杭州远方仪器有限公司
当前位置:首页 » 电磁兼容 » 电磁干扰 » 正文

实用EMI噪讯对策技术(2) 信号模式

2017-12-13 来源:安规与电磁兼容网 浏览次数:20
导读:a.电路 如图1所示信号通过二条信号线传递,亦即信号必需经过「往」与「返」才能形成电路,电路原文「CIRCUIT」是指「往」与「返」,因此中译时称它为「回路」,一般则以「电路」概括性称呼,信号若不是往与返一巡构成

a.电路

如图1所示信号通过二条信号线传递,亦即信号必需经过「往」与「返」才能形成电路,电路原文「CIRCUIT」是指「往」与「返」,因此中译时称它为「回路」,一般则以「电路」概括性称呼,信号若不是往与返一巡构成电路,理论上电流就无法流动。一般都误认信号线只有一条,主要原因如图2(a)所示,许多情况电路图都是以一条方式表示信号线所致。即使图面上只标示一条信号线,其实还有大地线(ground line)存在。有关ground的定义后面章节有详细说明,此处暂时以原文ground表示。如图2(c)所示该ground线属于共通折返线,因此一般电路图都未特别标示,顶多类似图2(b)简单标示ground符号而已。

图1 信号与噪讯的差异

图2 各种信号线形式  

理想上信号线本身具备往与返两条线,即使对噪讯要求条件非常严苛时也是如此,因为无折返线理论上无法传输信号,虽然基于经济性考虑,电路基板上的布线数量越少越好,许多情况采用共通线设计方式,共通线最大缺点是抗噪讯特性非常弱,要求高抗噪讯特性设计时,各信号线大多使用两条线。
上述共通折返线亦即ground线,事实上它同时也是赋予电路动作基准电位的场所,反过来说能够赋予电路动作基准电位的场所,就是所谓的「ground」。通常相同一组信号线同时兼具信号共通折返线,与赋予电路动作基准电位场所两种功能,不过也因为信号线同时兼具两种功能,反而变成噪讯发生原因之一。

信号线在电路图上呈理想性的零阻抗(zero impedance),此时电流若在阻抗内流动的话就会产生电压,该电压就是所谓的噪讯(noise)。大地(ground)又称为地面(earth),通常两者经常被混合使用,不过本讲座原则上不使用地面(earth)一词,此外还将大地(ground)与接地两者含义分开使用,它只局限本讲座并非一般性请读者注意。

b.标准模式与一般模式

有关信号的传输方法,如图3所示信号线要求两条导线,因此设计上必需从信号源ΔES拉出两条线,使信号可以传递到接收器(receiver)。此处假设从基准电位ER=0输出的两条导线的电压分别是EA,EB,两条导线之间的电压为EN可用下式表示: EN = EA - EB

以电压形式在两条导线之间传递信号称为「标准模式信号(normal mode signal)」,两条导线之间具有共通电压,两条导线的电压不相同时,共通电压定义如下:

式中的EC称为「一般模式信号(common mode signal)」,换言之一般模式信号就是指两条信号线内的共通电压。 

图3 信号的传输方法  

标准模式是指两条导线之间的电压,因此又称为差动模式(differential mode)或是正相模式,一般模式则称为同相模式。一般信号使用电压的情况非常多,因此接着以电压方式介绍各种信号模式。电流与电压同样有模式(mode)的区分,在两条导线内流动的电流,相互逆向流动时称为「标准模式电流」,相互以相同方向流动时称为「一般模式电流」。

c.一般模式的其它表示

利用两条导线传递信号时,可用上述方式表示信号模式,一般模式的定义如式(1)所示。信号线若是两条导线时,根据上述定义并无特别问题,然而信号的折返线是所谓的共通折返线,此时必需以图4的方式表示,一般模式信号则用下式表示: EC = EB 

图4 一般模式信号的表示方法  

信号与噪讯

a.信号与噪讯的模式

一般模式的信号同样从信号源传递到接收器,这意味着即使一条信号线,理论上也能够传递信号,不过实际上还是必需要有信号折返线,换言之信号线只有一条时,赋予基准电位的场所,亦即大地变成折返线。 

