电路噪声和抗干扰措施

电子系统或电子设备性能很大程度上与噪声和干扰有关 电子电路处理电信号的灵敏度与噪声有关 噪声对有用信号的处理产生了干扰 特别是当有用信号较弱时 噪声的影响就更为突出 严重时会使信号淹没在噪声之中而无法处理 电子电路的噪声和干扰 一 研究噪声和干扰的必要性 设计人员经常遇到的情况 硬件部分设计出来以后 却发现电路中的噪声太大 不得不进行重新设计和布线 电子电路的噪声问题更多地依赖于经验去解决 而不是根据规范的方法和严格的科学计算 但是 避免噪声还是存在一定的设计准则去遵循 并在电路设计开始时 就应该认真考虑与噪声相关的问题 一 研究噪声和干扰的必要性 电子系统的噪声和干扰 噪声与干扰没有本质区别 习惯上从器件外部窜扰进来的 称为外部噪声 干扰 从器件内部产生的 称为内部噪声 PCB调试时频繁遇到噪声称为 器件噪声 辐射噪声和传导噪声 干扰源 自然干扰 天电干扰 宇宙干扰 大地干扰 工业干扰 广播电视 无线基站 工业设备 一 研究噪声和干扰的必要性 电源 器件之间 PCB走线之间的串扰等 EMI 现场干扰 个人手机 笔记本 测试仪等 电子系统的噪声和干扰 二 电子电路PCB设计时遇到的噪声种类 三种噪声源 器件噪声 辐射噪声和传导噪声 一 器件噪声电阻热噪声 ThermalNoise 电感噪声晶体管噪声场效应管噪声闪烁噪声 1 f噪声 散粒噪声 ShotNoise 爆米花噪声 popcornfrequency 放大器噪声等 电阻中的带电微粒 自由电子 在一定温度下受到热激发后 在导体内部作无规则的运动 热骚动 而相互碰撞 两次碰撞之间行进时 就产生一持续时间很短的脉冲电流 许多这样的随机热骚动的电子所产生的这种脉冲电流的组合 就在电阻内部形成了无规律的电流 在一足够长的时间内 其电流平均值等于零 而瞬时值就在平均值的上下变动 称为起伏电流 温度越高 运动越剧烈 只有当温度下降到绝对零度时 运动才会停止 自由电子这种热运动在导体内形成非常微弱的电流 起伏噪声电流流过电阻本身就会在其两端产生起伏噪声电压 1 电阻热噪声 ThermalNoise 表示噪声的电流功率谱密度 理论和实践证明 当温度为T K 时 阻值为R的电阻所产生的噪声电压功率谱密度和噪声电流功率谱密度分别为 在频带宽度B内产生的热噪声电压均方值和电流的均方值分别为 因此 噪声电压或电流的有效值为 由于电阻受热影响 其起伏噪声电压的变化是不规则的 其瞬时振幅和瞬时相位是随机的 所以无法计算其瞬时值 只能统计其平均值 一般用电压均方根值表示 为便于运算 把电阻R看作一个噪声电压源 或电流源 和一个理想无噪声的电阻串联 或并联 如图所示 当实际电路中包含多个电阻时 每一个电阻都将引入一个噪声源 一般若有多个电阻并联时 总噪声电流等于各个电导所产生的噪声电流的均方值相加 若有多个电阻串联时 总噪声电压等于各个电阻所产生的噪声电压的均方值相加 例 电阻热噪声的计算 结论 电阻越大 温度越高 电阻的热噪声越大 对于LC并联谐振电路 所产生的噪声电压均方值为 式中 为谐振电路的谐振电阻 对图8 2 5 a 所示的电路来说 损耗电阻 所产生的噪 声电压均方值为 在回路谐振时 折算到ab两端的电压均方值为 得到如图8 2 5 b 所示的等效电路 注意 1 热噪声电压虽很小 但被多级放大后 特别是有用信号很微弱的情况下 会淹没在噪声中而无法被处理 2 理想电抗元件是不会产生噪声的 但实际电抗元件是有损耗电阻的 这些损耗电阻会产生噪声 对于实际电感的损耗电阻一般不能忽略 而对于实际电容的损耗电阻一般可以忽略 闪烁噪声 1 f噪声 由于半导体晶体表面不断产生或整合载流子而产生的噪声 闪烁噪声大多集中在低频范围 对电阻器及半导体会造成干扰 