电子系统设计：干扰控制技术连载（3）
　

１１　搭接
　　搭接是导体间稳定的连接，就电流路径来说，其电阻可以忽略。好的搭接其电阻为0.5mΩ和电感为２５nＨ，而对射频电流来说，频率直至２０ＭＨｚ时，搭接电阻为８０mΩ。最好的搭接是直接的、永久的和相同金属－金属的接触，是通过钎焊、铜焊、银焊等焊接的办法使其搭接起来，焊缝的长度要大于导体的重叠部分。雷电保护接地系统至少采用１２号铜线或１０号铝线，且搭接截面积≥５mm２。（注：软焊搭接不允许用于雷电保护系统）
　　金属－金属间直接压制搭接是第二个最好方法。导体搭接面的制作是：
　　１、用铁刷子、钢丝棉或研磨料（７／１０金刚砂纸）打磨清洁搭接面，但要清洁比搭接面大５０％；
　　２、擦去碎屑；
　　３、用溶剂清洁表面；
　　４、用干净棉布擦干表面。
　　经处理后，搭接表面应是清洁和光亮的。清洁的表面应在１小时内，用螺栓、铆钉或机械螺丝，将导体搭接在一起，搭接压力达８３００至１０３００ＫＰa（对软金属要低压力，即每平方英寸１２００至１５００磅）。螺栓的花兰垫圈或弹簧垫圈要保持紧配合。截面积大于６５０mm２的搭接，其搭接电阻应0.1mΩ。表１１－１列出了最大额定电流和机械螺丝和螺栓使搭接夹紧力矩。

表１１－１　金属－金属直接搭接的最大电流容量和夹紧力矩



　　第三个最好方法是在金属表面上涂导电涂料加压形成。这种搭接的电阻典型值是几个毫欧，但是在１ＭＨｚ时，超过１Ω。可以用镉、锡或银镀在金属上，或用Alodine#1000,Dow#1,Dow#15,Iridite#14,Iridite#18P或Oakite#36涂在金属上。
　　导电胶可以用于屏蔽室缝隙密封和另外的地方，如可能有一点要移动的地方。掺有碳的环氧树脂，其电阻率为0.1Ω－m，掺有银和金的环氧树脂，其电阻率为１０至５７０００nΩ－m、掺入６０％～７０％（按重量计）时粘着力和电阻率最佳。这些搭接压力大约为６９ＫＰa。
　　为了使搭接可拆卸或用作减震的组件，用金属搭接条、编织条或导线。搭接条或跨接条既在方便检修，又要防止偶然损坏（同时还要满足空间要求）。搭接条应短而宽，长度比为５以下，优先为３，使接地阻抗最小。接地搭接条决不能串联连结。铜搭接条厚度应小于等于0.1mm，宽应大于等于0.2mm，而铝搭接条厚度应小于等于0.2mm。编织搭接条比实心搭接条柔软，但容易腐蚀和磨损（且高频时，断的编织丝象天线）。接地线至少得用ＡＷＧ１８，且带压扁的端头。“快装”端头对经常不连接的导线是合适的。花兰型衬垫能除去表面的碎屑，帮助形成接触。搭接条或跨接条的谐振频率应至少是最高频率的１６倍。
　　不要使用自攻螺丝、螺丝、螺母、轴承、铰链或滑动片。因为它们接触不可靠，地电流能引起严重的腐蚀。
　　粗糙或不平的表面，或接触面处对ＲＦ来说必须是密封的，可以加导电衬垫，必须将其压紧衬垫或粘到一面上，还必须避免损坏。通常，对粗糙表面用窄的法兰，对平滑表面用宽的法兰。
　　搭接加工后在一个星期内，施加保护层（漆、硅橡胶、油脂），以阻止水汽和气体，同时可防腐蚀。保护层加于搭接的两端，或者只加于阴极处。当两种不同金属接触时，保护层加在阳极处多于阴极处。如果两种金属不同或不是邻近组别的，在搭接处加跨接线、垫圈、螺栓或卡箍，以保护结构。
　　大多数的接地条、搭接片和导线由铝、镀锡铜或铜制造，这就要求特别注意，使腐蚀最小。
１２　印制电路板设计
　　在把系统划分成几个部件和设计接地系统之后，我们必须设计每个部件。要决定如何安装元件、如何耗散元件产生的热、如何与地、电源和其它元件相连。在许多情况下，把每件元件安装在电路板上，要在底板或散热器上安装重、大或大功率的元件。一个简单的部件装在一块印制电路板上，而一个复杂的部件安装于多块印制电路板上，与后面板或“母板”用插头连接。
　　三种最常用的电路板是绕焊电路板、印制电路板和多层印制电路板。绕焊电路板通常用于样机或有限产品项目，因为容易设计和修改，但难以用于大批量生产，且占的空间大。印制电路板用于批量生产项目、高速系统和空间小的系统。印制电路板是容易装配、紧凑和有好的高频特性。主要缺点是设计花时间，且不易更改设计。多层印制电路板用于小批量产品，占空间更小和好的高频特性，但不可避免的花时间和增加设计成本。
　　设计印制电路板通常有八个步骤。
　　１、决定电路板的大小、形状和连接器位置；
　　２、决定把电路放在何处；　　
　　３、决定电路板的电源／接地方案；
　　４、决定把元件放何处；
　　５、设计电源和接地的走线；
　　６、设计时钟线的走线；
　　７、设计信号线走向；
　　８、修改设计。
　　实际设计要求决定印制电路板的大小、形状和连接器的位置。如要你已经选择好了，要用方的印制电路板，不要长的或狭长的形状，因为方的容易设计和制作，印制线应尽可能短。画出印制电路板的草图，标出反面的印制电路板导向件、安装的硬件、连接器和其它占固定位置的元件。
　　第二步决定电路的布置位置。在草图中，输入／输出电路应邻近连接器，敏感电路应与噪声电路隔离，如图１２－１所示。高速逻辑电路（时间、总线接口逻辑电路）应邻近主连接器，接口电路应邻近接口连接器，模拟电路应与数字电路隔离。大的ＲＡＭ阵列分成两半，中间安装驱动器。还要决定集成电路和其它元件的排列取向。对于双面印制电路板，集成电路应与连接器平行（图１２－２（a）和（b））。对多层印制电路板，集成电路应平行于电路板的长轴方向。



