《传感器与检测技术（第3版）》课件 第17、18章 调理电路系统设计、检测系统的抗干扰设计

第17章调理电路系统设计17.1电源设计117.2传感器类型简介17.3传感器误差分析32417.4放大电路误差分析517.5前置放大器的低噪声技术第17章调理电路系统设计17.6前置放大器的设计、制作及评价617.7滤波器设计17.8滤波器的特性与种类87917.9滤波器频率响应与时间响应特性1017.10SAR型ADC驱动17.1电源设计

一款抗干扰、低噪声、低纹波、高效率的电源是系统稳定工作的基础，电源为包括放大器在内的全部芯片提供所需能量。图17-1是电源为系统提供能量示意图。17.1电源设计图17-1电源为系统提供能量示意图◆线性电源参数分析：线性电源是放大器等模拟芯片的首选供电方式，优势是自身噪声低，同时对外界噪声具有一定抑制能力。在选取线性电源时需注意以下几个参数：1）输入电压范围：线性电源输入的最大值与最小值；2）压差：指定负载电流条件下，输出电压不变时，最小输入电压与输出电压的电压差；3）电源抑制比：抑制电源输入端噪声，使其不影响输出电源的能力，见式17-1；

17.1电源设计4）静态电流：外部空载时线性电源内部工作所需的电流；5）输出电压噪声：在指定输出负载条件和指定范围（0.01~100kHz或0.1~100kHz)，当没有输入纹波时，电压噪声的RMS值。上述参数中，电源抑制比对放大器信号的影响最为直接。17.1电源设计◆开关电源设计方法：为计一款好的开关电源需要考虑的因素众多，不仅是输入电压范围、输出电压、输出电流，还有输出纹波、反馈环路的稳定性、电源效率、EMI等。

图17-2（a）所示为8823345B2开关电源磁抵消技术专利。使用右手定则判定，两个翻击路径产生的磁场方向相反，在空间中将形成一个闭合电磁场，由此减少能量向外界辐射。电路示意图如图17-2（b）所示，在PCB布板中将电容36、34对称分布与走线就能行实现低辐射。17.1电源设计17.1电源设计图17-2开关电源磁抵消技术专利和电路示意图17.2传感器类型简介

17.2传感器类型简介图17-3分压型电阻传感器电路

17.2传感器类型简介

图17-4电流源激励的电阻传感器17.2传感器类型简介

17.2传感器类型简介

图17-5惠斯通电桥电路17.2传感器类型简介

2：常见光电类传感器包括光敏电阻、光电二极管、光电倍增管、光电池传感器。光敏电阻类似于热敏电阻，应用可参照图17-3。

光电二极管、光电倍增管、光电池传感器以电流为输出，应用电路参照图17-6光电二极管传感（跨阻放大）电路，区别在于光电二极管需要反向偏压，通常小于10V；光电倍增管的反向偏压较高，通常在50V甚至数百伏；光电池不需要偏置电压。图17-6光电二极管传感电路图12-1为GettingStarted窗口1．测量与测量方法◆测量是人们借助专门的技术和设备，通过实验的方法，把被测量与作为单位的标准量进行比较，以确定被测量是标准量的多少倍数的过程。

常用的测量方法有：电测法、非电测法、直接测量，间接测量、静态测量、动态测量、接触式测量、非接触式测量、模拟式测量、数字式测量等。17.3传感器误差分析图12-1为GettingStarted窗口

17.3传感器误差分析*绝对误差是一个有符号、大小、量纲的物理量，它只表示测量值与真值之间的偏离程度和方向，而不能说明测量质量的好坏。图12-1为GettingStarted窗口

17.3传感器误差分析图12-1为GettingStarted窗口

17.3传感器误差分析图12-1为GettingStarted窗口3：测量误差的分类及来源按误差表现的规律划分为系统误差、随机误差、粗大误差和缓变误差。（1）系统误差：对同一被测量进行多次重复测量时，若误差固定不变或者按照一定规律变化，这种误差称为系统误差。按照所表现出来的规律，通常把系统误差划分为四类。①固定不变的系统误差：指在重复测量中，数值大小和符号均不变的系统误差。②线性变化的系统误差：是指随着测量次数或时间的增加，数值按照一定比例而不断增加（或减少）的系统误差。17.3传感器误差分析图12-1为GettingStarted窗口③周期性变化的系统误差：是指数值和符号循环交替、重复变化的系统误差。④复杂规律变化的系统误差：是指既不随时间做线性变化，也不做周期性变化，而是按照复杂规律变化的系统误差。线性、周期性或复杂规律变化的系统误差统称为变值系统误差。

17.3传感器误差分析图12-1为GettingStarted窗口系统误差的发现：①实验比对法用仪器对同一被测量进行测量，通过分析测量结果的差异来判断系统误差是否存在。②残余误差观察法将一个测量列的残余误差（测量值与测量值平均值之差）与次数在坐标中依次连接后，通过观察误差曲线即可以判断有无系统误差的存在。③准则判别法。有许多准则可以方便地判断出系统误差的存在，如马利科夫准则可以判断测量列中是否存在线性变化系统误差；阿贝—赫梅特准则可以判断测量列中是否存在周期性变化系统误差等。17.3传感器误差分析图12-1为GettingStarted窗口系统误差的减小和消除方法：①替代法在测量条件不变的基础上，用标准量替代被测量，实现相同的测量效果，从而用标准量确定被测量。此法能有效地消除检测装置的系统误差。②零位式测量法测量时将被测量x与其已知的标准量A进行比较，调节标准量使两者的效应相抵消，系统达到平衡时，被测量等于标准量。③补偿法在传感器的结构设计中，常选用在同一干扰变量作用下所产生的误差数值相等而符号相反的零部件或元器件作为补偿元件。例如热电偶冷端温度补偿器的铜电阻。17.3传感器误差分析图12-1为GettingStarted窗口④修正法仪表的修正值已知时，将测量结果的指示值加上修正值，就可以得到被测量的实际值。此法可削弱测量中的系统误差。⑤对称观测法（交叉读数法）许多复杂变化的系统误差，在短时间内可近似看做线性系统误差。在测量过程中，合理设计测量步骤以获取对称的数据，配以相应的数据处理程序，从而得到与该影响无关的测量结果。这是消除线性系统误差的有效方法。⑥半周期偶数观测法周期性系统误差的特点是每隔半个周期所产生的误差大小相等、符号相反。17.3传感器误差分析图12-1为GettingStarted窗口（2）随机误差：

对同一被测量进行多次重复测量时，若误差的大小随机变化、不可预知，这种误差称为随机误差。

随机误差就单次测量而言是无规律的，其大小、方向均不可预知，既不能用实验的方法消除，也不能修正，但当测量次数无限增加时，该测量列中的各个测量误差出现的概率密度分布服从正态分布，随机误差的正态分布曲线如图17-7所示。17.3传感器误差分析图12-1为GettingStarted窗口17.3传感器误差分析图17-7随机误差的正态分布曲线图12-1为GettingStarted窗口17.4放大电路误差分析

