抗干扰、驱动和匹配问题对数字系统的影响.doc

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1、抗干扰、驱动和匹配问题对数字系统的影响目录1数字系统中的抗干扰问题31.1干扰的主要类型31.2抗干扰的主要方法42数字系统中的驱动问题62.1 数字系统中驱动能力的定义62.2 提高驱动能力的措施63.数字系统中的匹配问题84. 案例分析-电动开关为何失效95.总结10抗干扰、驱动和匹配问题对数字系统的影响通信0901 徐思敏 指导老师 侯建军摘要：本文论述了数字系统中干扰的主要类型，其中重点分析了浪涌噪声及其危害，又列举了几种常用的抗干扰方法，这些方法设计的基本原则是：抑制干扰源，切断干扰传播路径，提高敏感器件的抗干扰性能。在文章的第二部分介绍了数字系统中驱动能力的定义，及常用提高驱动能力

2、的措施，包括使用反相器，三极管，驱动芯片等。最后讨论了TTL芯片和CMOS芯片的匹配问题以及高速数字电路中的终端匹配问题。关键词：抗干扰扇出系数驱动能力反相器三极管终端匹配技术1数字系统中的抗干扰问题1.1干扰的主要类型影响数字电路的干扰源大都产生在电流或电压剧烈变化的部位，这些电荷剧烈移动的部位就是噪声源，即干扰源。干扰类型通常按干扰产生的原因、噪声干扰模式和噪声的波形性质的不同的划分。其中：按噪声产生的原因不同，分为浪涌噪声、放电噪声,高频振荡噪声等；按噪声的波形、性质不同，分为持续噪声、偶发噪声等；按噪声干扰模式的不同可分为共模干扰和差模干扰。浪涌噪声是电路在遭雷击和在接通、断开电感负载

3、或大型负载时常常会产生很高的操作过电压，这种瞬时过电压（或过电流）称为浪涌电压（或浪涌电流），是一种瞬变干扰、例如直流6V继电器线圈断开时会出现300V600V的浪涌电压；接通白炽灯时会出现810倍额定电流的浪涌电流；当接通大型容性负载如补偿电容器组时，常会出现大的浪涌电流冲击，使得电源电压突然降低；当切断空载变压器时也会出现高达额定电压810倍的操作过电压。浪涌电压现象日趋严重地危及自动化设备安全工作，消除浪涌噪声干扰、防止浪涌损害一直是关系到自动化设备安全可靠运行的核心问题。现代电子设备集成化程度在不断提高，但是它们的抗御浪涌电压能力却在下降。在多数情况下，浪涌电压会损坏电路及其部件，其损

4、坏程度与元器件的耐压强度密切相关，并且与电路中可以转换的能量相关。图1 浪涌噪声为了避免浪涌电压击毁敏感的自动化设备，必须使出现这种浪涌电压的导体在非常短的时间内同电位均衡系统短接（引入大地）。在其放电过程中，放电电流可以高达几千安，与此同时，人们往往期待保护单元在放电电流很大时也能将输出电压限定在尽可能低的数值上。因此，空气火花间隙、充气式过电压放电器、压敏电阻、雪崩二极管、TVS（Transientvoltagesuppressor）、FLASHTRAB、VALETRAB、SOCKETTRAB、MAINTRAB等元器件，是单独或以组合电路形式被应用到被保护电路中，因为每个元器件有其各自不同

5、的特性，并且具有不同的性能：放电能力；响应特性；灭弧性能；限压精度。根据不同的应用场合以及设备对浪涌电压保护的要求，可根据各类产品的特性来组合出符合应用要求的过电压保护系统共模干扰和差模干扰共模干扰和差模干扰是一种比较常用的分类方法。共模干扰是信号对地的电位差，主要由电网串入、地电位差及空间电磁辐射在信号线上感应的共态 ( 同方向 ) 电压迭加所形成。共模电压可通过不对称电路转换成差模电压，它会直接影响测控信号，造成元器件损坏 ( 这就是一些系统 I O 模件损坏率较高的主要原因 ) ，这种共模干扰可以是直流、亦可为交流。差模干扰主要是指作用于信号两极之间的干扰电压，其中最主要的是空间电磁场在