图12-1 数字电路印制电路板：（a）处理器板，（b）接口板，（c）RAM板



图12-2 优选的集成电路走向：（a）双面板，（b）双面板，(c）多层板，（d）多层板

　　第三步是确定电源和接地的安排。有四点：（１）正确安排电源和地面；（２）使用共面线：（３）用扁平母线：（４）用地平面（图１２－３）。共面线用在绕焊电路板和双面电路板（图１４－４）。片状总线能使Ｖcc－地的噪声减小，但要求特殊母线。这些母线应平行于或在集成电路之下，对于0.15～５Ω的电路阻抗来说，应承载2.5～１５Ａ电流，其分布电容为0.001～２μＦ／m，分布电感为３５nH/m。为了减小地噪声，电路板还必须有大的地线，且垂直于母线。



图12-3 电源/地线：（a）共面线，（b）扁平线，（c）地平面



图12-4 双面板上电源/地线：（a）fc=5.6MHz,Ls=81nH;
(b)fc=10.4MHz,Ls=23nH;(c)fc=14.0MHz,Ls=13nH;(d)fc=14.5MHz,Ls=12nH

　　电缆和接口板、承担功率、接地和数据线，在分系统的组件之间，在分系统之间，在系统之间传输。这些信号的电压可能在几毫伏到几千伏之间，电流可以从几毫安到几百安，频率可以从直流到几吉赫，但是这些接线被认为是传送了所有的信号，不能有任何影响。为此，这些连线应认真设计，装配和安装。
　　我们首先根据它们的电压、电流和频率区分信号。
　　为减少在壹根电缆上的线干扰。最弱的信号应至少是最强信号电压的１／４或电流的１／４。通常把电缆分成六组：
　　１、ＡＣ电源，ＡＣ回路，机壳地，干扰音频的信号和它们的回路；
　　２、ＤＣ电源，ＤＣ回路，ＤＣ参考，敏感的音频信号和它们的回路；　　
　　３、数字信号和它们的回路；
　　４、ＲＦ干扰信号和它们的回路；
　　５、敏感ＲＦ信号和它们的回路；
　　６、天线信号。
　　敏感的电子系统需要干净的ＡＣ电源，常规分支电路。如果它直截连到主配电盘，并且只对敏感系统提供配电，通常正常工作。
　　接错线的电源引线能产生一系列问题，如图１３－１所示。ＡＣ电流流过机壳地和内部连接电缆，因为中线和地线在两个引出线上调换了位置，高ＡＣ电流肯定产生噪声问题，并能烧坏信号电缆。机壳地和信号可能在ＡＣ线中产生信频干扰。所以通常，绞合ＡＣ火线和零线。对信频干扰敏感的信号线及回路线可以同ＤＣ电源线和ＤＣ回路线捆扎在一起。

