002 硬件抗干扰技术原理与方法 20091107.ppt

1、计算机控制系统,主讲：李伟波 短号：611128 邮箱：zscas2002,常用元器件可靠性,1 元件的失效特征和失效机理,2 元件的降额设计,3 数字集成电路的噪声容限,硬件抗干扰技术原理与方法,1. 无源滤波器,2. 有源滤波器,3. 去耦电路,4. 屏蔽和双绞线传输,5. 隔离技术,6. 接地技术, CPU模块抗干扰技术,1. 总线的可靠性设计,2. 芯片配置与抗干扰,3. 译码电路可靠性分析,4. 复位电路可靠性分析,1 元件的失效特征和失效机理,电子元件的失效规律-元件失效曲线,元件的实效特征，主要是指失效规律、失效形式, 元件的失效形式,突然失效：也叫“灾难性失效”； 退化失效：也

2、叫“衰变失效”； 局部失效； 整体失效。,元件的失效直接受温度、湿度、电压、机械的影响,温度变化对半导体器件的影响,1.1 温度的影响,温度对二极管伏安特性的影响, 温度变化对电阻的影响,1.1 温度的影响（续）,温度升高使电阻耗散功率下降，导致其寿命降低。 温度过高能使电阻噪声增大。 温度变化使电阻阻值发生变化。, 温度变化对电容的影响,1.1 温度的影响（续）,温度变化引起介质损耗变化，影响其使用寿命。 温度变化引起阻容时间常数等参数变化。 温度过高造成热击穿。,1.2 湿度的影响,密封性差元件容易受到腐蚀，造成退化失效。 引起漏电耦合的主要原因。 腐蚀焊点和接线处，引起接触故障。,1.3

3、 电压的影响,增加元器件热损耗。 造成电压击穿。,1.4 振动、冲击的影响,使内部有缺陷的元件加速失效，造成灾难性故障。 使焊点、压线点发生松动，导致接触不良。,2 元件的降额设计,降额设计： 使元件在低于其额定应力情况下工作。 影响计算机控制系统可靠性的应力有： 温度、湿度、电应力（电压、电流、功率、频率）、机械应力（直接负荷、振动、冲击）、时间等。,2 元件的降额设计（续）,2.1 电阻器的降额使用 电阻器按其功能可分为固定电阻器、电位器、热敏电阻器等。 对于固定电阻器和电位器而言，影响其可靠性的最重要应力为功率、电压和环境温度； 对于热敏电阻而言，影响其可靠性的应力则主要是功率和环境温度

4、。,2 元件的降额设计（续）,2.2 电容器的降额使用 影响电容器可靠性的最重要应力是电压和环境温度。 对于固定纸/塑料薄膜电容器而言，在应用时，交流峰值电压与直流电压之和不得超过其额定值。,内容：从室温算起，温度每升高10度，寿命减半。 应用举例：推算铝电解电容寿命 105，寿命1000h（标称值） 55, 寿命1000X2E5=32000h 35， 寿命1000X2E7=128000h =128000/365/24=14.81年,温度应力时间模型的简化：十度法则,2 元件的降额设计（续）,2.3 半导体器件降额使用 可按GJB/Z35电子元器件降额准则对半导体器件合理地降额使用。需要降额的

5、主要参数是结温、电压和电流。 半导体器件的降额系数S取0.5以下，温度低于50。锗管还要低一点。不同的半导体器件，S的定义不一样。,2 元件的降额设计（续）,常用元器件的推荐降额范围,2 元件的降额设计（续）,3 数字集成电路的噪声容限,典型非门、理想非门，施密特滞回电压传输曲线可靠性比较？,3 数字集成电路的噪声容限（续）,3 数字集成电路的噪声容限（续）,各逻辑系列的电气性能,74LS系列和74HC系列可以直接互相驱动吗？,硬件抗干扰技术原理与方法,1. 无源滤波器,2. 有源滤波器,3. 去耦电路,4. 屏蔽和双绞线传输,5. 隔离技术,6. 接地技术,滤波器最重要的特性是其频率特性，一

