第9章计算机系统的电磁兼容

第10章计算机中的电磁兼容性10.1计算机电磁兼容性综述10．1．1研究计算机中电磁兼容性的重要性我们强调计算机工作的稳定性、可靠性和安全性据统计，干扰引起的计算机事故占计算机总事故的90％左右。DamagingenergyTT06GB16.04.98电动机/发电机Filtercoils滤波器线圈电子管Relays继电器Capacitors电容器Diodes二极管Transistors晶体三极管计算机部件IC’s集成电路Energy能量(Ws)10...possibledamage可能损坏certaindamage肯定损坏nodamage无损坏-10-9-8-7-6-5-4-3-2-10+1+2+3+4+5+6+710．1．2计算机电磁兼容性问题的特殊性一般电子设备电磁兼容性研究的问题包括环境中的干扰来源(又称噪声源)、干扰特性、干扰机理、数学描述、抑制措施、防范措施、计量方法、设计规范标准等，既针对电路，又针对单机和系统，其目的是为了达到减少或消除干扰，破坏干扰信号的传输条件，从而提高整个系统的抗干扰能力及可靠性。数字计算机是以高速运行及传送数字逻辑信号为两大特征在EMC问题的研究中与其他电子设备相比，具有的特殊性1．数字计算机中含有数字电路和模拟电路，但以数字电路为主(包括开关模式工作的电路)，它们既是干扰源，又是干扰的敏感元器件，尤其是MOS、D／A最为敏感。2．由于以低电平传送信号，属于低电平系统，故它在电磁环境中以受干扰为主。特殊性3．干扰对模拟电路的影响是连续的，随干扰强度的增大而加大，干扰消失后可恢复原状态；而数字电路是逻辑工作方式，存在阈值电平及与之相对应的干扰容限(又称噪声容限)，只有超过干扰容限的干扰信号才有危害，比模拟电路有利。4．数字计算机有存储功能、判断功能及高速运算功能，这为抗电磁干扰的设计提供了有利条件。但是也可能带来严重的弊端，5．脉冲干扰是研究的重点,数字电路传送的是脉冲信号，同时也易对脉冲干扰敏感。6．由于数字计算机传送脉冲信号，因而系统工作频率范围很宽(150kHz一500MHz)．被干扰的可能性极大，7．硬件法、软件法、软硬件结合法是计算机电磁兼容性设计的三种方法，其中软件法和软硬件结合法是计算机突出的特点和独到之处。8．在各类数字计算机中，电磁兼容性问题严重的是用于工业实时控制系统中的计算机(含微机、单片机、单板机)。计算机干扰源发现和寻找计算机干扰源的办法是寻找产生高频及电流电压发生瞬时变化(di／dt，du／dt值大)的部位提问：你认为计算机可能的干扰源有哪些？时钟发生器(产生几十兆赫左右的振荡)、高速逻辑电路、计算机开关电源、晶闸管、工频电源、电网线(感生雷电浪涌和高频电磁波)、带有电动机的部件(空调、打印机、磁盘驱动器)、开关元件(继电器、荧光灯、键盘等)、传输长线及电缆接头(终端不匹配产生波形失真、天线效应接收外界干扰)、监视器(CRT)、纸带、纸卡片、打印机(在高速处理时的静电感应)、印制电路板(PCB)、机房内的地板、人的衣物鞋(产生静电)、机壳(接地不当的感应)、存储器磁媒体及有负载通断(尤其是感性负载)的场合。干扰信号在计算机中的形态串模干扰是指串联于信号回路中的干扰，产生于传输线的互感，和频率有关，常用滤波和改善采样频率来减少。共模干扰是干扰电压同时加到两条信号线上出现的干扰。影响计算机电磁兼容性的因素由上式知提高抗干扰能力的原理是；(1)切断干扰源，即减小G(ω)；(2)减小耦合，即减小C(ω)；(3)提高受干扰设备的敏感度阈值．即加大I(ω)10.1.3计算机电磁兼容性问题的新动向由于计算机的高速化、高灵敏化、高密度集成化、小型化、多功能以及其推广普及．使计算机的电磁兼容性问题更加突出。预计，今后的电磁兼容性将涉及如下问题：1．数字逻辑电路与软件技术的微妙结合，正成为抑制噪声的有力武器。软件的应用将占越来越大的比重。2．在计算机抗静电干扰措施中，用“分布式的静电保护涂覆”弥补静电保护的不足3．采用光纤电路抗电磁脉冲干扰被认为是最理想的途径。（光技术所具有高密度传送信息和不受电磁感应噪声影响两大特征）10．2计算机元、部件抗干扰措施10.2.1一般数字集成电路的抗干扰措施数字集成电路主要指TTL高速数字逻辑元件与CMOS高功能化元件。它们在计算机中应用时常给内部带来一些干扰。例如，通过端口接收干扰信号；端口感应静电并积累电荷，电荷积累多了将放电形成干扰；。防止端口感应干扰可将多余端口接地或通过电阻接电源；防止端口静电感应可并接电容或涂静电防护层；对多端口延迟的不一致可采取同步逻辑电路来避免；对前沿、后沿产生的振荡可用施密特电路对波形整形来消除。计算机元、部件抗干扰措施数字逻辑电路不仅能产生干扰，还对干扰十分敏感．并能对干扰信号记忆存储。它对由电源线、地线引入的干扰的抵御能力很差。