　　不要用ＤＣ回路，当机壳地或信号回路。绞合ＤＣ电源线和它们的回路线，对于多级放大，引入电源在输出段，屏蔽电源到噪声电路电源电缆，把电缆的两头和中间每隔２λ的距离，捆扎到机壳上。
　　在一根电缆中最弱信号的电压和电流强度不应低于最强信号强度的１／４。如果可能，把电缆分成摸拟信号电缆、数字信号电缆、射频信号电缆、天线信号电缆和高功率信号电缆。
   
图13-1 产生大地环路的错误布线

　　如果你必需把所有信号线混装在同一根电缆中，那么每根信号线都要带有自己的信号回路线，并且使用特殊的地线隔离，噪声信号和敏感信号。
　　每个信号回路线最多可提供给９个信号线，一个信号回路地对一个信号工作最好，对于双层面板或信号电缆，最好的信号一地排列如下：
　　信号　地　信号　地……地　信号
　　地　信号　地　信号……信号　地
　　对于单排列电缆最好的信号－地排列如下：
　　信号　地　信号　地……信号　地
　　在信号源和负载端端接每一个信号回线，给交换和控制用的信号线提供地线。不要连接他们到机壳地上！如果一根信号电缆有多余的线，扎给它们中的一半接地在电缆的一端，其它一半在另一端接地。
　　确实必要才使用时钟信号，要保持时钟信号和它的回呼线十分紧密地靠在一起。一个0.001m２的时钟环路容易超过ＦＣＣ辐射长射限值。保证隔离的信号线不长于0.15m长，靠近地板的信号线不长于0.5m长。信号线通常有≈0.8mH/m，电感和１００－２００Ω电阻。使用粗线，符合电常数绝缘体。可以减少交调干扰，减小连接器中，靠近其它电缆和靠近电磁装置的环面积（这个面由源、信号线、负载和回路组成）。如果远离金属和磁场，平面的电缆和带状传输线可以好到１５０ＭＨｚ。
　　有接地板电缆提供比没有接地板的电缆更好的屏蔽和更好的阻抗控制。如果可能，对信号线和回路线配对。
　　当信号和信号回线配对时，绞合的配对电缆，在１０ＭＨｚ之前可以降低感应耦合和使阻抗不变。在１０ＭＨｚ以上由于电缆长度、绞合弦长（一半绞合长度）应小于到噪声源／敏感电缆／器件距离的１／１０，小于λ／４，λ是电缆中最大频率信号的波长。电缆带有超过１３对绞合线每米。（许多２３对绞合线／每米）应避免，驻波问题从ＤＣ—１ＨＧｚ。所以一些双绞线电缆有相邻相对方向的双绞线，以减小交调干扰，在很多情况下，最大的环面积出现在连接器上，连接器通过传导，接地外壳，可以非常好的减小来自环路的辐射和噪声拾取。
　　子芯电缆（标明云母分隔的磁屏蔽）有４线纺织在一起形式非常紧凑，产生的环路很小，电缆减小辐射通过等效双绞线电缆可以到因数１０，噪声可以到因数４。
　　同轴电缆可以提供到１００ＭＨｚ以上，很好地噪声抑制。对于减小低频高电压噪声，把屏蔽层接地接地桩上。对于减小高频高电压噪声，把接地桩和电缆的每0.2λ接地。另外使用屏蔽层屏蔽信号回路。超过≈５０ＫＨｚ屏蔽电流等于信号电流，将电感耦合减至最小。超过１ＭＨｚ同轴电缆象三维电缆。信号回路电流流过屏蔽层的内层，噪声电流流过外层。同轴电缆避免使用螺旋缠绕屏蔽，电缆的屏蔽层用肉眼看其密度要在９５％以上。如果可能屏蔽层接应３６０°固定。在１ＭＨｚ以下你可以使用梳辫子（或软导线），但要保证其长度小于６mm，保证其暴露的内导体尽量短（≤１３mm）。同轴电缆驱动和接收应设计成１００Ω额定阻抗。三维电缆应使用内部屏蔽用作信号回路和外屏蔽接地在驱动端，在接收端，在每0.2λ长。
　　屏蔽双绞对线电缆提供最好的防护对于电场和磁场１００ＫＨｚ－１０ＭＨｚ，信号和信号回路电流在内导体流过，同时噪声电流在屏蔽层流过。使用双屏蔽双信绞线可在高频场中输送音频信号。外屏蔽层在其端点和每0.2λ接地，内屏蔽层在信号源接地。
　　许多电缆当弯曲的时候会产生静电噪声，如查在这种问题可以把电缆卡在固定的位置，或者使用那种在绝缘体中具有半导体敷设装置的电缆。高导磁性钢带和防护层可以限制电缆的２５ＫＨｚ－５０ＭＨｚ　ＲＦ传导。

