基于IC動作狀態(tài)的噪聲接收特性的探討*

樊利軍,魏 昊

(北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系,北京 100042)

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基于IC動作狀態(tài)的噪聲接收特性的探討*

樊利軍*,魏 昊

(北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系,北京 100042)

為了探討數(shù)字設(shè)備基于IC動作狀態(tài)的噪聲接收特性,在IC回路外部提供噪聲疊加回路,測量此時IC回路中被感應(yīng)的電壓,以此作為噪聲接收特性。通過測量倒相IC在電源與接地線之間電磁干擾的接收特性,確認(rèn)了由倒相IC動作狀態(tài)所致的噪聲接收特性是不同的。結(jié)果表明,機器的噪聲接收特性有可能受IC動作狀態(tài)影響,并隨時間而發(fā)生變化。通過簡單的電路仿真也確認(rèn)了這一結(jié)論。

電子測量;噪聲;接收特性;倒相IC;門動作狀態(tài);電路仿真

最近有抗干擾性試驗證明:即使是對噪聲有足夠耐力的設(shè)備,在某種電磁環(huán)境下,也會引發(fā)誤動作,時常發(fā)生一些無法判斷動作是否合理的狀況。

機器產(chǎn)生這種誤動作的原因,是由于機器的噪聲接收特性發(fā)生了變化,也就是說,受電磁干擾,機器的噪聲接收特性隨時間的變化而復(fù)雜化了。通常,當(dāng)機器工作時,隨著時間變化,在機器內(nèi)部,會有各種各樣的動作狀態(tài)。如此一來,即使電磁干擾是固定的,而在機器內(nèi)部所接收的干擾電壓卻是隨時間變動的。也就是說,侵入進來的噪聲在機器內(nèi)部產(chǎn)生著或大或小的誘因作用,這也是機器在特定電磁環(huán)境下,常常無法判斷是否正常動作的原因之一。

以電纜為主的外部噪聲回路,針對感應(yīng)問題的研究居多,提出了諸如配線感應(yīng),感應(yīng)共態(tài)噪聲向正常方式的轉(zhuǎn)換,在屏蔽線連接處的感應(yīng)等各種各樣的問題。然而,在眾多的相關(guān)研究中,被感應(yīng)的回路由無源元件構(gòu)成,特性不隨時間而改變。即使在通常的抗噪性試驗中,也是把時間平均化來進行測量。到目前為止,作為抗噪性隨時間變動因素的探討,僅對AM收音機做過研究,而現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的數(shù)碼電器上尚未接觸。

1 實驗方法

1.1 實驗裝置

本研究探討數(shù)字設(shè)備抗噪聲干擾特性是怎樣隨時間而變化的。由于通常的設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜,不能分析測量結(jié)果,所以本次選用構(gòu)成數(shù)字設(shè)備要素的數(shù)字IC中動作簡單的倒相IC。

試驗所用的測量回路如圖1所示。作為接收噪聲的被試驗設(shè)備EUT(Equipment Under Test),是用前文所述的具有單純動作狀態(tài)的數(shù)字元素倒相IC。而且,為了探討代表數(shù)字設(shè)備抗噪性的電源上的誘因,從連接IC電源與地線的電源配線外部提供噪聲,測量在此被感應(yīng)的電壓,以此作為噪聲接收特性。

圖1 測量回路

從時間角度考慮倒相IC動作時,可以把輸入為一定高或一定低的瞬間(靜的狀態(tài)),從高到低或從低到高轉(zhuǎn)換的瞬間(動的狀態(tài))看成是連續(xù)的(關(guān)于各種狀態(tài)在2.2節(jié)敘述)。在此,探討各瞬間噪聲接收特性(頻率特性等)是怎樣變化的,如果變化了,則具有怎樣的性質(zhì)。以下,把這個以IC為負(fù)荷的從直流電源到接地構(gòu)成的回路稱為噪聲的接收回路。

