При проектировании электронных систем, чтобы избежать обходных путей и сэкономить время, следует полностью учитывать и соблюдать требования по защите от помех, а после завершения проектирования следует избегать мер по устранению помех. Есть три основных элемента, которые создают помехи:
(1) Источником помех называют компонент, оборудование или сигнал, генерирующий помехи. На математическом языке он описывается следующим образом: du/dt. Место, где di/dt велико, является источником помех. Например: источниками помех могут стать молнии, реле, тиристоры, двигатели, высокочастотные часы и т. д.
(2) Путь распространения — это путь или среда, по которой помехи распространяются от источника помех к чувствительному устройству. Типичными путями распространения помех являются проводимость по проводам и излучение через пространство.
(3) Чувствительные устройства относятся к объектам, которые легко потревожить. Такие как: аналого-цифровые, цифро-аналоговые преобразователи, микроконтроллеры, цифровые микросхемы, усилители слабого сигнала и т. д. Основными принципами проектирования защиты от помех являются: подавление источников помех, прекращение путей распространения помех и улучшение характеристик защиты от помех чувствительных устройств.
1 Подавление источников помех
Подавление источника помех заключается в максимально возможном уменьшении du/dt и di/dt источника помех. Это приоритетный и важный принцип в проектировании защиты от помех, и часто он позволяет достичь удвоенного результата, прилагая вдвое меньше усилий. Уменьшение du/dt источника помех в основном достигается за счет параллельного подключения конденсаторов на обоих концах источника помех. Уменьшение di/dt источника помех достигается путем добавления катушки индуктивности или резистора последовательно в контур источника помех и добавления обратного диода.
Обычно используемые меры по подавлению источников помех следующие:
(1) К катушке реле добавлен безынерционный диод для устранения помех обратной электродвижущей силы, возникающих при отключении катушки. Только добавление обратного диода приведет к задержке времени выключения реле. Добавление стабилитрона может заставить реле срабатывать больше раз в единицу времени.
(2) Подключите цепь искрогасления параллельно обоим концам контакта реле (обычно это последовательная RC-цепь, резистор обычно выбирается от нескольких кОм до десятков кОм, а конденсатор - 0,01 мкФ), чтобы уменьшить влияние искры.
(3) Добавьте к двигателю схему фильтра и обратите внимание на то, чтобы выводы конденсатора и дросселя были как можно короче.
(4) Каждая микросхема на печатной плате должна быть подключена параллельно высокочастотному конденсатору емкостью 0,01–0,1 мкФ, чтобы уменьшить влияние микросхемы на источник питания. Обратите внимание на проводку высокочастотных конденсаторов.Проводка должна быть близка к концу источника питания, как можно толстее и короче.В противном случае эквивалентное последовательное сопротивление конденсатора будет увеличено, что повлияет на эффект фильтрации.
(5) Избегайте линий сгиба под углом 90 градусов при проводке, чтобы уменьшить излучение высокочастотных шумов.
(6) Подключите RC-цепь подавления параллельно обоим концам тиристора, чтобы уменьшить шум, создаваемый тиристором (при сильном шуме тиристор может выйти из строя).
По пути распространения помех их можно разделить на две категории: кондуктивные помехи и излучаемые помехи.
Так называемые кондуктивные помехи относятся к помехам, которые распространяются на чувствительные устройства по проводам. Полосы частот высокочастотного помехового шума и полезных сигналов различаются.Распространение высокочастотного помехового шума можно пресечь, добавив в провод фильтр.Иногда для решения проблемы можно добавить изолирующую оптопару. Шум источника питания более вреден, поэтому обращению с ним следует уделять особое внимание. Так называемые излучаемые помехи относятся к помехам, распространяющимся на чувствительные устройства через космическое излучение. Общее решение — увеличить расстояние между источником помех и чувствительными устройствами, изолировать их заземляющими проводами и добавить к чувствительным устройствам экран.
