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數(shù)字電路設(shè)計(jì)的抗干擾考慮

                                                    
   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導(dǎo)線的傳導(dǎo)和空間的輻射。
  (3)敏感器件,指容易被干擾的對(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。 
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主要是通過在干擾源兩端并聯(lián)電容來實(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,消除斷開線圈時(shí)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)干擾,見圖1。僅加續(xù)流二極管會(huì)使繼電器的斷開時(shí)間滯后,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,減小電火花影響,見圖2。
  (3)給電機(jī)加濾波電路,注意電容、電感引線要盡量短,見圖3。
  (4)電路板上每個(gè)IC要并接一個(gè)0.01μF~0.1μF高頻電容,以減小IC對(duì)電源的影響,見圖4。注意高頻電容的布線,圖a和圖b的效果相差很大,圖c比圖b的效果更好。圖a的布線增大了電容的等效串聯(lián)電阻,影響了濾波效果。
  (5)布線時(shí)避免90度折線,減少高頻噪聲發(fā)射,見圖5。
  (6)可控硅兩端并接RC抑制電路,減小可控硅產(chǎn)生的噪聲。

2 切斷干擾傳播路徑

   按干擾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(hào)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(shí)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屏蔽罩。
   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,見圖6。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,以減小電源噪聲對(duì)單片機(jī)的干擾。其中L為磁珠,也可用100Ω電阻代替。
  (2)如果單片機(jī)的I/O口用來控制電機(jī)等噪聲器件,在I/O口與噪聲源之間應(yīng)加隔離,見圖7。其中L為磁珠,也可用100Ω電阻代替。
  (3)注意晶振布線,見圖8。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,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(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,見圖9。
  (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,最后接于電源地,見圖10。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,見圖11。

(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,見圖12。
  (2)布線時(shí),電源線和地線要盡量粗。除減小壓降外,更重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。  



圖1 消除線圈反電勢(shì)干擾



圖2 減小繼電器火花



圖3 電機(jī)加濾波電路



圖4 IC并接高頻電容



圖5 正確布線



圖6 消除電源噪聲



圖7 與噪聲源隔離



圖8 正確配置晶振



圖9 電路板合理分區(qū)



圖10 數(shù)字地與模擬地分離



圖11 處理好大功率器件地線


圖12 減少回路環(huán)面積


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