数字电子系统硬件抗干扰分析毕业论文

毕业设计论文数字电子系统硬件抗干扰分析 系系 专业 姓名 班级 学号 指导教师 职称 设计时间 数字电子系统硬件抗干扰分析 1目录摘 要 .2关键词： .2第一章 引言 .31.1 课题研究现状 .31.2 论文主要内容 .4第二章 电磁干扰的基本理论 .52.1 电磁干扰的概述 .52.1.1 形成干扰的基本要素 .52.1.2 电磁干扰源及其传输通道 .52.2 抑制电磁干扰的有效措施 .6第三章 数字电路的硬件抗干扰措施 .73.1 器件使用时的抗干扰措施 .73.2 电路设计中抗干扰措施 .73.2.1 接地技术 .73.2.2 滤波技术 .93.2.3 隔离技术 .103.3 线路板设计时的抗干扰措施 .123.3.1 线路板走线原则 .123.3.2 PCB 合理设置去耦电容 .143.3.3 PCB 特殊元件的放置 .16第四章 结论 .17致谢 .18参考文献 .19江苏信息职业技术学院毕业设计（论文）2摘 要每个电气工程师和电气工程技术人员都希望他所设计的设备工作可靠，不会被其它设备干扰，也不会干扰其它设备。但是，由于电气噪声和电磁干扰几乎无处不在，所以，我们设计的产品往往达不到这些目标。如果不能有效地解决这些问题，我们可能必须放弃这些项目或者采取修修补补的办法，这样一来既浪费了我们投资项目的所用时间、资金和努力，又可能使产品性能大打折扣。在数字电路中干扰分析非常重要，是决定电路工作性能的关键因素，也是我们在做实验前必须要进行的工作。本文主要从数字电路硬件抗干扰设计的常用措施入手，首先分析了电磁干扰的基本理论，重点阐述了电磁干扰源，以传导干扰和辐射干扰为例进行分析。然后从硬件方面来分析抗干扰措施，硬件方面主要从器件使用中抗干扰措施、电路设计抗干扰措施、印制板电路抗干扰措施三方面入手，重点分析了电路设计中抗干扰措施的三个方面：接地技术、滤波技术、隔离技术，并对其进行适当的展开分析。并且对 PCB 干扰提出了如下几项项措施：线路板走线原则、合理设置去耦电容、特殊器件的处理。虽然数字电路抗干扰措施种类很多，但每项措施都有很强的针对性，所以在具体应用中须根据实际情况来灵活采取措施，不能盲目随从，否则会适得其反。关键词：数字电子系统；电磁兼容；电磁干扰；屏蔽技术数字电子系统硬件抗干扰分析 3第一章 引言1.1 课题研究现状随着电子技术的迅速发展，集成电路的应用也越来越广。目前，数字电路中大量采用数字集成电路。虽然数字集成电路抗干扰性能较好，但数字电路与其他电路一样，容易受到外部和数字电路内部干扰，在使用时如果装配不当，将会使数字电路因受干扰而不能正常工作。因此，必须采取相应的抑制干扰措施，将干扰的影响抑制到最小。我们知道，电磁干扰是一切电气和电子装置（系统）的伴随物，它无所不在。并且近20年来，随着数字计算技术、微处理器和电力电子装置在商业、工业、民用、军事部门的日益广泛的应用，电磁兼容技术也得到人们普遍关注，所以说电磁兼容和电磁干扰是数字电路干扰中重要部分，因此对电磁兼容、电磁干扰的探讨一直是数字电路抗干扰中热门话题。电磁干扰引起的危害我们大家都是有目共睹的，像国外航天系统的故障，如丘比特导弹雷击事件、宇宙神导弹爆炸事件等等。甚至旅客在飞机上使用调频收音机，也会使导航系统的指示偏离。而感应雷击所造成的破坏更是防不胜防的，1992年6月22日，北京国家气象中心多台计算机接口因感应雷击被毁，损失二千多万元；1992年8月23日，赣州市60的有线电视和50闭路电视遭受过雷击，其中91台电视机因感应雷击而毁于一旦。国际上十分重视电子产品的电磁兼容性设计，欧美日本等国电子产品的电磁兼容标准是强制执行的，我国也相应地制定了信息技术设备的电磁兼容性标准。到目前为止，CISPR已经出版的出版物和修正案共有38个，并且制定了详细的目录。除了CISPR外，TC77也是IEC的电磁兼容技术委员会，其成立于1973 年6月。其目的就是使电磁兼容标准化，不能让人类相当然去设计电磁兼容。从世界范围来说，目前有两个最大的电气和电子产品销售市场：一个在欧洲，另一个在美国。因此，与之相对应的最具影响力的EMC 标准也有两个：一个是欧洲标准，另一个是美国标准。世界上的其他国家，基本上都在IEC 、CESPR 国际标准或欧洲、美国标准的基础上，直接采用或等效引用，制订了各自的国家标准。