第十六讲(P6-45)(第7章)

1、电子系统设计电子系统设计第第7章章 电子系统的实现电子系统的实现 主要要求掌握的主要要求掌握的7.2节电子系统抗干扰设计节电子系统抗干扰设计的内容在第四版中不全，参见第三版，的内容在第四版中不全，参见第三版，但本课件已涵盖所有要求掌握内容！但本课件已涵盖所有要求掌握内容！（其中隐藏页（其中隐藏页PPT仅供参考，不作要求！）仅供参考，不作要求！）一一. 理论设计后的工作理论设计后的工作：模拟仿真模拟仿真（注意：很多模拟模块没（注意：很多模拟模块没有模型可供仿真）有模型可供仿真）部分数字电路部分数字电路的可编程器件设计实现（可选）的可编程器件设计实现（可选）硬件安排硬件安排印制电路板制作印制电路板

2、制作安装设计安装设计 7.1 概述概述具体步骤如下：具体步骤如下：设计（理论）设计（理论）仿真（理论上验证）仿真（理论上验证） 设计设计PCB板（板（印刷电路板），机架，面板（实现准备）印刷电路板），机架，面板（实现准备）安装、调试安装、调试（实际电路）：静态调试（测直流工作点，一个个器件（实际电路）：静态调试（测直流工作点，一个个器件、模块加进去）；动态调试（加信号）、模块加进去）；动态调试（加信号）测试（验证）测试（验证） 编写设计报告、总结报告（测试报告，如频率稳定度编写设计报告、总结报告（测试报告，如频率稳定度等指标）等指标）在工厂里在工厂里，还有经过下列步骤：还有经过下列步骤：草样草

3、样草样评审草样评审正样正样（一般做一般做1020台）台）例行试例行试验（包括高温、高湿、振动、跌落、运输实验等）验（包括高温、高湿、振动、跌落、运输实验等）正正样评审样评审小批量生产（技术人员要跟踪的，可能还会有小批量生产（技术人员要跟踪的，可能还会有一些问题）一些问题）大批量生产（技术人员不用再在旁边跟踪大批量生产（技术人员不用再在旁边跟踪观察了）观察了）二二. 理论与实际的差别：理论与实际的差别：公式近似公式近似；器件参数的离散性器件参数的离散性；干扰，分布寄生参数干扰，分布寄生参数，尤其是模尤其是模拟部分拟部分（数字部分理论与实际的数字部分理论与实际的差别还较小）差别还较小）！理论和实际

4、的差别理论和实际的差别l首先表现在首先表现在理论计算中的公式理论计算中的公式有一些有一些有近似有近似或限制以及某些器件或电路的模型因简化而或限制以及某些器件或电路的模型因简化而与实际不完全相符与实际不完全相符，从而得出的结果与实际，从而得出的结果与实际不完全符合。不完全符合。l其次是其次是许多实际器件的参数与手册中的平均许多实际器件的参数与手册中的平均参数有一定差别参数有一定差别。l更重要的是因为更重要的是因为客观世界的干扰与影响无处客观世界的干扰与影响无处不在不在，它们对不同的电子系统、同一电子系，它们对不同的电子系统、同一电子系统的不同部位影响也不一样，必须对具体问统的不同部位影响也不一样

5、，必须对具体问题进行具体分析与解决。题进行具体分析与解决。7.2 电子系统抗干扰设计电子系统抗干扰设计由于电子系统的一个重要应用领由于电子系统的一个重要应用领域是工业生产过程，而工业生产域是工业生产过程，而工业生产的工作环境往往比较恶劣，干扰的工作环境往往比较恶劣，干扰严重，所以严重，所以抗干扰设计是电子系抗干扰设计是电子系统研制中的一个不可忽视的重要统研制中的一个不可忽视的重要内容内容。主要内容在第四版中不全，参见第三版，主要内容在第四版中不全，参见第三版，但本课件已涵盖所有要求掌握内容！但本课件已涵盖所有要求掌握内容！（其中隐藏页（其中隐藏页PPT仅供参考，不作要求！）仅供参考，不作要求！

6、）客观世界存在的干扰及表现形式客观世界存在的干扰及表现形式l电场、磁场和交变电磁场的干扰，其表现电场、磁场和交变电磁场的干扰，其表现形式是以分布电容、分布电感、交扰形式是以分布电容、分布电感、交扰（串串扰）和扰）和空间干扰空间干扰等形式出现；等形式出现；l另外还有另外还有公共回路阻抗耦合造成的干扰公共回路阻抗耦合造成的干扰，其表现形式主要是通过电源内阻、电源线其表现形式主要是通过电源内阻、电源线及地线阻抗上的耦合造成的干扰，以及及地线阻抗上的耦合造成的干扰，以及信信号传输时由于传输线特性引起的号传输时由于传输线特性引起的信号畸变、信号畸变、衰减、交扰以及延迟等影响。衰减、交扰以及延迟等影响。l

7、除电容器外，由于电路的分布特点而具有的电容叫分除电容器外，由于电路的分布特点而具有的电容叫分布电容。布电容。因为电容就是由两个存在压差而又相互绝缘因为电容就是由两个存在压差而又相互绝缘的导体所构成，所以的导体所构成，所以在任何电路中，任何两个存在压在任何电路中，任何两个存在压差的绝缘导体之间都会形成分布电容差的绝缘导体之间都会形成分布电容，只是大小问题。，只是大小问题。例如线圈的相邻两匝之间，两个分立的元件之间，两例如线圈的相邻两匝之间，两个分立的元件之间，两根相邻的导线间，一个元件内部的各部分之间，都具根相邻的导线间，一个元件内部的各部分之间，都具有一定的电容。它对电路的影响等效于给电路并联

