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:49    评论:0        
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。

 

 
0相关评论

更多>相关电磁兼容
推荐图文
推荐电磁兼容
阅读排行
评论排行
热门搜索
网站首页  |  关于我们  |  联系我们  |  版权声明  |  积分规则  |  定制服务  |  认证代理  |  会员服务  |  广告服务  |  排名推广  |  积分换礼  |  RSS订阅  |  网站地图  |  网站留言