Da digitale Schaltungen Impulssignale mit kurzen ansteigenden / abfallenden Flanken verwenden, senden sie unerwünschte elektromagnetische Wellen (Rauschen) einschließlich Hochfrequenzkomponenten nach außen aus und reagieren empfindlich auf elektromagnetische Wellen (Rauschen) von außen, was zu Fehlfunktionen führt. Darüber hinaus gibt es auch Probleme in der Schaltung, wie z. B. Intermodulationsverzerrungen zwischen Leitungen und Spannungsschwankungen der Stromversorgung, die durch plötzliche Stromänderungen beim Ein- und Ausschalten digitaler Geräte verursacht werden. Auf diese Weise ist es notwendig, die verteilte konstante Schaltung zu berücksichtigen, die aus der Verdrahtungsinduktivität und der parasitären Kapazität in der digitalen Schaltung besteht, um zu verhindern, dass Überschwingen und Unterschwingen Wellenformchaos und Signalreflexion, Verzögerung, Dämpfung und Intermodulationsverzerrung elektromagnetischer Interferenzen zwischen Leitungen verursachen. Die Filter und Abschirmungen, die dieses Problem lösen, sind alle analoge Technologien.
Aufgrund der Anwendung der digitalen Schaltungstechnologie bei der Steuerung von Automobilen, Zügen und Funkgeräten wurde eine hohe Zuverlässigkeit mit einer hohen Zuverlässigkeit erreicht, die mit der analogen Technologie zuvor nicht erreicht werden konnte. Geräusche können jedoch zu Fehlfunktionen des Systems und des Stromkreises führen und sind insbesondere für Maschinen ein schwerwiegendes Problem. Selbst wenn die analoge Schaltung Rauschen aufweist, verringert sie nur vorübergehend die Genauigkeit der Daten. Sobald das Rauschen verschwindet, hat es die Eigenschaften einer Selbstwiederherstellungsfunktion. Daher ist die Kombination von hochfunktionellen digitalen und analogen Schaltkreisen mit Selbstwiederherstellungs- / Selbstbestätigungsfunktionen eine sichere Lösung, um Fehlfunktionen zu vermeiden, die durch Rauschen in mobilen Steuerungssystemen und digitalen Schaltkreisen verursacht werden. Besonderes Augenmerk sollte auf das Schaltungsdesign gelegt werden. Nach dem Schaltungsentwurf ist es zur Überprüfung der Arbeit erforderlich, die Schaltung zum Experimentieren zusammenzubauen. Infolgedessen scheint es jedoch oft, dass es nicht wie geplant funktioniert. Zum Beispiel ist der entworfene Verstärker ein Oszillator geworden. In der analogen Schaltung wird das Rauschen der digitalen Schaltung gemischt, wodurch die Wellenform des analogen Signals verzerrt wird, der Betrieb instabil ist und die Daten nicht reibungslos erhalten werden können.
Bei Niederfrequenzschaltungen, unabhängig davon, wer sie zusammenbaut, gibt es fast keinen Unterschied zwischen verschiedenen Installations-, Verdrahtungs- und Schaltungseigenschaften, und es können dieselben Daten erhalten werden, solange die Verkabelung nicht falsch angeschlossen ist. Aber die Hochfrequenz ist anders. Aufgrund der unterschiedlichen Installationsmethoden werden in der Regel Daten mit unterschiedlichen Eigenschaften erhalten. Wenn in Hochfrequenzschaltungen und digitalen Hochgeschwindigkeitsschaltungen eine Leitung vorhanden ist, wird eine Induktivitätskomponente (parasitär) gebildet, und wenn zwei Leitungen vorhanden sind, werden eine parasitäre Kapazitätskomponente und eine Gegeninduktivitätskomponente (parasitär) gebildet zwischen den Zeilen die sogenannten drei Parasiten. Die gebildeten drei parasitären Werte sind sehr klein, so dass es bei niedrigen Frequenzen fast kein Problem ist, aber der Einfluss der C- und L-Komponenten kann im Hochfrequenzbereich nicht ignoriert werden.