8、上有一定的电容。它对电路的影响等效于给电路并联上一个电容器，这个电容就是分布电容。一个电容器，这个电容就是分布电容。l由于分布电容的数值一般不大，在低频交流电路中，由于分布电容的数值一般不大，在低频交流电路中，分布电容的容抗很大，对电路的影响不大，因此分布电容的容抗很大，对电路的影响不大，因此在低在低频交流电路中，一般可以不考虑分布电容的影响频交流电路中，一般可以不考虑分布电容的影响，但，但对于高频交流电路和精密仪器，分布电容的影响就不对于高频交流电路和精密仪器，分布电容的影响就不能忽略不计了能忽略不计了。分布电容分布电容返回返回l分布电感的概念类似于分布电容。分布电容、电感即分布电感的概念类

9、似于分布电容。分布电容、电感即导线和导线等之间的等效电容、电感。一旦等效数值导线和导线等之间的等效电容、电感。一旦等效数值与有用信号比起来相对较大时，就会对信号传输产生与有用信号比起来相对较大时，就会对信号传输产生影响，主要是这些等效电容、电感的储能作用影响信影响，主要是这些等效电容、电感的储能作用影响信号传输。号传输。以信号作用在等效电容上为例，信号变化快，以信号作用在等效电容上为例，信号变化快，电容上的电压还没上升到最大值，信号又开始下降，电容上的电压还没上升到最大值，信号又开始下降，结果必然不正确。结果必然不正确。l实际的电感器并非是纯感性元件，还有分布电容分量，实际的电感器并非是纯感性

10、元件，还有分布电容分量，它是由电感绕线的绕制工艺、材料而定的分布式杂散它是由电感绕线的绕制工艺、材料而定的分布式杂散电容，这等效为一个电感电容，这等效为一个电感L并联一个电容并联一个电容C的谐振电的谐振电路，自谐振频率路，自谐振频率 ，当外加频率低于当外加频率低于f0时，时，电路呈感性，电流滞后于电压；大于电路呈感性，电流滞后于电压；大于f0时，呈容性，时，呈容性，电流超前于电压。即当总阻抗为正值时是感抗，负值电流超前于电压。即当总阻抗为正值时是感抗，负值时是容抗。时是容抗。分布电感分布电感返回返回)LC(f210l串扰（串扰（crosstalk）是两条信号线之间的耦合，是两条信号线之间的耦合

11、，是由信号线之间的互感和互容引起的线上噪声。是由信号线之间的互感和互容引起的线上噪声。一般可以直接理解成电信号间的一种干扰。一般可以直接理解成电信号间的一种干扰。l并排走线的导线表现出互感和互容特性，由于并排走线的导线表现出互感和互容特性，由于这种特性，信号在一条导线上传输，在另外的这种特性，信号在一条导线上传输，在另外的导线上就能感应到这种信号，这就叫串扰。导线上就能感应到这种信号，这就叫串扰。它它与信号电压差与信号电压差dV/dt、上升下降时间上升下降时间Tr及及Tf有关。有关。lcrosstalk: Interfering energy transferred from one circ

12、uit to another. (Cisco Glossary)交扰（串扰）交扰（串扰）返回返回 1. 供电系统干扰供电系统干扰 2. 过程通道干扰过程通道干扰 3. 空间干扰空间干扰一、电子系统的主要干扰形式一、电子系统的主要干扰形式l电子系统中最重要、危害最严重的干扰电子系统中最重要、危害最严重的干扰来自于供电系统干扰。来自于供电系统干扰。l由于任何电源及输电线路都存在内阻，由于任何电源及输电线路都存在内阻，所以电网中出现的各种干扰信号都可能所以电网中出现的各种干扰信号都可能对电网中的各种设备包括电子系统产生对电网中的各种设备包括电子系统产生干扰。干扰。l供电系统干扰问题可以通过稳压、隔离

13、、供电系统干扰问题可以通过稳压、隔离、滤波等措施加以解决。滤波等措施加以解决。l过程通道是电子系统利用前向通道、后向通道过程通道是电子系统利用前向通道、后向通道和（人机）交互通道进行信息传输的路径。和（人机）交互通道进行信息传输的路径。l在过程通道中，长线传输是干扰产生的主要原在过程通道中，长线传输是干扰产生的主要原因。因。在电子系统中，尤其当传输线上的信息为在电子系统中，尤其当传输线上的信息为脉冲波时脉冲波时，它在传输线上的传输会出现它在传输线上的传输会出现延迟、延迟、畸变、衰减与通道干扰耦合畸变、衰减与通道干扰耦合（交扰）交扰），还可能，还可能接收来自空间电磁场的干扰。接收来自空间电磁场的

14、干扰。l为保证长线传输的可靠性为保证长线传输的可靠性，可采用光电耦合隔可采用光电耦合隔离、双绞线传输、同轴电缆传输、阻抗匹配及离、双绞线传输、同轴电缆传输、阻抗匹配及屏蔽等方法解决干扰问题。屏蔽等方法解决干扰问题。l空间干扰主要指电磁场在线路、导体、壳空间干扰主要指电磁场在线路、导体、壳体上的辐射而引起的噪声吸收与调制。体上的辐射而引起的噪声吸收与调制。l干扰来自于系统的内部和外部，系统本身干扰来自于系统的内部和外部，系统本身既可能接受外来干扰也可能对外产生空间既可能接受外来干扰也可能对外产生空间干扰。干扰。l一般情况下空间干扰在强度上远小于过程一般情况下空间干扰在强度上远小于过程通道干扰和供

