數(shù)字電路的抗干擾設(shè)計(jì)

　　電磁兼容，即 EMC(Electromagnetic Compatibility) ，是指設(shè)備或系統(tǒng)在所處的電磁環(huán)境中能正常工作且不對(duì)該環(huán)境中其他事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字電路的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。而數(shù)字電路的抗干擾技術(shù)直接關(guān)系到數(shù)字電路的正常工作。因此，如何有效的增強(qiáng)數(shù)字電路的抗干擾性能，已成為人們?nèi)找骊P(guān)注的問(wèn)題。本文以 DVD 機(jī)為例，討論了數(shù)字電路的抗干擾設(shè)計(jì)。

　　1 干擾源及干擾的一般分類

　　影響數(shù)字電路的干擾源大都產(chǎn)生在電流或電壓劇烈變化的部位，這些電荷劇烈移動(dòng)的部位就是噪聲源，即干擾源。

　　干擾類型通常按干擾產(chǎn)生的原因、噪聲干擾模式和噪聲的波形性質(zhì)的不同的劃分。其中：按噪聲產(chǎn)生的原因不同，分為放電噪聲、浪涌噪聲、高頻振蕩噪聲等；按噪聲的波形、性質(zhì)不同，分為持續(xù)噪聲、偶發(fā)噪聲等；按噪聲干擾模式的不同可分為共模干擾和差模干擾。共模干擾和差模干擾是一種比較常用的分類方法。共模干擾是信號(hào)對(duì)地的電位差，主要由電網(wǎng)串入、地電位差及空間電磁輻射在信號(hào)線上感應(yīng)的共態(tài) ( 同方向 ) 電壓迭加所形成。共模電壓可通過(guò)不對(duì)稱電路轉(zhuǎn)換成差模電壓，它會(huì)直接影響測(cè)控信號(hào)，造成元器件損壞 ( 這就是一些系統(tǒng) I ／ O 模件損壞率較高的主要原因 ) ，這種共模干擾可以是直流、亦可為交流。差模干擾主要是指作用于信號(hào)兩極之間的干擾電壓，其中最主要的是空間電磁場(chǎng)在信號(hào)間耦合感應(yīng)及不平衡電路的轉(zhuǎn)換共模干擾所形成的電壓，它會(huì)直接疊加在信號(hào)上，影響測(cè)量與控制精度。

　　2 數(shù)字 AV 的產(chǎn)品特點(diǎn)

　　數(shù)字 AV 產(chǎn)品的核心是 DSP(Digiial SignalProcessing) 系統(tǒng)，該系統(tǒng)可對(duì)音視頻信號(hào)進(jìn)行高速的數(shù)字信號(hào)處理，使人們視聽(tīng)享受達(dá)到較完美的境地。同時(shí)，由于數(shù)字信號(hào)處理的碼率很高，一般 VCD 視盤(pán)機(jī)的 MPEG1 視頻數(shù)據(jù)率和音頻數(shù)據(jù)率之和約 1.5 Mb ／ s ； DVD 的 MPEG2 音視頻可變碼率平均為 4.69 Mb ／ s ，最大速率達(dá) 10.7 Mb ／ s ，可見(jiàn)碼率之高，而且，處理系統(tǒng)又與高速的存儲(chǔ)器配合使用數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)。隨著碼率的不斷提高，數(shù)字信號(hào)處理的速度越來(lái)越快，故會(huì)產(chǎn)生與速度成正比的大量干擾脈沖，且頻率越來(lái)越高，幅度越來(lái)越大，從而對(duì)產(chǎn)品的抗干擾設(shè)計(jì)帶來(lái)更大的難度，這也是產(chǎn)品品質(zhì)高低的關(guān)鍵所在。

　　3 數(shù)字電路的常見(jiàn)干擾

　　數(shù)字 AV 產(chǎn)品的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的常見(jiàn)噪聲有以下幾種：

　　(1) 電源噪聲：主要是 DSP 電路、 CPU 、動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器件和其它數(shù)字邏輯電路在工作過(guò)程中的邏輯狀態(tài)高速變換，從而造成系統(tǒng)電流和電壓變化所產(chǎn)生的噪聲，同時(shí)也包括溫度變化時(shí)的直流噪聲以及供電電源本身產(chǎn)生的噪聲；

