)充電流，也可使用集成芯片uln2003（或uln2008），另外也可使用專(zhuān)用的驅(qū)動(dòng)器件l298、各種型號(hào)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(duì)使用的三極管，特點(diǎn)是集電極允許的電流很大，icm竟然能達(dá)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(duì)使用的三極管，它們的特點(diǎn)

17、是耐壓比較高，集電極反向擊穿電壓bvceo可達(dá)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(huì)稍有不同。下面以常見(jiàn)的繼電器為負(fù)載繼續(xù)說(shuō)明驅(qū)動(dòng)方法。繼電器線圈的驅(qū)動(dòng)電流往往要有40ma以上，單片機(jī)的引腳肯定是不能承受了，必須用三極管來(lái)擴(kuò)充輸出能力。如：+5v的大電流負(fù)載，用8550（pnp型）驅(qū)動(dòng)電路可見(jiàn)下圖。圖5+5v的大電流負(fù)載，用8550（pnp型）驅(qū)動(dòng)p3.7輸出低電平的時(shí)候，在r1中形成ib約有2ma，經(jīng)過(guò)8550的放大，ic足夠驅(qū)動(dòng)繼電器了。用這個(gè)電路，不僅可以驅(qū)動(dòng)繼電器，也驅(qū)動(dòng)蜂鳴器、揚(yáng)聲器、多個(gè)led等等，甚至驅(qū)動(dòng)小型的直流電機(jī)，也是可以的

18、。3.數(shù)字系統(tǒng)中的匹配問(wèn)題本文論述了ttl芯片和cmos芯片的匹配問(wèn)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(gè)方面1.驅(qū)動(dòng)門(mén)為負(fù)載門(mén)提供足夠大的灌電流和拉電流。驅(qū)動(dòng)門(mén)與負(fù)載門(mén)電流之間的驅(qū)動(dòng)應(yīng)滿(mǎn)足：ioh(max)niih(max) ，iol(max)miil(max)（n和m是負(fù)載電流的個(gè)數(shù)）2.驅(qū)動(dòng)門(mén)的輸出電壓應(yīng)在負(fù)載門(mén)所要求的輸入電壓范圍內(nèi)。驅(qū)動(dòng)門(mén)與負(fù)載門(mén)之間的邏輯電平應(yīng)滿(mǎn)足：uoh(min)uih(min)，uol(max)uil(max)。具體做法因?yàn)閿?shù)字電子技術(shù)課上都講過(guò)，這里就不再贅述，下面詳細(xì)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(jì)中的基本問(wèn)題。通常每個(gè)電路設(shè)計(jì)中射頻電路均被認(rèn)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(jì)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(duì)數(shù)字電路致命的影響，參見(jiàn)下圖：圖6 阻抗失配傳輸數(shù)字信號(hào)將會(huì)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(hào)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(hào)造成信號(hào)在通過(guò)傳輸線的響鈴效應(yīng)，響鈴將影響電壓和信號(hào)時(shí)延和信號(hào)的完全惡化。失配信號(hào)路徑可能導(dǎo)致信號(hào)對(duì)環(huán)境的輻射。由阻抗不匹配引起的問(wèn)題可以通過(guò)終端電阻降到最小。終端電阻通常是在靠近接收端的信號(hào)線上放置一到兩個(gè)分立器件，簡(jiǎn)單的做法就是串接小的電阻。終端電阻限制了信號(hào)上升時(shí)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(rèn)真的選用合適的器件，終端阻抗可以很有效的控制信號(hào)的完整性。4. 案例分析-電動(dòng)開(kāi)關(guān)為何失效在設(shè)計(jì)系統(tǒng)的時(shí)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(huì)在重要的控制中加入手動(dòng)開(kāi)關(guān)控制這一終極策略，但是在這個(gè)案例中正是這個(gè)手動(dòng)