Интернет-журнал 'Домашняя лаборатория', 2007 №8 - Журнал «Домашняя лаборатория»

как предотвратить проникновение помех из грязной земли в чистую? Например, в устройстве фиг.4 узел 2 подключен к чистой земле, но он обменивается сигналами с узлом 3, который подвержен влиянию помех. В приведенном выше примере 3 было упомянуто, что сигнальные цепи, соединяющие узлы на чистой и грязной землях должны содержать помеховые барьеры — резисторы или дроссели. Практика показывает, что повсеместное использование барьеров обычно повышает помехоустойчивость устройства в несколько раз.

Пример 4

Рассмотрим микроконтроллер, управляющий мощной нагрузкой при помощи реле. Для управления реле используется биполярный транзистор.

Контакты реле являются источником наносекундных помех. Кроме того, внешние помехи достаточно легко проходят "сквозь" реле за счет его паразитной проходной емкости и емкостей монтажа. Вместе с тем, ни реле, ни транзистор Q1, сами по себе влиянию НП не подвержены.

Земляной вывод микроконтроллера VSS подключен к чистой земле, эмиттер транзистора Q1 — к грязной. Резистор R1, помимо своей основной функции, выполняет роль барьера, препятствующего распространению помех из грязной части в чистую. Проходная емкость резистора как правило мала, порядка 0.2…0.3 пФ, поэтому резисторы создают эффективный барьер для НП. В особо тяжелых случаях для уменьшения проходной емкости можно включать по два-три резистора последовательно.

Если бы вместо биполярного использовался полевой транзистор, то R1 пришлось бы поставить именно в качестве барьера, хотя для функционирования схемы он был бы и не нужен.

Пример 5

Другой типичный пример — подключение оптронов к микроконтроллеру. На фиг.11 представлен фрагмент входной и выходной оптронной развязки.

Эмиттер входного оптрона U1 подключен к грязной земле, т. к. за счет проходной емкости в 0.5 пФ оптрон полупрозрачен для НП. Сам низкоскоростной оптрон достаточно безразличен к НП, но надо заметить, что оптроны с подключенным выводом базы фототранзистора иногда "ловят помеху", поэтому предпочтительней использовать оптроны без вывода базы.

Резистор R1 может быть подключен как к грязному, так и к чистому питанию, поскольку сам резистор является барьером, препятствующим прохождению НП на чистое питание.

Резистор R2 величиной 1к…100к служит помеховым барьером между оптроном и микроконтроллером. Конденсатор С1 не является обязательным элементом, однако наличие этого конденсатора дополнительно улучшает помехоустойчивость, так как уменьшает помеховый ток, протекающий по земляной ножке микроконтроллера. С1 и микроконтроллер подключены к чистой земле.

Анод светодиода выходного оптрона U2 подключен к грязному питанию +5В. Токозадающий резистор R3 одновременно служит помеховым барьером. В особо тяжелой помеховой обстановке полезно зашунтировать светодиод оптрона конденсатором 1…10 нФ, или хотя бы резистором.

В случае когда невозможно или неудобно подключать оптрон к грязному питанию, можно разделить токозадающий резистор на два, как это показано для оптрона U3. Резистор R5 служит помеховым барьером между оптроном и чистой шиной питания +5В.

Емкостные связи

Часть помехового тока на фиг.1 протекает через емкость связи Сх. Вспомним, что при испытании устройства на помехоустойчивость оно должно находиться на изолирующей подставке на высоте 100 мм над сплошной земляной поверхностью. Иногда одной только емкости связи с землей бывает достаточно для сбоя устройства.

Разделение земель на чистую и грязную само по себе не уменьшает суммарную величину емкостной связи. Соотношение емкостей связи для чистой и грязной земель соответствует отношению их площадей.

Вполне очевидными методами борьбы с емкостными связями является перераспределение земель, уменьшение площадей проводников и частичное экранирование.

Обратите внимание на положение микроконтроллера на фиг.9. Он расположен в углу платы, поэтому за счет емкостной связи сквозь него будет течь сравнительно небольшой ток. На фиг.8 микроконтроллер расположен иначе. Большой полигон чистой земли справа от него имеет значительную емкостную связь с истинной землей, поэтому вероятность сбоя будет намного больше.

Пример 6

На фиг.12 показаны два варианта разводки земляного полигона под микроконтроллером. Вместо кварца и конденсаторов используется трехвыводной керамический резонатор для монтажа на поверхность X1. Разводка выполнена для гипотетического "правильного" микроконтроллера, разработчики которого позаботились о помехоустойчивости и расположили земляной вывод между выводами генератора. Это не утопия, микроконтроллеры семейства М16С фирмы Ренесас, которые являются одними из самых помехоустойчивых 16-битных микроконтроллеров, действительно имеют подобное расположение выводов.

Неиспользованные выводы микроконтроллера подключены к внутреннему земляному полигону.

На фиг.12 слева земляной полигон соединен с чистой землей платы несколькими переходными отверстиями. За счет этого устройство оказывается не помехоустойчивым. Помеховый ток, протекающий чистой земле и уходящий в истинную землю через емкостную связь, создает градиент потенциала ("перекос"). Переходные отверстия передают перекос на земляной полигон микроконтроллера. Помеховый ток частично протекает через ножки микроконтроллера, подключенные к полигону, что может вызвать сбой.

На фиг.12 справа земляной полигон микроконтроллера соединен с чистой землей в одной точке, рядом с земляной ножкой микроконтроллера. Помехоустойчивость устройства максимальна, т. к. чистая земля на противоположной стороне платы при этом становится разновидностью экрана, защищающего "сверхчистую" землю полигона.

Перекрестные помехи

Помимо внешних источников наносекундных помех, различные узлы внутри устройства сами могут генерировать взаимные помехи.

Современные цифровые микросхемы, особенно БИС, тоже являются источниками НП. В момент переключения сотни и тысячи транзисторов внутри БИС меняют свои состояния, в результате сотни и тысячи паразитных емкостей перезаряжаются (например, емкости затворов в КМОП микросхемах). В результате через ножки земли и питания микросхем протекают импульсные токи наносекундной и суб-наносекундной длительности и большой амплитуды. Распространяясь по шинам земли и питания платы, эти токи несколько ухудшают суммарную помехоустойчивость устройства, но сами по себе, как правило, причиной сбоев не являются.

Для уменьшения вредного влияния этих токов, в цепи питания рядом с микросхемами ставят керамические развязывающие конденсаторы. Конденсаторы должны стоять как можно ближе к ножкам земли и питания, чтобы уменьшить размер контура, по которому циркулируют токи перезаряда.

Сказанное является прописной истиной. Тем не менее, достаточно часто приходится слышать такие высказывания: "мое устройство сбоит, я поставил больше конденсаторов в питание, а оно все равно сбоит". Складывается впечатление, что некоторые разработчики считают, будто развязывающие конденсаторы ставятся для защиты от внешних помех. Это, конечно, заблуждение. Как следствие такого заблуждения, иногда встречаются платы, где развязывающие конденсаторы стоят вдалеке от микросхем, хотя ничто не мешало поставить их гораздо ближе к выводам питания.

Особого рассмотрения заслуживает микросхема супервизора питания. Как известно, срабатывает она нечасто, так что НП помех практически не создает. Однако она сама подвержена влиянию наносекундных помех, поэтому вблизи супервизора питания необходимо ставить керамический развязывающий конденсатор. Это редкий случай, когда такой конденсатор и в самом деле является фильтром для внешних помех.

ПРОГРАММИРОВАНИЕ