基于无误差传递信号等观点,类似一条线的一般模式信号,它的信号传递误差比两条线的标准模式大。作为信号折返线的大地,可以当作赋予基准电位的场所使用,然而大地的电位会随着场地不同,对信号而言反而使误差变得更大。基于以上理由通常信号传递大多使用两条线的标准模式,几乎不用一条线的一般模式,不过噪讯经常任意侵入,因此某些设计会同时采用标准模式与一般模式。

b.一般模式噪讯

由于标准模式噪讯的信号也是标准模式,性质相同而且无法与信号区隔,当然标准模式噪讯有害。至于一般模式噪讯,由于它的信号与模式相异,虽然利用模式的差异可以使一般模式噪讯的有害变成无害,不过实际上仍分成有害一般模式噪讯与无害一般模式噪讯两种。图4为了表示一般模式电压的定义,所以图中的信号线设定成零阻抗,不过实际信号线会有阻抗Δ其结果如图5所示,图5是一般模式增添噪讯的场合,图中的ZA ,ZB是信号线的阻抗。

图5 一般模式加噪讯时的表示方法  

噪讯极易任意侵入信号传递线路,例如一般电压会从图5的EC1,EC2两个地方渗透,此处假设无EC2只有EC1,当接收器的阻抗无限大时,阻抗ZA与ZB内部会变成无电流动状态,亦即零电流阻抗两端就不会产生电压,其结果变成: EF = EB = EC1, ED = EA = EN + EC1

即使施加一般电压,标准电压也不会施加在接收器,因此不会发生误差。

如果一般电压EC1,EC2同时施加至接收器,此时接收器的电压EF变成EC2,亦即:EF = EC2˙ED = EA = EC1 + EN 因此下列电压会施加至接收器内:ED - EF = EN + EC1 - EC2

如果EC1=EC2,只有标准电压 会施加至接收器,属于无害。

如果EC1≠EC2,一般模式噪讯(EC1-EC2)会施加至接收器,进而产生误差。 根据上述特性获得下列结论:

‧即使施加一般模式噪讯,一般模式的噪讯会使电路系统整体发生相同变化效应时,属于无害。

‧相形之下施加随着场所相异的一般模式电压时,经常会对电路系统整体形成伤害。  

基准电位与接地

a.基准电位

如图3所示一般模式电压是指基准电压提供的电压而言,若以建筑物作比喻地面就是该建筑物的基准,如果该场地不是平坦状态,通常会从其中取一点当作基准,基准电位同样从该系统范围中取出可以视为基准的地方当作基准,一般是取系统附近的大地电位当作基准,不过它与凹凸不平的地面一样,电位会随着场地改变(图6),此时只要该基准点非常稳定,而且是可以视为电位基准的地方即可,并不限定必需是大地。 

图6 大地的电位差异  

b.接地

电子电路通常都设有信号折返线的ground,它同时也是赋予电路动作基准电压的地方,由此可知电子电路除了需要电源之外,ground则变成电源电压的基准点。以两条导线传递信号时除了电源电压的基准点之外,同时也要有赋予电路动作电压的基准点亦即ground,由于该ground成为电路动作的基准,因此要求极高的稳定性。

一般而言电容器属于大尺寸电气导体,理论上它的电气稳定性非常高,因此成为电路动作的基准,亦即ground要求尽量使用大的电气导体,此时为提高ground的稳定性,将ground与周围大电气导体作电气性连接,成为常用而且非常有效的方法之一,主要原因是身体周围最大的电气导体就是大地。
成为电路动作的基准亦即ground若与大地作电气性连接,可以获得预期稳定效果,一般称此连接为「ground」或是「earth」。

由于相同用语出现两种意思极易招引混淆,因此在本讲座将「与大地连接的方式」称为「接地」;单纯成为电路动作基准电位的场所则称为「大地」(图7),此外符号也作区隔,此处请读者注意某些设计未将两者区隔称呼,某些设计却是两者兼具称呼,此时一律以「大地(ground)」称呼,需要更明确区隔时再另作补充说明。