2 Обычно используемые меры по пресечению путей распространения помех заключаются в следующем:
(1) Полностью учтите влияние источника питания на микроконтроллер. Если источник питания хороший, защита от помех всей цепи будет решена более чем наполовину. Многие микроконтроллеры очень чувствительны к помехам источника питания.Необходимо добавить в источник питания микроконтроллера схему фильтра или стабилизатор напряжения, чтобы уменьшить влияние помех источника питания на микроконтроллер. Например, магнитные шарики и конденсаторы можно использовать для формирования схемы фильтра в форме π. Конечно, при невысоких условиях вместо магнитных шариков можно использовать резистор сопротивлением 100 Ом.
(2) Если порт ввода-вывода микроконтроллера используется для управления шумными устройствами, такими как двигатели, необходимо добавить изоляцию между портом ввода-вывода и источником шума (добавьте схему π-образного фильтра). Для управления шумными устройствами, такими как двигатели, необходимо добавить изоляцию между портом ввода-вывода и источником шума (добавьте схему π-образного фильтра).
(3) Обратите внимание на проводку кварцевого генератора. Кварцевый генератор и контакты микроконтроллера должны быть расположены как можно ближе, а область часов должна быть изолирована заземляющим проводом.Корпус кварцевого генератора должен быть заземлен и закреплен. Эта мера может решить многие сложные проблемы.
(4) Разумное разделение печатной платы, например, сильные и слабые сигналы, цифровые и аналоговые сигналы. Держите источники помех (например, двигатели, реле) и чувствительные компоненты (например, микроконтроллеры) как можно дальше.
(5) Используйте заземляющий провод, чтобы изолировать цифровую область от аналоговой.Цифровое и аналоговое заземление следует разделить, а затем соединить с землей питания в одной точке. Это также принцип подключения микросхем АЦП и ЦАП. Производители учли это требование при назначении расположения выводов микросхем АЦП и ЦАП.
(6) Заземляющие провода микроконтроллера и мощных устройств должны быть заземлены отдельно, чтобы уменьшить взаимные помехи. Устройства высокой мощности следует размещать как можно ближе к краю печатной платы.
(7) Использование компонентов защиты от помех, таких как магнитные шарики, магнитные кольца, силовые фильтры и защитные крышки в ключевых местах, таких как порты ввода-вывода микроконтроллера, линии электропередачи и соединения печатной платы, может значительно улучшить характеристики защиты от помех схема.
3. Улучшение защиты от помех чувствительных устройств.
Улучшение характеристик защиты от помех чувствительных устройств подразумевает рассмотрение способов минимизации воздействия помех со стороны чувствительного устройства и как можно более быстрого восстановления после аномальных условий.
Общие меры по улучшению защиты от помех чувствительных устройств заключаются в следующем:
(1) Минимизируйте площадь контура при подключении, чтобы уменьшить наведенный шум.
(2) При подключении шнур питания и провод заземления должны быть как можно более толстыми. Помимо уменьшения падения напряжения, более важно уменьшить шум связи.
(3) Что касается неиспользуемого порта ввода-вывода микроконтроллера, не оставляйте его плавающим и подключите его к земле или источнику питания. Неактивные клеммы других микросхем можно подключить к земле или питанию без изменения логики системы.
(4) Использование схем мониторинга и сторожевого таймера питания для микроконтроллеров, таких как IMP809, IMP706, IMP813, X25043, X25045 и т. д., может значительно улучшить характеристики защиты от помех всей схемы.
(5) Исходя из того, что скорость может соответствовать требованиям, попробуйте уменьшить кварцевый генератор микроконтроллера и выбрать низкоскоростную цифровую схему.
(6) Устройства ИС следует припаивать непосредственно к печатной плате, а держатели ИС следует использовать экономно.
Чтобы добиться хорошей защиты от помех, мы часто видим проводку с заземлением на печатной плате. Но не все цифровые и аналоговые схемы должны быть разделены на заземляющие плоскости. Поскольку это разделение призвано уменьшить