误差包括两个概念，精度与精密。精度（Accuracy）是系统特性与绝对真实数值之间的差距。精密（Precision）是以数字形式表示的数值分布。以射击比赛为例，选手中靶位置与靶心的偏差可以理解为精度，所有中靶位置之间的分布距离表示为精密。本节将讨论的内容属于精度范畴。图12-1为GettingStarted窗口17.4放大电路误差分析

1．单级放大电路总输出误差：如图17-8所示，以同相放大电路为例，导致总输出误差的项目折算到输入端为式17-11。图17-8同相放大电路总输出误差分析电路

图12-1为GettingStarted窗口17.4放大电路误差分析

2．多级放大电路直流误差分析：首先查验电路架构，对直流噪声的影响最大因素是失调电压。

AD8221ARZ在25℃环境中，供电电源时，输入失调电压最大值为60μV，输出失调电压最大值为300μV。OP27GS在25℃环境中，供电电源时，输入失调电压典型值为30μV，最大值为100μV。AD8022ARZ在25℃环境中，供电电源，电路增益为1时，输入失调电压典型值为1.5mV，最大值为6mV。如果以最大值进行评估，可得AD8221增益为5倍，电路输出的最大失调误差为：图12-1为GettingStarted窗口17.4放大电路误差分析

图12-1为GettingStarted窗口17.4放大电路误差分析

在实际操作中，首先推荐使用ADA4522-2进行替换，ADA4522-2ARZ在25℃环境中，供电电压范围为30V时，失调电压典型值为1μV。

其次，推荐使用ADA4077-1替换0P27。在0P27官网页面标出“不推荐在新设计中使用”，不排除后续存在停产的风险。ADA4077-1ARZ在25℃环境中，供电电压为时，失调电压典型值为15μV。

另外，由于AD8221数据手册中没有输出失调电压参数典型值及分布，所以介绍管脚封装兼容AD8422BRZ进行评估。调整后电路的输出直流误差为：图12-1为GettingStarted窗口17.5前置放大器的低噪声技术

1．前置放大器应该具备的性能①前置放大器内部的噪声小，也不易受外来噪声的影响。②前置放大器的输入阻抗要比传感器的输出阻抗高得多。③增益-频率特性能够覆盖必要的频带。④具有必要的增益，当温度等因素变化时具有良好的稳定性。⑤具有良好的增益线性，失真小。⑥为了能够获得必要的输出电压，输岀阻抗要小，且不易受负载的影响。

图12-1为GettingStarted窗口17.5前置放大器的低噪声技术

在进行设计时应该满足以上各项要求。而且基于提高增益的稳定性、频率特性的平坦性和直线性的要求，还应该减少输入输出间的相位变化，减小输出阻抗，这就是图17-9所示的负反馈技术所承担的重要任务。图17-9负反馈的作用图12-1为GettingStarted窗口17.5前置放大器的低噪声技术

图12-1为GettingStarted窗口17.5前置放大器的低噪声技术

热噪声的性质：热噪声的波形是无规则的。但是不可思议的是当测量波形瞬时值的产生频度时，看到如图17-10所示的规则分布（高斯分布）。就是说热噪声的最大瞬时电压是没有限度的，不过电压越大出现的频度越小。图17-10热噪声的振幅几率密度呈高斯分布图12-1为GettingStarted窗口17.5前置放大器的低噪声技术

图12-1为GettingStarted窗口17.5前置放大器的低噪声技术

计算噪声电压时，只是说明了一定带宽范围内的噪声特性。但是在放大器振幅-频率特性的上限/下限附近的增益衰减斜率是各不相同的，因此一概规定为降低3dB的频率是不准确的，需要对衰减斜率进行修正。如图17-11所示，这被称为等效噪声带宽。图17-11等效噪声带宽与噪声带宽系数图12-1为GettingStarted窗口17.5前置放大器的低噪声技术3．OP放大器电路中产生的噪声

3.1非反转放大电路中产生的噪声

前面说明了噪声的基本考虑方法。对于OP放大器中发生的噪声来说，如图17-12所示，有输入换算噪声电压和输入噪声电流两种。在低噪声OP放大器参数表中提供这些数据。表17-1就是典型的低噪声OP放大器的数据。图17-12非反转放大电路中产生的噪声图12-1为GettingStarted窗口17.5前置放大器的低噪声技术表17-1主要的低噪声OP放大器图12-1为GettingStarted窗口17.5前置放大器的低噪声技术产生这两种噪声的五种因素：①信号源电阻Rs产生的热噪声。②决定增益的合成电阻值（Rfl//Rf2）产生的热噪声。③将OP放大器内部产生的噪声用输入换算噪声电压表示。④来自OP放大器的输入端的噪声电流流过信号源电阻Rs形成噪声电压加在输入端。⑤同样地，来自OP放大器输人端的噪声电流流过决定增益的电阻Rfl和Rf2形成噪声电压加在输入端。图12-1为GettingStarted窗口17.5前置放大器的低噪声技术

图12-1为GettingStarted窗口17.5前置放大器的低噪声技术

图12-1为GettingStarted窗口17.5前置放大器的低噪声技术

图12-1为GettingStarted窗口17.5前置放大器的低噪声技术3.3OP放大器噪声的三个频率范围

热噪声的频率特性是平坦的。不过OP放大器使用的半导体器件产生的输入换算噪声电压和输入噪声电流的频率特性却不是平坦的，通常表现出如图17-13所示的频率特性。

图17-13OP放大器产生噪声的一般分布图12-1为GettingStarted窗口17.5前置放大器的低噪声技术3.4噪声系数NF评价放大器的噪声

常用的对放大器的噪声进行评价的参数是噪声系数NF（NoiseFigure）。它用放大器输入信号中的S/N与输岀信号中的S/N表示为下式17-20：式中，Si为输入信号的振幅；So为放大器的输出振幅；Ni为输入信号中的噪声；No为放大器的输岀噪声。如果明确了信号源放大器的NF规格，就能够计算出放大器输出的噪声电压。例如，Rs为l,如果噪声系数NF=3dB，那么输入换算噪声电压为：图12-1为GettingStarted窗口17.5前置放大器的低噪声技术

假设放大器的增益是1000倍，等效噪声带宽为100kHz，那么放大器输出的噪声电压Von的值为：

图12-1为GettingStarted窗口17.5前置放大器的低噪声技术4．前置放大器的频率特性和失真特性

4.1放大电路的频率上限。

放大器的频率上限由所使用OP放大器的增益带宽积（GBP）和转换速率（SR）来决定。

OP放大器未加负反馈（开环时）时的增益频率特性（OpenLoopFrequencyResponse）示于图17-14。

图17-14OP放大器的开环增益的频率特性（以NJM5534为例）图12-1为GettingStarted窗口17.5前置放大器的低噪声技术

图17-14中间部分斜率为6dB/oct（频率为2倍时，增益下降1/2，20dB/oct也相同），所以在AB范围内的增益与频率之积是一定的，这就叫做增益带宽积GBP。如图17-15所示，通用OP放大器NJM5534无相位补偿的GBP是30MHz。而C点增益与频率之积比GBP小。