通常所使用的而且作為特性各異的IC當(dāng)屬HD7404(TTL)和HD74HC04(CMOS),這在應(yīng)用上一般不會出問題。在IC的輸入方面,使IC處于靜的狀態(tài)則與直流穩(wěn)定電源連接,使IC處于動的狀態(tài)則與脈沖信號發(fā)生器連接。在IC的輸出方面,與把下一級IC輸入和配線的影響模式化了的RC并聯(lián)負(fù)荷相連接。

在疊加噪聲回路,用配線將正弦波發(fā)生器與終端50 Ω電阻的R1相連。在這里,相同長度的疊加噪聲回路配線與接收噪聲回路的電源配線并行排列,產(chǎn)生的噪聲是由交調(diào)失真的結(jié)合而誘發(fā)的。這時,疊加回路的信號線與接收回路的電源線處于相對狀態(tài),疊加回路側(cè)的接地線與接收回路的接地線處于各自途徑的狀態(tài)。而且,由交調(diào)失真的結(jié)合而引發(fā)的線長,因測量最大頻率為300 MHz,而僅為半波0.5 m以下的0.45 m。這是因為雖然線越長其結(jié)合越大,但為了避免接收回路中產(chǎn)生半波長的駐波而b點電壓變小的緣故。

在測量上,在圖中的a點(R1的兩端)測量疊加回路的電壓Vd,在圖中的b點(IC電源—接地端子間)測量接收回路的電壓Vv。并且變化IC的動作狀態(tài),把測量的電壓波形以及頻譜進行比較與分析。

1.2 倒相IC動作狀態(tài)的種類

IC的動作狀態(tài)被認(rèn)為有圖2所示的4種狀態(tài)。先可分為2種狀態(tài),即:固定的較大輸入電壓的靜的狀態(tài),輸入電壓從高到低或從低到高的動的狀態(tài)。

圖2 倒相IC的動作狀態(tài)種類

靜的狀態(tài)又可分為3種狀態(tài):輸入電壓固定在低的狀態(tài)或者高的狀態(tài),其輸出分別處于穩(wěn)定的狀態(tài)(以下分別為低輸入狀態(tài)和高輸入狀態(tài))。還有一種狀態(tài),輸入被固定在高低之間而不能判斷輸出是高還是低(以下稱輸入過渡狀態(tài))。

動的狀態(tài)是指在輸入上輸入了脈沖的開關(guān)狀態(tài)。動的狀態(tài)根據(jù)時間而變化,但不只是單一的高輸入狀態(tài)與低輸入狀態(tài)的交替,還必須注意交替過程中的狀態(tài)也存在。對這種狀態(tài)的推測來自對電源噪聲的分析,即在IC的開關(guān)過程中有貫通電流產(chǎn)生,對此影響較大。這里重點觀測了從高到低,從低到高變化途中的動作行為,并對這4種動作狀態(tài)的噪聲接收特性進行測定與比較。

2 靜的狀態(tài)噪聲接收特性

2.1 噪聲接收特性的測定

在本試驗中,作為EUT采用TTL倒相IC(HD7404),測定當(dāng)動作狀態(tài)處于靜的狀態(tài)時(低輸入狀態(tài)、輸入過渡狀態(tài)、高輸入狀態(tài))的噪聲接收特性,并進行比較。HD7404內(nèi)藏6個“非門”,但其中只有1個“門”處于3種靜的狀態(tài),而剩下的5個“門”都處于輸入開放狀態(tài),即沒有連接負(fù)荷的狀態(tài)。處于靜的狀態(tài)的“門”的負(fù)荷與前面提到的RC并聯(lián)回路相連接(R1=1.3 kΩ,C2=30 pF)?？紤]到RC的輸入容量(10 pF程度)和配線的容量(在數(shù)cm內(nèi)數(shù)10 pF)等因素,暫且定容量為30 pF;而考慮到輸出電流為數(shù)10 mA,故暫且定電阻值為1.3 kΩ(下節(jié)討論使這些數(shù)值改變的內(nèi)容)。在“門”的輸入上,連接可變電壓電源,實現(xiàn)了3種靜的狀態(tài)。其中,輸入過渡狀態(tài)邊觀察輸出電壓波形邊調(diào)整輸入電壓,如在圖2中所示的1.32 V～1.42 V成為過渡狀態(tài)。

