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1、1抗干扰、驱动和匹配问题对数字系统的影响2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 .103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
2、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
3、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
4、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。4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、
5、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
6、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： 5（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
7、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
8、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
9、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 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6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
10、： （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
11、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。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
12、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
13、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 7555 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。7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
