传感器信号调理电路电磁兼容干扰

摘要：本文详细分析了传感器信号调理电路所存在的电磁兼容问题，并且分析了在信号调理电路中存在的各种干扰，给出了抑制干扰的措施。而且还详细计算了浮地技术对共模噪声的抑制效果，从而证实了电磁兼容性设计在电路设计中的重要性。
关键词：传感器信号调理电路电磁兼容干扰

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传感器技术、通信技术和计算机技术，被誉为现代信息技术的三大基础。随着科学技术的发展，世界正面临着一场规模宏大的新工业**(信息**)。特别是我国加入w1．{o之后，各行各业都正经历着深刻的变革，此种形势下人们对信息资源的需求显得尤其迫切。而在信息技术领域被誉为“电子技术的五官”的传感器技术和被称为“电子技术的脑”的计算机技术，又是信息采集和处理两个关键环节的基本技术。
通常，传感技术中传感器由敏感元件、传感元件、和其它辅助件组成，有时也将信号调节与转换电路、辅助电源作为传感器的组成部分。在传感器测量电路中，经常遇到不同类型信号之间的相互转换问题，以使具有不同输入、输出的器件可以联用。这就需要信号调理电路来实现这些功能，以抑制噪声和实现信号的转换。此电路设计的优化程度如何直接关系到传感器系统的测量精度和稳定性等方面。由于传感器的信号调理电路处理的是比较微弱的信号，电路相对比较复杂，而且还要实行信号的转换，外界的干扰极易耦合到电路中影响到有用信号，外界极小的骚扰都有可能给输出结果带来很大误差或者是完全错误的结果。信号调理电路内部各器件问的干扰也相当严重。因此，传感器的信号调理电路的电磁兼容性问题是传感器信号调理电路电磁兼容干扰技术的重要组成部分。

2信号调理电路的组成
集成化传感器信号调理电路的种类繁多，大致可分为两类：一类是传感器信号调理器，另一类为传感器信号处理器(亦称传感器信号处理系统)。传感器信号调理器与传感器信号处理器的主要区别表现在，前者是以模拟电路为主、数字电路为辅，后者则以数字电路为主。
传感器信号调理器能完成传感器信号的放大、温度补偿或非线性补偿、模／数转换等功能。传感器信号调理器大部分有～D转换器温度补偿及自动校准电路，输出为模拟量或数字量。在传感器信号调理器中可能用到的器件有：加转换器、D／A转换器、放大器、振荡器、滤波器、运算器、SPI接口、定时器、可编程电桥激励源与基准电压源、可调电流源、加法器、缓存器、串行E2PROM接口、二极管、数字控制器、信号调制器、信号解调器、冰点补偿器等。
传感器信号处理器芯片内部一般都带高速CPU或微控制器、数字信号处理器，并且具有串行总线接口，因此其智能化程度更高，更适合配微机，其性能比传感器信号调理器更先进，使用也更灵活。在传感器信号处理器中可能用到的器件有：A／D转换器、D／A转换器、可编程电流源、系统控制器、放大器、滤波器、振荡器、定时器、系统总线、运算器、数据存储器、程序计数器、ROM编译器、可编程逻辑阵列、“D驱动器、R输出口及锁存器、K口锁存缓冲器，外部E2PROM／夕卜部主处理器接口、多路选择器、寄存器、控制逻辑、E2PROM、ROM、数字信号处理器、并行数据输出接口、数字测试接口、加法器、CPu、SPI串行接口、闪速存储器、开关矩阵、双向串行通信接口及寄存器组、时钟发生器等。
如图1所示为由MAXl450所构成的压力传感器的信号调理电路。

可见，对于任何一个电磁干扰的形成过程来说，形成电磁干扰的三要素是缺一不可的。这就是说，即使有产生巨大电磁能量的源，未必一定形成电磁干扰效应，只能说它是潜在的干扰源。同样，对电磁能量比较敏感的设备，也未必一定受干扰，也只能说它是潜在的电磁敏感设备。从电磁兼容的基本原理来说，要想抑制电磁干扰，就必须打破电磁干扰的形成条件。
传感器信号调理电路电磁兼容干扰，包括电路内部的电磁干扰和来自电路外部的电磁干扰。电磁干扰的抑制技术就是围绕形成电磁干扰的三要素展开的，根据具体情况有针对性的采取相应措施，归纳起来就是三条：一是抑制电磁干扰源；二是切断电磁干扰耦合途径：三是降低电磁敏感装置对电磁干扰的敏感性。