图17-15加负反馈时的增益频率特件（NJM5534在增益1000倍，C=0pF条件下使用）图12-1为GettingStarted窗口17.5前置放大器的低噪声技术4.2振幅增大时的频率特性放大电路的频率特性不仅指OP放大器的增益带宽积GBP，还必须考虑输出振幅所带来的影响。影响大振幅下振幅频率特性因素的是转换速率（SlewRate）。图17-16示出输出波形因转换速率变化的情况。SR规定为输出电压的变化不能超过某种斜率的特性，下式表示它与正弦波的最大输出频率的关系。式中Vp为正弦波的0-peak值。

图17-16放大器的转换速率SR图12-1为GettingStarted窗口17.5前置放大器的低噪声技术4.3线性度与失真率

除了噪声、频率特性之外，线性度和失真率也是放大器的重要特性。任何放大器的增益都会因输人电压而发生变化。一般来说，电路整体的增益可以用可变电阻器之类进行调整，但是线性度和失真率是不能调整的，所以在设计时必须充分注意。基本上还是反馈量越大，特性的改善越明显。

图12-1为GettingStarted窗口17.5前置放大器的低噪声技术

线性度主要针对直流而言。如图17-17所示，用增益偏离理想直线的最大值相对于输出满刻度的P-P值的百分率表示。

图17-17放大器的线性度图12-1为GettingStarted窗口17.5前置放大器的低噪声技术

失真率是针对交流信号规定的。如图17-18所示。为了进行测定，用陷波滤波器——一种将特定的频率成分去除掉的滤波器——除去基波成分，用电压表测定残留的谐波和噪声的有效值，用总电压的百分比（%）表示，即THD（TotalHarmonic

Distortion，总谐波失真）。

图17-18总谐波失真THD图12-1为GettingStarted窗口17.6前置放大器的设计、制作及评价

1.前置放大器的设计1.1前置放大器作为设计目标的参数要求列于表17-2。图17-19是制作的低噪声前置放大器的电路构成。表17-2制作的前置放大器的参数指标——目标值图12-1为GettingStarted窗口17.6前置放大器的设计、制作及评价

图17-19低噪声前置放大器的电路构成图12-1为GettingStarted窗口17.6前置放大器的设计、制作及评价

1.2OP放大器（NJM5S34）的噪声特性

前置放大器之类的噪声特性几乎都由初级电路决定。这里所说的通用前置放大器中，不能规定信号源电阻（信号源阻抗的值）。因此，在讨论输入短路的噪声时，其噪声由以下三部分合成：

①NJM5534的输人换算噪声。

②R2和R3并联电阻产生的热噪声。

③NJM5534的输入噪声电流流过R2和R3并联电阻时产生的噪声电压。

由于：所以，在R3>R2条件下产生热噪声的电阻值基本上就等于R2。

图12-1为GettingStarted窗口17.6前置放大器的设计、制作及评价

1.3消除失调漂移的电路

OP放大器X3是消除OP放大器X1和X2直流失调漂移的积分电路。电路中由开关S1实现ON/OFF的功能。当ON时成为

AC放大用，OFF时是DC用。DC放大功能可以认为是附加的。

现在讨论S1开关ON时，成为AC放大用的情况。图17-20所示，没有直流成分的AC信号实际进行无限积分时结果为0。

图17-20积分器的作用图12-1为GettingStarted窗口17.6前置放大器的设计、制作及评价

图12-1为GettingStarted窗口17.6前置放大器的设计、制作及评价

从式17-26可以看出，如果增大R5，就能够降低低频截止频率。但是X3的输出电压是由R5、R6分压的，修正电压的范围由于分压的结果变窄了，所以R5不能过大。图17-20的参数中，如果X3的输出最大设为±10V,那么失调修正电压最大为±323mV。根据以上结果，取R8、R9的值为200，因此，输人采用OP放大器X3输人偏置电流小的FET，这个输入偏置电流在R8、R9两端几乎不产生电压降，而且必须选择温度漂移比较小的器件。

图12-1为GettingStarted窗口17.6前置放大器的设计、制作及评价

2.前置放大器的调整及特性的确认2.1直流失调电压及其调整进行电路调整时，首先从直流失调电压开始。OP放大器中，即使将输入短路也会有直流电压输出。这叫做直流失调电压Vos。直流失调电压Vos可以通过外接电位器调整到0。图17-19的电路中，VR1具有这个作用。直流失调电压还会因为环境温度等因素变化而发生变化，不过OP放大器的目的主要是交流放大，所以将超级伺服电路置于ON，将输出的直流电压控制为0。

之后进行OP放大器的调整。将输入短路，S1倒向DC一侧，调整VR1使OUT2为0（0mV）。这样就完成了OP放大器作为直流放大器使用时的直流失调电压的调整。

图12-1为GettingStarted窗口17.6前置放大器的设计、制作及评价

2.2增益频率特性的确认前置放大器的上限频率设计为100kHz，从使用的OP放大器NJM5534的数据表看到，当增益大于3时，即使没有外部相位补偿也不会发生不稳定的振荡。不过在650kHz附近产生约2.5dB的凸峰。因此需要改善。将数据表中提供的外部相位补偿用电容器Cc取为18pF。再次改变补偿的方法，把电容器并联到反馈电阻上，增益的频率特性变平坦了，最大输出振幅由于的补偿也得到改善。

图12-1为GettingStarted窗口17.6前置放大器的设计、制作及评价

图12-1为GettingStarted窗口17.6前置放大器的设计、制作及评价

2.4电路的噪声特性表17-3是用有效值型交流电压表测得制作的电路的输出。可以看出，由于频率特性和输入信号源阻抗的原因，输出噪声值有差异。表中的三种情况的增益都是60dB（1000倍），所以在高频范围出现的峰值当然是由于噪声大的缘故。

表17-3制作的前置放大器输出噪声的测量值图12-1为GettingStarted窗口17.6前置放大器的设计、制作及评价

图12-1为GettingStarted窗口17.6前置放大器的设计、制作及评价

2.6测置输入换算噪声电压密度的频率特性为了测量放大器在各频率下的噪声，需要使用专用的滤波器或锁相放大器。本电路在输入短路状态下以频率为参数时的噪声特性如图17-21所示。图17-21

