设计过程中遇到的问题及解决方法(1)

1、1.用于产生三角波的积分电路该如何取舍电阻电容？2.如何尽量减少干扰源？ 形成干扰的基本要素有三个：（1）干扰源，指产生干扰的元件、设备或信号，用数学语言描述如下：du/dt， di/dt大的地方就是干扰源。如：雷电、继电器、可控硅、电机、高频时钟等都可 能成为干扰源。（2）传播路径，指干扰从干扰源传播到敏感器件的通路或媒介。典型的干扰传 播路径是通过导线的传导和空间的辐射。（3）敏感器件，指容易被干扰的对象。如：A/D、D/A变换器，单片机，数字IC， 弱信号放大器等。抗干扰设计的基本原则是：抑制干扰源，切断干扰传播路径，提高敏感器件的 抗干扰性能。（类似于传染病的预防）1 抑制干扰源抑制干

2、扰源就是尽可能的减小干扰源的du/dt，di/dt。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du/dt主要是通过在干扰源两端并联电容来实现。减小干扰源的 di/dt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）继电器线圈增加续流二极管，消除断开线圈时产生的反电动势干扰。仅加 续流二极管会使继电器的断开时间滞后，增加稳压二极管后继电器在单位时间内可动作更多的次数。（2）在继电器接点两端并接火花抑制电路（一般是RC串联电路，电阻一般选几K 到几十K，电容选0.01uF），减小电火花影响。（3）给电机加滤波电路，注

3、意电容、电感引线要尽量短。（4）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。（5）布线时避免90度折线，减少高频噪声发射。（6）可控硅两端并接RC抑制电路，减小可控硅产生的噪声（这个噪声严重时可能 会把可控硅击穿的）。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

4、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。2 切断干扰传播路径的常用措施如下：（1）充分考虑电源对单片机的影响。电源做得好，整个电路的抗干扰就解决了一大半。许多单片机对电源噪声很敏感, 要给单片机电源加滤波电路或稳压器，以减小电源噪声对单片机的干扰。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。（2）如果单片机的I/O口用来控制电机等噪声器件，在I/O口与噪声源之间应加隔离（增加形滤波电路）。 控制电机等噪声器件，在I/O口与噪声源之间应加隔离（增加形滤波电

5、路）。（3）注意晶振布线。晶振与单片机引脚尽量靠近，用地线把时钟区隔离起来，晶振外壳接地并固定。此措施可解决许多疑难问题。（4）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。（5）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。（6）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。（7）在单片机I/O口，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，可显著

6、提高电路的抗干扰性能。3 提高敏感器件的抗干扰性能提高敏感器件的抗干扰性能是指从敏感器件这边考虑尽量减少对干扰噪声 的拾取，以及从不正常状态尽快恢复的方法。提高敏感器件抗干扰性能的常用措施如下：（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

7、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。软件方面：1、我习惯于将不用的代码空间全清成“0”，因为这等效于NOP，可在程序跑飞时归位；2、在跳转指令前加几个NOP，目的同1；3、在无硬件WatchDog时可采用软件模拟WatchDog，以监测程序的运行；4、涉及处理外部器件参数调整或设置时，为防止外部器件因受干扰而出错可定时将参数重新发送一遍，这样可使外部器件尽快恢复正确；5、通讯中的抗干扰，可加数据校验位，可采取3取2或5取3策略；6、在有通讯线时，如I2C、三线制等，实际中我们发现将Data线、CLK线、INH线常态置为高，其抗

8、干扰效果要好过置为低。硬件方面：1、地线、电源线的部线肯定重要了！2、线路的去偶；3、数、模地的分开；4、每个数字元件在地与电源之间都要104电容；5、在有继电器的应用场合，尤其是大电流时，防继电器触点火花对电路的干扰，可在继电器线圈间并一104和二极管，在触点和常开端间接472电容，效果不错！6、为防I/O口的串扰，可将I/O口隔离，方法有二极管隔离、门电路隔离、光偶隔离、电磁隔离等；7、当然多层板的抗干扰肯定好过单面板，但成本却高了几倍。8、选择一个抗干扰能力强的器件比之任何方法都有效，我想这点应该最重要。因为器件天生的不足是很难用外部方法去弥补的，但往往抗干扰能力强的就贵些，抗干扰能力差

