数电研讨(抗干扰、驱动、噪声和匹配问题).doc

抗干扰、驱动、噪声和匹配问题对数字系统的影响 目录1. 抗干扰对数字系统的影响31.1干扰的产生要素31.2干扰的分类31.3抗干扰方式32.驱动对数字系统的影响52.1驱动能力的定义52.2驱动能力的提高53.噪声对数字系统的影响63.1量化噪声63.2加性噪声74. 匹配对数字系统的影响94.1散射参量94.2史密斯圆图（SmithChart）104.3 RFSim99仿真104.4结论145. 总结14【参考文献】14抗干扰、驱动、噪声和匹配问题对数字系统的影响伍源培 刘少强摘要：抗干扰、驱动、噪声和匹配是衡量一个数字系统优劣的重要外部特性。本文从干扰的产生、分类以及抗干扰方式三个方面对抗干扰的影响进行了全面而详细的研究，简述了驱动能力的定义以及如何提高驱动能力，从公式推导及实验验证的角度分析了不同噪声的影响，并对数字系统中的终端匹配做了简单仿真。关键词：干扰 驱动 噪声 匹配 数字系统前言：随着数字技术的发展，以及超大规模集成电路的使用，高速数字电路系统的应用变得越来越广泛。如何使数字电路系统对信息的传输变得稳定就变得十分的重要了，而电磁干扰、噪声等对数字系统的影响值得我们去进一步研究。除此之外，在设计数字系统时，我们还需要考虑电路的驱动能力，阻抗匹配等问题，这两个方面对系统的完善也十分重要。1. 抗干扰对数字系统的影响干扰是干扰源通过各种传播途径对有用信号某种不期望的扰动，这种情况会或多或少的出现在每一个数字系统中，从而使数字系统性能下降。对于小信号干扰而言，由于逻辑电平有一定的噪声极限，所以数字系统的抗干扰能力要比模拟系统强得多。当干扰信号大到一定程度时，数字系统会出现误触发，从而产生逻辑错误，其后果比干扰对模拟系统所引起的信号畸变现象要严重得多。因此，抗干扰对数字系统的影响值得我们去进行研究。1.1干扰的产生要素经大量的理论及实验研究表明形成电磁干扰必须同时具备三个要素，即：源：产生电磁能量的元件、设备、系统或自然现象；耦合途径：电磁能量从源耦合到敏感设备所经过的媒介。电磁骚扰的传输途径有两条，通过空间辐射和通过导线传导，即辐射发射和传导发射；敏感设备：由于接收了外界的电磁骚扰能量，而产生性能降级或不正常动作的设备。11.2干扰的分类数字系统的干扰现象十分复杂，而且类型繁多，可有多种分类方式。按照干扰源的特点、干扰信号的传播途径及相互电磁作用的不同，干扰可分为三种主要形式：1.器件固有物理噪声源产生的干扰；2.公共路线阻抗传导的干扰；3.电磁场辐射的干扰。另外，还有按干扰产生的原因、干扰模式和噪声的波形性质的不同划分，在这里就不做过多的赘述。1.3抗干扰方式抑制源的发射 抑制源的发射就是尽可能的减小干扰源的噪声。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。减小干扰源的噪声主要是通过在干扰源两端并联电容来实现。减小干扰源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) 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；2) 布线时避免90度折线，减少高频噪声发射。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1) 充分考虑电源对数字系统的影响。电源做得好，整个电路的抗干扰就解决了一大半。许多数字电路对电源噪声很敏感,要给其电源加滤波电路或稳压器，以减小电源噪声对数字电路的干扰。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。 图1.3.1 形滤波电路示意图2) 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。