输入换箅噪声电流密度的频率特性图12-1为GettingStarted窗口17.6前置放大器的设计、制作及评价

图17-22

失真率的测定法图12-1为GettingStarted窗口17.6前置放大器的设计、制作及评价

图17-23的特性是用失真率计测量的结果。这种失真率计也叫做音频分析器，除含有噪声的THD之外，还有指示出除去噪声后的失真成分的功能。图17-23

失真率的测定结果（用VP7722A测量)图12-1为GettingStarted窗口17.7滤波器设计

图12-1为GettingStarted窗口17.7滤波器设计

不论SAR型ADC输出速率为1Mbit/s还是10kbit/s，均不影响系统噪声。如图17-24（b）所示当电路增加一个增益为10倍、带宽为5MHz的放大器时，系统噪声RMS值变为式17-31所示：图17-24

未使用滤波器的采集电路图12-1为GettingStarted窗口17.7滤波器设计

如图17-25（a）当使用1MHz带宽的RC电路驱动SAR型ADC时，系统噪声RMS值为式17-32所示：图17-25

使用模拟滤波器的采集电路图12-1为GettingStarted窗口17.7滤波器设计

如图17-25（b）使用带宽为10kHz的二阶低通滤波器之后，系统噪声RMS值为式17-33所示：其中，1.22是二阶系统噪声带宽与信号带宽的系数。

由此可见，在SAR型ADC采集电路中，必须使用滤波器才能有效抑制电路噪声。图12-1为GettingStarted窗口17.7滤波器设计

2．Sallen-Key滤波器理论分析Sallen-Key滤波器是由R.P.Sallen与E.L.KeY，在1955年提出的一种由放大器、电阻、电容组成的滤波器。如图17-26（a）所示，Z表示电阻或电容，这种结构滤波器相比其他结构滤波器，对放大器的增益带宽积要求低，方便设计高频率滤波器。图17-26

Sallen-Key低通滤波器图12-1为GettingStarted窗口17.7滤波器设计

图12-1为GettingStarted窗口17.7滤波器设计

在根据虚短原则则有式17-37。其中，K为直流增益，将式17-37代入式17-36可得式17-38。图12-1为GettingStarted窗口17.7滤波器设计

整理获得式17-39。通过带入不同的阻抗可以实现低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器。图12-1为GettingStarted窗口17.7滤波器设计

以Sallen-Key低通滤波器为例，电路如图17-27（b）所示，传递函数为式17-40。图12-1为GettingStarted窗口17.7滤波器设计

图12-1为GettingStarted窗口17.7滤波器设计

图17-28

真实放大器的Sallen-Key滤波器输出等效图图12-1为GettingStarted窗口17.7滤波器设计

3．有源低通滤波器设计工具在精密信号链设计工具窗口中单击“AnalogFilter”链接，并进入“LPF”低通滤波器窗口。如图17-29所示，在通带内配置增益、带宽、增益衰减，在阻带处配置预期截止频率及对应的信号衰减，另外，还可以选择滤波器响应的速度。图17-29

低通滤波器配置图12-1为GettingStarted窗口17.7滤波器设计

如图17-30所示，系统推荐ADA4096-2的Sallen-Key滤波器在40kHz处，衰减超过20dB，然而在频率超过200kHz会出现抑制能力变弱，这就是ADA4096-2开环输出阻抗的影响。图17-30

ADA4096-2Sallen-Key滤波器的频率响应图12-1为GettingStarted窗口17.7滤波器设计

进入“Tolerance”组件选择窗口，选择电阻、电容，如图17-31所示。还可以在“NextSteps”窗口下载包括LTspice仿真电路的全部设计资料。图17-31

ADA4096-2Sallen-Key滤波器电路图12-1为GettingStarted窗口17.8滤波器的特性与种类

17.8

滤波器的特性与种类1．各种各样的滤波器

在电气领域以外也存在着大量的过滤器（filter）。例如，在我们生活中过滤咖啡用的纸过滤器、阻挡紫外线的UV滤光片等。过滤器的作用就是除去不需要的成分,只选择需要的成分。

在电气领域滤波器不仅有频率意义上的滤波器，还有时间意义上的滤波器。例如，根据到达的时间选择信号，或者只在设定的时间工作的滤波器。本书主要介绍频率范围在1MHz以下的低频模拟滤波器。图12-1为GettingStarted窗口17.8滤波器的特性与种类

如图17-32所示，从选择频率成分的角度分类，滤波器主要有以下四种：（依次是：低通、高通、带通、带阻滤波器）图12-1为GettingStarted窗口17.8滤波器的特性与种类

图12-1为GettingStarted窗口17.8滤波器的特性与种类

图12-1为GettingStarted窗口17.8滤波器的特性与种类

对于带通滤波器（BPF）也可以作同样的考虑。带通滤波器的Q值如图17-33所示。BPF的带宽越窄，则Q值越大，除去噪声的效果越显著。图17-33

带通滤波器的Q值图12-1为GettingStarted窗口17.8滤波器的特性与种类

4．防混淆作用的低通滤波器

处理模拟信号时A/D转换器是必不可少的。在使用A/D转换器对模拟信号进行量化处理，即数字化时，如果信号中含有高于采样频率1/2以上的频率成分，那么如图17-34A/D转换中出现的混淆误差所示，就会产生完全不同的频率成分，从而发生量化误差，这种现象称为混淆效应（aliasingeffect），防止产生这种现象的装置有防混淆滤波器（anti-aliasingfilter），这种滤波器由LPF构成。图12-1为GettingStarted窗口17.8滤波器的特性与种类

图17-34

（d）不发生混淆时的滤波器特性图17-34

（c）存在高于1/2采样频率的信号成分，就会发生混淆误差；图17-34

（a）用时域表现混淆图17-34

（b）用频域表现混淆图12-1为GettingStarted窗口17.8滤波器的特性与种类

5．高通滤波器（HPF）的作用

在音频范围内，电话频率是300Hz~3kHz，HiFi频率是20Hz~20kHz。如果有意外的振动混入麦克风中变换为电信号，就会成为一种干扰声音，或者使声音失真。这时，高通滤波器（HPF）就能起到阻断意外低频的作用。高质量的音频放大器中，它使用次声滤波器等名称，HPF可以实现ON/OF。图12-1为GettingStarted窗口17.8滤波器的特性与种类

如图17-35耦合电容器也可以是高通滤波器所示，用电容器或变压器将放大器与放大器结合起来，就能够进行性能良好的HPF的动作。低频截止频率=1/（2πC1R4）=10Hz。图17-35

耦合电容器也可以是高通滤波器图12-1为GettingStarted窗口17.8滤波器的特性与种类

6．带通滤波器（BPF）的作用

我们常见的电视或收音机的频道选择功能就是利用带通滤波器来完成的。由于半导体器件制造技术的迅速发展，现在使用PLL电路简单地轻触开关就能够实现频道选择。

另外，在处理信号的过程中有时会要求选择特定的频率成分，以实现将多重化的信号解调，或者进行成分解析等。这就需要使用高精度的BPF。BPF检出的信号频带比较窄，使用于目的信号被淹没于多种无用信号中的场合。图12-1为GettingStarted窗口17.8滤波器的特性与种类