9、的就便宜.抗干扰接地处理的主要内容： （1）避开地环电流的干扰； （2）降低公共地线阻抗的耦合干扰。     “一点接地”有效地避开了地环电流；而在“一点接地”前提下，并联接地则是降低公共地线阻抗的耦合干扰的有效措施；它们是工业控制系统采用的最基本的接地方法。     工业控制系统接地的含义不一定就是接大地。例如直流接地只是定义电路或系统的基准电位。它可以悬浮，但要求与大地严格绝缘。通常，其绝缘电阻要达到50 M以上。直流地悬浮隔离了交流地网的干扰，经济简便，工程中经常使用。直流地悬浮的缺点是机器容易带静

10、电，如果该静电电位过高，会损坏器件，击伤操作人员等等；而且，如果这时直流地与大地的绝缘电阻减小，可能会产生很多原先没有想到的干扰。直流地接大地，按照国家标准，要埋设一个不大于 的独立接地体。但无论直流地悬浮或者接大地，直流地与大地之间的电位都存在着间接或者直接的关系。工业控制机所操作的各种输入输出信号之间接地是否合理，不只是形成相互耦合干扰的问题，有时还危及计算机系统的安全。在实际的工业控制系统中，各种通道的信号频率大多在MHz内，属于低频范围。因此，谈谈低频范围的接地。 1. 串联接地     在串联接地方式中，各电路各有一个电流i

11、1、i2、i3等流向接地点。由于地线存在电阻，因此，每个串联接点的电位不再是零，于是各个电路间相互发生干扰。尤其是强信号电路将严重干扰弱信号电路。如果必须要这样使用，应当尽力减小公共地线的阻抗，使其能达到系统的抗干扰容限要求。串联的次序是：最怕干扰的电路的地应最接近公共地，而最不怕干扰的电路的地可以稍远离公共地。 2. 并联接地       并联接地方式：在工业控制机中的模拟通道和数字通道采用并联接地。并联接地中各个电路的地电位只与其自身的地线阻抗和地电流有关，互相之间不会造成耦合干扰。因此，有效地克服了公共地线阻抗的耦合干

12、扰问题，工业控制机应当尽量采用并联接地方式。值得注意的是，虽然采用了并联接地方式，但是地线仍然要粗一些，以使各个电路部件之间的地电位差尽量减小。这样，当各个部件之间有信号传送时，地线环流干扰将减小。     工业现场的干扰来源是多渠道的，针对不同的项目和不同的现场，应该有不同的处理方法。屏蔽和接地是由工控系统开发者操作的一项技术内容。能否正确设计和利用它们，不仅关系到系统安全稳定地运行、良好地抑制干扰，而且是工控项目开发者是否成熟的重要标志。 工控系统的屏蔽处理     工业现场动力线路密布，设备启停运转繁忙，因此

13、存在严重的电场和磁场干扰。而工业控制系统又有几十乃至几百个甚至更多的输入输出通道分布在其中，导线之间形成相互耦合是通道干扰的主要原因之一。它们主要表现为电容性耦合、电感性耦合、电磁场辐射三种形式。在工业控制系统中，由前两种耦合造成的干扰是主要的，第三种是次要的。它们对电路主要造成共模形式的干扰。     众所周知，地球是一个静电容量很大的导体，其电位非常恒定。如果把一个导体与大地紧密连接，那么该导体的电位也是恒定的。我们把它的电位叫作零电位，它是电位的参考点。然而，工程上不可能做到这种紧密连接，总是存在一定的接地电阻。当有电流经该导体入地时，它的电位就有

14、波动。于是，不同的接地点之间会有电位差。当我们用一根导线连接不同的接地点时，在导线中就可能有电流流动，这称为地环电流。接地抗干扰技术就是解决以地环电流为中心的一系列技术问题。 1. 电场耦合的屏蔽和抑制技术    克服电场耦合干扰最有效的方法是屏蔽。因为放置在空心导体或者金属网内的物体不受外电场的影响。请注意，屏蔽电场耦合干扰时，导线的屏蔽层最好不要两端连接当地线使用。因在有地环电流时，这将在屏蔽层形成磁场，干扰被屏蔽的导线。正确的作法是把屏蔽层单点接地，一般选择它的任一端头接地。造成电场耦合干扰的原因是两根导线之间的分布电容产生的耦合。当两导线形成电场