3) 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。4) 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。提高敏感器件的抗干扰性能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器件尽量直接焊在电路板上，少用IC座。2.驱动对数字系统的影响 驱动电路，其实质是一个功率放大电路，功率放大让负载达到额定功率从而使负载可以正常工作，从而可以响应微弱的输入信号。对于不同的负载需要不同的驱动电路，但实质是一样的，比如LED驱动电路，电机驱动电路，继电器驱动电路，扬声器驱动电路等。下面主要从驱动能力的定义，如何提高驱动能力两个方面进行研究。2.1驱动能力的定义 所谓驱动能力也就是带负载能力，在数字电子技术领域我们用扇出系数来衡量门电路带负载能力的大小。以同类门电路做负载时，No表示可驱动同类门的个数。而扇出系数又可以分两种情况，一种是灌电流负载，另一种则是拉电流负载。2 图2.1.1 灌电流负载和拉电流负载示意图当驱动门输出低电平，负载电流从外电路流入驱动门电路时，称为灌电流负载，的计算如下： 其中，为驱动门的最大允许灌电流，是一个负载门灌入本级的电流。当负载门的个数增加时，总灌电流将增加，同时引起输出低电平的增加。限制了接入负载门的个数，越大，说明门的灌电流负载能力越强。当驱动门输出高电平时，负载电流从驱动门拉出，流向负载门，称为拉电流负载，的计算如下： 其中，为驱动门的最大允许拉电流，是负载门高电平输入电流。通常与不相等，取较小的作为门电路的扇出系数。2.2驱动能力的提高对于驱动能力不足的电路，可以在需要较大驱动电流的地方使用驱动电路。一般来讲，TTL门电路的扇出系数一般为8到10，对于其他TTL门电路，OC门电路和ECL门电路驱动能力更强。对于CMOS门电路来说，其扇出系数一般为20到25. 所以，当原电路中使用的是TTL门电路进行驱动的，可以改用驱动能力更强的CMOS门电路。 3.噪声对数字系统的影响 一个数字系统不可避免地存在多种噪声，如电子装置有电磁干扰，A/D转换过程中有量化噪声，传输过程中有码间串扰和加性噪声等，下面就所学过的量化噪声和加性噪声对数字系统中的噪声做简单分析。3.1量化噪声（1）量化量化：用预先指定的有限个电平值来近似表达模拟的采样值，即将无穷多个幅度值表示为有限个幅度值，从而把连续分布的幅度离散化的过程。5 图3.1.1 量化示意图设模拟信号的抽样之为m(kT)，用N个二进制数字码元来表示抽样值大小，则共有 个离散电平，称之为量化电平，将抽样值的范围划分为M个区间称之为量化区间。（2）均匀量化满足量化电平： （式3.1.1）MA2=D及量化间隔： （式3.1.2）即为均匀量化。定义量化噪声为实际抽样值与量化值的差值，即 （式3.1.3）则有量化噪声功率 （式3.1.4） 均匀分布时 （式3.1.5）我们定义量化信噪比为模拟信号m(t)的平均功率与量化噪声功率的比值。由上式推导可知，给定量化电平数和量化间隔，则噪声功率确定，则对于小信号量噪比也就更小。所以这种均匀量化器对于小信号很不利。为了解决这个问题采用非均匀量化。（3）非均匀量化非均匀量化的主要思路是：信号样值小，量化间隔小；信号样值大，量化间隔大。 图3.1.2 非均匀量化示意图抽样压缩均匀量化编码信道译码扩张低通()mtx()mt%yyx 图3.1.3 非均匀量化流程图如上图，常用在发送端压缩，在接收端扩张的方法实现非均匀量化。现在国际上通用13折线压缩法来拟合A压缩律，可以说非均匀量化很好地解决了小信号量噪比过小的问题。3.2加性噪声 FSK调制的数字传输系统存在加性高斯白噪音，计算公式为 （式3.2.1）5其中Eb 为信号平均功率，N0为高斯白噪声双边带功率。现用ZH5001A实验板中的噪声模块模拟实际传输中的噪声，并用误码仪和功率计验证该公式的正确。 