摘要：本文詳細(xì)分析了傳感器信號(hào)調(diào)理電路所存在的電磁兼容問(wèn)題，并且分析了在信號(hào)調(diào)理電路中存在的各種干擾，給出了抑制干擾的措施。而且還詳細(xì)計(jì)算了浮地技術(shù)對(duì)共模噪聲的抑制效果，從而證實(shí)了電磁兼容性設(shè)計(jì)在電路設(shè)計(jì)中的重要性。
關(guān)鍵詞：傳感器信號(hào)調(diào)理電路電磁兼容干擾
1己I吉
I J I口
傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，被譽(yù)為現(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，世界正面臨著一場(chǎng)規(guī)模宏大的新工業(yè)**(信息**)。特別是我國(guó)加入w1．{o之后，各行各業(yè)都正經(jīng)歷著深刻的變革，此種形勢(shì)下人們對(duì)信息資源的需求顯得尤其迫切。而在信息技術(shù)領(lǐng)域被譽(yù)為“電子技術(shù)的五官”的傳感器技術(shù)和被稱為“電子技術(shù)的腦”的計(jì)算機(jī)技術(shù)，又是信息采集和處理兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的基本技術(shù)。
通常，傳感技術(shù)中傳感器由敏感元件、傳感元件、和其它輔助件組成，有時(shí)也將信號(hào)調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換電路、輔助電源作為傳感器的組成部分。在傳感器測(cè)量電路中，經(jīng)常遇到不同類(lèi)型信號(hào)之間的相互轉(zhuǎn)換問(wèn)題，以使具有不同輸入、輸出的器件可以聯(lián)用。這就需要信號(hào)調(diào)理電路來(lái)實(shí)現(xiàn)這些功能，以抑制噪聲和實(shí)現(xiàn)信號(hào)的轉(zhuǎn)換。此電路設(shè)計(jì)的優(yōu)化程度如何直接關(guān)系到傳感器系統(tǒng)的測(cè)量精度和穩(wěn)定性等方面。由于傳感器的信號(hào)調(diào)理電路處理的是比較微弱的信號(hào)，電路相對(duì)比較復(fù)雜，而且還要實(shí)行信號(hào)的轉(zhuǎn)換，外界的干擾極易耦合到電路中影響到有用信號(hào)，外界極小的騷擾都有可能給輸出結(jié)果帶來(lái)很大誤差或者是完全錯(cuò)誤的結(jié)果。信號(hào)調(diào)理電路內(nèi)部各器件問(wèn)的干擾也相當(dāng)嚴(yán)重。因此，傳感器的信號(hào)調(diào)理電路的電磁兼容性問(wèn)題是傳感器信號(hào)調(diào)理電路電磁兼容干擾技術(shù)的重要組成部分。
2信號(hào)調(diào)理電路的組成
集成化傳感器信號(hào)調(diào)理電路的種類(lèi)繁多，大致可分為兩類(lèi)：一類(lèi)是傳感器信號(hào)調(diào)理器，另一類(lèi)為傳感器信號(hào)處理器(亦稱傳感器信號(hào)處理系統(tǒng))。傳感器信號(hào)調(diào)理器與傳感器信號(hào)處理器的主要區(qū)別表現(xiàn)在，前者是以模擬電路為主、數(shù)字電路為輔，后者則以數(shù)字電路為主。
傳感器信號(hào)調(diào)理器能完成傳感器信號(hào)的放大、溫度補(bǔ)償或非線性補(bǔ)償、模／數(shù)轉(zhuǎn)換等功能。傳感器信號(hào)調(diào)理器大部分有～D轉(zhuǎn)換器溫度補(bǔ)償及自動(dòng)校準(zhǔn)電路，輸出為模擬量或數(shù)字量。在傳感器信號(hào)調(diào)理器中可能用到的器件有：加轉(zhuǎn)換器、D／A轉(zhuǎn)換器、放大器、振蕩器、濾波器、運(yùn)算器、SPI接口、定時(shí)器、可編程電橋激勵(lì)源與基準(zhǔn)電壓源、可調(diào)電流源、加法器、緩存器、串行E2PROM接口、二極管、數(shù)字控制器、信號(hào)調(diào)制器、信號(hào)解調(diào)器、冰點(diǎn)補(bǔ)償器等。