圖3 IC電源電壓波形(橫軸4 ns/div,縱軸50 mV/div)

圖3所示的波形是當(dāng)提供給電源與接地之間的配線50 MHz的正弦波作為噪聲時,在圖1的b點(倒相IC電源—接地之間)所感應(yīng)的噪聲波形。a是在低輸入狀態(tài)的測量結(jié)果,b是在輸入過渡狀態(tài)測定的結(jié)果,c是在高輸入狀態(tài)測定的結(jié)果。當(dāng)比較這3種波形時,在低輸入狀態(tài)與高輸入狀態(tài)中,噪聲接收電壓約為220 mV,輸入過渡狀態(tài)相對來說要大些,約為360 mV。由此可知,相對50 MHz的噪聲來說,TTL倒相IC中的“門”在輸入過渡狀態(tài)的場合比其他動作狀態(tài)場合接收的噪聲要大。

為了研究噪聲接收電壓的頻率特性,把作為噪聲所提供的正弦波變化為10 kHz～300 MHz,測定其噪聲接收電壓。結(jié)果由圖4所示,縱軸的Vv/Vd電壓比分別指的是圖1觀測點a的電壓Vd與觀測點b的電壓Vv之比。由圖4可知,通過頻率顯示了不只是輸入過渡狀態(tài),還包括低輸入狀態(tài)和高輸入狀態(tài)各自不同的噪聲接收特性。

圖4 噪聲接收電壓的頻率特性

2.2 改變負(fù)荷狀態(tài)場合的接收特性

為了根據(jù)動作狀態(tài)研究噪聲接受異常的原因,使“門”的輸出負(fù)荷條件變化,從而測量噪聲接收特性。其中,本試驗不管輸入過渡狀態(tài),只測量在低輸入狀態(tài)與高輸入狀態(tài)的2種動作狀態(tài)下噪聲的接收特性。這是因為在實際電子回路中大都不把IC的輸入固定在輸入過渡狀態(tài),而且已從3.1節(jié)的結(jié)果確認(rèn),低輸入狀態(tài)或高輸入狀態(tài),其各自的噪聲接收電壓是不同的。

把負(fù)荷容量值固定在5 pF,在改變并聯(lián)電阻值100 Ω、1.3 kΩ和100 kΩ的情況下,其噪聲接收電壓比Vv/Vd的頻率特性如圖5所示。這時IC的輸入處于低輸入狀態(tài)。由圖5可以確認(rèn),在20 MHz附近,Vv/Vd隨負(fù)荷電阻值而增大。但是,這里沒有顯示的是,IC輸入處于高輸入狀態(tài)時,噪聲接收電壓的頻率特性不隨電阻值而改變。

圖5 不同負(fù)荷電阻對噪聲接收特性的影響(IC低輸入狀態(tài))

由此可知,IC的噪聲接收特性只有當(dāng)輸入電壓是在低輸入狀態(tài)時,在20 MHz附近受負(fù)荷的影響。

2.3 使IC“門”復(fù)數(shù)變化的場合

到此為止的試驗僅僅使倒相IC中的一個“門”的狀態(tài)發(fā)生變化,而在一般裝置中卻連接著復(fù)數(shù)的“門”。為了研究上述特性與“門”的數(shù)量之間的依賴關(guān)系,把使?fàn)顟B(tài)變化了的“門”數(shù)加以改變,來測量噪聲接收特性。作為EUT,仍用TTL倒相IC,測量時,1～5“門”處于相同的靜的狀態(tài)(連接負(fù)荷);1～6“門”串聯(lián),最初的“門”處于靜的狀態(tài),最后的“門”連接負(fù)荷,在這種狀態(tài)下進行噪聲接收特性的測量。剩余的“門”輸入處于開放狀態(tài),不連接負(fù)荷。