　　(2) 地線噪聲：系統(tǒng)內(nèi)各部分地線之間出現(xiàn)電位差或存在接地阻抗所引起的接地噪聲；

　　(3) 反射噪聲：指的是傳輸線路各部分的特性阻抗不同或與負(fù)載阻抗不匹配時(shí)，其傳輸信號(hào)在終端 ( 或臨界 ) 部位將產(chǎn)生反射，從而使信號(hào)波形發(fā)生畸變或產(chǎn)生振蕩。
　
　　(4) 串?dāng)_噪聲：由于扁平電纜或束捆導(dǎo)線等傳輸線之間、印制電路板內(nèi)平行印制導(dǎo)線之間的電磁感應(yīng)以及高速開(kāi)關(guān)電流通過(guò)分布電容等寄生參數(shù)把無(wú)用信號(hào)成分疊加在目的信號(hào)上所引起的噪聲。

　　可見(jiàn)，形成干擾的基本要素有干擾源、傳播路徑和敏感器件三點(diǎn)。因此，抗干擾設(shè)計(jì)的基本原則為抑制干擾源、切斷干擾傳播路徑、提高敏感器件的抗干擾性能。

　　4 干擾噪聲的抑制措施

　　4.1 電源和地線噪聲的抑制

　　抑制電源干擾是抗干擾設(shè)計(jì)中最先考慮和最重要的原則。電源在向系統(tǒng)提供能源的同時(shí)，會(huì)將其噪聲加到所供電的電源上；電網(wǎng)上的強(qiáng)干擾也會(huì)通過(guò)電源進(jìn)入電路；此外，即使電池供電，其電池本身也有高頻噪聲。事實(shí)上， DVD 所用的電源就經(jīng)歷了從線性電源、高壓開(kāi)關(guān)電源和低壓開(kāi)關(guān)電源的過(guò)程。

　　抑制電源干擾就是盡可能的減小干擾源的 du ／ dt 和 di ／ dt 。減小干擾源的 du ／ dt 主要通過(guò)在干擾源兩端并聯(lián)電容來(lái)實(shí)現(xiàn)。減小干擾源的 di ／ dt 則可在干擾源回路串聯(lián)電感或電阻以及增加續(xù)流二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)。常用措施如下：

　　(1) 在電源變壓器的前端加裝電源濾波器，這種電源濾波器具有良好抑制共模噪聲和串模噪聲的能力，可隔離外部和內(nèi)部脈沖噪聲的干擾；

　　(2) 采用開(kāi)關(guān)電源來(lái)取代線性電源以提高整機(jī)的性能；

　　(3) 選用貼片元件并盡可能縮短元件的引腳長(zhǎng)度，以減小元件分布電感的影響；同時(shí)應(yīng)選用噪聲容限大的數(shù)字 IC 。

　　(4) 在 VDD 及 VOC 電源端盡可能靠近器件處接入濾波電容，以縮短開(kāi)關(guān)電流的流通途徑，可用 10 μ F 鋁電解和 0.1 μ F 獨(dú)石電容并聯(lián)接在電源腳上。對(duì)于 MPEG 板主電源輸入端租 MPEG 解碼芯片以及 DRAM 、 SDRAM 等高速數(shù)字 IC 的電源端，可用鉭電解電容代替鋁電解電容，因?yàn)樵诟哳l時(shí)，鉭電解的對(duì)地阻抗比鋁電解小得多。

　　(5) 對(duì)數(shù)?；旌想娐罚?VDD 與 VOC 應(yīng)連到模擬電源 VOC ， AGND 與 DGND 接到模擬地 AGND 。根據(jù) BB 、 PHILIPS 、 ALPINE 等公司的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，建議把 D ／ A 器件視為模擬器件，因此， MPEG 電路與 D ／ A 器件連接中， D ／ A 器件必須置于 AGND 上，同時(shí)要提供一條數(shù)字回路以供這些數(shù)字噪聲／能量反饋回信號(hào)源，從而減小數(shù)字器件的噪聲對(duì)模擬電路的影響，提高 D ／ A 器件的動(dòng)態(tài)特性。