15、电系统干扰，而且空间干扰通道干扰和供电系统干扰，而且空间干扰可用良好的屏蔽、正确的接地和布局设计可用良好的屏蔽、正确的接地和布局设计加以解决。加以解决。l电子系统的抗干扰设计既有硬件方面的任务电子系统的抗干扰设计既有硬件方面的任务也有软件方面的任务。也有软件方面的任务。l软件抗干扰措施虽然使用灵活、成本低廉软件抗干扰措施虽然使用灵活、成本低廉，但增加了软件编程工作量和但增加了软件编程工作量和CPU运行时间，运行时间，而且对于某些干扰也难以消除。而且对于某些干扰也难以消除。l因此在系统抗干扰设计时应将软、硬件抗干因此在系统抗干扰设计时应将软、硬件抗干扰措施有机地结合起来，使它们相辅相成，扰措施有

16、机地结合起来，使它们相辅相成，保证系统运行的可靠性。保证系统运行的可靠性。l我们主要介绍硬件抗干扰措施（要掌握！）我们主要介绍硬件抗干扰措施（要掌握！）二、电子系统的抗干扰设计二、电子系统的抗干扰设计二、电子系统的抗干扰设计二、电子系统的抗干扰设计1. 硬件抗干扰措施硬件抗干扰措施 为防止干扰通过前述三个渠道进入电子系统，为防止干扰通过前述三个渠道进入电子系统，一般采取的硬件抗干扰措施有：一般采取的硬件抗干扰措施有：(1) 切断来自电源的干扰切断来自电源的干扰(2) 切断来自过程通道的干扰切断来自过程通道的干扰(3) 抑制空间干扰抑制空间干扰 (4) 印刷电路板的抗干扰：印刷电路板的抗干扰：

17、电路布线注意：电路布线注意： 地线设计；地线设计； 电源线设计；电源线设计； 配置去耦电容配置去耦电容元器件布置注意：元器件布置注意： 印刷电路板尺寸与印刷电路板尺寸与器件布置（主要有三点）器件布置（主要有三点）(1) 切断来自电源的干扰切断来自电源的干扰电源的设计中应采用交流稳压、隔离变压、电源的设计中应采用交流稳压、隔离变压、低通滤波和直流稳压及各种去耦等措施。低通滤波和直流稳压及各种去耦等措施。供电系统的典型配置如下图供电系统的典型配置如下图(三图三图7-1)所示。所示。切断来自电源的干扰的措施：切断来自电源的干扰的措施： (1) 有电源变压器时有电源变压器时： 加隔离层加隔离层 (2)

18、 对开关电源（无电源变压器时）对开关电源（无电源变压器时）： (a) 加滤波器加滤波器 (b) 加高频旁路电容加高频旁路电容(2) 切断来自过程通道的干扰切断来自过程通道的干扰设计时应视具体情况选择使用：设计时应视具体情况选择使用：模拟信号通过各类隔离放大器（变压器或光电）进行隔模拟信号通过各类隔离放大器（变压器或光电）进行隔离。离。由于切断了系统与外界的一切电的传输联系，因而由于切断了系统与外界的一切电的传输联系，因而过程通道中的干扰可以被有效地消除。过程通道中的干扰可以被有效地消除。与模拟信号一样，与模拟信号一样，数字信号采用光电耦合器隔离数字信号采用光电耦合器隔离，也可，也可有效地隔离过

19、程通道中的干扰信号，特别是用于不同接有效地隔离过程通道中的干扰信号，特别是用于不同接地电位的系统之间的信号传输，如下图地电位的系统之间的信号传输，如下图(三图三图7-2)所示。所示。模拟地和数字地分开，避模拟地和数字地分开，避免公共地阻抗对模拟信号免公共地阻抗对模拟信号和数字信号产生耦合作用。和数字信号产生耦合作用。如右如右所示所示，数字地和模拟地分，数字地和模拟地分开，只有一个公共点连接，开，只有一个公共点连接，这样不会造成公共的阻抗这样不会造成公共的阻抗耦合。耦合。 (a)不好！不好！(b)好！好！用用电流传输电流传输代替代替电压传输电压传输，可获得较，可获得较好的抗干扰能力。好的抗干扰能

20、力。这是因为这是因为干扰噪声干扰噪声虽有较大的电压幅度，但能量小，只虽有较大的电压幅度，但能量小，只能形成能形成微弱电流微弱电流，故可被抑制。光电，故可被抑制。光电耦合器就是工作在电流状态，干扰信耦合器就是工作在电流状态，干扰信号产生的弱电流无法形成足够的光通号产生的弱电流无法形成足够的光通量，因而其传输中断，但不影响量，因而其传输中断，但不影响有用有用信号信号的传输。的传输。采用双绞线或同轴电缆传输。使用平行线时，当信号线采用双绞线或同轴电缆传输。使用平行线时，当信号线周围电磁场发生变化，信号线上就感应了干扰噪声。周围电磁场发生变化，信号线上就感应了干扰噪声。如如下图下图(a)(三图三图7-

21、3)所示，使用双绞线传输时，双绞线能所示，使用双绞线传输时，双绞线能使各个小环路的磁场感应干扰相互抵消，对外部磁场变使各个小环路的磁场感应干扰相互抵消，对外部磁场变化引起的干扰具有一定的抑制效果。下图化引起的干扰具有一定的抑制效果。下图(b)(三图三图7-3)是使用同轴电缆传输示意图，由于同轴电缆外壳有屏蔽是使用同轴电缆传输示意图，由于同轴电缆外壳有屏蔽作用，只要注意正确接地，就可有效抑制电磁干扰。作用，只要注意正确接地，就可有效抑制电磁干扰。TR+TR-(a). 绞合线既可减少自身绞合线既可减少自身回路的向外辐射，又可抵回路的向外辐射，又可抵御外来磁场对绞线回路的御外来磁场对绞线回路的干扰。