6、信号间耦合感应及不平衡电路的转换共模干扰所形成的电压，它会直接叠加在信号上，影响测量与控制精度。图2 差模干扰信号和共模干扰信号1.2抗干扰的主要方法在电子系统设计中，为了少走弯路和节省时间，应充分考虑并满足抗干扰性的要求，避免在设计完成后再去进行抗干扰的补救措施。形成干扰的基本要素有三个： （1）干扰源，指产生干扰的元件、设备或信号，用数学语言描述如下：du/dt， di/dt大的地方就是干扰源。如：雷电、继电器、可控硅、电机、高频时钟等都可 能成为干扰源。 （2）传播路径，指干扰从干扰源传播到敏感器件的通路或媒介。典型的干扰传 播路径是通过导线的传导和空间的辐射。 （3）敏感器件，指容易被

7、干扰的对象。如：A/D、D/A变换器，单片机，数字IC， 弱信号放大器等。 抗干扰设计的基本原则是：抑制干扰源，切断干扰传播路径，提高敏感器件的 抗干扰性能。（类似于传染病的预防） 1 抑制干扰源 抑制干扰源就是尽可能的减小干扰源的du/dt，di/dt。这是抗干扰设计中最优 先考虑和最重要的原则，常常会起到事半功倍的效果。 减小干扰源的du/dt主要是通过在干扰源两端并联电容来实现。减小干扰源的 di/dt则是在干扰源回路串联电感或电阻以及增加续流二极管来实现。 抑制干扰源的常用措施如下： （1）继电器线圈增加续流二极管，消除断开线圈时产生的反电动势干扰。仅加 续流二极管会使继电器的断开时间

8、滞后，增加稳压二极管后继电器在单位时间内可 动作更多的次数。 （2）在继电器接点两端并接火花抑制电路（一般是RC串联电路，电阻一般选几K 到几十K，电容选0.01uF），减小电火花影响。 （3）给电机加滤波电路，注意电容、电感引线要尽量短。 （4）电路板上每个IC要并接一个0.01F0.1F高频电容，以减小IC对电源的 影响。注意高频电容的布线，连线应靠近电源端并尽量粗短，否则，等于增大了电 容的等效串联电阻，会影响滤波效果。 （5）布线时避免90度折线，减少高频噪声发射。 （6）可控硅两端并接RC抑制电路，减小可控硅产生的噪声（这个噪声严重时可能 会把可控硅击穿的）。2.切断干扰传播路径图3

9、 光电转换切断干扰途径按干扰的传播路径可分为传导干扰和辐射干扰两类。 所谓传导干扰是指通过导线传播到敏感器件的干扰。高频干扰噪声和 有用信号的频带不同，可以通过在导线上增加滤波器的方法切断高频干扰 噪声的传播，有时也可加隔离光耦来解决。电源噪声的危害最大，要特别 注意处理。所谓辐射干扰是指通过空间辐射传播到敏感器件的干扰。一般 的解决方法是增加干扰源与敏感器件的距离，用地线把它们隔离和在敏感 器件上加 蔽罩。切断干扰传播路径的常用措施如下： （1）充分考虑电源对单片机的影响。电源做得好，整个电路的抗干扰就 解决了一大半。许多单片机对电源噪声很敏感,要给单片机电源加滤波电路 或稳压器，以减小电源

10、噪声对单片机的干扰。比如，可以利用磁珠和电容 组成形滤波电路，当然条件要求不高时也可用100电阻代替磁珠。 （2）如果单片机的I/O口用来控制电机等噪声器件，在I/O口与噪声源之 间应加隔离（增加形滤波电路）。 控制电机等噪声器件，在I/O口与噪声源之 间应加隔离（增加形滤波电路）。 （3）注意晶振布线。晶振与单片机引脚尽量靠近，用地线把时钟区隔离 起来，晶振外壳接地并固定。此措施可解决许多疑难问题。 （4）电路板合理分区，如强、弱信号，数字、模拟信号。尽可能把干扰源（如电机，继电器）与敏感元件（如单片机）远离。 （5）用地线把数字区与模拟区隔离，数字地与模拟地要分离，最后在一 点接于电源地。

11、A/D、D/A芯片布线也以此为原则，厂家分配A/D、D/A芯片 引脚排列时已考虑此要求。 （6）单片机和大功率器件的地线要单独接地，以减小相互干扰。 大功率 器件尽可能放在电路板边缘。 （7）在单片机I/O口，电源线，电路板连接线等关键地方使用抗干扰元件 如磁珠、磁环、电源滤波器，屏蔽罩，可显著提高电路的抗干扰性能。3 提高敏感器件的抗干扰性能 提高敏感器件的抗干扰性能是指从敏感器件这边考虑尽量减少对干扰噪声 的拾取，以及从不正常状态尽快恢复的方法。 提高敏感器件抗干扰性能的常用措施如下：（1）布线时尽量减少回路环的面积，以降低感应噪声。 （2）布线时，电源线和地线要尽量粗。除减小压降外，更重

