數(shù)據(jù)線濾波或?qū)е码娮釉O(shè)備噪聲源的因素分析

本應(yīng)用筆記介紹了數(shù)據(jù)線濾波或?qū)е?a target="_blank">電子設(shè)備噪聲源的因素，特別是在低信號電平數(shù)據(jù)中。本文檔還簡要介紹了噪聲源、噪聲信號、磁過濾以及過濾技術(shù)和經(jīng)驗法則。

噪聲源

電源轉(zhuǎn)換器是臭名昭著的噪聲源。它們通常會產(chǎn)生共模（在所有信號線和參考大地的公共線上均等地出現(xiàn)）和差模噪聲（出現(xiàn)在信號和返回路徑之間）。來自電源轉(zhuǎn)換器的噪聲通常以開關(guān)頻率的諧波為主，但也會產(chǎn)生一些寬帶噪聲。由于電源轉(zhuǎn)換器通常需要在低信號電平電路的電氣附近，因此它們可能是確定所涉及數(shù)據(jù)線系統(tǒng)整體可靠性的主要因素。由于溫度（熱噪聲）和結(jié)器件的電子空穴運動（散粒噪聲），半導(dǎo)體器件可能充當(dāng)噪聲源。通常支持?jǐn)?shù)據(jù)線系統(tǒng)的模塊的磁性組件（例如，

噪聲信號

圖 1 顯示了在典型工廠情況下發(fā)生的 60 Hz 線電壓 (110 Vrms) 的實際正弦波。波形包含遠(yuǎn)高于線路頻率的隨機(jī)噪聲電壓。圖 2 顯示了 60 Hz 波的 2 mS 部分，噪聲尖峰短于 5 μS 并達(dá)到 50 V 峰值。超出波形圖分辨率的也可能存在更高頻率的噪聲。

受污染的線路電流直接傳導(dǎo)到與違規(guī)機(jī)器連接到同一條線路的機(jī)器和設(shè)備中；噪聲也可以通過這些機(jī)器附近的空氣輻射來測量。

一般過濾

解決噪聲問題的顯而易見的方法是消除噪聲源，但這通常是不可能的。設(shè)備中的噪聲消除幾乎總是設(shè)計的關(guān)鍵模塊的副作用。下一個明顯的解決方案是盡可能消除源頭處或附近的噪聲。噪聲源有時可能很明顯。例如，電源是預(yù)期出現(xiàn)充足噪聲的合乎邏輯的地方。有時，噪聲源根本無法預(yù)測；此外，噪聲源的精確影響往往是虛幻的，只是偶爾出現(xiàn)。噪聲問題的可實現(xiàn)解決方案是防止其影響易受其影響的系統(tǒng)和子系統(tǒng)。在定位和過濾明顯有罪的噪聲制造者（例如，電源的輸出）之后，下一步是保護(hù)敏感設(shè)備和組件的輸入。敏感設(shè)備中的噪聲不會超過設(shè)備可以持續(xù)承受的范圍 通過過濾敏感組件的輸入，難以捉摸和無法管理的噪聲源對設(shè)備的運行變得不那么重要。

濾波是解決噪聲問題的現(xiàn)成解決方案。數(shù)字設(shè)備和敏感元件可以承受來自設(shè)備子系統(tǒng)及其外部環(huán)境的細(xì)微噪聲。傳導(dǎo)噪聲通常會產(chǎn)生外部場，將噪聲輻射到設(shè)備和組件，進(jìn)而將傳導(dǎo)噪聲引入這些設(shè)備和組件。此外，頻率越高，破壞所需的能量就越少。用于中繼數(shù)據(jù)線信號的電纜對傳導(dǎo)和輻射的外部噪聲特別敏感。由于數(shù)據(jù)線信號本質(zhì)上是具有預(yù)定轉(zhuǎn)換電平的方波（例如，TTL 的 0.8 V 和 2.0 V，圖 6），電纜附近電氣附近的噪聲尖峰突然侵入或輻射電纜，

過濾技術(shù)

噪聲尖峰是由高頻內(nèi)容的瞬態(tài)能量引起的。由于噪聲尖峰由這種高頻能量組成，所有高頻噪聲在接收邏輯信號之前急劇衰減將保持原始信號的完整性。同樣，在傳輸電纜之前衰減信號的所有高頻分量將在任何傳輸之前清除受數(shù)據(jù)線系統(tǒng)本身內(nèi)噪聲影響的信號。此外，數(shù)字時鐘的邏輯電平必須精確且完整。時鐘信號可以受益于高頻噪聲衰減，保護(hù)數(shù)據(jù)線系統(tǒng)免受錯誤狀態(tài)邏輯轉(zhuǎn)換的影響。

磁性過濾

通常在布線中出現(xiàn)的 EMI 問題的解決方案本質(zhì)上是磁性的。電纜是由電纜信號和回路電流不匹配而產(chǎn)生的環(huán)形天線。如果布線方案的信號線和回線在空間中的位置相同，則信號線中傳導(dǎo)電流產(chǎn)生的場將正好抵消回線傳導(dǎo)電流所產(chǎn)生的場；當(dāng)然，這種 180? 完美的電流反轉(zhuǎn)是無法實現(xiàn)的，因此，由于任何電纜，我們必須有有限數(shù)量的輻射。

經(jīng)驗法則

一個成功的數(shù)據(jù)線系統(tǒng)過濾方案應(yīng)該具備以下特點：

• 過濾方法必須提供信號完整性的維護(hù)
• 濾波器方法應(yīng)該能夠顯著增加幾乎任何關(guān)鍵電氣位置的磁場
• 濾波器方法必須提供所有高頻噪聲以及寬帶共模噪聲的有效衰減。
• 過濾方法必須與標(biāo)準(zhǔn)布線方案兼容，包括帶狀電纜和單獨的單線
• 理想情況下，過濾方法應(yīng)該易于實施、易于獲得且可成功重復(fù)。