数字电路噪声的分析与研究

数字电路噪声的分析与研究

1脉冲波形的消除随着数字系统应用领域的不断扩展，数字电子产品的可靠性问题变得越来越明显。影响数字系统可靠性问题很多,其中噪声是最重要方面。对待噪声的态度,犹如对待火灾一样,事先要有足够的措施,一旦出现火灾首先消灭起火点,否则既浪费经费又浪费时间。所谓噪声,从表面上看即是造成人或设备恶劣影响的干扰信号的总称。专家们在数码产品设计时,必须考虑噪声。在数字系统中,凡是妨碍脉冲信号进行正常工作的因素都叫噪声。理想的数字电路所用的脉冲波形即:波形无畸变,没有相位偏移,零电平不动,幅度一定,重复周期及脉冲宽度一定。实际上,当脉冲电压从某一值变到另一值时,其电路电流都会因连接线、电子元件、外部环境等因素发生瞬间变化现象,不能满足理想的脉冲波形要求,将会引起信号的振荡、台阶延迟、过冲和缺口等。抑制数码产品噪声应采取有效措施防止电路所用的脉冲波形不失真,并能对失真的波形加以整理,尽量达到理想脉冲波形的要求。数码产品的噪声根据其来源可分为:传输反射噪声、传输延时噪声、串扰噪声、电源噪声、尖峰或振铃噪声、交流噪声、畸变噪声、来自设备外部环境的干扰噪声等。2脉冲电路效果传输反射噪声:由于数字电路内部上、下级电路间的阻抗不连续,信号传输线较长,系统的速度过快,信号的传输延迟时间与信号脉冲边沿转换时间相接近时,信号在电路间的接合点产生反射形成的噪声。在数字系统中,传输脉冲信号中的正、负过冲畸变、振动、台阶延迟以及各种各样复杂的波形都是由于电路的终端与始端间能量来回反射造成,传输反射噪声是脉冲电路中最主要的噪声。目前,随着数码设备系统的运行速度不断提速,反射噪声的危害变得更加尖锐。如何抑制传输反射噪声?通常解决办法是:数字电路内部的上级输出端尽量用低阻抗输出,下级输入端也用低阻抗;使用重复频率低于组件极限频率的脉冲发送信号。当传输微弱信号时,传输信号电压要高,功率足够大,尽量缩短传输距离,万不得已除了用同轴电缆外,在接近信号源端接入低噪声放大器,微弱信号经低噪声放大器放大后再传输。若可能,用平衡电路传输脉冲信号更佳。实际工作中,人们常常利用图1所示的有源二极管终端电路来抑制反射噪声,图中,VD1,VD2可抑制反射噪声波形的正、负过冲畸变。改变有源上拉电阻R的阻值还起到级间阻抗匹配作用。3非线性器件脉冲信号通过电路或导线时,即使没有干扰,在发射端和接收端都要产生时间延迟,何况在传输中还有电感或电容等非线性元器件。同一脉冲信号经不同的两个电路传输,信号在二者之间要产生的相位差,即传输延时噪声。它是造成数码设备工作失常的罪魁祸首。在数字电路传输信号过程中,为了调整脉冲波形中的相移,达到延迟后的信号和定时信号的相位同步,常常在定时电路中应用超声波延迟线。4负脉冲传输信号的使用串扰噪声:当信号传输时,由于元件结构不良,传输线、元件间的静电场和磁场互相作用,对附近的电路信号产生的干扰。它是影响数字系统稳定性,最难预料和控制的因素。数字电路内部的串扰情况很复杂,这里主要是谪其结论性的东西并结合笔者的实践给予阐述。在传输的脉冲信号中,串扰噪声主要受脉冲信号前沿上升时间,脉冲信号的传输方式影响。说具体些,串扰噪声主要来自电路中的引线电感、引线电阻、杂散电容。通过试验观察到,当信号在脉冲电路传输时,其上冲的峰值、振铃等噪声与脉冲前沿上升时间成反比。为了使失真的波形达到理想的脉冲波形,在系统速度允许的范围内,尽量采用低挡速度的电路组件,并在电路的输出端并上去耦电容,使脉冲前沿上升时间增大,来提高设备的抵制串扰噪声的能力。通过试验可看到,当用正脉冲传输信号时,负干扰信号对脉冲电路不起作用,且正干扰信号的周期大于脉冲电路的导通时间时,才影响电路的工作。