電路設(shè)計(jì)考慮的因素及抗干擾問題
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摘要:數(shù)字電路系統(tǒng)是用來對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行采集、加工、傳送、運(yùn)算和處理的裝置。一個(gè)完整的數(shù)字電路系統(tǒng)往往包括輸入電路、輸出電路、控制電路、時(shí)基電路和若干子系統(tǒng)5個(gè)部分。首先介紹數(shù)字電路設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的若干因素，然后對(duì)數(shù)字電路設(shè)計(jì)中抗干擾設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討。
關(guān)鍵詞:數(shù)字電路;設(shè)計(jì);抗干擾
0引言
數(shù)字系統(tǒng)是指由一些數(shù)字電路(子系統(tǒng))組成的，完成某種信息處理任務(wù)的電路總稱。任何復(fù)雜的數(shù)字電路系統(tǒng)都可以逐步劃分成不同層次、相對(duì)獨(dú)立的子系統(tǒng)。通過對(duì)子系統(tǒng)的邏輯關(guān)系、時(shí)序等分析，最后可以選用合適的數(shù)字電路器件來實(shí)現(xiàn)，將各子系統(tǒng)組合起來，便完成了整個(gè)大系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
1數(shù)字電路設(shè)計(jì)中需考慮的因素
數(shù)字電路設(shè)計(jì)要考慮的因素非常多，如果不注意，會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)者所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)無法達(dá)到規(guī)格要求，一些需注意事項(xiàng)如下。
1．1傳輸延遲與輸出延遲時(shí)間
輸入信號(hào)通過組合邏輯電路而產(chǎn)生出來的輸出信號(hào)，不可能同步產(chǎn)生，因?yàn)樵谕ㄟ^組合邏輯電路一定會(huì)花費(fèi)時(shí)間，稱為傳輸延遲時(shí)間。在做時(shí)序模擬時(shí)，一定都會(huì)有傳輸延遲的現(xiàn)象發(fā)生。輸入信號(hào)通過時(shí)序電路中時(shí)需要注意的是，當(dāng)觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)時(shí)，輸出信號(hào)會(huì)經(jīng)過一段時(shí)間才會(huì)生效，這段時(shí)間稱為輸出延遲時(shí)間。
1．2脈沖寬度和建立時(shí)間及保持時(shí)間
脈沖寬度就是一個(gè)信號(hào)脈沖所能維持在一定水平上的寬度，這其中有一個(gè)毛刺現(xiàn)象，若你的脈沖寬度小于預(yù)設(shè)的值時(shí)，可以予以忽略。信號(hào)觸發(fā)時(shí)，輸入信號(hào)要在觸發(fā)前的一段時(shí)間建立數(shù)據(jù)，這段時(shí)間稱為建立時(shí)間，而輸入信號(hào)也要在觸發(fā)后保持一段時(shí)間，這段時(shí)間稱為保持時(shí)間。建立時(shí)間和保持時(shí)間在電路設(shè)計(jì)中相當(dāng)重要，如果不能滿足建立時(shí)間和保持時(shí)間，得出的數(shù)據(jù)可能會(huì)有誤，需注意。
1．3工作電壓與工作頻率
由于工藝技術(shù)日新月異，工作電壓也從原來的+5V到現(xiàn)在的+3．3V或+1．V等。由于工作電壓降低，所以功率也會(huì)隨之降低。不過要注意的是，通常集成電路的工作電壓可以容許到正負(fù)10%。在規(guī)格中，要將整個(gè)系統(tǒng)的工作頻率大約能到多少先做個(gè)預(yù)估，在布線布局過后，會(huì)產(chǎn)生出實(shí)際的物理模型，也就是會(huì)考慮時(shí)序的問題。在系統(tǒng)中會(huì)有很多延遲發(fā)生，有傳輸延遲、門延遲、線延遲等，這些遲都會(huì)直接影響到工作頻率。換句話說延遲越多，工作頻率越慢。如果要改善這個(gè)問題，需重新思考整個(gè)電路的結(jié)構(gòu)，該如何設(shè)計(jì)才會(huì)減少延遲的現(xiàn)象，要是看用流水處理的電路結(jié)構(gòu)還是先進(jìn)先出的電路結(jié)構(gòu)。反復(fù)進(jìn)行時(shí)序模擬和驗(yàn)證，以保證能夠達(dá)到規(guī)格的要求。
1．4功率損耗的問題