而双极芯片所受的干扰比场效应晶体管大 其功率频谱密度随频率降低而增大 在高频工作时 可以忽略闪烁噪声 它是由单位时间内通过PN结载流子数目的随机起伏而造成的 这种噪声具有宽带的特性 由于晶体三极管的发射结正偏 所以散粒噪声主要决定于发射极工作电流 其噪声电流的均方值为 散粒噪声的大小与晶体管的静态工作点电流有关 其功率谱密度为 对于双极型晶体管 散粒噪声是主要噪声源 散粒噪声 ShotNoise 散粒噪声是由栅极内的电荷不规则起伏所引起的噪声 对结型场效应管来说 则由通过PN结的漏电流引起的噪声电流均方值为 对于场效应管来说 散粒噪声 ShotNoise 爆米花噪声 popcornfrequency 半导体的表面若受到污染便会产生这种噪声 其影响长达几毫秒至几秒 噪声产生的原因仍然未明 在正常情况下 并无一定的模式 生产半导体时若采用较为洁净的工艺 会有助减少这类噪声 输入参照噪声总量 运放输入端等效 换算 噪声电压的计算 其中 指信源电阻 指放大器的噪声电压 指信源电阻的热噪声 指放大器的噪声电流 运算放大器噪声 1 信噪比 四端网络某一端口处信号功率与噪声功率之比 信噪比SNR SignaltoNoiseRatio 通常用分贝数表示 噪声系数的定义 体会 信噪比表示信号本身质量的好坏 信噪比越大 说明信号本身的质量越好 噪声系数 描述放大器噪声性能的一个重要指标 如果放大器内部不产生噪声 当输入信号与噪声通过它时 二者都得到同样的放大 那么放大器的输出信噪比与输入信噪比相等 而实际放大器是由晶体管和电阻等元器件组成 热噪声和散粒噪声构成其内部噪声 所以输出信噪比总是小于输入信噪比 为了衡量放大器噪声性能的好坏 提出了噪声系数这一性能指标 放大器的噪声系数Nf NoiseFigure 定义 输入信噪比与输出信噪比的比值 即 用分贝数表示 分析 1 噪声系数表示信号通过该网络信号质量变坏的程度 噪声系数越大说明 信号通过该网络后信号质量变坏的程度越大 2 噪声系数NF只与输出端总的噪声功率Pno和放大电路输入端噪声功率经放大后在输出端所产生的噪声功率Pno1有关 而与输入信号大小无关 结论 实际Nf 1 理想情况下Pno2 0 才可能使Nf 1 其值越接近于 则表示该放大器的内部噪声越小 放大器的噪声性能越好 噪声系数的表示 AP 放大电路的功率增益Pn01 输入端的噪声功率Pni经放大电路放大后在输出端的噪声功率Pn02 放大电路自身产生的噪声在输出端的功率 二 辐射噪声 不接触感染噪声 模拟电路工作需要电源 地线 输入和输出引线 这些引线可将外界干扰引入模拟电路 而电磁辐射信号直接作用到模拟电路上 使模拟电路受到干扰 例如 电路板上单片机的晶体振荡器 就是一个电磁辐射源 可以干扰模拟电路的工作 随着信号频率的提高 PCB上相邻信号线间的串扰将成正比地增加 并且信号线上的反射将会相应增加 如果频率更高一些 对布线的长度就有更严格的限制 根据分布参数的网络理论 高速电路与其连线间的相互作用是决定性因素 在系统设计时不能忽略 三 电路板设计时应考虑的噪声种类 通常高速电路的功耗和热耗散也都很大 在做高速PCB时应引起足够的重视 当板上有毫伏级甚至微伏级的微弱信号时 对这些信号线就需要特别的关照 小信号由于太微弱 非常容易受到其它强信号的干扰 屏蔽措施常常是必要的 否则将大大降低信噪比 以致于有用信号被噪声淹没 不能有效地提取出来 三 电路板设计时应考虑的噪声种类 二 辐射噪声 对PCB板子的预留调测点 测试点 也要在设计阶段加以考虑 测试点的物理位置 测试点的隔离等因素不可忽略 因为有些小信号和高频信号是不能直接把探头加上去进行测量的 此外还要考虑其他一些相关因素 如采用元器件的封装外形 