实用EMI噪讯对策讲座(7)——失真

中心议题：
    *  失真现象
    *  扁平缆线

本系列讲座共12篇，剩下5篇在文章最后：
实用EMI噪讯对策讲座(6)——反射
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实用EMI噪讯对策讲座(7)——失真
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010433
实用EMI噪讯对策讲座(8)——遮蔽Shield
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实用EMI噪讯对策讲座(9)——Ground与电源
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010436
实用EMI噪讯对策讲座(10)——电源的噪讯
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010437
实用EMI噪讯对策讲座(11)——DC电源与Ground
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010438
实用EMI噪讯对策讲座(12)——筐体与筐体内的导线
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010439

何谓失真

希望获得的信号如果影响到其它信号时，该信号就成为噪讯源，如图1所示，相互平行的信号线对其它信号产生不良影响时，该信号同样被视为噪讯源。
　 
信号线之间噪讯相互纠缠现象称为失真（cross talk），尤其是长距离信号传输的失真现象特别严重，事实上失真问题最初是有线电话信号传输才开始受到注意，因此早期cross talk一度被视为「漏话」现象，目前失真一词不再局限在电话信号传输，它已经成为广泛使用的名词。

电话信号的频率相当低，短距离传输时几乎没有失真问题，不过随着频率提高即使短距离传输，就必需要将失真问题列入考虑。

虽然印刷电路基板上的印刷图案距离非常短，不过各信号线彼此都呈平行临接状，而且大地线（ground）几乎都成为各信号的共享折返线，在此情况下 失真问题变得非常严重。

相同种类的信号各信号强度几乎完全相同时，失真很少会被视为问题，然而当各信号强度彼此相异时，低强度信号极易受到高强度信号失真的影响，因此印刷电路基板上的失真对策首要工作，就是避免高信号强度信号线与低信号强度信号线以及模拟信号线平行临接设置，信号线直交时可以忽略失真问题，信号线彼此充分相隔平行设置时，失真不会变成问题，由此可知设计者应该尽量排除信号强度差异极大的印刷图案平行临接设置，改采同等强度信号平行Layout方式，例如bus大多采用复数信号线平行设计就是典型范例。

电子电路尤其是计算机的电路相互进行数据交易，因此必需设置共通数据交易通路，透过通路作数据交易，该共通数据通路称为「Bus」。印刷电路基板上的图案设置取决于组件特性，换言之适当的组件设置对电路的动作特性具有绝对的影响。

图2是失真的实验电路，图中讯接收侧使用SN74LS04强大组件，主要理由是加大失真效应才能有效掌握失真的动作机制。SN7XXYY表示数字IC的型号，随着数字IC使用材料与动作速度的不同，数字IC有数种衍生系列，XX表示衍生系列的型号，其中LS系列使用最频繁，S系列比LS系列更高速，电流驱动能力也更大，相对的它比LS系列更容易发生强大噪讯。

型号中的YY表示数字IC的功能，在数字IC中即使衍生系列型号相异，只要YY型号相同代表该数字IC被制成具备相同功能的产品。XX04表示该组件为6个inverter封装方式。
　
如图所示测试图案长度为14cm，间隔为0.64mm的平行图案，收信侧利用开关（a）或是（b）切换，使信号强度作「High」与「Low」的切换。

图3是实验电路的失真波形，图中的（A）、（B）分别表示图2的（A）、（B）。由图3的失真波形可知噪讯发生侧的信号站立时振动波形呈连续状，而且（A）、（B）都发生极大的失真现象，虽然图中白色圆圈部位表示失真造成的噪讯，不过它几乎直逼数位IC的界限（Threshold）电压，数字IC的界限电压在图（a）为，在图（b）为，虽然本实验未发生误动作，不过却已经濒临误动作状态。
 　
 

图（a）是收信侧强度”H”时的波形，不过它比图（b）收信侧强度”L”时的波形更大。图（a）、（b）两者都接收相同噪讯，而且噪讯的功率也相同，不过收信侧的阻抗（impedance）很大时，噪讯电压也会随着变大。