圖6示出了當(dāng)增加了低輸入狀態(tài)“門”數(shù)時的結(jié)果。由圖6可知,當(dāng)?shù)洼斎霠顟B(tài)“門”數(shù)增加時,電壓比在20 MHz附近對應(yīng)“門”數(shù)而減少,也進行了增加高輸入狀態(tài)“門”數(shù)的試驗,但幾乎沒有看到變化。然而,由于剩余的“門”處在輸入開放狀態(tài),又近在高輸入狀態(tài),所以還是看不到變化為好。

另外,圖7示出了當(dāng)把最初的“門”置于低輸入狀態(tài),增加隨后串聯(lián)的“門”時的結(jié)果。把最初的“門”置于高輸入狀態(tài)時也顯示了同樣的結(jié)果。即:

(1)奇數(shù)個“門”串聯(lián)的場合,在20 MHz附近,輸入電壓5 V比輸入電壓0 V的接收電壓大。

(2)偶數(shù)個“門”串聯(lián)的場合,在20 MHz附近,輸入電壓0 V比輸入電壓5 V的接收電壓大。

圖7 串聯(lián)多個IC時的噪聲接收特性(IC低輸入狀態(tài))

在與場合(1)同樣狀態(tài)下,作增加“門”數(shù)的試驗,結(jié)果發(fā)現(xiàn)對應(yīng)低輸入狀態(tài)的“門”數(shù)其變化增大。

在場合(2)的試驗中,由于串聯(lián)“門”的狀態(tài)是低、高交互變化,所以兩個串聯(lián)“門”就是1個低輸入狀態(tài)和1個高輸入狀態(tài)連接在一起。當(dāng)著眼于低輸入狀態(tài)的“門”數(shù)時,1～2個“門”連接則低輸入狀態(tài)1個,3個～4個“門”連接則低輸入狀態(tài)2個,5個～6個“門”連接則低輸入狀態(tài)3個。但是,從試驗結(jié)果可以看出,不是低輸入狀態(tài)的IC數(shù),其連接的“門”或奇數(shù)或偶數(shù)是不同的。

當(dāng)整理(1)和(2)試驗,并考慮其原因時,推測出的結(jié)論是連接RC負(fù)荷的低輸入IC數(shù)支配特性。也就是說,在試驗(1)中連接RC負(fù)荷的低輸入IC數(shù)是1個、2個、3個地增加下去,而試驗(2)中連接RC負(fù)荷的是最后一個IC,其IC的輸入狀態(tài)是:如果IC的數(shù)是偶數(shù)則成為高輸入;如果IC的數(shù)是奇數(shù)則成為低輸入。因此,只有在串聯(lián)的奇數(shù)連接的場合,連接RC負(fù)荷的低輸入IC成為1個,其他場合為0個。在連接RC負(fù)荷的低輸入IC中所依賴的特性是,由于RC負(fù)荷比實際IC輸入的阻抗影響要大,而且把RC負(fù)荷連接在輸入與接地之間,所以只有當(dāng)?shù)洼斎?或高輸入)時才發(fā)揮作用。作為大的RC負(fù)荷可以想象為印制配線,考慮的不只是單純的“門”的動作狀態(tài),還要考慮與支配變化特性的IC向外部輸出“門”的數(shù)是否對應(yīng)。因此,關(guān)于這些性質(zhì)有必要做進一步探討。

利用CMPS—IC試驗與上述結(jié)論一樣,也有依賴連接RC負(fù)荷的低輸入IC個數(shù)的傾向。

3 動的狀態(tài)噪聲接收特性

該試驗的EUT用的是TTL以及CMOS倒相IC,目的是研究處于動的狀態(tài)時噪聲的接收特性。兩者獲得了同樣的結(jié)果,但為了清楚地解釋其特性,所以敘述CMOS—IC的結(jié)果。