Um die Leistung der Maschine zu verbessern, werden häufig verschiedene Schaltungen wie Niederfrequenz- bis Hochfrequenz-Analogschaltungen, Hochgeschwindigkeits-Digitalschaltungen, mikroanaloge Schaltungen und Hochstromschaltungen miteinander gemischt, was zu einer Instabilität der Schaltung führt und Verschlechterung der Frequenzeigenschaften. Der Hauptgrund ist, dass die oben genannten drei Parasiten bei der Konstruktion nicht vollständig berücksichtigt werden und Zuverlässigkeit und Sicherheit nicht aufrechterhalten werden können. Darüber hinaus verwendet der Schaltplan nur eine zweidimensionale Darstellung der Halbleitervorrichtung und der konzentrierten Parameter von R, C und L, dies repräsentiert jedoch nicht die Leistung und Funktion der tatsächlichen Schaltung. Die eigentliche Aktion ist der dreidimensionale Raum, einschließlich der Frequenz ist der vierdimensionale Raum. Daher beeinflusst die Mikrostromschaltung, die durch die Kombination von Intermodulationsverzerrung, Reflexion, statischer Elektrizität und elektromagnetischer Schaltung gebildet wird, die Eigenschaften und Funktionen der Hochfrequenzschaltung. Entsprechend den Anforderungen der Zeit sind viele der neueren ICs Hochgeschwindigkeitsgeräte, die gegenüber hochfrequentem Rauschen empfindlich sind. Wählen Sie daher bei Verwendung des Geräts die entsprechenden Komponenten entsprechend der Schaltungsfunktion aus und vermeiden Sie die Verwendung von ICs mit höherer Geschwindigkeit als erforderlich.
Im Schaltplan wird die Impedanz der Stromversorgung, des Erdungskabels und des Signalkabels normalerweise als Null Ohm betrachtet. Tatsächlich gibt es jedoch keine Null Ohm, und je höher die Frequenz, desto größer ist der Einfluss der Induktivität und der parasitären Kapazität. Infolgedessen sind die Kombination von Schaltkreisen und der Einfluss externer elektromagnetischer Felder zu groß, um ignoriert zu werden, was zu einer Instabilität des Schaltkreises und einer Verschlechterung der Frequenzeigenschaften führt. Das Problem von Fehler, Rauschen und Zeitverzögerung sollte in analogen Schaltungen gelöst werden. In digitalen Schaltkreisen wird die Rauschunterdrückung gelöst und nicht durch die Zeitverzögerung durch Synchronisation beeinflusst, was für die Verbesserung der Schaltungseigenschaften sehr wichtig ist. Wir müssen auf den Einfluss des dynamischen Rauschens "statische Elektrizität" achten. Es gibt viele Geräuschquellen, die zu Fehlfunktionen elektrischer Geräte führen können, z. B. Leuchtstofflampen, Staubsammler, Funk-Transceiver, Transformatoren und Konverter in unserer Umgebung. Dies sind alles Quellen für elektromagnetische Feldstörungen. Darüber hinaus ist die Geräuschquelle, die Fehlfunktionen verursacht, die elektrostatische Entladung.
Aufgrund des elektrostatischen Entladungsstroms und der momentanen Hochspannung wird der IC zerstört, was zu Fehlfunktionen und Fehlfunktionen des Systems oder der Ausrüstung führt. Um eine elektrostatische Entladung zu verhindern, müssen vom Kauf der Komponenten bis zur Konstruktion, Herstellung und Verpackung der Geräte die erforderlichen Maßnahmen getroffen werden. Folgende Maßnahmen können hinsichtlich des Designs getroffen werden:
(1) Vermeiden Sie die Verwendung von Hochgeschwindigkeits-ICs, die die Anforderungen überschreiten, und achten Sie insbesondere auf die Eingangsschaltung. Wenn möglich, nimmt die Eingangsschaltung einen Differenzialmodus an. Der Filterkreis sollte in der Nähe des IC angeschlossen werden.