传输线路很短时收信侧整体的阻抗中，驱动器的输出阻抗成为支配性，因此输出为”H”时，驱动器LS04的输出阻抗变高，输出为”L”时则变低。

此外频率很高时容易发生噪讯，频率变低噪讯也随着变小，其结果除了噪讯电压相异之外，传输噪讯的频域也出现差异，以图（a）、（b）为例，失真造成传输信号的波形截然不同，图（a）的信号波形直接传输，相形之下图（b）只会传输连续（linking）波形。

失真可视为诱导噪讯的一种，诱导分成静电诱导与电磁诱导两种，平行临接图案的静电诱导具有支配性，根据图4（a）的实验电路可以确认失真是静电诱导造成的结果。图4（b）、（c）是电路图案刻意未平行彼此相隔设置，再用10Pf电容连接时的波形特性。

由于图3与图4的波形几乎完全相同，因此可以推定临接平行设置的图案失真是静电诱导造成的。


扁平缆线

扁平缆线种类繁多必需依照用途分开使用。图5是扁平缆线（flat cable）的实际外观，由于扁平缆线连接容易因此广泛应用在框体内的导线连接，扁平缆线最大缺点是抗噪讯性极弱，而且使用长度大约只有2m左右。

扁平缆线的失真特性大致上与印刷电路基板的平行图案相同，使用上必需注意强度相异的信号线是否混入扁平缆线内。

图6是扁平线的失真波形实验结果，它使用上述图2相同的实验电路，扁平缆线的长度为1m。
 

 

根据上述实验结果显示由于传输线路长度比较长，因此连续频率比图3印刷电路基板低，噪讯的传输也相对减少，不过传输线路长度比较长，其结果造成失真的强度几乎与印刷电路基板的图案相同。

遮蔽（shield）对类似失真等在空中传输的噪讯具有相当程度抑制效果，原本遮蔽必需完全将噪讯包覆，不过对失真却无法完全遮蔽，一般是在并行线之间插入大地线，如此便可以获得相当程度的遮蔽效果。

此处请读者注意漂浮状大地线无法发挥遮蔽效果，遮蔽呈漂浮状时的波形与图6非常类似。图7是扁平线之间插入ground线的实验电路；图8是扁平缆线之间插入ground线时的遮蔽效果，由图可知失真并未完全被遮蔽因此残留部份失真，若与图6比较图8的遮蔽明显发挥效果。
 

复数信号线平行设置时通常是「不平衡」，因此共享大地线变成折返线，该折返的大地线若设置在远离信号线的地方，信号线与折返线构成电路会具备很大的面积，而且一般该面积都会相互重迭（图9）。
　
电子电路作大面积loop描绘时，相对的该电路会具备很大的阻抗，该loop一旦相互重迭，会因为极大的相互阻抗结合，其结果造成失真变大。在印刷电路图案无法制作平衡电路，如图10所示二条对线构成电路，其中一条导线当作大地线的话，某种程度可以接近平衡，主要原因是该对线的大地线具备遮蔽效果所致。
 　
此外信号的折返线亦即大地线为复数条的场合，电流会依照各线的阻抗分配，变成对线部位的阻抗比其它导线低，因此电流几乎不会在对线部位流动。
作成对线除了可以降低失真之外，还能够使传输线路的特性阻抗值进入某种范围内，缺点是导线数量比共享折返线方式大幅增加，不希望使用对线时，每隔数条插入大地线同样可以获得相当程度的效果（图11）。

图10对线的强化方法是以三条导线为一组，中央为信号线两侧用大地线挟持，三导线方式的失真比上述对线更少特性阻抗更安定，虽然特性不如micro strip line，不过却可以取代同轴缆线。


本系列讲座共12篇，剩下7篇在文章最前：
实用EMI噪讯对策讲座(1)——基础物理篇
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实用EMI噪讯对策讲座(2)——信号模式
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010428
实用EMI噪讯对策讲座(3)——噪讯与电洞
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010429
实用EMI噪讯对策讲座(4)——平衡
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010430
实用EMI噪讯对策讲座(5)——天线与噪讯放射
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010431