这一系列标准标志着当今国际上电磁兼容性不再是盲目的，都有其特定的标准可循。电磁干扰、电磁兼容作为一门尖端的综合性学科，人类多年来对它进行的不懈努力，以及由此而发生的高科技深刻变化，是我们有目共睹的。但人类不会仅仅满足于现状，会不断研究开发出新的技术，以便使国人在高度享受物质文明及精神文明的同时，仍能确保社会生产生活各方面得到持续的发展。江苏信息职业技术学院毕业设计（论文）41.2 论文主要内容本文主要针对我们在电路中遇到的多种干扰问题，如何才能使干扰对电路的破坏程度降到最低，同时避免实验的重复性和元器件的浪费，我们在电路设计前就应该考虑的问题。本文首先讨论了电磁干扰的基本理论，具体阐述了电磁干扰传输通道的基本理论。其次针对数字电子系统中硬件抗干扰提出了一些具体措施，如电路设计中抗干扰措施、PCB设计抗干扰措施、数字滤波方法等等。最后就数字电子系统装配中屏蔽技术作了一些分析。虽然在实际情况中，对不同情况的抗干扰处理有不同的针对方法，但我们要把握关键的一点，那就是无论对哪种干扰，一定要多种方法综合应用，才能达到更完善的效果。数字电子系统硬件抗干扰分析 5第二章 电磁干扰的基本理论2.1 电磁干扰的概述2.1.1 形成干扰的基本要素l ）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 （电压突变） ；di / dt （电流突变）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。2.1.2 电磁干扰源及其传输通道1 ）数字电路的电磁干扰源主要有：电源线、高频信号线和晶振电路。( l ）电源线在任何时候，当 CMOS 器件改变其输出状态时，两个互补的晶体管存在换流，结果造成电源电流增加，电源线上形成尖峰电流，造成电磁干扰。解决的办法可采用在电源引脚处接瓷片旁路电容去耦。由于电路寄生元件的存在，如封装的引脚阻抗和电源线，会形成等效天线，旁路电容并不能完全有效减少电流峰值。可通过在去耦电容和电源线之间增加磁芯电感（铁氧体环形磁芯） ，磁芯电感应靠近集成芯片，这样可减少电源线上电流尖峰造成的干扰。( 2 ）高频信号线具有高频信号的信号线、低位地址线、时钟、串口等，其通常接 CMOS 输入终端，相当于几个电阻和电容并联的负载，这一负载的充放电过程会形成电磁干扰。一个减少尖峰电流的办法是在输入端串接一个小于线路阻抗的电阻，根据传输线理论，这个电阻在速度上没有负面影响。第二个解决办法是信号及其响应的返回线应尽可能少，尽可能短。( 3 ）晶振在数字电路系统中，高频晶振通常出现在时钟发生器中，不可避免会产生电磁干扰。因此应注意晶振布线，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。2 ）电磁干扰按传播途径可分传导干扰和辐射干扰。江苏信息职业技术学院毕业设计（论文）6传导干扰是指沿着导体传播的。因此任何导体，如导线、传输线、电感器、电容器等都是传导干扰的传输通道。任何一个电子设备都可能成为一个干扰源。传导干扰分电耦合、磁耦合、电磁耦合。能够传导电磁干扰的途径的称传导干扰传输通道，它分为以下三类：电容传导耦合即电场耦合；电阻传导耦合即公共阻抗耦合；电感传导耦合即互感耦合。辐射干扰是指以电磁波形式传播的干扰。这类干扰的能量是由干扰源辐射出来，通过介质以电磁波的特性和规律传播的。辐射干扰也是由干扰源、传输通道、接收器三要素构成，主要分为近区场感应耦合、远区场感应耦合。2.2 抑制电磁干扰的有效措施电磁干扰的三要素是干扰源、传输通道、接收器。因而，抑制干扰也应从这三个方面着手研究。数字电子系统硬件抗干扰分析 7第三章 数字电路的硬件抗干扰措施3.1 器件使用时的抗干扰措施器件的选择：对于数字集成电路，通常噪声容限越高，传输延时越大，其抗干扰性能越好，因此，CMOS 要比TTL 集成电路的抗干扰性能好。在选择逻辑器件时，要充分考虑其噪声容限指标：当单纯考虑电路的噪声容限时，最好用HTL，若兼顾功耗，则用VDD= 15V 的CMOS 为宜。负载的控制：当某种集成电路输出所带的负载电路超过规定的扇出时，会使电路输出的高电平值降低，低电平值升高，从而导致电路的噪声容限降低，容易受干扰影响。所以在器件使用时应注意控制电路的输出负载不要超过所规定的扇出，并应尽量留有余地。空端的处理：对于不用的集成电路输入和控制端，容易通过分布电容进入端子对电路产生干扰。