图7 大地与接地的差异  

如上所述大地本身是最大的电气导体,它表示大地是电气接地理想对象,不过大地的导电率并不高,此处假设:

ε : 导电率 R : 阻抗率Δ

如此一来: s = 1/R

由于大地含有电解质会引发电池效应,因此电流在大地流动时会随着场地发生电位差异,即使相同场所电位得稳定性也非常脆弱,换言之大地成为电路动作基准电位的场所并不理想,大地只是生活周遭中最容易取得相对稳定源,因此与相对稳定电位的场所连接,可以使电路系统本身的电位稳定性相对提高,为达成此目的并不限定必需与大地连接,如果电子机器本身的大地就是很大的电气导体,反而可以达成稳定的效果。

电子机器与大地以外的连接方式则称为「接地」,不过电子机器的接地并非绝对必要,基本上它是使电子机器本身的大地(ground)更稳定为主要目的,因此大部份的可携式电子机器都没有接地。接地一词还有其它含义,例如防护为目的时称为「框体接地」。图8是彼此相隔机器的接地方法,上述图6彼此相隔场地的大地电位并不相同,假设: EA : 机器A的接地点电位 EB : 机器B的接地点电位 DA : 机器A的驱动器

机器B的接收器RA与机器A的驱动器DA之间,具有一般模式电压(EA-EB),如果该一般模式电压接收器RA的输入电压偏离接收器的动作范围,接收器就会误动作无法正确传递信号,由此可知接地电位的差可能会形成有害的一般模式噪讯,尤其是彼此相隔的电子机器,若在各自场地与大地连接,本身就是相当危险。彼此相隔等原因产生极大的一般模式噪讯时,采用正确的信号处理手段称为「绝缘」。

图8 彼此相隔机器的接地方法 

消除标准模式噪讯的方法

预期的信号属于标准模式(normal mode),标准模式噪讯与信号属于相同模式,因此本质上无法从信号消除渗入的噪讯,标准模式噪讯的根本对策就是防止噪讯渗透,如果噪讯与信号的频率相异时,可以利用两者的频率差从信号消除噪讯,此外一般噪讯的频率比信号的频率高,所以使用低通滤波器(low pass filter)Δ消除噪讯(图9)。

图9 利用低通滤波器消除噪讯的方法  

滤波器主要功能使特定频宽(频率范围)的信号通过,同时使其它频宽的信号衰减消除。所谓低通滤波器是指可以使低频宽的信号通过,消除高频宽信号的组件而言,相对的使高频宽的信号通过,消除低频宽信号的组件称为「高通滤波器」,使中间频宽的信号通过,消除高低频宽信号的组件则称为频通滤波器Δ(band pass filter)。 

通常噪讯的频率比信号高,所以消除噪讯大多使用低通滤波器,简易型低通滤波器是由电阻Δ与电容Δ等基本电子组件构成;高阶低通滤波器Δ则使用RC滤波器Δ、电感Δ与电容Δ等基本组件。

上述滤波器主要是利用电容器的高频与低阻抗特性,使高频噪讯旁通(bypass)至电容器,不会流入滤波器下游端等效应。

图10 滤波器的分类  

如上所述滤波器组合电感Δ与电容Δ等被动组件构成,因此称为被动型滤波器,增幅电路构成的滤波器则称为主动型滤波器,虽然后者可以产生更高的性能,不过增幅电路并不适合应用在噪讯滤波器,噪讯滤波器大多使用被动型,此外噪讯含有很高的频率,因此主动型滤波器的滤波动作有频率范围的限制。

在滤波器使信号通过的频率范围称为通过领域Δ,阻止信号通过的频率范围称为Δ阻止领域。理想上频率特性如图11所示,在通过领域呈扁平状(flat),通过领域与阻止领域的境界呈垂直状,然而实际上如图12所示虽然在低频通过领域呈扁平状,不过通过领域与阻止领域的境界附近却产生凹凸不平,呈有限倾斜无法变成垂直状。