(2) Eingangsschutz für Halbleiter. Im Eingangsteil des Verbinders wird eine Begrenzerschaltung hinzugefügt, um das Rauschen unterhalb des Halbleiterspannungswertes zu steuern. Da das CMOS-Gatter eine schwache antistatische Rauschleistung aufweist, ist es im Eingangsteil des Steckverbinders nicht einfach zu verwenden. (3) Vermeiden Sie die Verwendung von kantenverzögerten ICs und verwenden Sie Strobing-Methoden oder Schaltungen mit Latches.
(4) Um die Häufigkeit von Fehlbedienungen zu unterdrücken, sollte am Steuer- und Ausgangsende eine niedrigwirksame Logik erstellt werden.
(5) Filtern Sie den hochempfindlichen Signaleingang. Filtern Sie die Hochfrequenz außerhalb des Frequenzbandes heraus, was sehr wichtig ist, damit der Operationsverstärker keine zu großen Signale eingibt. Achten Sie auch auf die Leitungsinduktivität des verwendeten Kondensators.
(6) Einige Maßnahmen wurden auch in Bezug auf Software ergriffen. Da es sich bei der elektrostatischen Entladung um einen einmaligen Übergangsimpuls handelt, können durch mehrere Überprüfungen falsche Daten erkannt werden. Im Mikrocomputer ist eine Überwachungsschaltung (Überwachungsschaltung) installiert, um ein versehentliches Anhalten zu verhindern.
(7) Der elektronische Schaltkreis und die Verkabelung sollten von dem Metallgehäuse ferngehalten werden, das statische Elektrizität abgibt.
(8) Das Metall und die Metallverbindungsteile des Gehäuses sollten fest mit dem entfernten Lack verbunden und so weit wie möglich verschraubt werden.
Um den Einfluss des durch den Entladestrom erzeugten elektromagnetischen Feldes zu verringern, sollten auf der Leiterplatte folgende Maßnahmen getroffen werden:
(1) Reduzieren Sie die Ringfläche. Aufgrund der Vernetzung des Magnetflusses im gebildeten Ring wird im Ring Strom induziert. Je größer die Fläche des Rings ist, desto stärker ist die Vernetzung des Magnetflusses, desto größer ist der induzierte Strom. Um den durch die Strom- und Erdungskabel gebildeten Schleifenbereich zu minimieren, sollten die Strom- und Erdungskabel daher so nahe wie möglich an der Verkabelung liegen. Installieren Sie einen Hochfrequenz-Bypass-Kondensator zwischen dem Netzteil und dem Erdungskabel, um die Schleifenfläche zu verringern. Um die Fläche der zwischen der Signalleitung und der Erdungsleitung gebildeten Schleife zu verringern, leiten Sie das Signal nahe an die Erdungsleitung.
(2) Machen Sie die Verkabelung am kürzesten. Es ist notwendig, die Verteilung der Signalleitungslängen zu berücksichtigen. Verlängern Sie beim Entwerfen die niedrigwirksame Signalleitung und machen Sie die hochwirksame Signalleitung zur kürzesten. Die Verkabelung zwischen den Geräten ist am kürzesten und die an die Eingangs- und Ausgangsleitungen angeschlossenen Geräte werden in der Nähe der Klemmen installiert.
(3) Verwenden Sie mehrschichtige Leiterplatten, wie sie in analogen Schaltungen und digitalen Hochgeschwindigkeitsschaltungen zu sehen sind. In digitalen Hochgeschwindigkeitsschaltungen weist das Frequenzspektrum des Impulssignals einen sehr großen Bereich von harmonischen Komponenten hoher Ordnung auf. Je höher die verwendete Betriebsfrequenz ist, desto größer ist der Einfluss der parasitären Kapazität und Induktivität. Unter der Annahme, dass ein Hochfrequenzstrom I in einem Muster mit einer Induktivität L fließt, beträgt der durch die Induktivität L erzeugte Spannungsabfall: V = L · di / dt. Das Muster ist wie eine Antenne, die das abgestrahlte Rauschen aussendet. Wenn Sie das Erdungskabel zu einer Oberfläche machen, kann dies die Impedanz des Erdungskabels verringern und den Spannungsabfall verringern, der durch den Entladestrom verursacht wird.