6、般用对数幅频特性20lgA来表示，又称为衰减系数。,1. 无源滤波器,根据阻带和通带的频谱，又可将滤波器分为： 低通滤波器；高通滤波器； 带通滤波器；带阻滤波器。,1. 无源滤波器（续）,1. 无源滤波器（续）,1.1 电容滤波器, 原理图和波形图,1. 无源滤波器（续）,1.1 电容滤波器, 如何用电容滤波器抑制共模、串模干扰?,1. 无源滤波器（续）,1.2 电感滤波器,常模扼流圈,1. 无源滤波器（续）,1.2 电感滤波器,共模扼流圈,1. 无源滤波器（续）,1.3 RC低通滤波器,1. 无源滤波器（续）,1.3 RC低通滤波器,传递函数和幅频特性？,1. 无源滤波器（续）,1.3 RC

7、低通滤波器,截止频率计算和设计？,1. 无源滤波器（续）,1.3 RC低通滤波器,1. 无源滤波器（续）,1.4 LC低通滤波器,传递函数和幅频特性？,1. 无源滤波器（续）,1.4 LC低通滤波器,1. 无源滤波器（续）,1.5 低通滤波器的结构选择,还有另外2种情况如何分析？,1. 无源滤波器（续）,1.6 低通滤波器的平衡结构与串联形式,为什么要使用对称结构？,1. 无源滤波器（续）,1.6 低通滤波器的平衡结构与串联形式,传递函数和幅频特性？,1. 无源滤波器（续）,1.6 低通滤波器的平衡结构与串联形式,传递函数和幅频特性？,1. 无源滤波器（续）,1.6 低通滤波器的平衡结构与串联

8、形式,1. 无源滤波器（续）,1.7 双T滤波器-带阻滤波器,等效电路和幅频特性？,2. 有源滤波器,无源滤波器的不足之处：,1、带负载能力差。,2、无放大作用。,3、特性不理想，边沿不陡。,2. 有源滤波器（续）,2.1 一阶低通有源滤波器,传递函数和幅频特性？,2. 有源滤波器（续）,2.1 一阶低通有源滤波器,传递函数和幅频特性？,3. 去耦电路,数字电路电平转换过程中产生冲击电流，在传输线和公用电源内阻上产生较大压降，形成严重干扰。为了抑制这一干扰，在电路中适当配置去耦电容，及去耦电路。,3. 去耦电路（续）,3.1 尖峰电流产生的原因,输出级晶体管或MOS管瞬时同时导通。 负载电容充

9、电的影响。,统计表明：由负载电容充电引起的尖峰电流占主导位置。,3. 去耦电路（续）,3.2 去耦电容的配置,合理布线，降低杂散电容。 降低供电电源的内阻，减少尖峰电流在内阻上的电压波动。 在门电路的电源线与底线端加去耦电容。,去耦电容估算：假定尖峰电流的变化为 ，持续时间 ，要求电源端电压的跳动 ，则去耦电容的 大小为？,4. 屏蔽技术与双绞线传输,双绞线有抵消电磁感应干扰的作用，但两股导线间的分布电 容却比较大，因而对静电干扰几乎没有抵抗力。 屏蔽层接地的屏蔽线能有效抵抗静电干扰，但对外界交变磁 场产生的感应干扰的抑制能力较差。,工程中：将双绞线穿在钢管或金属蛇皮管中，并将管子接地。,5.

10、 隔离技术,5.1 光电隔离,光电耦合器输入阻抗很低100到1K欧姆，而干扰源的内阻一 般都比较大105到106欧姆。 干扰源产生的干扰电压大，但能量小，只能形成微弱的电 流，无法驱动发光二极管发光。 光电耦合器电容很小，绝缘电阻很大。 光电耦合在密闭的管壳内进行，不受外界光干扰。,光电隔离具有较高抗干扰能力的原因分析,5. 隔离技术（续）,5.1 光电隔离, 光电耦合器的结构与特性,输入特性-发光二极管伏安特性。 正向死区（管压降）较大，反向击穿电压小。 输出特性-光敏三极管伏安特性。 分饱和、线性和截止区，注入电流If为参变量。 传输特性。 电流传输比一般总是小于1，以百分数表示。,5.