图3.2.1 功率计 图3.2.2 ZH5001实验板测量步骤：（1）首先将噪声模块内的噪声输出电平调整开关SWO01设置在最低一挡10000001，此时噪声输出电平最小，信噪比S/N最大。测量该S/N下的误码率，记录测量结果填入表内。（2）将噪声输出电平调整开关SWO01增加一挡为10000010，降低一挡S/N。重复上述测量，记录测量结果填入表内。（3）逐步降低S/N，重复上述测量，直至S/N最低。将不同信噪比下FSK误码测量结果填入表内。4Eb/n0SWO011000000110000010100001001000100010010000101000001100000010000000Pe记录数据如下S=4mWSWO011000000110000010100001001000100010010000101000001100000010000000N（mW）0.0650.769.3236103192239259Eb/n014245121899.3525.79.084.823.873.57Pe0000.000270.00150.00610.04220.08而代入公式 实际计算Pe如下Pe0003*10(-7)0.00140.0140.0230.03由此验证结果基本符合误码率公式并得出结论，加性噪声会对信号传输产生影响，越大的噪声误码率也就越高。4. 匹配对数字系统的影响当导线的阻抗与导线两端外接负载不匹配时会产生信号反射和衰减现象，这会严重影响信号的传输。一般来说，解决此问题的常用方法是在传输线上增加端接元件，端接元件是一些无源元件，如电阻和电容，通过这些无源元件的设计使得反射系数近乎为0，这称之为终端匹配技术。在电磁场微波技术课程中有对此详细地阐述，我们将简单介绍终端匹配并用RFSim99做一些简单仿真，探究匹配在数字系统的重要性。 4.1散射参量 图4.1.1 二端口网络示意图如上图，二端口网络参考面T1和T2面上的归一化入射波电压的正方向是进网络的，归一化反射波的正方向是出网络的, 应用叠加原理,可以写出用两个参考面上的入射波电压来表示两个参考面上的反射波电压的网络方程为 （式4.1.1）其中S矩阵即为散射参量矩阵由此得散射参量的定义为 （式4.1.2）表示T2面接匹配负载时，T1面上的电压反射系数； （式4.1.3）表示T1面接匹配负载时，T2面至T1面的电压传输系数； （式4.1.4）表示T2面接匹配负载时，T1面至T2面的电压传输系数； （式4.1.5）表示T1面接匹配负载时，T2面上的电压反射系数。显然对于一个二端口网络，S11 S22要求越小越好，因为这两个参数表示反射系数，是传输过程中的损耗，而S12 S21不能太小，因为这两个参数表示传输过程中的电压增益。34.2史密斯圆图（SmithChart）以极坐标形式表现归一化阻抗Z及反射系数的曲线成为史密斯圆图若设反射系数=a+jb，可得到阻抗与a b的关系等电阻圆方程： （式4.2.1）等电抗圆方程： （式4.2.2）于是可画出史密斯圆图如下 图4.2.1 史密斯圆图其中圆心为匹配点。在终端匹配过程中我们的最终目的就是使曲线经过匹配点，此时反射系数为0。4.3 RFSim99仿真（1）打开RFSim99后，依照如下电路图画一个简单的仿真电路，端口1和端口2为测量端口 图4.3.1 仿真电路（2） 模拟后可以看到如下的S11 S21随频率变化的曲线图。红线为S11变化曲线，由图可以看出，随着频率增大S11并没有显著减小，即仍有部分反射电压，这是由于并没有实现终端匹配。由史密斯圆图也可以看出曲线没有经过圆心即匹配点。（3）选择自动匹配后端口1接了一个特定阻值的电阻和电容（4）此时S11显著减小，史密斯圆图也经过圆心。4.4结论由以上仿真可以看出，终端匹配对于降低反射系数，减小电路损耗起到关键作用。在实际传输过程中，利用匹配减小反射系数是必不可少的手段，而在终端处匹配比较方便高效。5. 总结 在高速数字系统中，为了保证电路的稳定、可靠