(4) Für das Schnittstellenkabel sollten antistatische Maßnahmen getroffen werden: Die beiden Enden des abgeschirmten Kabels des Kabels sind mit dem Gehäuse verbunden. Fügen Sie Bypass-Kondensatoren für Hochfrequenzkurzschlüsse hinzu, bei denen Erdschleifen auftreten können. Es sollte nicht mit der logischen Masse verbunden werden, wenn keine Erdung der Schale vorhanden ist. Bei Flachkabeln kann ein Erdungskabel zwischen dem Signalkabel und dem Signalkabel hinzugefügt werden. Probleme, die bei der Verwendung eines Schaltnetzteils als analoges Signalnetzteil zu beachten sind: Das sogenannte Schaltnetzteil ist eine Form der Stromversorgungsschaltung, die die Ausgangsspannung durch Impulsmodulation stabilisiert. Da diese Methode nur im Schaltteil Strom verbraucht, ist der Wirkungsgrad der Stromversorgung umso höher, je schneller die Schaltgeschwindigkeit ist. Daher werden im Allgemeinen Hochgeschwindigkeitsschaltvorrichtungen verwendet. Aufgrund seines hohen Wirkungsgrades wird dieses Netzteil häufig von Hochleistungsmaschinen bis hin zu kleinen und leichten Maschinen eingesetzt. Beim Hochgeschwindigkeitsschalten besteht jedoch ein Nachteil des Schaltrauschverlusts. Diese Art der Stromversorgung für analoge Schaltungen verursacht viele Probleme.
Wenn das Schaltnetzteil als Stromversorgung der analogen Schaltung verwendet wird, tritt hochfrequentes Rauschen in das Frequenzband des analogen Signals ein und das Signal / Rausch-Verhältnis des analogen Signals verschlechtert sich. Obwohl das Schaltrauschen im Allgemeinen nur 50-100 mVpp beträgt, was aufgrund des großen Dynamikbereichs des analogen Signals ziemlich klein ist, verursacht ein solches Rauschen häufig Probleme. Insbesondere bei Verwendung in Geräten wie A / D-Wandlern treten Umwandlungsfehler auf, wenn dem Signal zum Zeitpunkt der Bestimmung des Wandlungspegels Rauschen überlagert wird, und die erwartete Genauigkeit wird nicht erhalten. Um die Probleme bei der Verwendung von Schaltnetzteilen in analogen Schaltkreisen zu lösen, können Sie bei der Auswahl von Schaltnetzteilen die folgenden zwei Aspekte berücksichtigen: (1) Der Geräuschpegel des Schaltnetzteils ist so gering wie möglich; (2) Schaltrauschkomponenten treten nicht in das Signalfrequenzband ein. Aufgrund des hohen Pegels des analogen Signals hat das Schaltrauschen keinen Einfluss auf das Signal-Rausch-Verhältnis. Um zu verhindern, dass Schaltrauschen in das Signalfrequenzband eintritt, besteht die einfachste Methode darin, eine Stromversorgung mit einer höheren Schaltfrequenz als dem höchsten Frequenzband des analogen Signals auszuwählen.
Wenn das obige Verfahren nicht ausgewählt werden kann, muss ein Weg gefunden werden, um das von der Stromversorgung erzeugte Schaltrauschen zu reduzieren. Diese Methoden umfassen: (1) Hinzufügen von Kondensatoren extern. (2) Schaltgeräusche, die durch eine externe Stromversorgung erzeugt werden. (3) Kombinierte Verwendung von Serienreglern. Der Transformator des Netzteils verwendet drei Wicklungen, und Rauschen kann zwischen den Wicklungen beseitigt werden. Diese Art der Stromversorgung ist eine hocheffiziente Stromversorgung, die in Kommunikationsgeräten verwendet werden kann, die Strom über eine Übertragungsleitung liefern. Der empfangende Teil der Kommunikationsmaschine ist eine analoge Schaltung, die Signale mit sehr niedriger Induktivität verwendet. Wenn dieses rauscharme Schaltnetzteil verwendet wird, kann es gleichzeitig sowohl Effizienz- als auch Rauschprobleme lösen.
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