汽車?yán)锍逃?jì)電路的抗干擾設(shè)計(jì)
本文以汽車里程計(jì)終端設(shè)計(jì)為背景,在已有實(shí)驗(yàn)條件下,討論了電磁兼容的抗干擾度設(shè)計(jì)方法,達(dá)到工程實(shí)際應(yīng)用的原則。提出了具有針對性綜合設(shè)計(jì)方案,經(jīng)過實(shí)踐,滿足設(shè)備電磁兼容性指標(biāo)和系統(tǒng)內(nèi)部的相互兼容。
隨著汽車微電子裝備的大量增加,半導(dǎo)體邏輯器件對電磁干擾敏感度相當(dāng)高,加之汽車線速與有關(guān)高場強(qiáng)頻段的波長可以比擬,這些頻段存在對車載電子系統(tǒng)造成強(qiáng)烈電磁干擾的隱患;車載電磁低電壓、大電流負(fù)載特性使其開關(guān)過程在供電線路上產(chǎn)生很多脈沖干擾,進(jìn)一步惡化了電磁環(huán)境。因而,在實(shí)際的汽車電器設(shè)計(jì)中,電磁兼容設(shè)計(jì)通常成為設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵。
里程計(jì)工作原理和受擾現(xiàn)象
里程計(jì)的工作原理是通過傳感器采集傳動部分的齒輪轉(zhuǎn)動來計(jì)脈沖數(shù),通過數(shù)據(jù)處理以后送顯示終端,這就是我們看到的里程數(shù)。如圖1
圖1 里程計(jì)工作框圖
然而,里程計(jì)在工作中與實(shí)際的里程數(shù)不符,顯示要多實(shí)際的公里數(shù)。也就是說里程計(jì)計(jì)數(shù)信號受到了外界的干擾,影響了里程的計(jì)量精度;為了查找受到干擾的部位,用示波器觀察傳感器采集的脈沖信號在高頻條件下均會感應(yīng)出不同的噪聲電壓,這影響了傳感器脈沖計(jì)數(shù)信號的正常工作。同時(shí),在不同的電磁環(huán)境中通過對比試驗(yàn),確定汽車內(nèi)部的自生騷擾對系統(tǒng)正常工作有很大的影響。通過示波器對傳感器脈沖計(jì)數(shù)信號觀察表明,在傳感器信號線有屏蔽措施的基礎(chǔ)上,其它車載電器的設(shè)備在傳感器信號線帶來0.1V~1.7V的毛刺,從而影響里程計(jì)的精度。如圖2。
圖2 里程計(jì)干擾與正常的波形
由于汽車內(nèi)部的自生騷擾發(fā)射干擾源有很多,如刮水器電動機(jī)、燃油泵、火花點(diǎn)火線圈、空調(diào)起動器、交流發(fā)電機(jī)線纜連接的間歇切斷,以及某些無線電子設(shè)備,如手機(jī)和車載電臺等。這些干擾源是產(chǎn)生種瞬變電脈沖即可能通過電磁騷擾發(fā)射對環(huán)境中的其它設(shè)備造成干擾。所以抑制干擾的源頭較為困難,為了實(shí)現(xiàn)里程計(jì)的計(jì)量精度,要加強(qiáng)里程計(jì)設(shè)備抗干擾能力設(shè)計(jì)較為現(xiàn)實(shí)可行。
為進(jìn)一步驗(yàn)證脈沖干擾的傳播途徑,將里程計(jì)在實(shí)驗(yàn)室里單獨(dú)供電,并通過耦合網(wǎng)絡(luò)分別對里程計(jì)的電源線、信號采集線耦合脈沖干擾信號,發(fā)現(xiàn)計(jì)數(shù)信號均受到干擾,尤其信號采集線上最為明顯,影響精度較大。如圖3
如圖3 實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證時(shí)的檢測
采取的措施
2.1電源的濾波穩(wěn)壓
汽車中的供電線路構(gòu)成了干擾源和敏感設(shè)備之間干擾傳導(dǎo)傳輸?shù)耐暾?strong>電路連接,干擾信號通過供電線路也可達(dá)每個(gè)用電設(shè)備。所以在里程計(jì)的供電中采取了濾波和穩(wěn)壓的措施來提高抗外界干擾的能力。首先,對于里程計(jì)供電部分采取濾波措施,防止眾多設(shè)備的共用電源相互串?dāng)_。采用上術(shù)濾波措施后,試驗(yàn)時(shí)用示波器觀察電源線上的強(qiáng)加耦合脈沖干擾,毛刺信號明顯變小。電路圖如圖4