22、双绞线具有磁屏蔽干扰。双绞线具有磁屏蔽的作用，单位长度绞合数的作用，单位长度绞合数越多效果越好。双绞线本越多效果越好。双绞线本身没有电场屏蔽的作用，身没有电场屏蔽的作用，通常在其外围包一层金属通常在其外围包一层金属屏蔽层，屏蔽层接地就能屏蔽层，屏蔽层接地就能产生电屏蔽。产生电屏蔽。长线传输的阻抗匹配。长线传输时，阻抗不匹配长线传输的阻抗匹配。长线传输时，阻抗不匹配的传输线会产生反射，使信号出现畸变、衰减，的传输线会产生反射，使信号出现畸变、衰减，导致信号失真。导致信号失真。为了对传输线进行为了对传输线进行阻抗匹配阻抗匹配，必，必须估算出它的须估算出它的特性阻抗特性阻抗，并设计匹配的交界面。，并

23、设计匹配的交界面。对于一般的电子系统，采用如下图对于一般的电子系统，采用如下图(三图三图7-4)所示所示电路可以消除阻抗不匹配引起的过程通道干扰。电路可以消除阻抗不匹配引起的过程通道干扰。施密特施密特触发器触发器双绞线双绞线施密特施密特触发器触发器附录：施密特触发器的应用附录：施密特触发器的应用v 波形变换波形变换v施密特触施密特触发器用于发器用于脉冲整形脉冲整形电容较大电容较大其他信号导线其他信号导线间的分布电容间的分布电容叠加叠加v 脉冲鉴幅脉冲鉴幅(3) 抑制空间干扰抑制空间干扰 加大印刷板间的间隔加大印刷板间的间隔，加大导线加大导线间、元器件间的间隔间、元器件间的间隔，导线之间添加导线

24、之间添加接地线等。接地线等。 系统中敏感部件远离开关功率源。系统中敏感部件远离开关功率源。 长线传输使用同轴电缆或屏蔽线。长线传输使用同轴电缆或屏蔽线。 使用金属机壳并接地屏蔽。使用金属机壳并接地屏蔽。(4) 印刷电路板的抗干扰设计印刷电路板的抗干扰设计l印刷电路板是电子系统中器印刷电路板是电子系统中器件、信号线、电源线的高密件、信号线、电源线的高密度集合体。度集合体。l印刷电路板设计的好坏对系印刷电路板设计的好坏对系统的抗干扰能力影响很大。统的抗干扰能力影响很大。l常用的抗干扰措施有：常用的抗干扰措施有： 地线设计（地线设计（时的注意要点之一）时的注意要点之一） 正确的接地与屏蔽可以解决大部

25、分的干扰问题正确的接地与屏蔽可以解决大部分的干扰问题(1)尽量粗，尽可能减小地线阻抗尽量粗，尽可能减小地线阻抗，从而减小因，从而减小因而产生的干扰而产生的干扰（）信号在流通过程中的地线信号在流通过程中的地线，如果细的话如果细的话，则有交流则有交流、直流压降直流压降（干干扰电压）：低电平不能超过低电平的上限值扰电压）：低电平不能超过低电平的上限值，如果超过就会被认为如果超过就会被认为是高电平了，所以如果地线产生附加压降的话是高电平了，所以如果地线产生附加压降的话，低电平加上地线干低电平加上地线干扰电压扰电压，就可能超过低电平的上限值了就可能超过低电平的上限值了！(a) 检查信号通道中地线是否有很

26、细很长区域检查信号通道中地线是否有很细很长区域；(b) 检查电源流通通道中是否有很细很长的段。检查电源流通通道中是否有很细很长的段。(2)封闭小环形式封闭小环形式：将数字地做成闭合的网格，可将数字地做成闭合的网格，可以降低各元器件之间的地线电位差，能明显提以降低各元器件之间的地线电位差，能明显提高抗干扰能力。高抗干扰能力。SLR根据电阻公式：根据电阻公式：地线粗，地线粗，S大，大，则则R小小如图如图(a)所示，大电流所示，大电流 I从负载从负载ZL流回直流电源流回直流电源VDC，如果它的流动如果它的流动路径是路径是Z3Z2Z1，VN为地电流为地电流通过地阻抗产生的电压，则在通过地阻抗产生的电压

27、，则在Z2上的这部分电压和信号上的这部分电压和信号VS串联输串联输入到放大器入到放大器A，当幅度和相位满足当幅度和相位满足一定条件时就会引起正反馈自激一定条件时就会引起正反馈自激振荡，这就是公共阻抗耦合影响振荡，这就是公共阻抗耦合影响的例子。的例子。(a)不好！不好！+如图如图(b)所示，如果将电源的所示，如果将电源的接地点改一下，使负载电流接地点改一下，使负载电流通过通过Z4流回直流电源流回直流电源VDC，就，就解决了公共阻抗问题。或者解决了公共阻抗问题。或者将信号源将信号源VS的接地点与放大的接地点与放大器的接地点并在一起，也可器的接地点并在一起，也可以消除公共阻抗影响。以消除公共阻抗影响

28、。(b)好！好！+(3)注意单点接地与多点接地选择注意单点接地与多点接地选择。在。在低频电路低频电路中，中，导线与元器件间的分布电感影响较小，而接地导线与元器件间的分布电感影响较小，而接地电路中的环流引起的干扰对系统影响较大，因电路中的环流引起的干扰对系统影响较大，因而只采用而只采用一点接地一点接地；在；在高频电路高频电路中，地线阻抗中，地线阻抗变得很大，此时应尽量降低地线阻抗，应采用变得很大，此时应尽量降低地线阻抗，应采用就近多点接地法就近多点接地法。(4)数字信号地与模拟信号地分开连接，最终单点数字信号地与模拟信号地分开连接，最终单点相连相连，消除地电路经过公共阻抗而产生的干扰，消除地电路