7．带阻滤波器（BEF）的作用

与带通滤波器相反，所谓带阻滤波器是将不需要的频率去除的滤波器，它还有一个名称叫做陷波滤波器。

在通信用接收机中，在需要除去特定的有害电波的场合，经常使用陷波滤波器。这时为了微调陷波频率需要在控制面板上设置调节旋钮。

测量音频失真的失真计也是一种陷波滤波器。在用频率标度盘将陷波频率与基波调谐并除去基波后，再测量谐波的振幅，就能够计算出失真率。

图12-1为GettingStarted窗口17.9滤波器频率响应与时间响应特性

1．滤波器的阶数与衰减陡度

按照频率响应的要求，可以从中选择：①巴特沃斯（Butterworth）特性；②贝塞尔（Bessel）特性；③切比雪夫（Chebyshev）特性；④椭圆（Elliptic）特性；图17-36简单表示出四种5阶低通滤波器的频率特性。

图17-36

低通滤波器的频率特性图12-1为GettingStarted窗口17.9滤波器频率响应与时间响应特性

图17-37简单表示出巴特沃斯特性滤波器各阶数中的衰减陡度（截止频率1kHz）。衰减陡度由阶数乘以6dB/oct（20dB/dec）的值决定。图17-37巴特沃斯特性滤波器各阶数中的衰减陡度图12-1为GettingStarted窗口17.9滤波器频率响应与时间响应特性

如图17-37中所看到的那样，平坦的通过区域的宽度（最大平坦型特性）称为巴特沃斯特性，是低通滤波器等滤波器中使用最多的特性。巴特沃斯特性的特征是通过区域中没有增益的起伏，衰减区域的倾斜就是截止频率附近开始的（阶数×6dB/oct）。它的振幅频率特性是没有凸峰的巴特沃斯特性。在相位的角频率微分特性，即群延迟特性方面有波动。图17-38简单表示出四种5阶低通滤波器的群延迟特性。图17-38四种5阶低通滤波器的群延迟特性图12-1为GettingStarted窗口17.9滤波器频率响应与时间响应特性

如上图17-38所示，贝塞尔特性滤波器的特征是群延迟特性没有波动。因此，对方波的阶跃响应过程中不产生上冲和波动（图17-39）与阶数相同的其他滤波器相比，阶跃响应达到最终稳定值的速度更快。贝塞尔特性滤波器具有良好的过渡特性，最适于对波形峰值的分析或传输脉冲的场合。图17-39四种5阶低通滤波器的过度响应特性图12-1为GettingStarted窗口17.9滤波器频率响应与时间响应特性

图17-40是1阶RC高通滤波器的构成与响应（截止频率：10Hz）。实际上这个HPF是一个微分电路。如图17-40（b）所示，当加上阶跃状的直流时，由于过渡响应特性的原因，要去掉直流成分需要一定的时间。可以看出，截止频率越低，需要的时间越长。图17-40RC高通滤波器的构成与响应图a1阶RC高通滤波器图b输入直流阶跃波形时的响应波形图12-1为GettingStarted窗口17.10SAR型ADC驱动

1．SAR型ADC模型与驱动原理

SAR型ADC输入端电路如图17-41（a）所示，是由两个完全相同的二进制加权电容阵列，并联接到比较器的两个输入端。简化的SAR型ADC输入电路及模型如图17-41（b）所示。图17-41SAR型ADC输入电路及模型图12-1为GettingStarted窗口17.10SAR型ADC驱动

图17-42SAR型ADC驱动电路图12-1为GettingStarted窗口17.10SAR型ADC驱动

图12-1为GettingStarted窗口17.10SAR型ADC驱动

图12-1为GettingStarted窗口17.10SAR型ADC驱动

根据式17-52确认RC参数值，还需考虑如下问题。

（1）ADC采样的带宽为式17-43。

所以RC参数的选择往往要在带宽和采集时间之间多次迭代计算。

（2）真实放大器的参数中，开环输出阻抗的影响不可忽略。

（3）由于ADC内部采样电容的非线性，当值变大会导致ADC采样失真，该失真不能通过降低采样率改善。

因此，高效地设计SAR型ADC驱动的方法仍然是使用辅助工具和LTspice仿真软件。图12-1为GettingStarted窗口17.10SAR型ADC驱动

2．SAR型ADC驱动辅助工具使用在精密信号链设计工具界面，单击“ADCDriver”链接进入ADC驱动工具窗口。如图17-43（a）所示，在“ADC”项中选择ADC的型号，输入采样率值和基准源电压值。进入“Niose&Distortion”窗口，该工具提供电路的THD等信息，如图17-43（b）所示。图17-43SAR型ADC驱动电路配置图12-1为GettingStarted窗口17.10SAR型ADC驱动

进入“InputSetting”窗口，工具提供计算电路的反冲电压值、ADC采集时间、RC电路带宽参数，如图17-44（a）所示。工具还能够生成LTspice电路，可在“NextStep”窗口下载，如图17-44（b）所示。图17-44SAR型ADC驱动电路性能图12-1为GettingStarted窗口17.10SAR型ADC驱动

3．LTspice仿真SAR型ADC驱动仿真电路如图17-45所示。图17-45LTC2378-16驱动电路图12-1为GettingStarted窗口17.10SAR型ADC驱动

电路瞬态仿真结果如图17-46所示。图17-46电路瞬态仿真结果

习题与思考题第18章检测系统的抗干扰设计18.1概述118.2电源电路的抗干扰设计18.3处理器（计算机）部分的抗干扰设计32418.4数字电路的抗干扰设计518.5模拟电路的抗干扰设计第18章检测系统的抗干扰设计18.6信号传输回路的抗干扰618.7接地18.8滤波、去耦及屏蔽87918.9静电及其防护抗干扰的三要素形成电磁干扰必须同时具备以下3个因素：(1)电磁干扰源，是指产生电磁干扰的元件，器件、设备、分系统、系统或自然现象。(2)耦合途径，是指能把能量从干扰源耦合（或传输）到敏感设备上，并使该设备产生响应的媒介。(3)敏感设备（或称被干扰设备），是指对电磁干扰产生响应的设备。18.1电源设计图18-1电磁干扰的三要素电磁干扰源的分类