傳感器信號(hào)處理器芯片內(nèi)部一般都帶高速CPU或微控制器、數(shù)字信號(hào)處理器，并且具有串行總線接口，因此其智能化程度更高，更適合配微機(jī)，其性能比傳感器信號(hào)調(diào)理器更先進(jìn)，使用也更靈活。在傳感器信號(hào)處理器中可能用到的器件有：A／D轉(zhuǎn)換器、D／A轉(zhuǎn)換器、可編程電流源、系統(tǒng)控制器、放大器、濾波器、振蕩器、定時(shí)器、系統(tǒng)總線、運(yùn)算器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、程序計(jì)數(shù)器、ROM編譯器、可編程邏輯陣列、“D驅(qū)動(dòng)器、R輸出口及鎖存器、K口鎖存緩沖器，外部E2PROM／夕卜部主處理器接口、多路選擇器、寄存器、控制邏輯、E2PROM、ROM、數(shù)字信號(hào)處理器、并行數(shù)據(jù)輸出接口、數(shù)字測(cè)試接口、加法器、CPu、SPI串行接口、閃速存儲(chǔ)器、開(kāi)關(guān)矩陣、雙向串行通信接口及寄存器組、時(shí)鐘發(fā)生器等。
如圖1所示為由MAXl450所構(gòu)成的壓力傳感器的信號(hào)調(diào)理電路。
可見(jiàn)，對(duì)于任何一個(gè)電磁干擾的形成過(guò)程來(lái)說(shuō)，形成電磁干擾的三要素是缺一不可的。這就是說(shuō)，即使有產(chǎn)生巨大電磁能量的源，未必一定形成電磁干擾效應(yīng)，只能說(shuō)它是潛在的干擾源。同樣，對(duì)電磁能量比較敏感的設(shè)備，也未必一定受干擾，也只能說(shuō)它是潛在的電磁敏感設(shè)備。從電磁兼容的基本原理來(lái)說(shuō)，要想抑制電磁干擾，就必須打破電磁干擾的形成條件。
傳感器信號(hào)調(diào)理電路電磁兼容干擾，包括電路內(nèi)部的電磁干擾和來(lái)自電路外部的電磁干擾。電磁干擾的抑制技術(shù)就是圍繞形成電磁干擾的三要素展開(kāi)的，根據(jù)具體情況有針對(duì)性的采取相應(yīng)措施，歸納起來(lái)就是三條：一是抑制電磁干擾源；二是切斷電磁干擾耦合途徑：三是降低電磁敏感裝置對(duì)電磁干擾的敏感性。
3．1抑制干擾源
先確定干擾源的位置，在越靠近干擾源的位置采取措施，抑制效果就越好。抑制干擾的關(guān)鍵在如何尋找干擾源。尋找干擾源的一個(gè)基本原則是：電流和電壓發(fā)生劇變的地方容易成為電子系統(tǒng)的干擾源。從電子系統(tǒng)中噪聲干擾傳播的幾種主要途徑看，電流變化率大的地方，往往就是電感性耦合噪聲干擾的主要根源；電壓變化率大的地方，往往是電容性耦合噪聲干擾的主要根源；公共阻抗耦合的噪聲干擾也是由劇烈變化的電流在公共阻抗特別是其電感分量上產(chǎn)生的壓降造成的；電磁輻射性噪聲干擾通常也與干擾信號(hào)的頻率有關(guān)，頻率越高，越有可能成為主要干擾源。如果電流、電壓不變化，即使它們的**值很大，也不會(huì)引發(fā)電感性或電容性耦合噪聲和電磁輻射性噪聲，對(duì)公共阻抗也只是增加了一個(gè)穩(wěn)定的壓降。抑制方法可采用低噪聲電路、瞬態(tài)抑制電路、旋轉(zhuǎn)裝置抑制電路、穩(wěn)壓電路等。器件的選擇應(yīng)盡可能采用低噪聲、高頻特性好、穩(wěn)定性高的電子元件。抑制電路中不適當(dāng)?shù)钠骷x擇可能產(chǎn)生新的干擾源。
3．2切斷電磁干擾耦合途徑
3．2．1濾波
濾波是一種抑制傳導(dǎo)干擾的有效技術(shù)。在一定的通頻帶內(nèi)，濾波器的衰減很小，電流很容易通過(guò)；而在通頻帶外，則衰減很大，能有效的抑制傳輸。因此對(duì)于不需要的干擾信號(hào)，可采用不同形式的濾波器進(jìn)行抑制。對(duì)于供電系統(tǒng)的噪聲耦合，可采用感容或阻容濾波器把信號(hào)調(diào)理電路與電源阻隔，以消除干擾源與信號(hào)調(diào)理電路之間的耦合，或抑制噪聲進(jìn)入信號(hào)調(diào)理電路。對(duì)于脈沖干擾，可采用組合抑制方法。對(duì)于放電干擾，可在開(kāi)關(guān)電路端線與信號(hào)調(diào)理電路之間加電容濾波器來(lái)抑制。
3．2．2屏蔽
