- 電路設計中的抗干擾措施
- 采用金屬膜電阻和低噪聲的有源器件
- 在印制板電源進線端并聯(lián)一只10UF~100UF鉭電容進行電源退耦
1、切斷干擾的傳播途徑
1)增加干擾源(如電機、繼電器)與敏感器件(如單片機)的距離,用地線把他們隔離或者在敏感器件加上屏蔽罩。
2)電路板合理分區(qū),將強信號、弱信號、數(shù)字信號、模擬信號電路合理地分區(qū)域布置。
4)、單片機和大功率器件的地線要單獨接地,以減小互相干擾。大功率器件要盡可能布置在電路板的邊緣。
5)、在單片機I/O口,電路板連接線等關鍵地方,使用抗干擾元件可顯著提高電路的抗干擾性能。
6)、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。
2、盡量采用抗干擾性能強的單片機
1)、降低單片機內(nèi)部的電源噪聲
在傳統(tǒng)的數(shù)字集成電路設計中,通常將電源端和地端分別布置在對稱的兩邊。例如左下角為地,左上角為電源。這使得電源噪聲穿過整個硅片。改進方法將單片機的電源和地安排在兩個相鄰的引腳上,這樣不僅降低了穿過整個硅片的電流,還便于印制板上設計電源退耦電容,以降低系統(tǒng)噪聲。
2)、降低時鐘頻率
單片機測控系統(tǒng)的時鐘電路是一個調(diào)頻噪聲源,它不僅能干擾本系統(tǒng),還對外界產(chǎn)生干擾,使其他系統(tǒng)的電磁兼容檢測不能達標。在保證系統(tǒng)可靠性的前提下,選用時鐘頻率低的單片機可降低系統(tǒng)的噪聲。以8051單片機為例,當最短指令周其為1US時,時鐘是12MHZ。而同樣速度的MOTOROLA兼容單片機的廠商在不犧牲運算速度的前提下,將時鐘頻率降低到原來的1/3。特別是MOTOROLA公司新推出的68HC08系列單片機、內(nèi)部采用了鎖相倍頻技術,將外部時鐘除至32KHZ,而內(nèi)部總線速度卻提高到8MHZ,甚至更高。
3)、EFT技術
隨著超大規(guī)模集成電路的發(fā)展,單片機內(nèi)部的抗干擾技術也在不斷進步。MOTOROLA公司新推出的68HC08系列單片機,采用EFT技術進一步提高了單片機的抗干擾能力,當振蕩電路的正弦波信號受到外界干擾時,其波形上會疊加一些毛刺。若以施密特電路對其整形時,這種毛刺會成為觸發(fā)信號干擾正常的時鐘信號。但是交替使用施密電路和RC濾波可以使這類毛刺不起作用,這就是EFT技術。
3、單片機測控系統(tǒng)中的頻率抖動技術
將頻率拉動信號疊加到輸入信號的隨機噪聲上,雖然會增加轉換的總噪聲,但增加的噪聲是用來補償輸出數(shù)碼量化噪聲的,可使量化誤差不再輸入信號的函數(shù)而是抖動噪聲瞬時值的函數(shù)。因此,利用頻率顫抖信號可去除量化噪聲與輸入信號之間的相關性。頻率拉動信號的大小通常約為1/3LSB有效值。例如,在未加頻率拉動的情況下,ADC輸出的量化噪聲是瞬時輸入信號幅度的函數(shù),量化拉動之后,因抖動信號的幅度不依賴于輸入信號,故量化噪聲與輸入信號無關,從而消除了ADC輸出諧波分量,但這是以增加總噪聲為代價的。需要指出的是,并不一定在ADC輸入端實際施加顫抖噪聲,也可利用地轉換器的熱噪聲作為頻率抖動信號,但ADC要有足夠的輸出位數(shù)以確保能夠去除輸入信號與量化噪聲的相關性。
4、防止漏電流的技術
應當在清潔、干燥、通風、環(huán)境溫度適宜的條件下使用智能化單片機測控系統(tǒng)。系統(tǒng)受潮后導致絕緣電阻下降,會產(chǎn)生漏電流。輕測使測量誤差增大,控制不靈;重則會造成適中故障,損壞元器件。例如,當印制板受潮時,A/D轉換器輸入阻抗下降,讀數(shù)不準,并且伴有跳數(shù)現(xiàn)象。這也是一些數(shù)字電壓表在雷雨季節(jié)無法正常工作的主要原因。對于受潮的印制板,可用無水酒精擦凈表面,然后用電吹風烘干,以消除漏電。
有些精密集成電路,專門設置了防止極間漏電用的保護環(huán)。例如由美國哈里斯公司生產(chǎn)的ICL7650型斬波自穩(wěn)零式精密運算放大器,HI7195A型帶微處理器的5 1/2位A/D轉換器,均設置了兩個保護環(huán)引出端。設計電路時將兩個保護環(huán)接地,即可消除印制板上輕微漏電對測量所造成的影響。
5、濾波技術
濾波是指從混有干擾或噪聲的信號中獲取有用信號的方法,能實現(xiàn)上述功能的部件叫濾波器。在數(shù)字儀表中常見的濾波器主要有三種:無源濾波器,有源濾波器,數(shù)字濾波器。
1)無源濾波器
無源濾波器是由R、L、C元件構成的,根據(jù)干擾信號的特點,可選低通濾波器、高通濾波器和帶通濾波器。此外還有帶阻濾波器等類型。對于50HZ電磁場干擾,可在測控系統(tǒng)輸入端加一級雙T濾波器。