11、隔离技术（续）,5.1 光电隔离, 光电耦合应用设计计算,注意：光耦器件输入输出端要严格电气隔离。,图中继电器线圈工作电流小于500mA，光耦的最小电流传输比为40%，晶体管放大倍数为100，其基极对地电压为0.6V，试设计R1的阻值以保证系统可靠工作。图中二极管D的作用是什么？若Vcc的电压范围是5-30V，可否将其与5V电源共用一个电源？,6. 接地技术,串联一点接地 并联一点接地 多点接地, CPU模块抗干扰技术,1. 总线的可靠性设计,2. 芯片配置与抗干扰,3. 译码电路可靠性分析,4. 复位电路可靠性分析,1. 总线的可靠性设计,总线驱动器-提高负载能力，改善信号波形 总线的负载平

12、衡 总线上拉电阻的配置,2. 芯片配置与抗干扰,配置去耦电容-满足跳变电流和允许电压前提下，越小越好 数字输入端噪声抑制 保证有用脉冲、抑制脉冲噪声； 提高输入端噪声容限； 总线上拉电阻的配置数字电路不用端处理 不使用端固定在高电平； 不使用端与有用信号输入端并联；,3. 译码电路可靠性分析,过渡干扰与译码选通 译码方式与抗干扰,4. 复位电路可靠性分析,复位电路的可靠性与抗干扰分析 电路结构形式与抗干扰分析； 复位按钮传输线的影响； 供电电源稳定过程对复位的影响； I/O接口芯片的延时复位,上机训练：RC和RC两级滤波电路频率特性,要求： 设计阻容低通滤波器，使1KHz信号衰减100倍，电阻

13、、电容要采用标称值。 测试： 1.用AC扫频分析电路的频率特性，验证设计结果。 2.将5V的50Hz信号和1KHz信号叠加，通过所设计的低通滤波电路，用示波器观察衰减效果。,上机训练：电源信号双T带阻滤波,要求： 设计双T带阻滤波器，滤除50Hz交流信号中的6次谐波（300Hz），电阻、电容要求采用标称值。 测试： 1.用AC扫频分析电路的频率特性，验证设计结果。 2.将5V的50Hz信号和300Hz信号叠加，通过所设计的低通滤波电路，用示波器观察衰减效果。,上机训练图例：电源信号双T带阻滤波,附：电源信号双T带阻滤波效果,附：双T带阻滤波电路及频率特性,附：精度为5的碳膜电阻,以欧姆为单位的

14、标称值： 1.0 5.6 33 160 820 3.9K 20K 100K 510K 2.7M 1.1 6.2 36 180 910 4.3K 22K 110K 560K 3M 1.2 6.8 39 200 1K 4.7K 24K 120K 620K 3.3M 1.3 7.5 43 220 1.1K 5.1K 27K 130K 680K 3.6M 1.5 8.2 47 240 1.2K 5.6K 30K 150K 750K 3.9M 1.6 9.1 51 270 1.3K 6.2K 33K 160K 820K 4.3M 1.8 10 56 300 1.5K 6.6K 36K 180K 910K

15、 4.7M 2.0 11 62 330 1.6K 7.5K 39K 200K 1M 5.1M 2.2 12 68 360 1.8K 8.2K 43K 220K 1.1M 5.6M 2.4 13 75 390 2K 9.1K 47K 240K 1.2M 6.2M 2.7 15 82 430 2.2K 10K 51K 270K 1.3M 6.8M 3.0 16 91 470 2.4K 11K 56K 300K 1.5M 7.5M 3.3 18 100 510 2.7K 12K 62K 330K 1.6M 8.2M 3.6 20 110 560 3K 13K 68K 360K 1.8M 9.1M 3.9 22 120 620 3.2K 15K 75K 390K 2M 10M 4.3 24 130 680 3.3K 16K 82K 430K 2.2M 15M 4.7 27 150 750 3.6K 18K 91K 470K 2.4M 22M 5.1 30,附：电容器标称电容值 E24-E12-E6-E24-E12-E6 1.0-1.0-1.0-3.3-3.3-3.3 1.1- -3.6- 1.2-1.2- -3.9-3.9- 1.