在CMOS—IC輸入上輸入100 kHz的脈沖,再從噪聲疊加回路對IC的電源線提供100 kHz的交調(diào)失真的噪聲,這種情況下其噪聲接收電壓波形由圖8所示。圖中,(A)波形是在圖1測定點b所測定的倒相IC的電源5 V對應(yīng)的噪聲感應(yīng)波形的交流成分;(B)波形是對IC輸入了脈沖的波形。而且該波形是把輸入從高到低交替時的變化擴大了的波形。

圖8 CMOS-IC電源電壓波形與輸入脈波波形(疊加信號100 MHz,IC輸入脈沖100 kHz)

(A)電源電壓波形:橫軸40 ns/div,縱軸1 V/div;(B)IC輸入脈沖波形:橫軸40 ns/div,縱軸5 V/div在輸入脈沖的動作狀態(tài)下,觀察在測定點b與脈沖同期的開關(guān)噪聲,在輸入電壓從高到低交替開關(guān)時,開關(guān)噪聲和交調(diào)失真所感應(yīng)的振幅,與約1Vp-p的正弦波相重疊,圖9是圖8(A)波形的頻率頻譜,可以確認(rèn)開關(guān)噪聲(20 kHz)與交調(diào)失真的噪聲(100 kHz)2個頻率的頻譜。

圖9 CMOS-IC電源電壓頻率與開關(guān)噪聲的去除(輸入脈沖100 MHz)

這里,為了看清交調(diào)失真的效果,圖9的低頻側(cè)開關(guān)噪聲(20 kHz)用過濾器去除。

使用兩次低頻剪切過濾器,除去20 kHz的開關(guān)噪聲,留下的交調(diào)失真噪聲電壓波形由圖10所示。該兩次低頻剪切過濾器的斷開頻率為50 kHz。圖中下部是脈沖波形。由圖10可以確認(rèn),開關(guān)時交調(diào)失真的接收電壓是變動的。由圖9可以認(rèn)為:由于開關(guān)噪聲的頻率成分大致在50 kHz以下,所以這個變動取決于開關(guān)時接收特性的變動。另外,關(guān)于TTL—IC也同樣確認(rèn)了開關(guān)時交調(diào)失真接收電壓的變動。這樣一來,TTL和CMOS倒相IC在動的狀態(tài)下,噪聲接收特性隨時間變化的結(jié)論成立。

圖10 過濾后的CMOS-IC電源電壓波形

4 IC的等價回路與仿真

由到目前為止的試驗確認(rèn),倒相IC的噪聲接收特性是根據(jù)IC動作狀態(tài)的不同而不同。在此,制作再現(xiàn)這些試驗結(jié)果的IC等價回路,以此來分析其原因。由于圖4～圖7在數(shù)10 MHz附近高低不同,所以關(guān)注這些不同來考慮等價回路。另外,由上節(jié)可知,本試驗中“門”的負(fù)荷有可能影響特性,所以負(fù)荷的影響如何反映在頻率特性上也得到確認(rèn)。

這次考慮的噪聲接收回路側(cè)的等價回路由圖11所示。所感應(yīng)的噪聲以電流I的形式提供的。由于L1和C1主要是表現(xiàn)以信號發(fā)生側(cè)的配線到連接IC的電源配線之間結(jié)合的影響的,所以為了表現(xiàn)圖4～圖7所示的在10 MHz以下的低頻以大約20 dB/dec上升的特性,以及在50 MHz以上的高頻變得平坦的特性,調(diào)整了L1和C1數(shù)值。關(guān)于這部分的特性,由于與“門”的狀態(tài)關(guān)系不大,所以這里不做研究對象。