因此，不用的输入和控制端应接上合适的逻辑电平。3.2 电路设计中抗干扰措施防电磁干扰主要有三项措施，即屏蔽、滤波和接地。往往单纯采用屏蔽不能提供完整的电磁干扰防护，因为设备或系统上的电缆是最有效的干扰接收与发射天线。许多设备单台做电磁兼容实验时都没有问题，但当两台设备连接起来以后，就不满足电磁兼容的要求了，这就是电缆起了接收和辐射天线的作用。唯一的措施就是加滤波器，切断电磁干扰沿信号线或电源线传播的路径，与屏蔽共同构成完美的电磁干扰防护，无论是抑制干扰源、消除耦合或提高接收电路的抗干能力。都可以采用滤波技术，下面就电磁干扰中接地技术、滤波技术、隔离技术作一些简单的研究。3.2.1 接地技术接地技术最早是应用在强电系统（电力系统、输变电设备、电气设备）中，为了设备和人身的安全，将接地线直接接在大地上。由于大地的电容非常大，一般情况下可以将大地的电位视为零电位。后来，接地技术延仲应用到弱电系统中。对于电力电子设备将接地线直接接在大地上或者接在一个作为参考电位的导体上，当电流通过该参考电位时，不应产生电压降。然而由于不合理的接地，反而会引入了电磁干扰，比如共地线干扰、地环路干扰等，从而导致电力电子设备工作不正常。可见，接地技术是电力电子设备电磁兼容技术的重要内容之一。l ）接地的种类和目的( l ）安全接地江苏信息职业技术学院毕业设计（论文）8安全接地即将机壳接大地。一是防止机壳上积祟电荷，产生静电放电而危及设备和人身安全；二是当设备的绝缘损坏而使机壳带电时，促使电源的保护动作而切断电源，以便保护工作人员的安全。( 2 ）静电接地非导电用导体部件的接地称之为静电接地。接地的目的有两个：第一是通过电把金属部件的静电荷经地放掉，第二是防止部件接收近区无线电发射能量并再发射出去。( 3 ）避雷击接地避雷击接地即将可能受到雷击的物体和大地接通，以便提供泄放大电流的通路。当电力电子设备遇雷击时，不论是直接雷击还是感应雷击，电力电子设备都将受到极大伤害。为防止雷击而设置避雷针，以防雷击时危及设备和人身安全。( 4 ）电源接地供电电源单独建立基准接地点称之为电源接地。电源接地一般有以下要求： 分别建立交流、直流和信号的接地通路； 在接地面上，电源接地与信号接地要互相隔离，减少地线间耦合； 电源接地通路，以尽可能直接的路径接到阻抗最低的接地导体上； 将儿条接地通路接到电源公共接点上，以保证电源电路有低的阻抗通路； 不要采用多端接地母线或横向接地环； 交流中线必须与湘 L 架地线绝缘，也不能作为设备接地线使用。( 5 ）电路接地电路接地即电路的接地面对电路所在系统的所有工作频率都呈现低阻抗特睦。接地面应该具备下列条件： 接地面是电路公共地回路； 所有电路都会向接地平面输送自身地电流； 一个地回流路径穿过另一个地回流路径时，将产生电路之间的耦合。( 6 ）工作接地工作接地是为电路正常工作而提供的一个基准电位。该基准电位可以设为 路数字电子系统硬件抗干扰分析 9系统中的某一点、某一段或某一块等。当该基准电位不与大地连接时，视为相对的零电位。这种相对的零电位会随着外界电磁场的变化而变化，从而导致电路系统工作的不稳定。当该基准电位与大地连接时，基准电位视为大地的零电位，而不会随着外界电磁场的变化而变化。但是不正确的工作接地反而会增加干扰。比如共地线干扰、地环路干扰等。为防止各种电路在工作中产生互相干扰，使之能相互兼容地工作。根据电路的性质，将工作接地分为不同的种类，比如直流地、交流地、数字地、模拟地、信号地、功率地、电源地等。上述不同的接地应当分别设置。( 7 ）屏蔽接地屏蔽与接地应当配合使用，才能起到屏蔽的效果。比如静电屏蔽。当用完整的金属屏蔽体将带正电导体包围起来，在屏蔽体的内侧将感应出与带电导体等量的负电荷，外侧出现与带电导体等量的正电荷，因此外侧仍有电场存在。如果将金属屏蔽体接地，外侧的正电荷将流入大地，外侧将不会有电场存在，即带正电导体的电场被屏蔽在金属屏蔽体内。再比如交变电场屏蔽。为降低交变电场对敏感电路的耦合干扰电压，可以在干扰源和敏感电路之间设置导电性好的金属屏蔽体，并将金属屏蔽体接地。只要设法使金属屏蔽体良好接地，就能使交变电场对敏感电路的耦合干扰电压变得很小。3.2.2 滤波技术滤波技术的基本用途是选择信号和抑制干扰，为实现这两大功能而设计的网络都称为滤波器。通常按功用可把滤波器分为信号选择滤波器和电磁干扰( EMD