如何降低功率損耗是目前很熱門問題，為什么要降低功率損耗呢?目的就是為了要省電。由于在不同工作電壓功率消耗的情形不同，所以工作電壓為+1．8V時(shí)功率損耗比工作電壓+3．3V還低。但是這有個(gè)缺點(diǎn)，工作電壓越低，時(shí)間延遲越長(zhǎng)，所以這要做個(gè)權(quán)衡，是否要犧牲工作頻率來換取功率，全看規(guī)格所需。當(dāng)設(shè)計(jì)出省電的IC應(yīng)用在手機(jī)或是數(shù)字個(gè)人助理(PDA)時(shí)，消費(fèi)者使用時(shí)間就會(huì)相對(duì)增長(zhǎng)，設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品就會(huì)比較有競(jìng)爭(zhēng)力。
1．5扇入和扇出
每個(gè)組件都有一定的扇入和扇出能力，若一個(gè)緩沖器后面接了二個(gè)緩沖器，表示它的扇出能力為2。若電路設(shè)計(jì)超過電路所能承受的扇出和扇入能力，電路可能會(huì)正常工作，但是也有可能不會(huì)正常運(yùn)作，也就是說會(huì)有不穩(wěn)定的現(xiàn)象發(fā)生。所以在設(shè)計(jì)電路時(shí)需考慮扇入和扇出能力。
2數(shù)字電路設(shè)計(jì)中的抗干擾
應(yīng)用中，外界不可避免存在著各種各樣的干擾源，如宇宙射線、雷電、太陽磁爆等產(chǎn)生強(qiáng)烈電磁波，還有電網(wǎng)波動(dòng)等都會(huì)對(duì)電子設(shè)備產(chǎn)生干擾。除此之外，電路板上數(shù)字脈沖信號(hào)的變化和各種開關(guān)器件的狀態(tài)變化，也會(huì)對(duì)電路產(chǎn)生干擾。當(dāng)干擾嚴(yán)重時(shí)會(huì)使系統(tǒng)不能正常工作，因此電子系統(tǒng)必須采取措施預(yù)防電磁干擾。下面就一般的抗干擾措施作一些簡(jiǎn)單介紹。
2．1電源濾波
數(shù)字電路的直流供電一般都采用把交流電轉(zhuǎn)換成直流電的方式供電。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生線路負(fù)荷切換、大功率用電設(shè)備的接入與切除時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的高頻干擾信號(hào)，這些干擾信號(hào)會(huì)隨電源線經(jīng)直流變換電路進(jìn)入數(shù)字系統(tǒng)，帶來嚴(yán)重干擾。對(duì)此可采用電源線路濾波器加以抑制。電源線路濾波器接在電源變壓器的交流進(jìn)線側(cè)，常見的濾波器電路有雙LC形和雙LCπ形。
2．2數(shù)字電路的接地
數(shù)字信號(hào)為高速脈沖信號(hào)，其頻譜范圍很寬，高頻分量可達(dá)數(shù)十兆赫，因此數(shù)字信號(hào)接地應(yīng)采用高頻電路的多點(diǎn)接地方式，即用最短的導(dǎo)線把各電路的接地點(diǎn)連接到離它最近的地線上。如果系統(tǒng)中同時(shí)有模擬電路存在。則模擬信號(hào)地線要和數(shù)字信號(hào)地線分開，各自成獨(dú)立的接地線，然后再用短而粗的導(dǎo)線把它們連接到一起構(gòu)成系統(tǒng)地線。
2．3數(shù)字電路與現(xiàn)場(chǎng)控制的光電隔離
數(shù)字電路一般輸出開關(guān)信號(hào)到現(xiàn)場(chǎng)的受控操作元件，為避免現(xiàn)場(chǎng)的強(qiáng)電磁信號(hào)對(duì)數(shù)字電路的干擾，多采用光電耦合器進(jìn)行隔離。由于光電耦合器是用光作為耦合介質(zhì)的，不能傳導(dǎo)電磁信號(hào)，因而隔離了現(xiàn)場(chǎng)電磁干擾。此外，當(dāng)電子設(shè)備工作在惡劣的電磁場(chǎng)干擾環(huán)境時(shí)，要考慮采取屏蔽措施來消除干擾。屏蔽方式有電場(chǎng)屏蔽和磁場(chǎng)屏蔽。電場(chǎng)屏蔽的一般方法是用良好的導(dǎo)電材料做一個(gè)屏蔽罩，把需要屏蔽的電路或設(shè)備罩起來，消除電場(chǎng)干擾，屏蔽罩要有良好的接地。磁場(chǎng)屏蔽則是用良好的導(dǎo)磁材料做屏蔽罩，把需要磁場(chǎng)屏蔽的電路和設(shè)備罩起來，消除外界磁場(chǎng)干擾，磁場(chǎng)屏蔽外罩不用接地。
參考文獻(xiàn):
［1］茶國(guó)智．?dāng)?shù)字電路設(shè)計(jì)中部分常見問題解析［J］．電子設(shè)計(jì)工程．2012，20(13):114－116．
作者:王會(huì)云 單位:云南省會(huì)澤縣廣播電影電視管理服務(wù)站