圖11 IC的等價回路

“門”的部分當(dāng)主要關(guān)注輸出回路時,可以用兩個開關(guān)SW1和SW2表示串聯(lián)連接的回路。IC在高輸入狀態(tài),開關(guān)SW2變成ON。由于此時SW1是OFF,所以IC內(nèi)部的阻抗變得非常大,從電源到IC幾乎沒有電流流動。而且對輸出的負(fù)荷也沒有電流流動。這表明IC在高輸入狀態(tài)下的噪聲接收特性變得不易受到負(fù)荷的影響。另一方面,IC在低輸入狀態(tài),SW1變成ON,而SW2變成OFF,所以對輸出的負(fù)荷有電流流動。由于此時IC內(nèi)部的“門”電阻R1是較小的數(shù)百Ω,所以輸出負(fù)荷容易影響電流大小。根據(jù)這些分析,當(dāng)在這些模式中“門”處在低輸入狀態(tài)時,噪聲接收特性容易受負(fù)荷的影響,這一分析與試驗結(jié)果是相同的。

由交調(diào)失真疊加噪聲的部分用等價的IC回路來表示,其結(jié)果由圖12所示。由圖可知,在20 MHz～50 MHz時,IC的高輸入狀態(tài)的接收特性比在低輸入狀態(tài)要大。這種結(jié)果與圖4所示的結(jié)果及頻率范圍多少有些不同,但在定性上顯示同樣的傾向,通過上述的等價回路可以確認(rèn),IC的低輸入狀態(tài)與高輸入狀態(tài)其接收特性是不同的。其中,由于本次有關(guān)IC的輸入沒有考慮模式,所以當(dāng)連接多個IC時的仿真研究將是今后的課題。

圖12 等價回路噪聲接收電壓的頻率特性

5 結(jié)束語

通過試驗與仿真得知,改變倒相IC的靜的狀態(tài),分別置于低輸入狀態(tài)、輸入過渡狀態(tài)、高輸入狀態(tài)時,噪聲接收特性是不同的。原因是:IC的動作狀態(tài)導(dǎo)致IC的“門”輸出狀態(tài)不同,與“門”輸出相連的負(fù)荷影響使IC的電源與接地之間的阻抗變化。而且,IC在動的狀態(tài)下,即從高到低,從低到高改變狀態(tài)的開關(guān)時,噪聲接收特性是變化的。

由這些結(jié)果顯示,機器的噪聲接收特性有可能受IC動作狀態(tài)影響,并隨時間而發(fā)生變化。今后有必要把這些結(jié)果普及,從而提高抗噪性試驗的可靠性和完善抗噪聲的對策。

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樊利軍(1972-),男,漢族,陜西韓城人,碩士,副教授,北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,主要從事檢測技術(shù)與嵌入式技術(shù)方面的教學(xué)與研究,chejiang@126.com。

DiscussionontheReceivingCharacteristicsofNoiseBasedonICActionStatus*

FANLijun*,WEIHao

(Department of Information Engineering,Beijing Polytechnic College,Beijing 100042,China)

In order to investigate the noise receiving characteristics of digital equipment based on IC action status,the noise superimposed loops is provided outside the IC circuit. The induced voltage in IC circuit is measured at this time,and this voltage is as the noise reception characteristics. By measuring the receiving characteristics of electromagnetic interference in inverting IC between power and ground lines,the differences of noise reception characteristics caused by different inverting IC action status is confirmed. The results show that,the noise reception characteristics of machine may be affected by IC action status,and may be changed over time. The above conclusion is also confirmed by simple circuit simulation.

electronic measurement;noise;receiving characteristics;inverting IC;gate action status;circuit simulation

項目來源:北京市職業(yè)院校教師素質(zhì)提高工程(專業(yè)帶頭人)支持項目(PXM2014-014225-000044)

2013-11-06修改日期:2013-12-04

TN98

:A

:1005-9490(2014)06-1087-06

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.06.016