电磁干扰源有许多种划分方法。

按功能划分，有功能性干扰源和非功能性干扰源；

按性质划分，有自然干扰源和人为干扰源；

按传输方式划分，有传导干扰源和辐射干扰源；

按频带划分，有窄带干扰源和宽带干扰源等。

功能性干扰源是指设备实现功能过程中造成对其他设备的直接干扰；

非功能性干扰源是指用电装置在实现自身功能的同时伴随产生或附加产生的副作用。

18.1概述18.1概述图18-2电磁干扰源的分类电磁干扰的危害

电子设备和系统受强电设备干扰或系统内部的电磁影响造成性能下降或不能工作的情况是电磁干扰最为常见的危害。概括而言，电磁干扰对人类活动有三大危害：

①电磁干扰会破坏或降低电子设备的工作性能；

②电磁干扰可能引起易燃易爆物的起火或爆炸，造成武器系统的失灵、储油罐起火爆炸，带来巨大经济损失和人身伤亡；

③电磁干扰可对人体组织器官造成伤害。危及人类的身体健康。18.1概述18.1概述干扰的耦合方式

任何电磁干扰的发生都必然存在干扰能量的传输和传输途径。通常认为电磁干扰传输有两种方式：一种是传导方式，一种是辐射方式。因此，从被干扰的敏感角度来看，干扰的耦合方式可分为传导耦合和辐射耦合两类。18.1概述(1)传导耦合传导耦合按其机理可分为3种基本的耦合形式，即电阻性耦合、电感性耦合和电容性耦合。在实际情况中，他们往往是同时存在。互相联系的。①电阻性耦合电阻性耦合是最常见最简单的传导性耦合方式。其耦合途径为载流导体，如两个电路的连接导线、设备之间的信号连线。电源负载之间的电源线等。18.1概述②静电耦合静电耦合又称为电容耦合，干扰源与被干扰电路之间存在着电容通路。显然，这种电容一般不是人为加上的，而是两者之间的分布电容。干扰脉冲或其他高频干扰就会经过分布电容耦合到电子线路中。(a)示意图(b)等效电路图18-3干扰的静电耦合18.1概述

利用图18-3(b)等效电路，若干扰信号U=5V，分布电容为0.1pF，信号频率为1MHz，放大器输入阻抗为100kQ，则此干扰在放大器输入端所造成电干扰信号Uz=3120mV。可见，干扰电压在放大器的输入端已达到314mV，经放大器放大则其影响是难以预料的。③电磁耦合电磁耦合又称互感耦合，它是由于两电路之间存在着互感而产生，一个电路中电流的改变引起磁交链而耦合到另一电路。若某一电路有干扰，则同样可以通过互感而耦合到另一电路中。

图18-4电磁耦合等效电路18.1概述

18.2电源电路的抗干扰设计

1.电源变压器的抗干扰措施（1）变压器初、次级的屏蔽电源变压器的初次级之间存在着分布电容。由于初级和次级线圈靠的很近，因此它们之间的分布电容可以大到数百pF。这种分布电容不仅电容量大，而且有十分好的频率特性，对高频噪声有很低的阻抗。要抑制这种电容性耦合的噪声，很自然的想到加静电屏蔽的方法。在初次级之间加屏蔽，并将屏蔽层接地。图18-5变压器一次侧、二次侧的屏蔽18.2电源电路的抗干扰设计

在图18-5中，在初级加屏蔽并接地，就可以大大减小初次级的分布电容。例如，一个约200V的小型电源变压器，其初级或次级对屏蔽层的容量为500pF，也就是说如果屏蔽层不接地，初次级的分布电容大约为250pF，当屏蔽接地之后可减小到20pF以下，如果再加上Cp1和Cp2这两个0.047pF电容，并且与屏蔽层共同接地，则变压器的屏蔽能力会更加完善。（2）电源变压器初级线圈的平衡式绕制将初级线圈分作两部分同时绕制，再将它们串联在一起，这就是所谓初级平衡式绕法。这样的绕法可以减小漏电流，还对抑制共模干扰有一定效果。图12-1为GettingStarted窗口（3）防雷变压器这种变压器实际上就是一个加屏蔽的绝缘变压器，附加附加避雷器、浪涌吸收器件、电容器等组成。防雷电变压器除了能够抑制因雷击或雷电感应所产生的浪涌电压外，它对抑制电网中的其他干扰也具有十分良好的性能18.2电源电路的抗干扰设计图18-6小型防雷电变压器的结构图12-1为GettingStarted窗口防雷电变压器有以下的特点：①绝缘变压器的初级和次级均采用平衡式绕制。②初级绕组和次级绕组之间加静电屏蔽。③如果以防浪涌为目的，则保留浪涌吸收器SVA1～SVA4并去掉避雷器SZ。④次级加两个容量为10μF的金属化纸介电容器。⑤该变压器还可以抑制共模和串模干扰。（SVA1和SVA2可以有效地抑制共模干扰，而SVA3和SVA4对串模干扰有着较好的抑制作用）18.2电源电路的抗干扰设计图12-1为GettingStarted窗口18.2电源电路的抗干扰设计（4）减少电源变压器的泄漏磁通①采用平衡绕制法在初级和次级各在左右铁心上两边绕制相同的圈数，而后再各自并接。（串接也有相同效果）②采用泄漏小的铁心，一般来说，EI型铁心变压器的漏磁要大一些，而环型铁心变压器的漏磁要小一些。③在变压器铁心上加短路环，短路环中电流产生的磁通可抵消漏磁通。④改变变压器的安装位置，可以抑制磁通的泄漏及其影响。（5）噪声隔离变压器噪声隔离变压器是近年来为抗干扰而专门研制的一种电源变压器。它的性能比屏蔽变压器更好。图12-1为GettingStarted窗口噪声隔离变压器的铁心材料与一般变压器不同，其导磁率在高频时会急剧下降。同时，这种变压器在其绕组和变压器外部都采取了多层电磁屏蔽措施。正是它的这些特性，使它在抗共模及差模干扰性能上更加优越。噪声隔离变压器最大的优点是在初级输入有较大的高频噪声干扰时，此干扰也很少能耦合到变压器的次级。它可以抑制电网中幅度高达5000V的高频脉冲干扰。同时，这种变压器对雷电引起的浪涌也有很大的抑制效果。

18.2电源电路的抗干扰设计图12-1为GettingStarted窗口噪声隔离变压器常用于如下的场合：1)当硬件系统采用浮地时；2)电网中干扰的频率范围很宽时；3)当低频共模干扰比较严重时；4)当不允许系统的干扰反馈到电网中去时。18.2电源电路的抗干扰设计图12-1为GettingStarted窗口

2.电源滤波器电源滤波器是一种让电源频率附近的频率成分通过，而给高于这种频率成分以很大衰减的电路。电源滤波器不仅可以接在电网输入处，以阻止电网中的噪声进入，也可以接在输出处，以抑制噪声输出。它不仅可以接在交流的输入输出上，也可以接在直流的输入输出上。（1）交流电源滤波器①电容滤波器