2)有源濾波器
有源濾波器是包含有源器件(例如晶體管、運算放大器)的各種濾波器。與單純使用R、L、C元件的無源濾波器相比,能省去體積龐大的電感元件,便于實現(xiàn)小型化、集成化。有源濾波器適用于較低頻率的濾波。二階有源帶通濾波器的典型電路參見下圖。
電路設計中的抗干擾措施
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6、隔離技術
所謂隔離技術,是指將噪聲源與信號線相互隔離開的技術。在單片機系列中經(jīng)常采用光耦合器來實現(xiàn)傳感器與輸入通道的隔離、I/O接口的隔離及內(nèi)部電路的隔離。此外,在遠距離傳輸信號時,也需要采用光電隔離技術。一種采用光電隔離技術的網(wǎng)絡通信接口電路如下圖所示。在對被傳輸?shù)哪M信號進行隔離時,宜選用線性光耦合器,其電流傳輸比接近于常數(shù)。
此外,在測試系統(tǒng)中還經(jīng)常用變壓器隔離,繼電器隔離,貝母隔離等技術。
7、抵制傳輸線上的干擾
傳輸線宜選用雙絞線或同軸電纜屏蔽線,盡管雙絞線的頻帶較窄,但其波阻抗高,抗共模干擾能力強,雙絞線上的每個小環(huán)路的電磁感應用干擾能相互抵消,并且其分布電容較大,可起到積分電容的效果,因此對電磁場具有一定的抵制作用。使用長傳輸線時需要注意阻抗匹配問題。否則傳輸線上會產(chǎn)生反射波,造成信號失真。
8、正確選擇接地點
在單片機測控系統(tǒng)內(nèi)部,大致有6種地線:信號線、模擬地、數(shù)字地、功率地、交流地和屏蔽地。
設計整機電路時應根據(jù)技術條件和實際情況來決定究竟是浮地還是接地,需要采用哪種地線,選擇單點接地還是多點接地。
9、傳感器的屏蔽
在工業(yè)現(xiàn)場使用集成溫度傳感器時,很容易引入干擾。為提高信噪比,可以給傳感器加上屏蔽。有些溫度傳感器,采用TO-52型金屬殼封裝,并且專有一個管腳接管殼。使用時將此腳接地,即可由管殼起來屏蔽作用。對于塑料封裝的集成溫度傳感器,必要時可用薄銅管做外屏蔽,把傳感器裝入后再用環(huán)氧樹脂封固,二者保持絕緣。這種全密封式傳感器特別適合測量液體和蒸氣的溫度。
10、塑料機的屏蔽
目前,采用ABS工程逆料制成的塑料機箱以其造型美觀,攜帶輕便等優(yōu)點,深受人們的青睞。為使機箱具有屏蔽作用,可用噴涂、真空、沉積等方法在機箱內(nèi)表面覆蓋一層導電膜。也可以自己加工屏蔽層,在機箱內(nèi)表面粘粘一層鋁箔,再與公共地連通。
11、元器件的選擇
為降低元器件的噪聲,應盡量采用金屬膜電阻和低噪聲的有源器件。為了減小溫度漂移,全部元件需經(jīng)過高、低溫老化處理。必要時,前級放大器、有源濾波器要加溫度補償電路。A/D轉換器的積分電容應選漏電小、介質(zhì)損耗因數(shù)低的聚丙烯或聚苯乙烯電容。ICL7650型精密運放和IC7660型DC/DC轉換器泵電容,均應采用鉭電容。
能用低速器件就不用高速器件,高速器件只用在關鍵的地方。
12、消噪電路
帶隙基準電壓源是一種作為電壓基準的高穩(wěn)定度電壓源,目前正廣泛用于數(shù)字儀表、智能儀器及測試系統(tǒng)中。在基準電壓輸出端并聯(lián)一只0.1UF的消噪電容,能濾除高頻噪聲。
當電路的輸出狀態(tài)維持不變時允許加到輸入端的噪聲電壓最大值,稱為電壓噪聲容限。噪聲容限愈高,說明器件的抗干擾能力,應盡量CMOS電路來代替TTL電路。CMOS電路的噪聲容限可達電源電壓的40%,而TTL電路大約只有電源電壓的16%。
13、電源即耦電容
單片機測控系統(tǒng)中許多電路都是公用一個直流電源的。這就要求電源線不得在各電路之間引入干擾,并且當負載發(fā)生變化時直流電源線上不應產(chǎn)生波動。但實際上很難做到,因為直流電源的內(nèi)阻抗,并且當負載發(fā)生變化時直流電源線上不應產(chǎn)生波動。但實際上很難做到,因為直流電源的內(nèi)阻抗和電源引線的交流阻抗不可能為零。利用退耦電容不僅能降低直流電源的內(nèi)阻抗,還能避免各電路之間通過電源線相互干擾。
在單片機測控系統(tǒng)中使用了大量的數(shù)字IC,而每片數(shù)字IC本身都是一個脈沖干擾源,它們也會通過電源線相互干擾。解決辦法是在印制板電源進線端并聯(lián)一只10UF~100UF鉭電容進行電源退耦,同時在每個芯片的電源進線端再并聯(lián)一只高頻、低分布的電感的陶瓷電容,容量一般取0.1UF,當頻率超過15MHZ時,可取0.01JF,電路如圖所示。退耦電容的引腳要盡量短。
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