圖4 電源濾波電路
二極管D16主要是防止電源的正負(fù)極被誤接反。電感L7、L8對電源進(jìn)行濾波,濾波器、電容C11配合,可以過濾掉電源中的尖峰脈沖。二極管D14是脈沖干擾抑制器,它可以快速吸收超過額定電壓的尖峰脈沖,瞬時(shí)通過電流很大。電容C12和C13進(jìn)一步對電源進(jìn)行濾波。
其次穩(wěn)壓技術(shù)
系統(tǒng)的供電模塊與汽車電源構(gòu)成直接通路,直接受外部電壓電流波動影響,為提供穩(wěn)定的電壓,電源應(yīng)該作為一個(gè)重要的敏感設(shè)備考慮,目前智能儀器開發(fā)中常用的穩(wěn) 壓電源有兩種:一種是由集成穩(wěn)壓芯片提供的串聯(lián)調(diào)整電源,另一種是DC-DC穩(wěn)壓電源,這對防止其他用電設(shè)備對電壓波動干擾里程計(jì)正常工作是非常有效的。 電路原理如圖5所示。這種DC/DC模塊的輸入和輸出完全隔離,輸入范圍很寬。標(biāo)稱輸入電壓為12V的DC/DC電源的允許輸入范圍是9~18V。
圖5 DC/DC模塊的輸入和輸出隔離
2.2 信號線的數(shù)字濾波
由于導(dǎo)線間存在電容性耦合、電感性耦合世電場磁場組合耦合,也是里程計(jì)通道出現(xiàn)干擾的主要原因之一,特別是信號線相互較近,增加了干擾的機(jī)會。如果里程計(jì)抗擾性能設(shè)計(jì)不好,極易引起里程計(jì)信號的干擾。根據(jù)上述原則,為了保證里程計(jì)的正常工作, 在實(shí)際現(xiàn)場運(yùn)行當(dāng)中由于脈沖干擾在有用的脈沖信號上出現(xiàn)了一串上升沿很陡、脈寬很窄的干擾脈沖信號,雖然在信號輸入端已采取了RC濾波,但仍未濾除這一串干擾脈沖,直到有用信號已經(jīng)由于上升沿過緩而無法使用了,干擾信號卻幾乎沒有衰減。
我們采取將信號在電路中單獨(dú)處理,用單穩(wěn)電路設(shè)計(jì)來提高里程計(jì)的抗干擾能力,具體電路如圖6。原理是利用普通單穩(wěn)器件和D型觸發(fā)器組成的抗脈沖干擾電路,輸入信號上帶有干擾脈沖,輸入波形如圖(7)中波形A所示。信號和脈沖噪聲的上升沿均能觸發(fā)單穩(wěn)電路,產(chǎn)生一個(gè)固定脈寬的輸出,在設(shè)計(jì)電路時(shí)使該脈沖寬度小于信號寬度但大于噪聲脈沖寬度,于是輸入信號經(jīng)由單穩(wěn)電路后產(chǎn)生如圖(7)中波形B的信號。D型觸發(fā)器的輸出有端子CL和端子D的波形決定,只有當(dāng)兩端子同時(shí)為高電平時(shí)輸出才是高電平,最后的輸出波形如圖(7)中波形C所示,輸出的波形沒有附加的脈沖噪聲,從而達(dá)到濾波的效果。
圖7
實(shí)踐證明,單穩(wěn)電路和D型觸發(fā)器的設(shè)計(jì),使電路的抗外界電磁干擾能力明顯加強(qiáng),大大提高了產(chǎn)品的可靠性能。
2.3 其他方面采取的措施
由于車內(nèi)電磁環(huán)境較為復(fù)雜,為避免電磁耦合產(chǎn)生相互干擾的隱患,在里程計(jì)布線方面,信號線與電源線盡量分開走線;里程計(jì)信號線雙絞,并將電纜的屏蔽層雙端接地;使之對鄰近導(dǎo)線或回路不產(chǎn)生干擾且可抑制磁場對弱信號回路可能造成的干擾。
總結(jié)
汽車電系上的負(fù)載多種多樣,既有小阻抗、大電流的阻性感性負(fù)載,也有小電流、高電壓的脈沖發(fā)生裝置,還有高頻振蕩信號源,它們不僅對外是潛在的干擾發(fā)射源,也是對車載電子產(chǎn)品的干擾源。另外,由于高機(jī)動性,汽車也可能會處于各種可以想像得到的從低頻到高頻的復(fù)雜電磁場中,由此產(chǎn)生的電磁干擾耦合也會影響汽車電子電氣系統(tǒng)的正常運(yùn)行。汽車電子設(shè)計(jì)不僅需要在這種噪聲環(huán)境中實(shí)現(xiàn)對敏感設(shè)備或器件的保護(hù),同時(shí)必須規(guī)范EMC設(shè)計(jì),提高產(chǎn)品的電磁兼容性,確保噪聲發(fā)射源的噪聲滿足指標(biāo)要求。