3．1抑制干扰源
先确定干扰源的位置，在越靠近干扰源的位置采取措施，抑制效果就越好。抑制干扰的关键在如何寻找干扰源。寻找干扰源的一个基本原则是：电流和电压发生剧变的地方容易成为电子系统的干扰源。从电子系统中噪声干扰传播的几种主要途径看，电流变化率大的地方，往往就是电感性耦合噪声干扰的主要根源；电压变化率大的地方，往往是电容性耦合噪声干扰的主要根源；公共阻抗耦合的噪声干扰也是由剧烈变化的电流在公共阻抗特别是其电感分量上产生的压降造成的；电磁辐射性噪声干扰通常也与干扰信号的频率有关，频率越高，越有可能成为主要干扰源。如果电流、电压不变化，即使它们的**值很大，也不会引发电感性或电容性耦合噪声和电磁辐射性噪声，对公共阻抗也只是增加了一个稳定的压降。抑制方法可采用低噪声电路、瞬态抑制电路、旋转装置抑制电路、稳压电路等。器件的选择应尽可能采用低噪声、高频特性好、稳定性高的电子元件。抑制电路中不适当的器件选择可能产生新的干扰源。

3．2切断电磁干扰耦合途径
3．2．1滤波
滤波是一种抑制传导干扰的有效技术。在一定的通频带内，滤波器的衰减很小，电流很容易通过；而在通频带外，则衰减很大，能有效的抑制传输。因此对于不需要的干扰信号，可采用不同形式的滤波器进行抑制。对于供电系统的噪声耦合，可采用感容或阻容滤波器把信号调理电路与电源阻隔，以消除干扰源与信号调理电路之间的耦合，或抑制噪声进入信号调理电路。对于脉冲干扰，可采用组合抑制方法。对于放电干扰，可在开关电路端线与信号调理电路之间加电容滤波器来抑制。

3．2．2屏蔽
屏蔽是一种抑制辐射干扰的有效技术。屏蔽抑制的是以场的形式沿空间传播的干扰，它既可以限制内部辐射的电磁能量泄漏出该内部区域，又可以防止外来的辐射干扰进入某一区域。对于静电场的干扰可采用导电率比较高的良导体作为屏蔽材料且屏蔽体必须良好接地；对于低频磁场的耦合可采用高导磁率、磁阻小的材料作为屏蔽材料，在垂直于磁力线方向上不应该有开口或留有缝隙，否则会切断磁力线，使磁阻增大，磁屏蔽效果变差：对于高频磁场的耦合，可采用电导率高的良导体作为屏蔽材料，屏蔽体是否接地对屏蔽的效果没有什么影响，这与对电场的屏蔽时屏蔽体必须良好接地不同，但实际中往往也将磁屏蔽盒接地，这样做的好处是可以同时起到高频磁屏蔽和电场屏蔽的作用：对于电磁场的屏蔽视频率的不同而采用不同的屏蔽措施：①频率较低时，干扰一般发生在近场，而近场中随着干扰源特性的不同，电场分量和磁场分量大不相同：低压大电流干扰源以磁场为主，电场分量可以忽略，这时只考虑磁屏蔽：高压小电流干扰源则以电场为主，磁场分量可以忽略，这时只考虑电屏蔽。②在高频时，采用导电率高的良导体作为屏蔽材料。

3．2．3接地与搭接
接地是将一个电路、一个设备或一个系统与大地或可作为电位公共基准的结构物实现接近零电阻连接的一门技术。搭接是将两个构件低阻抗连接。接地和搭接有两个主要目的，一个目的是控制EMI，为电噪声提供流向大地的低阻抗通路，为有用信号提供一个零电位基准。
另一个目的是保护人员和设备的**，防止电源电压、雷电、静电对人员、设备的电击危害。

3．2．4浮地
浮地是阻断干扰电流的通路。测量系统被浮地以后，明显地加大了系统的信号放大器公共地线与大地(或外壳)之间的阻抗。因此，浮地能大大减小共模干扰电流。
如图1所示的传感器与可编程增益放大器的连接一般有一段距离，外界的电磁场极容易耦合到电缆中形成干扰。由于压力传感器传送过来的信号为低频信号，为了避免外界电磁场的干扰，须将线缆屏蔽，如果传感器与放大器分别与机壳相连(见图2)，则共模干扰源形成的干扰分两路，一路经R5到地，另一路经R1进入放大器的输入端*后也入地，形成地环流。
尽管黜要比R1小的多，但是共模干扰源的电压是全部加到R1上面的。由于传感器检测的是弱信号这种干扰电压将会给测量带来非常不利的影响，为了减弱这种干扰，可以采用的接法如图3所示：