15、耦合干扰时，导线在导线上产生的对地干扰电压VN为：V1和是干扰源导线1的电压和角频率；R和C2G是被干扰导线2的对地负载电阻和总电容；C12是导线1和导线2之间的分布电容。从式(2)可以看出，在干扰源的角频率不变时，要想降低导线2上的被干扰电压VN ，应当减小导线1的电压V1，减小两导线之间的分布电容C12，减小导线2对地负载电阻R以及增大导线2对地的总电容C2G。在这些措施中，可操作性最好的是减小两导线之间的分布电容C12。即采用远离技术：弱信号线要远离强信号线敷设，尤其是远离动力线路。工程上的“远离”概念，通常取干扰导线直径的40倍，即认为足够了。同时，避免平行走线也可以减小C1

16、2。 2. 磁场耦合的抑制技术     抑制磁场耦合干扰的好办法应该是屏蔽干扰源。大电机、电抗器、磁力开关和大电流载流导线等等都是很强的磁场干扰源。但把它们都用导磁材料屏蔽起来，在工程上是很难做到的。通常是采用一些被动的抑制技术。当回路1对回路2造成磁场耦合干扰时，其在回路2 上形成的串联干扰电压VN为： VN=jBAcos (3) ，式中，是干扰信号的角频率；B是干扰源回路1形成的磁场链接至回路2处的磁通密度；A为回路2感受磁场感应的闭合面积，是和两个矢量的夹角。可以看出，在干扰源的角频率不变时，要想降低干扰电压

17、VN，首先应当减小B。对于直线电流磁场来说，B与回路1流过的电流成正比，而与两导线的距离成反比。因此，要有效抑制磁场耦合干扰，仍然是远离技术。同时，也要避免平行走线。 3. 屏蔽线的使用     屏蔽线的接地有三种情况，即：单端接地方式、两端接地方式、屏蔽层悬浮。 （1）单端接地方式：假设信号电流i1从芯线流入屏蔽线，流过负载电阻RL之后，再通过屏蔽层返回信号源。因为i1与i2大小相等方向相反，所以它们产生的磁场干扰相互抵消。这是一个很好的抑制磁场干扰的措施。同时它也是一个很好的抵制磁场耦合干扰的措施。 （2）两端接地方式：由于屏蔽层上流过的电

18、流是i2与地环电流iG的迭加，所以它不能完全抵消信号电流所产生的磁场干扰。因此，它抑制磁场耦合干扰的能力也比单端接地方式差。单端接地方式与两端接地方式都有屏蔽电场耦合干扰作用。 （3）屏蔽层悬浮：只有屏蔽电场耦合干扰能力，而无抑制磁场耦合干扰能力。 4 . 双绞线的使用     如果双绞线的绞扭一致的话，那么这些小回路的面积相等而法方向相反，因此，其磁场干扰可以相互抵消。双绞线的结构对电场耦合干扰的抑制毫无能力。当给双绞线加上屏蔽层后，一个价廉物美的传输线就诞生了。根据国外专家的实验测定，屏蔽层接地方法不同对磁场干扰的抑制dB数也不同

19、。 （1）单端接地方式，对磁场干扰具有高达55dB的衰减能力。可见，双绞线确实有很好的效果。 （2）两端接地方式，地线阻抗与信号线阻抗不对称，地环电流造成了双绞线电流不平衡，因此降低了双绞线抗磁场干扰的能力，只有13dB的磁场干扰衰减能力。 （3）使用屏蔽双绞线，其屏蔽层一端接地，另一端悬空，因此屏蔽层上没有返回信号电流，所以它的屏蔽层只有抗电场干扰能力，而无抑制磁场耦合干扰能力。与单端接地方式一样衰减55dB。 （4）屏蔽层单端接地，而另一端又与负载冷端相连，因此它具有两端接地方式的效果，但它的屏蔽层上的电流由于被双绞线中的一根分流，又比两端接地方式稍差。具有77dB的衰减。 （5）屏蔽层双

20、端接地，具有一定的抑制磁场耦合干扰能力，加上双绞线本身的作用，因此具有63dB的衰减。 （6）屏蔽层和双绞线都两端接地，其效果具有28dB衰减。    双绞线最好的应用是作平衡式传输线路。因为两条线的阻抗一样，自身产生的磁场干扰或外部磁场干扰都可以较好的抵消。同时，平衡式传输又独具很强的抗共模干扰能力，因此成为大多数计算机网络的传输线。例如，物理层采用RS422A或RS485通信接口，就是很好的平衡传输模式。 2007-12-26,09:24:05 资料 邮件 回复 引用回复       编辑 删除 【1楼】 il