图11 理想频率特性          

图12 实际频率特性  

如图12所示表示频率特性通常取横轴为频率(对数),纵轴以输出入振幅比dB表示,因此又称为「gain」。从通过领域到阻止领域为止的变化为连续性,为了将两者之间的境界定量化,所以将遮断(cutoff)频率定义成fc。

由图12可知遮断频率fc是从通过领域扁平状部位开始降低3dB左右的频率部位,图中的RC滤波器又称为1次滤波器,此处假设:

R : 电阻 C : 电容器 T : 时定数

如此一来: T = RC

fc = 1/2 x π  x T

相较于横轴频率f,这种情况大多使用角速度Δω表示,该角速度ω是用正弦关数表示正弦波形时的sin(ω x t + φ)。由于ω=2 x π x f,这意味着频率 与角速度ω为比例关系,虽然单位不同却表示相同事物,类似这样相同意思使用角速度称为角频率。横轴频率特性以频率的对数表示,纵轴以dB表示的坐标图称为波特(Baud)线图。

此外滤波器的特性并不是滤波器本身决定,它与滤波器前后的电子组件与电路结构特性有依存性(互动关系)。 

消除一般模式噪讯的方法

当信号与噪讯的频率范围相异时,一般模式Δ噪讯同样可以利用频率范围的差,再透过滤波器Δ消除噪讯。虽然图10的滤波器可以过滤标准模式,却无法消除一般模式,换言之图10的滤波器可以使高频信号通过电容器旁通,防止高频信号流入滤波器的下游。虽然图10中设有可以使标准模式旁通的信道,一般模式却未被旁通,如图13所示一般模式用滤波器设有可以使一般模式旁通的信道。此处请读者注意在图13一般模式信号的折返是「接地」,亦即一般模式信号的折返回到一般模式噪讯的发生源,该折返路径以接地方式居多,只有少数某些情况例外。 

图13 一般模式用滤波器

由于一般模式噪讯与信号的模式Δ相异,因此可以利用模式的不同消除噪讯,典型范例如图14所示利用差动式接收器,差动式接收器Δ可以检测两个输入信号的电压差,若依照图14连接理论上它只接收标准模式拒绝接收一般模式。接收器如果超越该接收器决定的输入电压范围就不会动作,因此无法支持大的一般模式噪讯。

图14 差动式接收器  

图15是single type的接收器,这种型式的接收器无法消除一般模式,single type接收器的输入只有一个,因此动作时会检测与大地(ground)的电压差,此时即使以两条线传递信号,它与接收器的连接变成图15的结构。

图15 single type接收器  

由于信号线具有阻抗Δ(图中的Z1、Z2、Z3),信号源ΔES的一般模式电压为EN,然而在接收器却变成E2=0。 

此时接收器的阻抗ZR非常大,因此接收器的输入变成E1=ES+EN,一般模式噪讯EN被加算至信号ES内。信号源的电压在接收器处,从信号源一直到接收器的阻抗Z1,与接收器的阻抗ZR被分压(图16)。,不过接收器的输入阻抗ΔZR比Z1大,因为通常都可以忽略。 

 

图16 接收器的输入电压

某些情况一般模式噪讯会变成非常大的值,此时即使采用差动式接收器,然而接收器的输入电压超过接收器动作范围,因此会产生误动作,针对这种大一般模式噪讯的情况,必需使用其它方法,例如绝缘等对策方式。

  [ 加入收藏 ]   [ 告诉好友]   [ 打印本文 ]   [ 关闭窗口 ]
 
苏州莱瑞测-您身边的认证服务专家
推荐产品
推荐文章
推荐图文
 
阅读排行
更多»
论坛新帖
 
关于我们
网站简介
本站动态
版权声明
联系我们
我们的服务
会员服务
广告服务
定制服务
积分商城
认证服务
帮助中心
积分规则
问题反馈
友情链接
网站地图
关注我们
新浪微博
官方QQ群
安规技术交流群11898606
EMC技术交流群478635996

RSS订阅
微信公众号
微信公众号
手机版
安规与电磁兼容网手机版