6.3.4. Методы снижения помех

В этом разделе мы приводим перечень методов снижения помех. Этот перечень основан на работе, проведенной Гленевинкелем (М. Glenewinkel) [1995] и дополненный информацией из ряда применений, который заслуживает внимания практикующих инженеров. Некоторые из этих методов иллюстрируются на рис. 6.5.

a) Поверхностный монтаж компонентов

б) Подключение источника питания

в) Низкая частота тактирования, заземление корпуса кристалла

г) Подсоединение свободных выводов

д) Способы заземления

е) Защищенный от помех корпус с защитным заземлением и экранированный сигнальный кабель

ж) переключатель со схемой подавления дребезга контакта

з) Ввод сигнала

и) Разводка дорожек на плате

Рис. 6.5. Методы снижения помех

• Элементы для поверхностного монтажа: вообще менее восприимчивы к помехам, чем элементы с проводниками. Если вы недавно занимались созданием устройства на печатной плате, вы вероятно наблюдали, что компоненты для навесного монтажа стало труднее приобрести. Интегральные схемы, процессоры, резисторы, конденсаторы, и т.д. легче купить в корпусах, предназначенных для поверхностного монтажа.

• Снижение помех от источников питания: Источники питания могут быть и источниками помех. Встроенные процессоры могут генерировать выбросы мощности из-за проходящих в них переходных процессов. Такой выброс походит на импульс, а импульс имеет значительные высокочастотные составляющие в разложении Фурье. Если переходные процессы в источнике питания неправильно развязаны с встроенной системой, могут возникать проблемы ЭМС. Как нечто само собой разумеющееся, вы должны включить развязывающие конденсаторы, чтобы минимизировать эти переходные процессы. Обычно конденсатор емкостью 0,1 мкФ используется для частот до 15МГц. Эти конденсаторы должны быть аксиальными стеклянными, многослойными керамическими. Конденсаторы в 0.01 мкФ должны использоваться для действующих частот больших, чем 15МГц. Эти конденсаторы должны быть подключены между вводами источника питания и земли для каждого корпуса интегральной схемы (ИС). Конденсаторы должны быть помещены как можно ближе к каждой ИС. В дополнение к этим конденсаторам, конденсатор емкостью от 10 до 470 мкФ должен быть включен между шинами источника питания и земли в точке входа линии питания PCB.

Дополнительно, рекомендуется добавлять цепочку ферритовых ячеек между конденсатором и источником питания. Обратите внимание, что типичная микросхема микропроцессора может иметь несколько подводов источника питания. Например, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) требует опорных напряжений (V_RH и V_RL ). Оба эти напряжения также должны быть развязаны от переходных процессов.

• Синхронизация частоты: При проектировании встроенной системы управления должны использоваться наиболее низкочастотные таймеры, удовлетворяющие системным требованиям.

Таймеры являются известными источниками помех, если их неправильно экранировать; они генерируют значительные гармонические частоты, намного превышающие частоту тактирующего сигнала. В микроконтроллере 68HC12 используется кристалл на 16 МГц, чтобы генерировать базовую частоту в 8 МГц. Обратите внимание, что значительные гармоники могут существовать на частотах до 160 МГц. Обычно базовая частота синхронизации для процессора обеспечивается кристаллом. Кристалл должен быть помещен в центр печатной платы схемы и приклеен к ней. В дополнение, корпус кристалла должен быть заземлен.

• Выводы микросхем: известный источник помех получается при неправильном подключении цифровых и аналоговых выводов. В цифровой схеме, неподключенный ввод может приводить к автоматическому смещению транзистора в активную область. К тому же эти неподключенные вводы также действуют как миниатюрные приемные антенны для помех. Такие выводы должны быть или подключены к напряжению источника (V_DD ) через резистор в 4.7 кОм или к земле (V_SS ). Резисторы можно легко приобрести в корпусах с односторонними (SIP ) или двусторонними выводами (DIP ), чтобы легко подключить неиспользуемые выводы порта контроллера. Кроме вводов порта, выводы аппаратного прерывания должны также быть аналогично подключены, если они не используются. Иначе, могут быть инициализированы случайные прерывания. Кроме того, любые неиспользуемые затворы в интегральной цифровой схеме также должны быть подключены.

• Способы заземления: В любой встроенной системе управления, имеются множество точек схемы, требующих заземления. Считается, что «земля» — это эквипотенциальный проводник, напряжение на котором равно нулю.