　　根據(jù)實(shí)測(cè) DVD 機(jī) MPEG 解壓板數(shù)字電源 VDD 與模擬電源 VOC 的噪聲電平可知，電源上疊加的噪聲電平已相當(dāng)小， VDD 噪聲電平與 VOC 噪聲電平的波形基本一致，且數(shù)字電源噪聲電平 (VPP=85 mV) 明顯大于模擬電源的噪聲電平，這說(shuō)明，此處的干擾脈沖主要是數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生的。

　　4.2 反射干擾噪聲的抑制

　　在 DSP 輸出端加適當(dāng)電阻可使之與束捆線和扁平電纜的特性阻抗基本一致，并使發(fā)送端的阻抗基本匹配，從而抵消數(shù)字信號(hào)脈沖的上升／下降過(guò)沖。此外，把束捆線的長(zhǎng)度縮短到 1 max 以下，也可以減輕波形畸變。從而使 DSP 的波形明顯改善。

　　事實(shí)上，也可以用終端二極管取代匹配電阻。此法已在數(shù)字 IC 的芯片制作中被廣泛用作輸入輸出端的匹配和保護(hù)網(wǎng)絡(luò)。這種匹配方法能改善終端波形，且對(duì)發(fā)送端的電平高低沒(méi)有影響，同時(shí)具有補(bǔ)設(shè)方便，多個(gè)同機(jī)負(fù)載時(shí)可達(dá)到最佳匹配，可有效抑制過(guò)沖脈沖等優(yōu)點(diǎn)。

　　在系統(tǒng)中外加整形電路也可以減小因連接線不匹配而引起的干擾噪聲，整形電路通常加在輸入端之前，但是也應(yīng)當(dāng)注意，不能使信號(hào)產(chǎn)生新的相位變化。
　
　　4.3 數(shù)字信號(hào)的串?dāng)_抑制

　　在考慮數(shù)字信號(hào)的串?dāng)_抑制時(shí)，應(yīng)盡可能縮短信號(hào)線的傳輸長(zhǎng)度。在多種電平的信號(hào)傳輸時(shí)，應(yīng)盡量把前后沿時(shí)間相近的同級(jí)電平信號(hào)劃為一組進(jìn)行傳輸。 DATA 、 BCK 、 LRCK 信號(hào)與主時(shí)鐘之間應(yīng)使用一根地線相互隔離。必要時(shí)，也可用屏蔽線代替束捆線來(lái)傳輸 MCLK 和 BCK 時(shí)鐘，以減小串?dāng)_和輻射。

　　在雙面印制板布線時(shí)，可用正面?zhèn)鬏敻哳l數(shù)字信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)，然后在其傳輸印制電路背面盡可能加大接地面積。這樣，由于平行導(dǎo)線間的分布電容在導(dǎo)線接近地平面時(shí)會(huì)變小，信號(hào)線之間串音干擾就會(huì)減??；在 MPEG 芯片、 DRAM 、 SDRAM 及其它高速數(shù)字器件的印制板布線時(shí)，可在其背面布上大片地線，這樣，地線就可以旁路或屏蔽器件產(chǎn)生的高頻脈沖噪聲。

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　電磁兼容技術(shù)是一門迅速發(fā)展的交叉學(xué)科，涉及到電子、計(jì)算機(jī)、通信、航空航天、鐵路交通、電力、軍事以及人民生活的各個(gè)方面。因此，在數(shù)字 AV 產(chǎn)品設(shè)計(jì)、試制過(guò)程中，應(yīng)把電磁兼容設(shè)計(jì)作為設(shè)計(jì)過(guò)程的重要一環(huán)，從元件選購(gòu)、電路板設(shè)計(jì)及整機(jī)整體布局就各方面嚴(yán)格按照數(shù)字電路的抗干擾設(shè)計(jì)要求，來(lái)設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)具備良好電磁兼容性能和優(yōu)良音視頻性能的數(shù)字 AV 產(chǎn)品。

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