29、经过公共阻抗而产生的干扰（如前面如前面四图四图3-135/三图三图4-164所示，所示，第三版第三版书上误写为书上误写为图图4-120）。）。 电源线设计（电源线设计（时的注意要点之二）时的注意要点之二）除了要根据电流的大小尽量加大线条宽度外，还可除了要根据电流的大小尽量加大线条宽度外，还可以利用电源线高频阻抗小的特点，将它与逻辑信号以利用电源线高频阻抗小的特点，将它与逻辑信号线平行布线线平行布线，以起到与地线相似的隔离作用；但电以起到与地线相似的隔离作用；但电源线应远离敏感信号线，以减少干扰。源线应远离敏感信号线，以减少干扰。电源线的要求没有地线那么高电源线的要求没有地线那么高：(a) 电源

30、线适当粗，不能产生过大压降；电源线适当粗，不能产生过大压降；(b) 在集成块的在集成块的VCC端，加滤波电路。端，加滤波电路。SLR根据电阻公式：根据电阻公式：电源线粗，电源线粗，S大，大，则则R小小 配置去耦电容（配置去耦电容（时的注意要点之三）时的注意要点之三）在印刷电路板的各个关键部位配置去耦电容是印刷电在印刷电路板的各个关键部位配置去耦电容是印刷电路板设计的一项常规做法，它包括以下几个方面路板设计的一项常规做法，它包括以下几个方面：(a) 在电路板电源输入端跨接一个在电路板电源输入端跨接一个10100 F（或更大或更大）的电解电容，的电解电容，滤除电源中的低频干扰滤除电源中的低频干扰。

31、但由于大电解。但由于大电解电容存在较大的分布电感，因而它滤除高频干扰的效电容存在较大的分布电感，因而它滤除高频干扰的效果反而不如小电容。果反而不如小电容。(b) 在每个关键集成电路芯片的电源输入端跨接一个在每个关键集成电路芯片的电源输入端跨接一个高频性能好的高频性能好的0.01 F的陶瓷电容或钽电容（与的陶瓷电容或钽电容（与(a)中中的大电容并联），的大电容并联），滤除电源中的高频干扰滤除电源中的高频干扰。(c) 去耦电容的引线不能太长，特别是高频旁路电容去耦电容的引线不能太长，特别是高频旁路电容不能有长引线（这会造成低频不稳定即低音频振荡）。不能有长引线（这会造成低频不稳定即低音频振荡）。l

32、EMI（电磁干扰）电源滤波器对干扰噪声的抑制能（电磁干扰）电源滤波器对干扰噪声的抑制能力通常用插入损耗（力通常用插入损耗（Insertion Loss）特性来衡量。）特性来衡量。插入损耗的定义为：没有滤波器接入时从噪声源传插入损耗的定义为：没有滤波器接入时从噪声源传输到负载的噪声功率输到负载的噪声功率P1和接入滤波器后噪声源传输和接入滤波器后噪声源传输到负载的噪声功率到负载的噪声功率P2之比，用之比，用dB（分贝）表示。从（分贝）表示。从理想电容的插入损耗特性曲线可见，理想电容的插入损耗特性曲线可见，1 F电容对应电容对应的插入损耗曲线斜率接近的插入损耗曲线斜率接近20dB/10倍频。倍频。l

33、观察其中某一条插入损耗特性，当频率增加观察其中某一条插入损耗特性，当频率增加时，电容的插入损耗值是增加的，也就是说时，电容的插入损耗值是增加的，也就是说P1/P2值是增加的，这意味着系统通过电容滤值是增加的，这意味着系统通过电容滤波以后能够传输到负载的噪声减少，电容滤波以后能够传输到负载的噪声减少，电容滤除高频噪声的能力增强。从理想电容的公式除高频噪声的能力增强。从理想电容的公式分析，当电容一定时，信号频率越高，回路分析，当电容一定时，信号频率越高，回路阻抗越低，也即阻抗越低，也即电容比较易于滤除高频成分电容比较易于滤除高频成分。l再观察不同电容所对应的曲线，在频率很低再观察不同电容所对应的曲

34、线，在频率很低的情况下，各种电容所对应的插入损耗值是的情况下，各种电容所对应的插入损耗值是近似相同的，但是随着频率的增加，小电容近似相同的，但是随着频率的增加，小电容的插入损耗值增加的幅度较大电容要慢一些，的插入损耗值增加的幅度较大电容要慢一些，P1/P2值增加得也就较慢，也就是说值增加得也就较慢，也就是说大电容更大电容更容易滤除低频噪声容易滤除低频噪声。（参见备注分析）（参见备注分析）l因而我们在设计高速电路板时，通常在电路因而我们在设计高速电路板时，通常在电路板的电源接入端放置一个板的电源接入端放置一个110 F的电容，滤的电容，滤除低频噪声；在电路板上每个器件的电源与除低频噪声；在电路板

35、上每个器件的电源与地线之间放置一个地线之间放置一个0.010.1 F的电容，滤除的电容，滤除高频噪声。高频噪声。l电容滤波的目的是滤除叠加在电源系统中电容滤波的目的是滤除叠加在电源系统中的交流成分，当频率一定时，电容值越大，的交流成分，当频率一定时，电容值越大，回路中的阻抗就越小，这样交流信号就越回路中的阻抗就越小，这样交流信号就越容易通过电容流到地平面上去，换句话说，容易通过电容流到地平面上去，换句话说，即似乎电容值越大其滤波效果越好，事实即似乎电容值越大其滤波效果越好，事实上并非如此，因为实际电容并不具有理想上并非如此，因为实际电容并不具有理想电容的所有特性。实际电容存在寄生成分，电容的所