屏蔽是一種抑制輻射干擾的有效技術(shù)。屏蔽抑制的是以場(chǎng)的形式沿空間傳播的干擾，它既可以限制內(nèi)部輻射的電磁能量泄漏出該內(nèi)部區(qū)域，又可以防止外來(lái)的輻射干擾進(jìn)入某一區(qū)域。對(duì)于靜電場(chǎng)的干擾可采用導(dǎo)電率比較高的良導(dǎo)體作為屏蔽材料且屏蔽體必須良好接地；對(duì)于低頻磁場(chǎng)的耦合可采用高導(dǎo)磁率、磁阻小的材料作為屏蔽材料，在垂直于磁力線方向上不應(yīng)該有開(kāi)口或留有縫隙，否則會(huì)切斷磁力線，使磁阻增大，磁屏蔽效果變差：對(duì)于高頻磁場(chǎng)的耦合，可采用電導(dǎo)率高的良導(dǎo)體作為屏蔽材料，屏蔽體是否接地對(duì)屏蔽的效果沒(méi)有什么影響，這與對(duì)電場(chǎng)的屏蔽時(shí)屏蔽體必須良好接地不同，但實(shí)際中往往也將磁屏蔽盒接地，這樣做的好處是可以同時(shí)起到高頻磁屏蔽和電場(chǎng)屏蔽的作用：對(duì)于電磁場(chǎng)的屏蔽視頻率的不同而采用不同的屏蔽措施：①頻率較低時(shí)，干擾一般發(fā)生在近場(chǎng)，而近場(chǎng)中隨著干擾源特性的不同，電場(chǎng)分量和磁場(chǎng)分量大不相同：低壓大電流干擾源以磁場(chǎng)為主，電場(chǎng)分量可以忽略，這時(shí)只考慮磁屏蔽：高壓小電流干擾源則以電場(chǎng)為主，磁場(chǎng)分量可以忽略，這時(shí)只考慮電屏蔽。②在高頻時(shí)，采用導(dǎo)電率高的良導(dǎo)體作為屏蔽材料。
3．2．3接地與搭接
接地是將一個(gè)電路、一個(gè)設(shè)備或一個(gè)系統(tǒng)與大地或可作為電位公共基準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)物實(shí)現(xiàn)接近零電阻連接的一門(mén)技術(shù)。搭接是將兩個(gè)構(gòu)件低阻抗連接。接地和搭接有兩個(gè)主要目的，一個(gè)目的是控制EMI，為電噪聲提供流向大地的低阻抗通路，為有用信號(hào)提供一個(gè)零電位基準(zhǔn)。
另一個(gè)目的是保護(hù)人員和設(shè)備的**，防止電源電壓、雷電、靜電對(duì)人員、設(shè)備的電擊危害。
3．2．4浮地
浮地是阻斷干擾電流的通路。測(cè)量系統(tǒng)被浮地以后，明顯地加大了系統(tǒng)的信號(hào)放大器公共地線與大地(或外殼)之間的阻抗。因此，浮地能大大減小共模干擾電流。
如圖1所示的傳感器與可編程增益放大器的連接一般有一段距離，外界的電磁場(chǎng)極容易耦合到電纜中形成干擾。由于壓力傳感器傳送過(guò)來(lái)的信號(hào)為低頻信號(hào)，為了避免外界電磁場(chǎng)的干擾，須將線纜屏蔽，如果傳感器與放大器分別與機(jī)殼相連(見(jiàn)圖2)，則共模干擾源形成的干擾分兩路，一路經(jīng)R5到地，另一路經(jīng)R1進(jìn)入放大器的輸入端*后也入地，形成地環(huán)流。
盡管黜要比R1小的多，但是共模干擾源的電壓是全部加到R1上面的。由于傳感器檢測(cè)的是弱信號(hào)這種干擾電壓將會(huì)給測(cè)量帶來(lái)非常不利的影響，為了減弱這種干擾，可以采用的接法如圖3所示：
3．2．5電路技術(shù)
平衡電路是指雙線電路中兩根導(dǎo)線與連接到這兩根導(dǎo)線的所有電路對(duì)地及其它導(dǎo)線都具有相同的阻抗。其目的在于使這兩根導(dǎo)線所檢拾到的干擾信號(hào)相等，這使得干擾信號(hào)是一個(gè)共態(tài)信號(hào)，可在負(fù)載上自行消失。另外還可采用其它一些電路技術(shù)，例如接點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)、整形網(wǎng)絡(luò)、積分電路和選通電路等。
3．3降低電磁敏感裝置對(duì)電磁干擾的敏感性