　　应避免未经滤波的ＡＣ电源线进出系统的屏蔽层，在图１３－２（a）线性滤波器的外壳固定在机壳上形成连续的屏蔽。在图１３－２（b）ＡＣ电源线从机壳上的一个小孔引出直接进入线性滤波器。在这两种情况下，线性滤波器与机壳的电阻应小于１mΩ。如果不使用线性滤波器，ＡＣ电源线应从机壳上最近的孔直接接到负载上。让其它的电缆远离这一区域，保证ＡＣ电源线远离机壳上的其它缝隙。如果ＡＣ电源线不需要那么长，捆起来或按８字绕放。
  
    
图13-2 滤波器安装

　　固定ＡＣ电源线紧贴机壳部分远离缝隙，ＡＣ电源电缆、发射机、马达、线圈。
　　固定信号电缆紧贴机壳部分远离缝隙，ＡＣ电源电缆、发射机、马达和线圈，使信号线离开电源线最少0.15m。分离平行敷设数字信号电缆和ＡＣ电源电缆总长度的１／４０，以获得１０００－１００００：１从ＤＣ到１０ＭＨｚ的隔离度。至少分开平行敷设的模拟信号电缆和ＡＣ电源电缆总长度的１／４，用４mm厚泡沫分离平行信号电缆。如果驱动和接收三维很好地去耦合，到低速装置的输入，输入电缆不需屏蔽。
　　屏蔽所有的进入高速装置的外部信号电缆。在屏蔽层和机壳连接器之间使用３６０°加固，以得到≈0.5mΩl加固电阻，每感信号需要单独的屏蔽。分隔这些屏蔽层以防止以外的接地。敷施信号线和它们的屏蔽线进入最近的连接器插针。如果屏蔽电流，影响信号，只可采用单点接地。把源末端接地，减少噪声发射，把负载端接地减少噪声拾取。屏蔽ＲＦ信号的屏蔽应把端点接地，并且至少每0.2λ接地。
　　图１３－３给出了当信号源接地时，各种电缆布置与抗扰度的关系。
　　图１３－４给出当信号源浮地时各种电缆布置与抗扰度的关系。图１３－３（a）给出参考电路：单一信号线。图１３－３（c）到（f）

    

图13-3 接地信号源上电缆敏感度
（a）1：1（参考） （b）1：1 （c）2-22：1 （d）4；1（e）1-4：1（f）2-5：1


    
图13-4 浮地信号源上电缆敏感度
（a）280-10000：1   （b）4-8900：1
（c）1500：1 （d）1600-3200：1 （e）3500-7100：1

　　我们减小噪声发射和噪声接收通过减少电流环路的有效面积，使源或负载浮地（图１３－４（a）到（e））使得所有信号电流通过电缆屏蔽层或反回导体反回，十分有效地减少有效面积和噪声。请注意，虽然仅仅是沿信号线双绞－信号回路线（图１３－３（d），但可以减７５％噪声发射和噪声拾取。一种简单的方法来屏蔽电缆是用５０～１００mm宽的铝薄带缠绕电缆围绕电缆捆绕，并且用带子或打节固定，目前有一些公司生产铜带、铝带、编织带和用于同样目地的高导磁率带，有一些公司生产可以套在现有电缆上的管子或附件。
　　１９８３年秋天，我的一个同事带着个问题来找我。他设计了一个新打字机的功能测试装置，有一些噪声问题要分析测试。他试图测量通过电流传感电阻的电压（３００mＶ）上７５mＶ波动）但是得到完全错误的结果。当我用示波器查看这一信号时，我看到一个２Ｖ的尖峰信号在电流传感器信号上。沿着导线我发现这是马达驱动信号（３８Ｖ，１Ａ，冲脉宽度调制在２０ＫＨｚ）并且电流传敏的信号与它通过同一条电缆，我建意把它们分成两个双绞电缆，一个用于马达驱动信号，一个用于电流传感器信号，通过两个分开的连接器进入测试装置，我进行了这一改进，并且安装使测量装置内信号线之间留有１００mm空间，这时，当我再观查电流传感器信号，我看不到任何尖峰了，测量结果如预期的值。