Нетрудно представить себе проблемы, которые возникнут в схеме, если это не так. Следовательно, чрезвычайно важно гарантировать, что все эти различные точки схемы — действительно эквипотенциальны. Интуиция подсказывает нам, что проблему решает простое подключение всех заземляемых узлов на одну общую точку. Эта методика, которая названа заземлением в одной точке, хорошо работает при низких частотах. В качестве варианта можно предложить множество точек соединения к заземленной плоскости при высоких частотах. Реальным решением является совместное применение двух методов, называемых смешанным (гибридным) заземлением. Важно также отделить цифровые и аналоговые вводы, устройства ввода-вывода, и ключевые компоненты друг от друга на печатной плате. Комбинация методов заземления может затем использоваться для каждой подсистемы. Например, каждая подсистема может соединяться с заземлением источника питания в одной точке, а затем в подсистеме может использоваться комбинация многоточечных и смешанных заземлений.

• Защита от внешних помех: имеется ряд методов защиты встроенной системы управления от внешних помех. Как мы видели в примерах, рассмотренных ранее в настоящей главе, чтобы минимизировать чувствительность к внешним помехам может использоваться экранирование корпуса и кабелей с последующим заземлением этого экрана.

Для кабелей, проводящих низкочастотные сигналы, экран должен быть заземлен с одного конца. Для кабелей, проводящих высокочастотные сигналы, экран должен быть заземлен с обоих концов. Должен быть заземлен также корпус прибора. Тем самым контур, вызывающий помехи будет закорочен на землю.

• Бездребезговые ключи: В главе 5 мы обсуждали бездребезговые переключатели в качестве способа подключения. Их можно также рассматривать как метод снижения помех от переходных процессов. Мы говорили, что идеальный кнопочный переключатель обычно в нормальном состоянии имеет на своих контактах сигнал высокого логического уровня, который при нажатии превращается в сигнал низкого уровня. При переключении в реальных переключателях может возникать явление дребезга. То есть из-за неидеальных механических характеристик переключателя, переключатель производит несколько замыканий и размыканий контактов при переключении. Поскольку микросхема 68HC12 работает в мегагерцовом диапазоне, она обладает достаточным быстродействием, чтобы реагировать на дребезг переключателя как на ряд включений и выключений. Чтобы предотвратить эти явления, могут использоваться бездребезговые методы включения. Переключатели могут использовать противодребезговые аппаратные средства или программные методы. При программном обеспечении отсутствия дребезга, читается первый контакт переключателя, а затем вводится программное блокирование чтения сигнала на 100–200 мс.

В течение этой короткой задержки, дребезг не действует на микросхему. Эта методика подавления дребезга позволяет также уменьшить помехи от переходных процессов на вводах схемы. Аппаратные средства и программное обеспечение методов подавления дребезга были подробно обсуждены в разделе 5.5 главы 5.

• Создание условий на выводах: Входные и выходные сигналы платы должны быть защищены от помех. Чтобы предотвратить повреждение нагрузки статическим электричеством, необходимо включить дополнительный резистор последовательно с входным штырьком. Хорошим методом является также включение встроенного фильтра на входе. Это легко осуществить, пропустив входной провод через цепочку ферритовых ячеек, которая действует как фильтр для высокочастотных колебаний, возникающих при переключениях. Возможно вы считаете, что изготовить такие цепочки ячеек достаточно сложно. Однако на рынке имеются ферритовые «цепочки ячеек» в разнообразных конфигурациях, включая фильтры, которые могут быть закреплены на существующих ленточных кабелях или даже на одиночной линии. Имеются также ферритовые фильтры, которые могут быть установлены на печатной плате.

• Методы размещения монтажа на многослойной печатаной плате: Так как ваше изделие наиболее вероятно будет смонтировано на многослойной плате, важно понять, как расположить монтаж на плате, чтобы уменьшить помехи. Если используется многослойная плата, крайние слои, должны состоять из дорожек источника питания и земли. Дорожки, проводящие сигналы, должны быть проведены на промежуточных уровнях, расположенных между между уровнями источника питания и уровнем заземления. Линии сигнала на смежных уровнях должны быть направленный перпендикулярно друг к другу. Неиспользуемое пространство (промежутки) на печатной плате должно быть покрыты заземленной металлизацией. В дополнение к этим методам, дорожки, передающие сигналы таймеров должны быть сгруппированы вблизи друг от друга. Следует избегать резких поворотов дорожек (под углом в 90°). Вместо этого, необходимо использовать плавные изменения направления. Должны быть удалены короткие ответвления от основных дорожек платы.

Как мы упомянули ранее, все цепи цифровые, аналоговые, и т.д. должны быть отделены друг от друга. Кроме того, сигнальные дорожки должны быть расположены как можно дальше друг от друга, чтобы предотвратить возможную связь между параллельными дорожками.