当用负脉冲传输信号时,正干扰信号对脉冲电路不起作用,当负干扰信号的周期大于脉冲电路的截止时间时,才影响电路的工作。一般说来,负脉冲信号的截止时间都大于导通时间。用负脉冲传输信号,无论上升边的高态串扰,还是下降边的高态串扰都不会影响设备的工作。负脉冲传输信号更值得人们信赖。当迫不得已要用正脉冲传输信号时,加上图2的抗干扰积分电路,设备可达到与负脉冲传输相同的效果。在数字电路中,即使一根直的很短导线,当电流经过时,都要产生感应电动势,这个反电动势对邻近电路会产生串扰噪声。从试验看到:即便前沿上升时间相同的数字脉冲信号,通过一根引线电感时,它都会产生上冲或振铃,电感愈小,上冲或振铃愈小。为了抑制引线电感引出的噪声,必须从元件安装位置与方向、布线来考虑。具体做法:元件的管脚尽量短;用粗线最短距离连接元件;印刷电路板用双面结构,另一面做“地平面”;用同轴电缆或扁平编织线沿底板布线,不同用途的引线不能平行,万不得已时,中间加地线隔离,且尽量离开些;当几个电感安装在一块时,最好将它们排成丁字形,以便减少交链磁通;在大电容旁并联一个比它小很多的电容中和它的感抗,此类做法也是可以的。现实中,相互绝缘的两根导体相对放置,在其间必然形成一个微小的电容。两导体相对面积愈大,距离愈近,此杂散电容愈大。在数字电路中,杂散电容会造成脉冲信号的延时和前沿上升时间增大。为了抑制杂散电容引出的噪声,在元件排列和布线时,要极力减少相互间绝缘的各导体的平行部分;若不得不相互平行排列、靠近安装的元件,须考虑用静电屏蔽;能和底板之间形成电容的元器件,在远离底板的位置安装。通过试验看到,在正常的数字电路内部,增大元件的引线电阻,将会使脉冲信号振幅减小,波形畸变。为抑制引线电阻引出的噪声:采用同轴电缆或屏蔽双绞线贴地走线;元件安装时,引脚尽量短,就近接地都是很好的解决问题的方法。尽管许多数字系统是低阻抗电路,但是为了防止静电场、强磁场对系统的影响,最好还是采用屏蔽措施。屏蔽材质用铁质最好,而且必须良好接地。为防止串扰噪声反复精心选择元件及材料极为重要。使用不良的元件或粗劣材料,常常要为想不到的噪声干扰而烦劳,设计电路时,要从脉冲电路结构上通盘考虑各个电路间的影响,必要时可采用去耦电容来消除串扰噪声。5电源变压器的选择交流噪声是由于电路平滑滤波器的性能差或电源变压器存在漏磁通,被电路感应交流分量而产生的噪声。为处理此类噪声,常采用屏蔽电源变压器;加大电源滤波电容;在电路的交流电源端加多级滤波器等方法。但由共态噪声加在脉冲波形上的交流声,只能利用差动放大器处理。图3为由场效应管制成的差动放大器,当一个输入端加入含有噪声的信号而另一端输入接地部分电压(只含噪声的信号),当两个输入端为同相时,此电路噪声无输出,共模噪声形式的交流声被消除。6杂波信号的恢复由于电路条件的关系,脉冲电路中的电流在电感、电容等元件中易引起冲击或衰减振荡而产生尖峰或振铃的噪声。对于此类噪声,必须给以整形,使其恢复成原来的正确波形,才能让数码产品正常工作。常规解决办法是:通过钳位电路、削波、限幅电路,门电路来帮助信号恢复原貌。图4为二极管钳位电路,正常时,VD1处于截止。当幅度大的干扰信号到来时,Cb冲电,当Cb上冲电电压Vcb等于干扰信号幅度时,b点电压Vb>Ec,VD导通,Vb=Ec,三极管V1不工作。由于VD1的钳位使杂波电压幅度限制在Ec处,大的干扰信号过后,Cb很快放电,电路又恢复到正常。削波电路即是削去输入波形的一部分,把信号的波峰或波谷抑制到与某一电压一致。按用途削波电路分为:波峰削波器、波谷削波器、限幅器。图5为二极管削波电路。Rc,VD1,Re组成削波电路,正常时,V1输出信号由VD1输出。