21、an2003 小松工程积分：2620派别：等级：-来自：浙江杭州 3.7 保护与分流线路： 在时钟电路中，局部去耦电容对于减少沿着电源干线的噪声传播有着非常重要的作用。但是时钟线同样需要保护以免受其他电磁干扰源的干扰，否则，受扰时钟信号将在电路的其他地方引起问题。 设置分流和保护线路是对关键信号（比如：对在一个充满噪声的环境中的系统时钟信号）进行隔离和保护的非常有效的方法。PCB内的分流或者保护线路是沿着关键信号的线路两边布放隔离保护线。保护线路不仅隔离了由其他信号线上产生的耦合磁通，而且也将关键信号从与其他信号线的耦合中隔离开来。 分流线路和保护线路之间的不同之处在于分流线路不必两

22、端端接（与地连接），但是保护线路的两端都必须连接到地。为了进一步的减少耦合，多层PCB中的保护线路可以每隔一段就加上到地的通路。 3.8 局部电源和IC间的去耦： 在直流电源回路中，负载的变化会引起电源噪声。例如在数字电路中，当电路从一个状态转换为另一种状态时，就会在电源线上产生一个很大的尖峰电流，形成瞬变的噪声电压。局部去耦能够减少沿着电源干线的噪声传播。连接着电源输入口与PCB之间的大容量旁路电容起着一个低频骚扰滤波器的作用，同时作为一个电能贮存器以满足突发的功率需求。此外，在每个IC的电源和地之间都应当有去耦电容，这些去耦电容应该尽可能的接近IC引脚，这将有助于滤除IC的开关噪

23、声。 配置去耦电容可以抑制因负载变化而产生的噪声，是印制线路板的可靠性设计的一种常规做法，配置原则如下： (1) 电源输入端跨接10100F的电解电容器。如有可能，接100F以上的更好。 (2) 原则上每个集成电路芯片都应布置一个0.01F的瓷片电容，如遇印制板空隙不够，可每48个芯片布置一个110F的钽电容。这种器件的高频阻抗特别小，在500kHz20MHz范围内阻抗小于1，而且漏电流很小（0.5A以下）。最好不用电解电容，电解电容是两层溥膜卷起来的，这种结构在高频时表现为电感。 (3) 对于抗噪能力弱、关断时电源变化大的器件，如RAM、ROM存储器件，应在芯片

24、的电源线和地线之间直接接入高频退耦电容。 (4) 电容引线不能太长，尤其是高频旁路电容不能有引线。 去耦电容值的选取并不严格，可按C=1/f计算：即10MHz取0.1F。对微控制器构成的系统，取0.10.01F之间都可以。好的高频去耦电容可以去除高到1GHz的高频成份。陶瓷片电容或多层陶瓷电容的高频特性较好。 此外，还应注意以下两点： (1) 在印制板中有接触器、继电器、按钮等元件时操作它们时均会产生较大火花放电，必须采用RC吸收电路来吸收放电电流。一般R取12k，C取2.24.7F。 (2) CMOS的输入阻抗很高，且易受感应，因此在使用时对不用端要通过电阻接地

25、或接正电源。 3.9 布线技术： 3.9.1 过孔 过孔一般被使用在多层印制线路板中。当是高速信号时，过孔产生1到4nH的电感和0.3到0.5pF的电容。因此，当铺设高速信号通道时，过孔应该被保持绝对的最少。对于高速的并行线（如地址和数据线），如果层的改变是不可避免，应该确保每根信号线的过孔数一样。 3.9.2 45度角的路径 与过孔相似，直角的转弯路径应该被避免，因为它在内部的边缘能产生集中的电场。该场能耦合较强噪声到相邻路径，因此，当转动路径时全部的直角路径应该采用45度。图5是45度路径的一般规则。 3.9.3 短截线 如图6所示短截线会产生反射，

26、同时也潜在增加辐射天线的可能。虽然短截线长度可能不是任何系统已知信号波长的四分之一整数，但是附带的辐射可能在短截线上产生振荡。因此，避免在传送高频率和敏感的信号路径上使用短截线。   3.9.4 树型信号线排列 虽然树型排列适用于多个PCB印制线路板的地线连接，但它带有能产生多个短截线的信号路径。因此，应该避免用树型排列高速和敏感的信号线。 3.9.5 辐射型信号线排列 辐射型信号排列通常有最短的路径，以及产生从源点到接收器的最小延迟，但是这也能产生多个反射和辐射干扰，所以应该避免用辐射型排列高速和敏感信号线。 3.9.6 不变的路径宽度 信号路径的宽度