12、要的是降低耦 合噪声。 （3）对于单片机闲置的I/O口，不要悬空，要接地或接电源。其它IC的闲置 端在不改变系统逻辑的情况下接地或接电源。 （4）对单片机使用电源监控及看门狗电路，如：IMP809，IMP706，IMP813， X25043，X25045等，可大幅度提高整个电路的抗干扰性能。 （5）在速度能满足要求的前提下，尽量降低单片机的晶振和选用低速数字 电路。 （6）IC器件尽量直接焊在电路板上，少用IC座。2数字系统中的驱动问题2.1 数字系统中驱动能力的定义一般用“扇出系数”表示，意思就是单个逻辑门能够驱动（后面级联）的数字信号输入的最大个数。2.2 提高驱动能力的措施一种是如755

13、5定时器中所使用的反相器，这里应当指出驱动能力的大小是和那个逻辑门（如反相器-是结构最简单的门）的尺寸相关的，尺寸就是NMOS和PMOS的宽长比(W/L)。假设有两个反相器，按照对称设计PMOS和NMOS 的宽长比之比为2：1，如果一个反相器的NMOS的（W/L）为1，另一个（W/L）为5，则后者的驱动能力就是前者的5倍。图4 7555芯片内部结构并不是所有的反相器都可以做驱动器。大尺寸的反相器有大的驱动能力，小尺寸的反相器的驱动能力依然不行。其实所有其他逻辑门都是可以通过增加尺寸而提升驱动能力的，只不过反相器结构最为简单，而且两个反相器级联即可恢复原信号，所以才经常使用反相器来增大驱动能力。

14、还有就是通过驱动芯片或使用三极管。以单片机为例，早期的51单片机，驱动能力很低。P1、P2和P3口只能驱动3个LSTTL输入端，P0口可驱动8个。如果想要驱动更多的器件，就要用到“总线驱动芯片”。经常用的就是74LS244（单向）和74LS245（双向）。现在常用的 AT89C51 单片机引脚的输出能力已经大多了，从 PDF 手册文件中可查出：单片机输出低电平的时候，单个的引脚，向引脚灌入的最大电流为 10 mA；一个 8 位的接口（P1、P2 以及 P3），灌入的总电流最大为 15 mA，P0 允许灌入的最大总电流为 26 mA；全部的四个接口所允许的灌电流之和，最大为 71 mA。但是当引

15、脚输出高电平的时候，它们的“拉电流”能力可就差多了，竟然还不到 1 mA。单片机的输出特性和很多常用的LSTTL器件的输出特性是相同的，都有灌电流较大的特点。实际上，现在常用的单片机IO引脚驱动能力，就和早期的单片机增加了“总线驱动芯片”的效果基本是相同的。现在的单片机输出低电平的时候，就已经可以直接驱动LED发光了。上述的数值，也并非是不可逾越的破坏性极限数值。当略超过这些数值范围的时候，单片机IO引脚的电压，就会发生变化，造成“高电平不高”、“低电平不低”，这就会缩小外接器件的噪声容限。如果环境再稍有干扰，外接器件就无法正确判定单片机送来的高、低电平，将会胡乱动作。为了合理利用IO引脚的低

16、电平能力强的特点，在外接耗电较大的器件（如LED数码显示器、继电器等）的时候，应该优先选用低电平输出来驱动外部器件。驱动更大电流的负载，可以使用三极管来扩充电流，也可使用集成芯片ULN2003（或ULN2008），另外也可使用专用的驱动器件L298、各种型号的IGBT等等。常用的三极管如下：8550（PNP）和8050（NPN）：它们是一组可以配对使用的三极管，特点是集电极允许的电流很大，Icm竟然能达到1500mA！而且还不需要使用散热片。它们的集电极反向击穿电压BVceo为25V，Pcm为0.5W。2N5401（PNP）和2N5551（NPN）：它们也是一组可以配对使用的三极管，它们的特点