这是最简单的滤波器，就是在交流输入端并上两个电容，可以滤除电网中的一些高频干扰。

18.2电源电路的抗干扰设计图12-1为GettingStarted窗口18.2电源电路的抗干扰设计②电容电感滤波器（a）（b）图18-7电容滤波器（a）（b）图18-8电容电感滤波器图12-1为GettingStarted窗口③使用抗共模扼流圈的电源滤波器一种能够抑制共模及串模干扰的电源滤波器18.2电源电路的抗干扰设计图18-9抑制串模和共模干扰的电源滤波器(2)滤波防雷模块目前，厂家为用户提供了许多专门用于电源的滤波防雷模块。例如，587B×××LPE系列模块就具有防雷电（浪涌）及交流滤波双重功能图12-1为GettingStarted窗口18.2电源电路的抗干扰设计（a）二极管（b）三极管图18-10气体放电管的符号图18-11587B×××LPE系列滤波防雷模块引线图3.电源稳压器当电网电压发生过高或过低的情况时将输入电网电压大的波动进行稳压，保证在输入电网电压变化时使其输出的交流电压保持不变或变化很小。图12-1为GettingStarted窗口交流稳压器分为两大类：电磁式交流稳压器和电子式交流稳压器。经验表明电磁式交流稳压器的抗干扰性能优于电子式交流稳压器。在设计电源系统时，可根据系统设计要求选用稳压精度和合适功率的交流稳压器。4.瞬态抑制器在交流电网进线端并联压敏电阻、瞬变电压抑制器（TVS）、气体放电咱、管和固体放电管等瞬态抑制器，用于吸收电网中的浪涌电压。同时还可以作为一种防雷措施。18.2电源电路的抗干扰设计图12-1为GettingStarted窗口18.3处理器(计算机)部分的抗干扰设计1.单片机系统电磁干扰的来源单片机的干扰是以脉冲形式进入单片机系统的，其主要渠道有3条，即空间、供电系统及信号通道。空间干扰多发生在高电压、大电流、高频磁场附近，通过静电感应。电磁感应等方式入侵系统内部。供电系统的干扰通过同一电网里用电设备工作时产生的噪声干扰和瞬变干扰来影响单片机工作。信号通道的干扰则通过输入通道和输出通道侵入系统。此外，接地的不可靠也是产生系统干扰的重要原因。图12-1为GettingStarted窗口18.3处理器(计算机)部分的抗干扰设计2.干扰的不良影响(1)数据采集误差加大当干扰侵入单片机系统的前向通道，叠加在有用信号之上，会使数据采集误差增大。如果有用信号比较微弱，那么干扰就更加严重。(2)控制状态失灵单片机系统中，控制状态输出常常是依据某些条件的输入和条件状态的逻辑处理结果。在这些环节中，由于干扰的侵入，都会造成条件状态偏差、失误，致使输出控制误差加大，甚至控制失灵。图12-1为GettingStarted窗口18.3处理器(计算机)部分的抗干扰设计(3)数据发生变化在单片机控制系统中，虽然ROM能避免干扰破坏，但单片机片内、外RAM以及片内各种特殊功能寄存器等的状态都有可能受干扰而变化，造成数值误差，程序状态改变，导致系统工作不正常。(4)程序运行失常单片机应用系统的程序运行正常与否与单片机中程序计数器PC的正常状态息息相关，一旦外部干扰使PC值产生改变，程序运行就会偏离原来设定的方向，致使程序失控，甚至会使程序陷入死循环而导致系统崩溃。图12-1为GettingStarted窗口18.3处理器(计算机)部分的抗干扰设计3.单片机系统抗电磁干扰的措施单片机系统的抗干扰就是针对干扰产生的性质、传播途径、侵入的位置和侵入的形式，采取相应的方法消除干扰源，抑制干扰传播途径，减弱电路或元件对噪声干扰的敏感性，使单片机系统能正常、稳定的运行。干扰的抑制方法，一般分为硬件抗干扰和软件抗干扰。(1)硬件抗干扰技术硬件抗干扰是单片机系统抗干扰设计的重要途径，其涉及面非常广泛，在设计过程中应遵循的基本原则是抑制干扰源、隔断干扰传播路径、提高敏感器件的抗干扰性能。图12-1为GettingStarted窗口18.3处理器(计算机)部分的抗干扰设计主要从以下几个方面进行设计:1）合理选择处理器及元器件选择合适的处理器，对实现用户需求、提高系统性能、降低系统成本和缩短开发周期都是十分重要的。①单片机的选择不光考虑硬件配置、存储容量等，更要选择选择抗干扰能力强的单片机。②应选择接口驱动能力强的单片机。③时钟是高频的噪声源，对系统内、外都能产生干扰，因此在满足需要的前提下，选用频率低的单片机是明智之举。图12-1为GettingStarted窗口18.3处理器(计算机)部分的抗干扰设计2）电源设计在单片机控制系统中，危害最严重的干扰来自电源的噪声。因此，应选择性能好、抗干扰能力强的供电系统，尽量减少从电源引入的干扰。使用交流稳压电源，可以保证供电系统的稳定性，防止电源系统的过压或欠压，电源采用隔离变压器或超隔离变压器，以提高抗共模干扰的能力；根据干扰源的特性、频率范围、电压和阻抗等参数及负载特性的要求，选择合适的滤波器。3）光电隔离技术单片机与输入、输出通道进行信息传送时，信号可能会出现延时、衰减、畸变，另外还有通道干扰。因此，在输入和输出信号加光电耦合器隔离，将微机系统与各种传感器、开关、执行机构从电气上隔离开来，可有效地使很大一部分干扰被阻挡。图12-1为GettingStarted窗口18.3处理器(计算机)部分的抗干扰设计4）屏蔽技术

对容易产生干扰和被干扰的部件及电路使用金属盒进行屏蔽，如开关电源、高灵敏度的弱信号放大电路等。屏蔽措施可以防止电子设备向外辐射干扰电磁波，也可以削弱电磁干扰源对电子设备的干扰。屏蔽本身要真正接地，从而使干扰电磁波短路接地。图12-1为GettingStarted窗口18.3处理器(计算机)部分的抗干扰设计5）印制电路板的工艺技术

尽量采用多层印制电路板，多层板可提供良好的接地网，防止产生地电位差和元器件的耦合。印制电路板要合理分区，模拟电路区、数字电路区、功率驱动区要尽量分开；若设计只由数字电路组成的印制电路板的接线系统，将接地线做成网络提高抗干扰能力；可以元件面和焊接面应采用相互垂直、斜交、或者弯曲走线，避免相互平行以减少寄生耦合；使用满足系统要求的最低频率的时钟，时钟发生器要尽量靠近该时钟的器件，石英晶体振荡器外壳要接地，时钟线要尽量短并远离I/O线；闲置不用的IC管脚不要悬空以避免干扰引入；IC器件尽量直接焊在电路板上，少用IC座。如不用的运算放大器正输入端接地，负输入端接输出，不用的I/O口定义成输出等。图12-1为GettingStarted窗口18.3处理器(计算机)部分的抗干扰设计(2)软件抗干扰技术干扰信号产生的原因很复杂，且有很大的随机性，硬件抗干扰措施不可能完全解决抗干扰问题，还须结合软件抗干扰措施构成双重抑制以提高系统的稳定性。常见的软件抗干扰方法主要有睡眠抗干扰、指令冗余、软件陷阱、“看门狗”电路等。1）睡眠抗干扰CPU很多情况下处于等待状态，这时，它虽没有工作但却清醒，很易受干扰。若让CPU在无正常工作时休眠，必要时再由中断系统来唤醒它，可以使其受到的干扰大大降低，同时功耗也大大降低。图12-1为GettingStarted窗口18.3处理器(计算机)部分的抗干扰设计2）指令冗余以MCS-51为例，CPU取指令过程是先取操作码，再取操作数。当PC受干扰出现错误，程序便会脱离正常轨道，出现/乱飞0，如当乱飞到某双字节指令，若取指令时刻落在操作数上，误将操作数当作操作码，程序将出现混乱。这时若在一些双字节、三字节指令后面插入两个单字节指令NOP或在一些对程序的流向起决定作用的指令(如RET、LCALL、SJMP等)前面插入两条NOP指令，即可使乱飞的PC指针指向程序运行区，使程序执行恢复正常。这种抗干扰方法称为指令冗余。图12-1为GettingStarted窗口18.3处理器(计算机)部分的抗干扰设计