板子的机械强度等 在做PCB板子前 要做出对该设计的设计目标心中有数 三 电路板设计时应考虑的噪声种类 二 辐射噪声 三 电路板设计时应考虑的噪声种类 二 辐射噪声 三 传导噪声 由传输线物理连接接触传染的噪声 如PCB上的传导线可能会有50赫兹的工频噪声 如效率高的开关电源却是一个高频噪声源 传导噪声的根源最终还是来源于器件噪声和辐射噪声 器件噪声和辐射噪声最后都体现在传导噪声上 如模拟地和数字地的连接共地噪声 三 电路板设计时应考虑的噪声种类 三 传导噪声 三 电路板设计时应考虑的噪声种类 三 电路板设计时应考虑的噪声种类 三 传导噪声 三 电路板设计时应考虑的噪声种类 四 电子电路抗干扰设计的依据 抑制干扰源切断干扰途径保护敏感器件 抑制干扰源常用的方法 1 消除线圈反向电动势的方法 减少辐射和传导噪声 抑制干扰源常用的方法 2 消除接点火花的方法 减少辐射噪声 抑制干扰源常用的方法 3 减小电机电磁噪声的方法LI L2 100 H C1 C2 4700pF C3 0 01 F左右 C1 C2接电机外壳 注意电容 电感的引线要尽量短 减少辐射噪声 抑制干扰源常用的方法 4 减小高频噪声对IC干扰的方法每个IC并接一个0 01 O 1 F的高频滤波电容 消除传导噪声 抑制干扰源常用的方法 5 PCB板的正确布线 减少辐射噪声 抑制干扰源常用的方法 6 消除可控硅干扰的方法一般C1 0 01 F R1 100 300 左右 减少辐射噪声 切断干扰传播路径 按干扰传播路径可分为传导干扰和辐射干扰两类 1 消除电源噪声的方法 切断干扰传播路径 2 与噪声源隔离的方法L1 1 3 H左右 为磁珠电感器 也可用1OO 左右的电阻代替 C1 C2 1000pF左右 切断噪声传递路径 切断干扰传播路径 3 晶振的正确安装 切断辐射噪声传递路径 4 设计PCB板时分区要合理 如强 弱信号 高 频 低 频 信号 数字 模拟信号要分开 尽可能把干扰源 如电机 继电器等 与敏感器件 如运放 单片机等芯片 远离 切断干扰传播路径 切断干扰传播路径 减少传导噪声 切断干扰传播路径 5 数宇地与模拟地的分离 减少传导噪声 切断干扰传播路径 6 功率器件的放置与接地 大功率电路 大功率电路 减少传导噪声 切断干扰传播路径 7 关键连接线的处理在单片机I O口或其它芯片输入输出端 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 光电隔离器等 可显著提高电路的抗干扰性 提高敏感器件的抗干扰性能 1 减小关键相邻两线回路环面积 减少辐射噪声 1 PCB走线90拐弯时要圆滑 提高敏感器件的抗干扰性能 2 闲置管脚的处理方法对于单片机的闲置管脚 不要悬空 可根据电气性能要求接地或接电源 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 闲置运放的引脚怎么连接呢 提高敏感器件的抗干扰性能 提高敏感器件的抗干扰性能 提高敏感器件的抗干扰性能 提高敏感器件的抗干扰性能 3 设置较宽的电源线和接地线布线时 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 4 使用电源看门狗电路对单片机等重要芯片要使用电源监控及看门狗电路 对于一般芯片可接入去耦电容 可大幅度提高整个电路的抗干扰性能 提高敏感器件的抗干扰性能 5 尽量使用速度较低的芯片在能满足电路性能要求的前提下 尽量降低单片机的晶振频率和选用低速数字电路 6 IC器件尽量直接焊接在电路板上 少用lC插座 增加芯片的抗干扰性能设计印刷电路板时 必须要考虑抗干扰问题 即使电路原理图设计正确 