27、从驱动到负载应该是常数。改变路径宽度时路径阻抗（电阻，电感，和电容）会产生改变，从而产生反射和造成线路阻抗不平衡。所以最好保持路径宽度不变。 3.9.7 洞和过孔密集 经过电源和地层的过孔的密集会在接近过孔的地方产生局部化的阻抗差异。这个区域不仅成为信号活动的“热点”，而且供电面在这点是高阻，影响射频电流传递。 3.9.8 切分孔隙 与洞和过孔密集相同，电源层或地线层切分孔隙（即长洞或宽通道）会在电源层和地层范围内产生不一致的区域，就象绝缘层一样减少他们的效力，也局部性地增加了电源层和地层的阻抗。 3.9.9 接地金属化填充区 所有的金属化填充区应该被连接到地，否

28、则，这些大的金属区域能充当辐射天线。 3.9.10 最小化环面积 保持信号路径和它的地返回线紧靠在一起将有助于最小化地环，因而，也避免了潜在的天线环。对于高速单端信号，有时如果信号路径没有沿着低阻的地层走，地线回路可能也必须沿着信号路径流动来布置。 3.10 其它布线策略： 采用平行走线可以减少导线电感，但导线之间的互感和分布电容会增加，如果布局允许，电源线和地线最好采用井字形网状布线结构，具体做法是印制板的一面横向布线，另一面纵向布线，然后在交叉孔处用金属化孔相连。 为了抑制印制板导线之间的串扰，在设计布线时应尽量避免长距离的平行走线，尽可能拉开线与线之间的距离，信号线与

29、地线及电源线尽可能不交叉。在一些对干扰十分敏感的信号线之间设置一根接地的印制线，可以有效地抑制串扰。 3.10.1 为了避免高频信号通过印制导线时产生的电磁辐射，在印制线路板布线时，需注意以下几点： (1) 布线尽可能把同一输出电流而方向相反的信号利用平行布局方式来消除磁场干扰。 (2) 尽量减少印制导线的不连续性，例如导线宽度不要突变，导线的拐角应大于90度，禁止环状走线等。 (3) 时钟信号引线最容易产生电磁辐射干扰，走线时应与地线回路相靠近。 (4) 总线驱动器应紧挨其欲驱动的总线。对于那些离开印制线路板的引线，驱动器应紧紧挨着连接器。

30、(5) 由于瞬变电流在印制线条上所产生的冲击干扰主要是由印制导线的电感成分造成的，因此应尽量减小印制导线的电感量。印制导线的电感量与其长度成正比，与其宽度成反比，因而短而精的导线对抑制干扰是有利的。时钟引线、行驱动器或总线驱动器的信号线常常载有大的瞬变电流，印制导线要尽可能短。对于分立元件电路，印制导线宽度在1.5mm左右时，即可完全满足要求；对于集成电路，印制导线宽度可在0.21.0mm之间选择。 (6) 发热元件周围或大电流通过的引线尽量避免使用大面积铜箔，否则，长时间受热时，易发生铜箔膨胀和脱落现象。必须用大面积铜箔时，最好用栅格状，这样有利于排除铜箔与基板间粘合剂受

31、热产生的挥发性气体。 (7) 焊盘中心孔要比器件引线直径稍大一些。焊盘太大易形成虚焊。焊盘外径D一般不小于(d+1.2) mm，其中d为引线孔径。对高密度的数字电路，焊盘最小直径可取(d+1.0)mm。 3.10.2 印刷线路板的布线还要注意以下问题： (1) 专用零伏线，电源线的走线宽度1mm； (2) 电源线和地线尽可能靠近，以便使分布线电流达到均衡； (3) 要为模拟电路专门提供一根零伏线； (4) 为减少线间串扰，必要时可增加印刷线条间距离； (5) 有意安插一些零伏线作为线间隔离； (6) 印刷电路的插头也要多安排一些零伏线作为线间隔离； (7) 特别注意电流流通中的导线环路尺寸； (8) 如有可能，在控制线（于印刷板上）的入口处加接R-C滤波器去耦，以便消除传输中可能出现的干扰因素。 3.11 PCB布线通用规则： 在设计印制线路板时，应注意以下几点： (