36、有特性。实际电容存在寄生成分，这是构造电容器极板和引线时所形成的，这是构造电容器极板和引线时所形成的，而这些寄生成分可等效为串联在电容上的而这些寄生成分可等效为串联在电容上的电阻与电感，通常称之为等效串联电阻电阻与电感，通常称之为等效串联电阻（ESR）和等效串联电感（）和等效串联电感（ESL）。）。l实际电容在工作时由于存在寄生电感实际电容在工作时由于存在寄生电感的缘故，使得电容回路成为一个串联的缘故，使得电容回路成为一个串联谐振回路。当频率小于自谐振频率谐振回路。当频率小于自谐振频率f0时，呈现为电容；频率大于时，呈现为电容；频率大于f0时，呈时，呈现为电感。所以，电容器更像是一个现为电感。

37、所以，电容器更像是一个带阻滤波器，而不是一个低通滤波器。带阻滤波器，而不是一个低通滤波器。l任何一种电容器的有效频率范围是有任何一种电容器的有效频率范围是有限的，而对于一个系统，既有低频噪限的，而对于一个系统，既有低频噪声，又有高频噪声，所以通常要用不声，又有高频噪声，所以通常要用不同类型的电容并联来达到更宽的有效同类型的电容并联来达到更宽的有效频率范围。频率范围。l电子线路中的同一电容，有时称它去耦电容，有时又称电子线路中的同一电容，有时称它去耦电容，有时又称它为旁路电容。去耦电容和旁路电容都是起到抗干扰的它为旁路电容。去耦电容和旁路电容都是起到抗干扰的作用，但是当我们从不同的角度去看时，它

38、们所起的作作用，但是当我们从不同的角度去看时，它们所起的作用是不同的，所以才有不同的称谓。用是不同的，所以才有不同的称谓。l旁路（旁路（bypass）电容是把）电容是把输入信号输入信号中的高频噪声作为中的高频噪声作为滤除对象，它的作用是滤除前级电路所携带的高频杂波；滤除对象，它的作用是滤除前级电路所携带的高频杂波；而去耦（而去耦（decoupling）电容也称退耦电容，是把该级）电容也称退耦电容，是把该级输出信号输出信号的干扰作为滤除对象，对于下一级电路来说，的干扰作为滤除对象，对于下一级电路来说，它又是旁路电容。它又是旁路电容。l我们经常可以看到，在电源和地之间连接着去耦电容，我们经常可以看

39、到，在电源和地之间连接着去耦电容，它有三个方面的作用：一是作为本集成电路的蓄能电容；它有三个方面的作用：一是作为本集成电路的蓄能电容；二是滤除该器件产生的高频噪声，切断其通过供电回路二是滤除该器件产生的高频噪声，切断其通过供电回路进行传播的通路；三是防止电源携带的噪声对电路构成进行传播的通路；三是防止电源携带的噪声对电路构成干扰。干扰。去耦电容和旁路电容的示意电路图去耦电容和旁路电容的示意电路图l旁路电容：旁路电容：旁路电容的主要功能是产生一个交流分路，从旁路电容的主要功能是产生一个交流分路，从而消去进入易感区的那些不需要的能量。而消去进入易感区的那些不需要的能量。旁路电容一般作为高频旁路器件

40、来减小对电源旁路电容一般作为高频旁路器件来减小对电源模块的瞬态电流需求。模块的瞬态电流需求。通常铝电解电容和钽电通常铝电解电容和钽电容比较适合作旁路电容，其电容值取决于容比较适合作旁路电容，其电容值取决于PCB板上的瞬态电流需求，一般在板上的瞬态电流需求，一般在10至至470 F范围范围内。若内。若PCB板上有许多集成电路、高速开关电板上有许多集成电路、高速开关电路和具有长引线的电源，则应选择大容量电容。路和具有长引线的电源，则应选择大容量电容。l去耦电容：去耦电容：有源器件在开关时产生的高频开关噪声将沿着有源器件在开关时产生的高频开关噪声将沿着电源线传播。电源线传播。去耦电容的主要功能就是提

41、供一去耦电容的主要功能就是提供一个局部的直流电源给有源器件，以减少开关噪个局部的直流电源给有源器件，以减少开关噪声在板上的传播和将噪声引导到地。声在板上的传播和将噪声引导到地。l实际上，旁路电容和去耦电容都应该尽可能放实际上，旁路电容和去耦电容都应该尽可能放在靠近电源输入处以帮助滤除高频噪声。在靠近电源输入处以帮助滤除高频噪声。去耦去耦电容的取值大约是旁路电容的电容的取值大约是旁路电容的1/100到到1/1000。为了得到更好的为了得到更好的EMC（电磁兼容）特性，去耦（电磁兼容）特性，去耦电容还应尽可能地靠近每个集成块（电容还应尽可能地靠近每个集成块（IC），因），因为布线阻抗将减小去耦电容

42、的效力。为布线阻抗将减小去耦电容的效力。陶瓷电容陶瓷电容常被用来去耦，其值决定于最快信号的上升时常被用来去耦，其值决定于最快信号的上升时间和下降时间。例如，对一个间和下降时间。例如，对一个33MHz的时钟信的时钟信号，可使用号，可使用4.7nF到到100nF的电容；对一个的电容；对一个100MHz时钟信号，可使用时钟信号，可使用10nF的电容。选择的电容。选择去耦电容时，除了考虑电容值外，去耦电容时，除了考虑电容值外，ESR（等效（等效串联电阻）值也会影响去耦能力。为了去耦应串联电阻）值也会影响去耦能力。为了去耦应选择选择ESR值低于值低于1欧姆的电容。欧姆的电容。电源去耦问题电源去耦问题l所