高輸入阻抗的電路比低輸入阻抗的電路受噪聲干擾的影響大：布局松散的電子裝置比結(jié)構(gòu)緊湊的更容易受外來(lái)噪聲干擾；模擬電路比數(shù)字電路的抗干擾能力差等。這些都說(shuō)明，對(duì)于**擾對(duì)象來(lái)說(shuō)，存在著對(duì)干擾的敏感性問(wèn)題。在電路中采用選頻措施就是削弱電路對(duì)全頻帶噪聲的敏感性：電路中采用負(fù)反饋就是削弱電子裝置內(nèi)部噪聲源的影響的有力措施；其它如對(duì)信號(hào)傳輸線采用雙絞線，對(duì)輸入電路采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)等措施，都可以削弱電子裝置對(duì)噪聲的敏感性。電磁敏感裝置的敏感度體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面人們希望接收裝置靈敏度高，以提高對(duì)信號(hào)的接收能力；另一方面，靈敏度高受噪聲影響的可能性也就大。因此，應(yīng)根據(jù)具體情況采用降額設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)鈍化和功能鈍化等也是解決干擾問(wèn)題的有效辦法。
4印制電路板的抗干擾技術(shù)
4．1 PCB板走線的設(shè)計(jì)
布線時(shí)必須對(duì)所有信號(hào)線進(jìn)行分類(lèi)，對(duì)控制、數(shù)據(jù)、地址等總線進(jìn)行區(qū)分，對(duì)I／O接口線進(jìn)行分類(lèi)。布線時(shí)應(yīng)先布時(shí)鐘、敏感信號(hào)線，再布高速信號(hào)線，在確保此類(lèi)信號(hào)的過(guò)孔足夠少，分布參數(shù)特性好以后，*后才能布一般的不重要的信號(hào)線。對(duì)于元器件的引腳出線，同樣也要仔細(xì)分析，確保走線*優(yōu)。布線原則為：輸入輸出端的導(dǎo)線應(yīng)盡量避免相鄰長(zhǎng)距離的平行線(差分線除外)，如果受密度要求的限制，則一定要按3W要求做；印制傳輸線拐彎處一般走圓弧形或135。角，而直角或小角度的夾角在高頻電路中會(huì)影響電氣性能；強(qiáng)、弱信號(hào)分開(kāi)；減小布線的回路面積；在信號(hào)線間嵌入屏蔽地線；電纜屏蔽層應(yīng)良好接地；線纜端接匹配。
4．2器件的合理布局
印制電路板是傳感器信號(hào)調(diào)理電路中器件、信號(hào)線、電源線、地線的高密度集合體。印制電路板是信號(hào)調(diào)理電路的核心部件，器件的配置、布局對(duì)信號(hào)調(diào)理電路的性能有很大的影響。在布局之前，必須確定盡量低的成本下滿足功能的PCB大小。如果PcB尺寸過(guò)大，布局時(shí)器件分布分散，則傳輸線可能會(huì)很長(zhǎng)，這樣造成阻抗增加，抗噪聲能力下降，成本也增加。如果器件集中放置，則散熱不好，鄰近走線容易產(chǎn)生耦合串?dāng)_。所以必須根據(jù)電路功能單元進(jìn)行布局，同時(shí)考慮到電磁兼容、散熱和接口等因素。通常按照功率的不同而將不同的元件分布在不同的區(qū)域。例如對(duì)電源電路甚至可以單獨(dú)用一塊板子獨(dú)立出來(lái)。而易受干擾的器件應(yīng)該集中布置并加以屏蔽。微處理器等邏輯部件集中布置；熱敏元件要遠(yuǎn)離發(fā)熱元件等。器件的布局要綜合考慮各種因素，對(duì)可能影響系統(tǒng)可靠性的元件分別予以相應(yīng)處理，使得印制電路板的器件布置盡量合理。進(jìn)行整體布局時(shí)應(yīng)遵循一些原則：按照電路信號(hào)的流程來(lái)安排各功能電路單元，使信號(hào)流通保持方向一致：以每個(gè)功能電路單元核心元件為中心，別的元件圍繞它進(jìn)行布局；盡可能縮短高頻元器件之間的連線，設(shè)法減小它們的分布參數(shù)；易受干擾的元器件相互間不能太近，輸入輸出元件要遠(yuǎn)離；對(duì)于電源線、高頻信號(hào)線和一般走線之間要防止相互耦合。
5結(jié)論
傳感器信號(hào)調(diào)理電路的組成部分是相當(dāng)豐富的，既有高速電路，又有低速電路，既有數(shù)字電路又有模擬電路，且各種器件分布在相當(dāng)小的空間內(nèi)工作，器件之間的相互干擾非常嚴(yán)重，而傳感器的信號(hào)調(diào)理電路處理的又是弱信號(hào)，極易受到外界的干擾，因此其電磁兼容問(wèn)題是相當(dāng)嚴(yán)重的。在設(shè)計(jì)電路時(shí)應(yīng)綜合考慮各種引起干擾的因素，采用適當(dāng)?shù)目垢蓴_技術(shù)，使其能穩(wěn)定可靠地工作。