17、是耐压比较高，集电极反向击穿电压BVceo可达160V！它们的最大集电极电流Icm为0.6A，Pcm为0.6W。不同厂家的产品，参数会稍有不同。下面以常见的继电器为负载继续说明驱动方法。继电器线圈的驱动电流往往要有40mA以上，单片机的引脚肯定是不能承受了，必须用三极管来扩充输出能力。如：+5V的大电流负载，用8550（PNP型）驱动电路可见下图。图5+5V的大电流负载，用8550（PNP型）驱动P3.7输出低电平的时候，在R1中形成Ib约有2mA，经过8550的放大，Ic足够驱动继电器了。用这个电路，不仅可以驱动继电器，也驱动蜂鸣器、扬声器、多个LED等等，甚至驱动小型的直流电机，也是可以的

18、。3.数字系统中的匹配问题本文论述了TTL芯片和CMOS芯片的匹配问题，和高速数字电路中的终端匹配技术。TTL芯片和CMOS芯片的匹配要考虑两个方面1.驱动门为负载门提供足够大的灌电流和拉电流。驱动门与负载门电流之间的驱动应满足：IOH(max)nIIH(max) ，IOL(max)mIIL(max)（n和m是负载电流的个数）2.驱动门的输出电压应在负载门所要求的输入电压范围内。驱动门与负载门之间的逻辑电平应满足：UOH(min)UIH(min)，UOL(max)UIL(max)。具体做法因为数字电子技术课上都讲过，这里就不再赘述，下面详细论述高速数字电路中的终端匹配技术。阻抗控制和终端匹配是

19、高速电路设计中的基本问题。通常每个电路设计中射频电路均被认为是最重要的部分，然而一些比射频更高频率的数字电路设计反而忽视了阻抗和终端匹配。由于阻抗失配产生的几种对数字电路致命的影响，参见下图：图6 阻抗失配传输数字信号将会在接收设备输入端和发射设备的输出端间造成反射。反射信号被弹回并且沿着线的两端传播直到最后被完全吸收。反射信号造成信号在通过传输线的响铃效应，响铃将影响电压和信号时延和信号的完全恶化。失配信号路径可能导致信号对环境的辐射。由阻抗不匹配引起的问题可以通过终端电阻降到最小。终端电阻通常是在靠近接收端的信号线上放置一到两个分立器件，简单的做法就是串接小的电阻。终端电阻限制了信号上升时

20、间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坏性因素。然而认真的选用合适的器件，终端阻抗可以很有效的控制信号的完整性。4. 案例分析-电动开关为何失效在设计系统的时候，为了增加系统的可靠性和防止意外情况发生，我们总是会在重要的控制中加入手动开关控制这一终极策略，但是在这个案例中正是这个手动开关导致了电子开关的失效。这是一个Mosfet管和手动开关一起驱动继电器的例子，如果你这么设计了，那么相信不久你就会发现，Mosfet管不能工作了。图7 系统示意图经过测试和分析，以上连接的拓扑能生成能破坏MOSFET的电压浪涌噪声。其机理是由于开关的机械抖动引起的噪声，带动继电器的线圈

21、产生大的电压浪涌噪音注入模块内的Mos管上。尽管Mos管内存在保护（ESD和钳位电压限制器），损坏的区域还是在DS。图8 开关引起的噪声Mos管能够承受的dv/dt的能力是有限的，此外mos管也存在着最大击穿电压的限制。因此当Dv/dt过大的时候，它会打开寄生三极管，或者电压超过击穿电压，电流不能限制住的时候，Mos管都会损坏。经过试验和分析，mos管的损坏是由于寄生三极管被击穿而损坏了。面对这个问题我们的对策是尽量避免机械开关和电子开关并联控制继电器线圈这样的拓扑结构。如果无法避免，我们可以用三极管取代MOSFET器件来驱动mos管，或者加上保护器件如压敏电阻器，TVS之类。5.总结在初学者刚开始接触实际电路的时候，经常会遇到这样的问题，这个电路的原理对啊，为什么结果就是出不来呢，或者是结果不理想。而很多情况下，是因为没有考虑到本文中提到的这三个方面。把成为一名优秀的工程师作为目标的我们，要养成良好的设计习惯，在设计时要充分考虑抗干扰，驱动能力，匹配等问题。参考文献1 场继深 差模干扰和共模干扰J安全与电磁兼容，2002 (2)2 谢金明 高速数字电路设计与噪声控制技术 电子工业出版社 2003