43、有精密模拟集成电路（所有精密模拟集成电路（IC）甚至低频电路都含有截）甚至低频电路都含有截止频率为几百止频率为几百MHz的晶体管。因此这些器件的电源必的晶体管。因此这些器件的电源必须对地去耦，在尽量靠近须对地去耦，在尽量靠近IC高频处返回以防止在甚高高频处返回以防止在甚高频情况下的不稳定性。使用的这种去耦电容必须具有频情况下的不稳定性。使用的这种去耦电容必须具有低自感而且其引线应该尽可能短（最好用低自感而且其引线应该尽可能短（最好用10100nF，表面安装陶瓷电容芯片，但其引脚长度如果小于表面安装陶瓷电容芯片，但其引脚长度如果小于2mm一般最为有效）。一般最为有效）。l低频去耦也很重要，因为电

44、源抑制（低频去耦也很重要，因为电源抑制（PSR）通常在直）通常在直流条件下规定并且随电源脉动频率的增加而明显变坏。流条件下规定并且随电源脉动频率的增加而明显变坏。使用钽电解电容进行旁路可提供好的低频去耦。使用钽电解电容进行旁路可提供好的低频去耦。l去耦电容接长引线没有好处，这会产生低频不稳定去耦电容接长引线没有好处，这会产生低频不稳定（低音频振荡）。但对每个集成电路都进行低频去耦，（低音频振荡）。但对每个集成电路都进行低频去耦，通常是没有必要的。通常是没有必要的。电源去耦问题电源去耦问题l理想的高频去耦要求为：理想的高频去耦要求为：1低电感电容器（单片低电感电容器（单片陶瓷电容器）；陶瓷电容器

45、）；2紧靠集成电路安装；紧靠集成电路安装；3短引短引脚电容器；脚电容器；4短而宽的导电带。短而宽的导电带。l电源去耦不只是防止不稳定。运算放大器（至少）电源去耦不只是防止不稳定。运算放大器（至少）是有四个端子的器件，因为对于两个信号输入端是有四个端子的器件，因为对于两个信号输入端和一个信号输出端来说肯定有一个返回路径。习和一个信号输出端来说肯定有一个返回路径。习惯上把运算放大器的两个电源（指有正、负电源惯上把运算放大器的两个电源（指有正、负电源的运算放大器）的公共端看作输出信号的返回路的运算放大器）的公共端看作输出信号的返回路径，但实际上，其中一个电源将是真实的高频返径，但实际上，其中一个电源

46、将是真实的高频返回路径。所以对放大器这个电源端的去耦问题，回路径。所以对放大器这个电源端的去耦问题，必须既要考虑正常高频去耦又要考虑输出地返回必须既要考虑正常高频去耦又要考虑输出地返回路径的去耦。路径的去耦。 印刷电路板尺寸与器件布置印刷电路板尺寸与器件布置印刷电路板过大时，印刷线条长，阻抗增加，不仅抗干印刷电路板过大时，印刷线条长，阻抗增加，不仅抗干扰能力下降，而且成本提高；过小，则散热不好，且易扰能力下降，而且成本提高；过小，则散热不好，且易受邻近线条干扰。因此，印刷电路板尺寸要适中。受邻近线条干扰。因此，印刷电路板尺寸要适中。时应遵循的三条原则时应遵循的三条原则：(a) 合理划分系统，相

47、关器件应尽量放得靠近些。合理划分系统，相关器件应尽量放得靠近些。例如例如晶振和晶振和CPU等时序器件的时钟信号输入端应相互靠近些。等时序器件的时钟信号输入端应相互靠近些。(b) 远离易产生噪声的器件（敏感器件要屏蔽）。远离易产生噪声的器件（敏感器件要屏蔽）。例如例如信号线与其他器件应尽量远离晶振（晶振由于产生周期信号线与其他器件应尽量远离晶振（晶振由于产生周期性信号，所以较易对外产生噪声）性信号，所以较易对外产生噪声） 。(c) 数字逻辑电路应远离大电流模拟电路（数字逻辑电路应远离大电流模拟电路（注意模拟部注意模拟部件对数字部件的干扰件对数字部件的干扰）。例如控制电路（数字的，如数。例如控制电

48、路（数字的，如数字控制器或单片机）与驱动电路（模拟的，如驱动扬声字控制器或单片机）与驱动电路（模拟的，如驱动扬声器或电机器或电机）应分板制作。应分板制作。以上介绍了硬件抗干扰措施的以上介绍了硬件抗干扰措施的一般原则及办法一般原则及办法，但实际情况但实际情况往往是错综复杂的往往是错综复杂的，必须仔细必须仔细分析研究、反复实践分析研究、反复实践，才可能才可能找到有效的解决办法。更详细找到有效的解决办法。更详细的内容请参阅本章后面所附的的内容请参阅本章后面所附的参考文献。参考文献。2. 软件抗干扰措施软件抗干扰措施（以自学为主，以下主要介绍（以自学为主，以下主要介绍2条）条）(1) 数字滤波：共数字

49、滤波：共7点，以下主要介绍点，以下主要介绍4点：点： 中值滤波：对一个采样点连续采集多个信号，取其中值滤波：对一个采样点连续采集多个信号，取其中间值（中间值（Excel函数函数MEDIAN）作为本次采样值。作为本次采样值。 算术平均滤波：对一个采样点连续采样多次，以其算术平均滤波：对一个采样点连续采样多次，以其平均值（平均值（Excel函数函数AVERAGE）作为该点采样结果。作为该点采样结果。 一阶递推数字滤波：利用软件完成一阶递推数字滤波：利用软件完成RC低通滤波器的算法，低通滤波器的算法，实现用软件方法替代硬件实现用软件方法替代硬件RC滤波器。滤波器。 加权平均滤波：有时为了消除采样值中

