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(duì)性綜合設(shè)計(jì)方案，經(jīng)過(guò)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(duì)電磁干擾敏感度相當(dāng)高，加之汽車線速與有關(guān)高場(chǎng)強(qiáng)頻段的波長(zhǎng)可以比擬，這些頻段存在對(duì)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(kāi)關(guān)過(guò)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(guò)傳感器采集傳動(dòng)部分的齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)計(jì)脈沖數(shù)，通過(guò)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(shuō)里程計(jì)計(jì)數(shù)信號(hào)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(hào)在高頻條件下均會(huì)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(hào)的正常工作。同時(shí)，在不同的電磁環(huán)境中通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，確定汽車內(nèi)部的自生騷擾對(duì)系統(tǒng)正常工作有很大的影響。通過(guò)示波器對(duì)傳感器脈沖計(jì)數(shù)信號(hào)觀察表明，在傳感器信號(hào)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(hào)線帶來(lái)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(dòng)機(jī)、燃油泵、火花點(diǎn)火線圈、空調(diào)起動(dòng)器、交流發(fā)電機(jī)線纜連接的間歇切斷，以及某些無(wú)線電子設(shè)備，如手機(jī)和車載電臺(tái)等。這些干擾源是產(chǎn)生種瞬變電脈沖即可能通過(guò)電磁騷擾發(fā)射對(duì)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(guò)耦合網(wǎng)絡(luò)分別對(duì)里程計(jì)的電源線、信號(hào)采集線耦合脈沖干擾信號(hào)，發(fā)現(xiàn)計(jì)數(shù)信號(hào)均受到干擾，尤其信號(hào)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(cè)

　　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(hào)通過(guò)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(lái)提高抗外界干擾的能力。首先，對(duì)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(hào)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(duì)電源進(jìn)行濾波，濾波器、電容C11配合，可以過(guò)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(guò)額定電壓的尖峰脈沖，瞬時(shí)通過(guò)電流很大。電容C12和C13進(jìn)一步對(duì)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(dòng)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(kāi)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(duì)防止其他用電設(shè)備對(duì)電壓波動(dòng)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(hào)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(chǎng)磁場(chǎng)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(hào)線相互較近，增加了干擾的機(jī)會(huì)。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(hào)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(chǎng)運(yùn)行當(dāng)中由于脈沖干擾在有用的脈沖信號(hào)上出現(xiàn)了一串上升沿很陡、脈寬很窄的干擾脈沖信號(hào)，雖然在信號(hào)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(hào)已經(jīng)由于上升沿過(guò)緩而無(wú)法使用了，干擾信號(hào)卻幾乎沒(méi)有衰減。

　　我們采取將信號(hào)在電路中單獨(dú)處理，用單穩(wěn)電路設(shè)計(jì)來(lái)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(hào)上帶有干擾脈沖，輸入波形如圖（7）中波形A所示。信號(hào)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(hào)寬度但大于噪聲脈沖寬度，于是輸入信號(hào)經(jīng)由單穩(wěn)電路后產(chǎn)生如圖（7）中波形B的信號(hào)。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(méi)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(hào)線與電源線盡量分開(kāi)走線；里程計(jì)信號(hào)線雙絞，并將電纜的屏蔽層雙端接地；使之對(duì)鄰近導(dǎo)線或回路不產(chǎn)生干擾且可抑制磁場(chǎng)對(duì)弱信號(hào)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(hào)源，它們不僅對(duì)外是潛在的干擾發(fā)射源，也是對(duì)車載電子產(chǎn)品的干擾源。另外，由于高機(jī)動(dòng)性，汽車也可能會(huì)處于各種可以想像得到的從低頻到高頻的復(fù)雜電磁場(chǎng)中，由此產(chǎn)生的電磁干擾耦合也會(huì)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(duì)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。