而由于印刷电路板设计不当 也会对电子设备的可靠性产生不利影响 单片机控制系统的抗干扰技术 电磁干扰一般是以脉冲形式进入单片机系统 渠道主要有三条 空间干扰 场干扰 电磁信号通过空间辐射进入系统 过程通道干扰 干扰通过与系统相连的前向通道 后向通道及与其它系统的相互通道进入 供电系统干扰 电磁信号通过供电线路进入系统 一般情况下空间干扰在强度上远小于其它两种 故微机系统中应重点防止过程通道与供电系统的干扰 硬件措施光电隔离过压保护电路抗干扰电源配置去耦电容良好接地 主要从系统硬件 软件和CPU上采取的 软件措施单片机在输出信号时 外部干扰有可能使信号出错 如系统中单片机发出的驱动步进电机的信号经锁存器锁存后传送给驱动电路 锁存器对干扰非常敏感 当锁存线上出现干扰时 会盲目锁存当前数据 而不管是否有效 因此应将锁存器与单片机安装在同一电路板上 使传输线上传送的是已经锁存好的控制信号 在软件上 最有效的方法就是重复输出同一个信号 只要重复周期尽可能短 锁存器接收到一个被干扰的错误信号后还来不及作出有效的反应 一个正确的输出信号又来到 就可以及时防止错误动作的产生 CPU抗干扰措施前面几项抗干扰措施是针对I O通道 干扰还未作用到单片机本身 这时单片机还能正确无误地执行各种抗干扰程序 当干扰作用到单片机本身时 通过干扰三总线等 单片机将不能按正常状态执行程序 从而引起混乱 如何发现单片机受到干扰 如何拦截失去控制的程序流向 如何使系统的损失减小 如何恢复系统的正常运行 这些就是CPU抗干扰需要解决的问题 人工复位对于失控的CPU 最简单的方法是使其复位 程序自动从0000H开始执行 为此只要在单片机的RESET端加上一个高电平信号 并持续10ms以上即可 掉电保护电网瞬间断电或电压突然下降将使微机系统陷入混乱状态 电网电压恢复正常后 微机系统难以恢复正常 对付这一类事故的有效方法就是掉电保护 掉电信号由硬件电路检测到 加到单片机的外部中断输入端 软件中断将掉电中断规定为高级中断 使系统及时对掉电作出反应 在掉电中断子程序中 首先进行现场保护 保存当时重要的状态参数 当电源恢复正常时 CPU重新复位 恢复现场 继续未完成的工作 睡眠抗干扰CMOS型的51系列单片机具有睡眠状态 此时只有定时 计数系统和中断系统处于工作状态 这时CPU对系统三总线上出现的干扰不会作出任何反应 从而大大降低系统对干扰的敏感程度 仔细分析系统软件后发现 CPU很多情况下是在执行一些等待指令和循环检查程序 由于这时CPU虽没有重要工作 但却是清醒的 很容易受干扰 让CPU在没有正常工作时休眠 必要时再由中断系统来唤醒它 之后又处于休眠 采用这种安排之后 大多数CPU可以有50 95 的时间用于睡眠 从而使CPU受到随机干扰的威胁大大降低 同时降低了CPU的功耗 指令冗余当CPU受到干扰后 往往将一些操作数当作指令码来执行 引起程序混乱 这时我们首先要尽快将程序引入正轨 执行真正的指令系列 MCS 51系统中所有指令都不超过 个字节 而且有很多单字节指令 当程序弹飞到某一条单字节指令上时 便自动纳入正轨 当弹飞到某一双字节或三字书指令上时 有可能落到其操作数上 从而继续出错 因此 我们应多采用单字节指令 并在关键的地方人为地插入一些单字节指令 NOP 或将有效单字节指令重复书写 这便是指令冗余技术 指令冗余在双字节和三字节指令之后插入两条NOP指令 可保护其后的指令不被拆散 或者说 某指令前如果插入两条NOP指令 则这条指令就不会被前面冲下来的失控程序拆散 并将被完整执行 从而使程序走上正轨 但不能加入太多的冗余指令 以免明显降低程序正常运行的效率 因此 常在一些对程序流向起决定作用的指令之前插入两条NOP指令 以保证弹飞的程序迅速纳入