50、的随机误差，同时加权平均滤波：有时为了消除采样值中的随机误差，同时又不降低系统对当前输入信号的灵敏度，可将各采样点的采又不降低系统对当前输入信号的灵敏度，可将各采样点的采样值与邻近的采样点作加权平均来作为实际采样值。样值与邻近的采样点作加权平均来作为实际采样值。(4) 设置监视定时器：设置监视定时器：w这是一种使用这是一种使用来监视程序运行状态的抗干来监视程序运行状态的抗干扰措施。扰措施。w在主程序中加入对定时器时间进行在主程序中加入对定时器时间进行的操作，的操作，只要程序正常运行，定时器因程序会清零就不会出现超时只要程序正常运行，定时器因程序会清零就不会出现超时及定时中断；及定时中断；w而当

51、程序因干扰失常时，定时器因得不到清零而会导致超而当程序因干扰失常时，定时器因得不到清零而会导致超时、触发定时中断，再时、触发定时中断，再，从而解，从而解决干扰问题，使系统恢复正常运行。决干扰问题，使系统恢复正常运行。7.3 电子系统的装配与调试电子系统的装配与调试一、电子系统的装配一、电子系统的装配 电子系统的装配包括系统的硬件安排、印刷电子系统的装配包括系统的硬件安排、印刷电路板设计、元件焊接、整机连接等工作。电路板设计、元件焊接、整机连接等工作。 1. 硬件安排硬件安排 （1）整机结构与印刷电路板分配）整机结构与印刷电路板分配模拟电路或小信号电路尽量集中地安排在一块板上。大功模拟电路或小信

52、号电路尽量集中地安排在一块板上。大功率电路、高压电路、发射电路等单独配置，甚至安排必要率电路、高压电路、发射电路等单独配置，甚至安排必要的屏蔽盒、绝缘盒、散热装置以及保护装置等。切忌强、的屏蔽盒、绝缘盒、散热装置以及保护装置等。切忌强、弱信号电路混在一起，低压、高压电路混在一起，模、数弱信号电路混在一起，低压、高压电路混在一起，模、数电路交叉混在一起。电路交叉混在一起。 （2）面板配置）面板配置 （3）连接方法）连接方法2. 印刷电路板的设计印刷电路板的设计核心问题是正确进行印刷电路板的布局，尽量采用计算机辅助设计。核心问题是正确进行印刷电路板的布局，尽量采用计算机辅助设计。可用可用Prote

53、l 99SE/DXP、Altium Designer、PowerPCB、NI Circuit Design Suite - Ultiboard、Cadence Allegro PCB Editor/Designer、Cadence OrCAD Layout等软件（其中有些软等软件（其中有些软件可利用其自动布线件可利用其自动布线/智能布线等功能）。智能布线等功能）。 a、布局、布局： (1) 用用Protel画电路原理图；画电路原理图； (2) 建网表（建网表（Netlist）。）。b、设计目标、设计目标：(1) 信号通路尽量简捷信号通路尽量简捷；(2) 对小信号没有来回通路对小信号没有来回通路

54、： 小信号放大后又回来，正反馈小信号放大后又回来，正反馈，成振荡器了！成振荡器了！(3) 连线尽量少连线尽量少，尽量短；尽量短；(4) 器件适当的整齐器件适当的整齐（相对的！）。相对的！）。首先重要的是首先重要的是(1)和和(2)，其次是其次是(3)，最后才是，最后才是(4)。3. 元器件的焊接元器件的焊接有无短路、断路现象有无短路、断路现象电路板上的穿心导孔是否导通电路板上的穿心导孔是否导通4. 整机连接与过流过压保护整机连接与过流过压保护二、电子系统的调试二、电子系统的调试1. 电路板、连接线与元器件的检查电路板、连接线与元器件的检查2. 静态检查静态检查：首先分块进行静态检查首先分块进行

55、静态检查l各电路板先不插上器件，加上外接电源检测各电路板先不插上器件，加上外接电源检测有无短路，然后逐点检查各器件的电源脚电有无短路，然后逐点检查各器件的电源脚电压值是否正确。逐块插入器件（注意：插器压值是否正确。逐块插入器件（注意：插器件时应关掉电源），逐次检查电源电流值及件时应关掉电源），逐次检查电源电流值及器件电源脚电压值，并注意电路板上有无异器件电源脚电压值，并注意电路板上有无异常现象（发热、冒烟、打火、异味等）。常现象（发热、冒烟、打火、异味等）。3. 动态检查与调试动态检查与调试a. 数字系统动态检查与调试数字系统动态检查与调试l数字系统分为数字系统分为数据子系统数据子系统与与控制

56、子系统控制子系统两大部分。两大部分。l首先应检查首先应检查控制子系统控制子系统部分。部分。控制子系统控制子系统都是时序电都是时序电路，检查时序电路的内容就是检查时序电路是否按照路，检查时序电路的内容就是检查时序电路是否按照预定的状态图（流程图）要求，在时钟脉冲及输入信预定的状态图（流程图）要求，在时钟脉冲及输入信号作用下完成预定的状态转换及输出控制信号。可用号作用下完成预定的状态转换及输出控制信号。可用多踪示波器、逻辑分析仪等观察电路的状态变量及输多踪示波器、逻辑分析仪等观察电路的状态变量及输出变量的波形并与设计要求相对比。出变量的波形并与设计要求相对比。l控制子系统控制子系统合乎要求后可进行合乎要求后可进行数据子系统数据子系统的检查。应的检查。应该按照各模块电路的功能，逐块地检查它的逻辑功能该按照各模块电路的功能，逐块地检查它的逻辑功能（波形、电平）。检查时注意保证电路工作条件及输（波形、电平）。检查时注意保证电路工作条件及输入信号正确。入信号正确。3. 动态检查与调试动态检查与调试b. 模拟系统动态检查与调试模拟系统动态检查与调试l逐级检查与调试各单元电路。逐级检查与调试各单元电路。一般由输入一般由输入级开始进行，首先调整该级工作点至设计级开始进行，首先调整该级工作点至设计值，然后外加额定信号测试检查该级输出值，然后外加额定信号测试检查