当有干扰信号到来时,V1的基极电压上升,V1处于饱和状态,Ic1增大,Re上压降增大。VD1截止,干扰信号通不过。改变Re阻值可控制信号幅度。门电路:上面的钳位电路或削波、限幅电路都是对脉冲波形在振幅方向进行整形,要使脉冲波形在时间上整形,只有通过门电路进行延时。图6为门电路恢复脉冲信号示意图。图6(a)为杂波信号,用虚线表示:需要恢复的理想脉冲信号波形。为了从杂波信号中恢复出正常的脉冲信号,首先将杂波信号通过放大电路放大。然后利用削波电路从E处削去输入波形的一部分得到图6(b),此时的信号波形,虽然幅度达到了规定要求,但是时间延长了。再让图6(b)的信号,通过图6(c)的选通脉冲选择,最后得到图6(d)所示的理想波形,它和用虚线表示的脉冲完全一样。7噪声恢复电路畸变噪声是指噪声混入两脉冲间隔期间,噪声电压的幅度大于脉冲幅度,噪声信号的周期比脉冲长,通过加钳位电路,削波、限幅电路,门电路都无法处理的畸变波形。对于此类噪声可用选通脉冲和“与门”电路来恢复原来的脉冲信号。图7为选通脉冲整形畸变噪声示意图。图7(a)为需要恢复成的标准脉冲信号。图7(b)为受干扰造成较大畸变的信号,正在被E1-E2削波、限幅电路截取,结果为图7(c)。此时信号中,有噪声脉冲(N)并且信号的脉冲宽度较大。将图7(d)中的标准选通脉冲信号和图7(c)的信号同时加到“与门”电路上,当图7(d)和图7(c)脉冲同时重合时,“与门”(选通脉冲整形畸变噪声示意图)电路输出的信号正好是需要的标准脉冲信号即图7(a)。8防误触发的双稳态多谐振荡模型在数字系统中,触发脉冲对数码产品的工作起着关键的作用。错误的触发脉冲容易造成电路的逻辑混乱。为了提高设备功能的可靠性,在使用触发脉冲时,必须正确选择触发脉冲的极性,触发脉冲前沿上升时间要短,幅度要大,没有干扰信号附在其中,必要时要适当降低触发脉冲输入端电路的灵敏度。图8为防误触发的双稳态多谐振荡器例子:开始V1导通,V2截止。加入一个正触发脉冲,V2的基极电压升高,V2导通,V2的集电极电压下降,V1截止,V1的集电极电压升高,V2的基极电压升高,V2保持导通。每输入一个触发脉冲电路翻转一次。为了防止正的噪声影响电路翻转,加接R1,R2,R33个电阻,当V1导通,V2截止,V1,V2之间有电压差Vb>Va,当低于Vb的噪声对电路不起用,选择合适的R3阻值,可使电路按照正确的触发脉冲来翻转。9噪声噪声外部噪声:来自外部环境的干扰产生的噪声,它们对设备的影响不可小视。按照噪声的来源可分为:电源噪声、热噪声、辐射噪声、天体噪声等。电源噪声:工业干扰通过交流馈电系统引入到直流电系统的噪声。临近不同的具有瞬变过程的设备是较强的电源噪声源如:工作中整流子的电动机、高频炉、电焊机,使用半导体元件的控制开关、电流继电器、过载继电器等,都有极强的噪声产生。甚至平常照明使用的放电灯管也不例外。在实际中,消除电源噪声常采用:交流地和直流地各自独立分开;对主变压器初级加屏蔽层;干扰大的设备与主机分别由单独的交流稳压器供电;对干扰大的设备的输入端加接滤波器;对设备加接1∶1的线间隔离变压器等。热噪声:当所有的电阻在一定温度时,由于热能作用,电子骚动都会产生噪声,温度愈小噪声愈低。因此,要尽力抑制电子产品的温度上升,必要时,用隔热板分开元件或风扇散热。利用场效应管的差动放大器电路也能抑制电路因环境温度变化而产生的漂移。辐射噪声:诸如大气层的雷电、工业火花放电等现象都能引起设备空间电位变化而产生噪声。消除幅射噪声常采用:设备外壳接地,使设备地和大地同电位;设备所在处加接避雷装置;在设备火花放电处并联RC消火花电路。天体噪声:由于太阳或其他恒星