因此，必须着重用布线、加滤波电容、级间加缓冲存储器、引线间加屏蔽隔离、管脚涂防静电涂层等方法解决对于巳进入系统的干扰，在逻辑电路的输入端采用幅度鉴别(设门限阈值)、波形鉴别(用积分的方法将大幅度窄脉冲变成低于阈值的宽脉冲)，或进行逻辑延迟处理。如图4—3所示10.2.2动态RAM的抗干扰分析RAM是以电容器充放电为基础的部件，为提高存取速度，要求电容器快速充放电，此时峰值电流可达100mA，频率可达到100MHz，因此易产生窜扰并经公共阻抗去干扰其他电路。抗干扰措施10．2．3A／D转换器的抗干扰措施会遇到被测信号小而干扰噪声强的情况，干扰来自设备预热、温度变化、接触地电阻、引线电感、接地，也来自前级或电源。进入A／D仍转换器的干扰从形态上可分为串模干扰噪声和共模干扰噪声。1．对串模干扰的抑制措施：由于其变化比信号快，故常以此为特征去考虑抑制串模干扰。2．对共模干扰的抑制措施(１)浮地技术降低共模电流。采用差动平衡的办法能减少共模干扰，但是难以做到完全抵消，浮地技术的实质是用隔离器切断了地电流，此时设备对地的绝缘电阻可做到10³一10５MΩ(见图4—4)。(2)采用屏蔽法改善高频共模干扰。当干扰信号的频率较高时，往往因为两条传送线的分布电容不平衡，导致共模干扰抑制差。3.采用光耦合器解决A／D、D／A转换器配置引入的多种干扰（尤其适用于在工业现场计算机控制系统中，主机和被控系统相距较远的情况）由于其单向性、夹杂在数字信号中的其他非地电流干扰因其幅度和宽度的限制，不能有效地进行电—光转换而不能通过10．2．4计算机接口电路的抗干扰措施计算机控制实质上是接口控制。因此接口电路的抗干扰性能直接影响着整个计算机的抗干扰性能。接口是计算机印制电路板上传导干扰的主要来源，是滤波的重点，线上要串上磁珠以减少辐射，除此之外，人们还设计了专门抗干扰的接口电路。图a是远距离脉冲信号抗干扰接口电路对近距离的脉冲干扰的抑制办法是滤波，图b中的R1Cl起滤波作用，滤波的波形会有抖动，必须加一级施密特电路整形。10.2.5单片机系统的抗干扰措施单片机技术发展的—个重要特征是时钟速度不断地加快，内部功能电路种类不断地增加，电源电压不断地下降。艰难的环境：单片机技术应用领域的不断扩大，又对单片机的应用条件不断提出各种不同的抗干扰要求。因此，单片机应用系统中的电磁兼容问题变得越来越突出。特别是通信、工业控制和测量领域中应用的单片机系统，电磁兼容问题更为突出。单片机的电磁兼容特性１．单片机的电磁兼容特性（１）主要反映在管脚信号电特性上数字电路输入输出的是逻辑信号(逻辑电平)，所以管脚电容对信号的边沿会有明显的影响(延迟、过调和振荡)。另外，由于互感和对地分布电容以及印制电路板电导的存在，还会引起串扰问题。(2)多频率特性多频率特性主要表现在各管脚输入输出信号频率差异较大而相互影响这方面(3)数模混合特性2．单片机系统的电磁兼容特点(1)易于形成串扰通路而相互干扰。(2)易于形成辐射。(3)外部低频辐射不易侵入（单片机系统的管脚输入阻抗很高），但外部高频(单片机总线时钟频率范围)辐射比较容易干扰电路的正常工作。(4)对电源影响比较敏感系统作用影响是指因电源是系统所有信号的交叉点而引起的系统各信号之间的相互影响。3．单片机应用系统的电磁兼容设计技术(1)频率设计技术单片机系统要能使用同一频率源，保证频率特性要求。频率设计包括电平(幅度、边沿和频率)核实、最高工作频率设计以及降频和谐波分离(低频信号的频率不与高频信号成整倍数，特别是A/D转换的速率)技术。(2)接地技术接地技术包括两个方面，一方面是电源内阻分析技术，另一方面是接地点和地线设计技术。电源内阻的分析实际就是对电源最大瞬时功率的分析。接地点和地线分布设计的原则是做到频率隔离、功率隔离(3)电源技术电源技术一方面包括了电源特性的设计，例如电源要保证有适当的容性电流吸收能力和功率裕度，另一方面还包括系统电源性质的选择，如使用电池还是使用整流电源，所需电源种类，电源之间是否需要交换，集中供电还是分布式供电等。(4)布线技术要降低各管脚和连线之间的相互影响，必须对分布参数加以限制。布线技术包括环绕布线、线径选择、分层处理等。(5)降频控制技术对输出的高频信号，在保证系统正常工作的前提下尽量降低频率，对某些输出信号采取平滑措施(例如LED驱动电路中加入适当的电阻和电容等)。(6)多层板去耦技术多层板的一个重要功能就是可以大大地降低系统各连线之间的分布参数影响。(7)表面贴片技术表面贴片是一种使集成电路与印制电路板形成一体的电路制作技术。集成电路出厂时不加封装，而是直接出厂裸芯片。电路制作时利用焊接技术把裸芯片粘贴到印制电路板表而。这种电路不仅体积小，面且电磁兼容的性能大为提高。(8)软件技术方法逻辑电路技术与软件技术的巧妙结合，可以用来作为抑制噪声的有力工具。软件的优点是可靠性高，而且易于修改。无论噪声从哪个阶段或部位侵入系统，均可用纠错技术将错误检查出来并加以纠正。强调以硬件防干扰为主，软件技术方法防干扰为辅