3）软件陷阱当跑飞的程序进入非程序区，冗余指令便不起作用，这时可通过软件陷阱拦截跑飞的程序，将其引向指定位置，再进行出错处理。软件陷阱是用来将捕获的跑飞程序强行引向专门处理错误的程序的入口地址。假设这段处理错误的程序入口地址为ERROR，则下面三条指令即组成一个软件陷阱:NOPNOPLJMPERROR通常在EPROM非程序区填入这样的软件陷阱。由于软件陷阱都安排在正常程序执行不到的地方，故不会影响程序的执行效率。图12-1为GettingStarted窗口18.3处理器(计算机)部分的抗干扰设计4）软件“看门狗”如果跑飞的程序落到一个临时构成的死循环中，冗余指令和软件陷阱都将无能为力。这时，可用软件程序来形成“看门狗”，使CPU复位。“看门狗”是根据程序在运行指定时间间隔内未进行相应的操作，即未按时复位“看门狗”定时器，来判断程序运行出错的。通过不断检测程序循环运行时间，若发现程序循环时间超过最大循环运行时间，则可以认为系统陷入“死循环”，需进行出错处理。图12-1为GettingStarted窗口18.4数字电路的抗干扰设计

图12-1为GettingStarted窗口18.4数字电路的抗干扰设计从式(18-2)可以看出，一个数字电路产生误动作的能量容限既与加在电路上的干扰电压UT有关，又与电路的速度和输出阻抗有关。电路的速度越快（即TP愈小）、内阻越大（即Ro越大），则电路的能量容限就越小，越容易受到干扰。2.数字电路的负载能力在数字集成电路芯片的使用中，应注意到它们的驱动能力及不用输入端的处理。如果某一数字电路接的负载太多，超出了它的负载能力，其工作必定不可靠。数字电路输入及输出引线尽可能短，平行走向的引线不要太长，以减小冲击电流的影响。图12-1为GettingStarted窗口18.4数字电路的抗干扰设计在TTL电路中，遇到容性负载时要特别小心。因为容性负载会使下一级输入波形边沿变慢，而缓慢边沿输入会在数字电路状态变换过程中产生幅度较大的振荡，形成一个干扰源。遇到这种情况，可以利用施密特触发器首先对波形整形，而后再送到下一级电路。也可以利用DTL电路来处理容性负载的输出，它不会因为前沿慢而产生振荡。同样，在遇到感性负载时，在电流关断瞬间会产生很高的感应电压，它会使电路元件击穿。也会产生干扰，必须加以克服。通常可以在电感负载上并上保护二极管或电阻和电容。图12-1为GettingStarted窗口18.4数字电路的抗干扰设计对于CMOS电路来说，同样存在TTL电路中的问题。若输入信号在CMOS的转换特性的过渡段里产生波动，则在其输出端必然会出现振荡，其原因是过渡段具有放大倍数很大的放大特性。图18-12输出的振荡波形图12-1为GettingStarted窗口18.4数字电路的抗干扰设计数字电路的输出端出现振荡的原因是因为输入信号变化太慢，尤其是在过渡过程中由于电源或其他途径混入电压波动。当输入电压的过渡时间大于lμs时，这种输出振荡就会产生。克服这种干扰的方法就是减小输入电压的过渡时间。更有效的方法就是采用施密特电路。施密特触发器的输入和输出具有滞后特性。利用这种特性，可以对输入端的干扰产生较好的抑制。在设计电路时，遇到干扰比较大的地方，可以采用这种电路。幅度大而宽度小的干扰，在电路中利用低通滤波器滤除。因为，这种干扰频率比信号的频率高，简单的RC低通滤波器就能奏效。图12-1为GettingStarted窗口18.4数字电路的抗干扰设计3.数字电路输入端的措施（1）若信号传输线上有比较大的干扰，则可以在传输前将信号加以放大，在输入端再进行衰减，从而消除干扰的影响。（2）对于一些窄脉冲干扰，由于它的频带比数字电路的输入信号高得多。因此，可以在输入端加上积分电路（低通滤波器），从而消除干扰的影响。（3）在输入按键的状态时，必须注意消除按键抖动的影响。在工程应用中可采用两种方法去除按键抖动的影响：①利用软件延时的方法，即当发现有键按下后，再延时几十ms，而后再去读取按键的状态。②采用硬件消抖动电路。例如，MOTOROLA公司的M14490就是六输入的硬件消抖动的集成电路芯片。图12-1为GettingStarted窗口18.4数字电路的抗干扰设计（a）（b）图18-13按键消抖动电路（4）电源滤波干扰信号经常会通过电源引入。因此，在进行数字电路设计时，在电路板的电源输入端并上多个电容，同时在芯片的电源到地端并上电容，以便消除干扰的影响。图12-1为GettingStarted窗口18.4数字电路的抗干扰设计（5）不用输入端的处理门电路不用的输入端不能悬空，悬空会造成很大的干扰，以至于使电路不能正常工作。①与门、与非门空着不用的输入端，若是LS门可以直接接到+5V电源；若是其他类型门电路可经几kΩ的电阻接到+5V电源上；也可与其他有用输入端并接在一起；还可以将某反相器输入端接地，将空着不用的输入端接到该反相器的输出端上。②或门、或非门空着不用的输入端，可以直接接到地上；也可与其他有用输入端并接在一起；还可以将某反相器输入端接高电平，将空着不用的输入端接到该反相器的输出端上。③其他芯片的输入控制端也不可悬空，应根据芯片工作时的逻辑关系接上某一固定电平，以便保证芯片正常工作。图12-1为GettingStarted窗口18.4数字电路的抗干扰设计4．减小负载的影响（1）容性负载如果数字电路接有容性负载，则在接通负载时会产生很大的冲击电流。

当某一时刻数字电路导通时，会有较大的瞬时电流流过负载。这时刻的瞬时电流为