3．2．5电路技术
平衡电路是指双线电路中两根导线与连接到这两根导线的所有电路对地及其它导线都具有相同的阻抗。其目的在于使这两根导线所检拾到的干扰信号相等，这使得干扰信号是一个共态信号，可在负载上自行消失。另外还可采用其它一些电路技术，例如接点网络、整形网络、积分电路和选通电路等。
3．3降低电磁敏感装置对电磁干扰的敏感性
高输入阻抗的电路比低输入阻抗的电路受噪声干扰的影响大：布局松散的电子装置比结构紧凑的更容易受外来噪声干扰；模拟电路比数字电路的抗干扰能力差等。这些都说明，对于**扰对象来说，存在着对干扰的敏感性问题。在电路中采用选频措施就是削弱电路对全频带噪声的敏感性：电路中采用负反馈就是削弱电子装置内部噪声源的影响的有力措施；其它如对信号传输线采用双绞线，对输入电路采用对称结构等措施，都可以削弱电子装置对噪声的敏感性。电磁敏感装置的敏感度体现在两个方面：一方面人们希望接收装置灵敏度高，以提高对信号的接收能力；另一方面，灵敏度高受噪声影响的可能性也就大。因此，应根据具体情况采用降额设计、网络钝化和功能钝化等也是解决干扰问题的有效办法。

4印制电路板的抗干扰技术
4．1 PCB板走线的设计
布线时必须对所有信号线进行分类，对控制、数据、地址等总线进行区分，对I／O接口线进行分类。布线时应先布时钟、敏感信号线，再布高速信号线，在确保此类信号的过孔足够少，分布参数特性好以后，*后才能布一般的不重要的信号线。对于元器件的引脚出线，同样也要仔细分析，确保走线*优。布线原则为：输入输出端的导线应尽量避免相邻长距离的平行线(差分线除外)，如果受密度要求的限制，则一定要按3W要求做；印制传输线拐弯处一般走圆弧形或135。角，而直角或小角度的夹角在高频电路中会影响电气性能；强、弱信号分开；减小布线的回路面积；在信号线间嵌入屏蔽地线；电缆屏蔽层应良好接地；线缆端接匹配。

4．2器件的合理布局
印制电路板是传感器信号调理电路中器件、信号线、电源线、地线的高密度集合体。印制电路板是信号调理电路的核心部件，器件的配置、布局对信号调理电路的性能有很大的影响。在布局之前，必须确定尽量低的成本下满足功能的PCB大小。如果PcB尺寸过大，布局时器件分布分散，则传输线可能会很长，这样造成阻抗增加，抗噪声能力下降，成本也增加。如果器件集中放置，则散热不好，邻近走线容易产生耦合串扰。所以必须根据电路功能单元进行布局，同时考虑到电磁兼容、散热和接口等因素。通常按照功率的不同而将不同的元件分布在不同的区域。例如对电源电路甚至可以单独用一块板子独立出来。而易受干扰的器件应该集中布置并加以屏蔽。微处理器等逻辑部件集中布置；热敏元件要远离发热元件等。器件的布局要综合考虑各种因素，对可能影响系统可靠性的元件分别予以相应处理，使得印制电路板的器件布置尽量合理。进行整体布局时应遵循一些原则：按照电路信号的流程来安排各功能电路单元，使信号流通保持方向一致：以每个功能电路单元核心元件为中心，别的元件围绕它进行布局；尽可能缩短高频元器件之间的连线，设法减小它们的分布参数；易受干扰的元器件相互间不能太近，输入输出元件要远离；对于电源线、高频信号线和一般走线之间要防止相互耦合。

5结论
传感器信号调理电路的组成部分是相当丰富的，既有高速电路，又有低速电路，既有数字电路又有模拟电路，且各种器件分布在相当小的空间内工作，器件之间的相互干扰非常严重，而传感器的信号调理电路处理的又是弱信号，极易受到外界的干扰，因此其电磁兼容问题是相当严重的。在设计电路时应综合考虑各种引起干扰的因素，采用适当的抗干扰技术，使其能稳定可靠地工作。