Стивен Барретт - Встраиваемые системы. Проектирование приложений на микроконтроллерах семейства 68HC12/HCS12 с применением языка С
В самом простом смысле, помехой является любой нежелательный сигнал, не принадлежащий системе. Источники этих нежелательных сигналов могут быть внешними или внутренними по отношению к системе. Например, таймер на базе кристалла, необходим для системы процессора. Однако, когда сигнал таймера обнаруживается в других частях системы, где его не должно быть, он рассматривается как помеха. В любой схеме необходимо знать источник помех , потому что это знание поможет вам определить наилучший способ избавиться от них. На рис. 6.4 приведен краткий обзор источников помех.
Рис. 6.4. Источники помех
• Разряд электростатического электричества (ESD): ESD может в основном быть определено как статическое электричество. Как уже упомянуто, в устройствах CMOS при воздействии статического электричества может быть поврежден затвор. Статическое электричество проявляется, когда два объекта с зарядами различных знаков входят в соприкосновение.
• Высокочастотные помехи (RFI): Эти помехи вызваны излучаемой энергией и могут быть созданы радио, сотовыми телефонами и т.д. Хотя они могли бы исходить от источника полезного сигнала, но если этот сигнал нежелателен для нашей системы, он все равно должен рассматриваться как помеха. Один из авторов описывает время, когда он жил в Омахе, штат Небраска, в течение ряда лет: «Мы использовали, чтобы получить некоторые довольно сильные «микрофоны грома» — ливни со значительным громом и молнией. Мы могли бы также сообщать, когда такой шторм приходил близко, потому что разряды молнии заставляли звонить наш дверной звонок. Первый раз, когда это случалось, мы были очень удивлены, «кто звонит в дверной звонок в 2 часа ночи в разгар такого большого ливня?». Однажды я выяснил, что это радиопомехи, созданные молнией, наводили напряжение в нашей схеме дверного звонка, и я использовал его как сигнал о приближении штормов. Кроме внешних помех, обратите внимание, что сам микроконтроллер может быть непосредственным источником помех. Частота таймера в процессоре 68HC12 составляет 8 МГц. Гармонический анализ тактовых импульсов показывает, что значительные гармоники существуют на десятой гармонике при частоте 80 МГц! Если печатная монтажная плата разработана неправильно, и не может минимизировать влияние радиопомех, эти частоты могут излучаться и восприниматься как помехи.
• Электромагнитные интерференционные (EMI); имеются две категории EMI: излучения и проводимости. Оба вида помех, вызываются электромеханическим оборудованием типа двигателей. В излучаемых EMI, источник помех — не обязательно в контакте с системой. Фактически, этот тип EMI часто классифицируется как радиопомехи. В EMI типа проводимости, помехи вызываются в проводнике, когда проводник проходит через электромагнитный поток, созданный источником помехи. Вспомним, что по закону Фарадея, напряжение вызывается в проводнике, когда он пересекает линии магнитного потока. Вы, вероятно, наблюдали эти явления при использовании электрической бритвы, мощной дрели или миксера. Если вы смотрите телевидение без кабеля связи, и один из этих приборов используется соседями, вы часто наблюдаете помехи на экране вашего телевизора.
• Просадки напряжения: просадки напряжения или «кратковременные провалы напряжения питания» вызваны уменьшением напряжения в сетях переменного тока. Они происходят, когда большая нагрузка подключается к сети переменного тока. Представьте себе жаркий, влажный день. Весь длинный день вы провели на работе, и ваша первая реакция, когда вы добираетесь до своего дома, включить воздушный кондиционер, чтобы охладить свое жилище. Если много людей делают это одновременно, это создает огромные перегрузки в сети, и может сопровождаться кратковременным провалом сетевого напряжения. Кратковременные провалы напряжения питания могут наносить ущерб незащищенным системам. Не забудьте, что устройства CMOS имеют очень специфические рабочие границы. Питающее напряжение определено в 5.0 В ± 10%. Кратковременный провал напряжения питания может заставить питающее напряжение выйти за границы этого допуска. Когда это происходит, уровни логического нуля и единицы не выдерживаются. Защита от посадок напряжения обеспечивается управляющими схемами, обсужденными в разделе 6.6.5 этой главы.
• Импульсные перенапряжения: Импульсные перенапряжения подобны просадкам напряжения; однако, они увеличивают питающее напряжение переменного тока. Волна импульсного перенапряжения может вызывать серьезное повреждение незащищенной системы. Защиту от перенапряжений можно обеспечить с помощью хорошего фильтра на удлинителе или на источнике питания.
6.3.2. Электромагнитная совместимость
Теперь, когда мы имеем хорошее определение того, что такое помеха, мы обнаруживаем, что обрели новую головную боль. Как проектировщики системы, мы должны защитить нашу встроенную микроконтроллерную систему от всех этих источников помех. Электромагнитная совместимость (ЭМС) — технический термин, относящийся к электромагнитному спектру. Если изделие испускает сигналы вне определенного спектрального диапазона, оно рассматривается как источник помех. Оно не должно генерировать сигналов, частота которых лежит вне допустимой области спектра. Кроме того, что касается излучения, мы также должны быть затронуть вопросы чувствительности готового изделия к описанным выше внешним источникам помех. Мы должны рассматривать ЭМС с точки зрения излучения или чувствительности. Можно увеличивать степень ЭМС, снижая уровень излучения источника помех или чувствительность приемника.
Основываясь на изложенном, нетрудно понять, что ЭМС — это серьезная проблема при разработке изделия. Поэтому имеется ряд национальных и международных агентств, которые обеспечивают руководства и правила, касающиеся ЭМС. Мы приведем краткий обзор этих агентств и разработанных ими правил далее в этой главе.
В следующем разделе, мы начинаем исследовать, как систематически обеспечивать защиту от помех, и внешних и внутренних относительно схемы. Эта информация была собрана из ряда публикаций о применениях, изготовителей и из уроков, полученных из инженерной практики. Полные ссылки на использованную литературу приводятся в разделе «Что еще прочитать» в конце главы.
6.3.3. Спецификации системы помех — не будем крепки задним умом!
Для начала, мы возможно должны пересмотреть наши представления о помехах. Как мы видели в примерах, обсужденных ранее в этой главе, очень трудно обеспечить общую защиту от помех на уже законченном изделии. Мы видели, что электромагнитную совместимость необходимо рассматривать на стадии разработки технических требований для каждой встроенной системы управления. При разработке спецификаций системы, должна быть выполнена полная опись ожидаемых эксплуатационных режимов. Затем должны быть разработаны спецификации, охватывающие эти ожидаемые эксплуатационные режимы.
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.
