在电力系统中，大量的控制设备和通信设备均用到了数字电路，而且数字电路的速度也越来越快。有一些特殊环境下需要自己设计数字电路，所以，作为电气工程的教育内容，必须了解高频数字电路的设计要求和电磁兼容性。本章作为选讲内容，可以作为电磁兼容设计时的参考。
8.1D/A转换电路的干扰与抑制
数字控制系统或计算机系统是一种获取外部信息并按预定的方案对外部世界实现控制的设备组合整体，如图8.1所示。其中闭环控制系统是根据被控量的状态作出控制决策，但外部信息的很大部分是以连续的物理量形式出现的，如温度、湿度、压力、机械位移等。因此必须将这些物理量转变为离散的数字量，这就是A/D的作用。但是经过处理后的信息返回到生产过程载荷设备，这就需要一个接口，即数字式过程控制机与生产过程载荷设备之间的接口，这个接口就是D/A，它的输出形式有电压和电流。图8.2所示是一个D/A转换器的功能图。D/A转换器的基本功能是将一组数字信号转换成与之相对应的模拟信号(模拟电压或模拟电流)。它有一个N位数字输入端和一个输出端，将N位数字输入信号D转换成唯一对应的模拟信号A，可用数学式表达为。
在图8.2中，基准电源用来为数字量向模拟转换部分提供基准电压和电流，数字开关接口用来将数字码施加到一系列具有不同权重在电流开关或电平开关上，为模拟转换部分提供正比于数字量输入的模拟量(电压或电流)输出；末级的放大器是作为模拟转换后模拟输出的缓冲放大器及总和放大器。
(2)必须有一组与数字量中N个二进制位数相对应的开关，且每个开关的开、关应受该位数码的控制。
(3)为了对应于A表达式中每位数码的公共比例系数P，应设置一个基准参考电源。
(4)将代表每一位数码的各位权重电流叠加起来。
实现D/A转换的典型电路为如图8.4所示R-2RT型电阻网络，是四路输入的DAC电路。该电路中在数字量d0至d3的控制下，模拟开关S0~S3根据di的取值动作，di=1接入基准电压流VREF；di=0时VREF断开。
运算放大器的输入端电压分别为各位数字量支路所形成的电压之和，故此电路又称为电压相加电路或称为“电压输出模式”。对n位数字输入而言运算放大器所形成DAC输出电压为T型电阻网络DAC的缺点是工作速度较慢，而且由于各支路电压到达运算放大器输入端的时间有先有后，可能导致输出端产生尖峰脉冲；同时基准电压源在数字量不同时，负载轻重不一，也会影响基准电压源的稳定性。
只是随数字量的不同取值加入到运算放大器输入端的电流不同，而运算放大器的电流为各支路电流之和，故称为电流相加型或电流输出模式。经过运放IV转换后获得的输出电压与式(8.4)相同。
在倒T型电阻网络中，各支路电流同时到达运算放大器输入端，因此速度快而且无尖峰脉冲输出；同时基准电压源提供的电流恒定为VREF/R，是稳定的。由于上述优点，集成DAC芯片通常采用该型电路。
以上主要讲述的是D/A的工作原理及结构，下面讲一下D/A的工作方式。
D/A转换器的前一级工作器件是数字控制系统或计算机系统，而在多数情况下其前一级为CPU或FPGA，因此在使用D/A时应注意D/A芯片与CPU接口或FPGA的连接。通常情况下，D/A转换芯片与CPU接口电路基本有两种形式，一种是通过I/O通道(或锁存器)与CPU的数据总线相连，另一种是直接与数据总线交换信息。至于采用哪种接口电路来完成D/A与CPU的接口，取决于D/A芯片内部是否设置了数据寄存器。
D/A的工作方式有三种：直通工作方式、单缓冲器工作方式、双缓冲器工作方式。
不带寄存器类的DAC集成电路(如AC7520)，没有传输控制信息，数字量的任何变化将立即(忽略转换时间)反映到模拟输出电压，故本身就具备直通的工作能力。带寄存器类的DAC，有若干控制寄存器和DAC转换的控制信号。欲使其直通工作，则必须对这些信号加以处理，使控制信号长期有效。
单缓冲工作方式，带寄存器类的DAC在控制信号的作用下，可在特定时刻将数字信号写入。若为双缓冲结构(如DAC0832)，则两寄存器之一应工作于直通方式。
对于带有两个寄存器的D/A转换器，它可以在一个寄存器(DAC寄存器)中保持现有DAC数据，而在第二个寄存器中保持下一个数据，这样就能按照命令快速更新D/A转换器的输出，这就是双缓冲工作方式。
D/A转换器的另一个重要问题，就是D/A转换器的误差。D/A转换器的误差分为静态误差和动态误差。所谓静态误差是指输入、输出已处于稳定状态下所产生的误差，它主要包括失调误差、比例系数误差、平移误差和非线性误差。
失调误差指的是在零输入时输出端所出现的模拟量。这主要是由于运放工作点的偏移所引起的。减少失调误差的主要措施是调整运放的零点，即在输入端全接地时，将D/A调整为直通方式，将反馈电阻(运放)RFB短路，调整运放的调零电位器，直到输出读数为零为止。
比例系数误差是指实际曲线斜率与理想曲线斜率的偏差，它主要是由VREF值的偏差及运算放大器入端电阻反馈电阻等偏差所引起；平移误差是指实际曲线与理想曲线的偏差，它主要由运算放大器的零漂与时漂引起；非线性误差是指实际传输特性曲线与转换器平均传输特性曲线的最大偏差，它主要是由模拟开关导通电阻和电阻网络中各电阻的离散特性所引起。
由上可知，无论是比例系数误差、平移误差、非线性误差均是由于基准电压VREF不稳定、运算放大器的零点漂移及各位模拟开关导通电阻、导通压降和电阻网络中各个电阻阻值的不一致等造成的。为了尽量减少这些误差，使输出电流随外加数字码的改变而线性变化，两个电流输出脚的电压必须尽可能接近地电位(0)。在VREF=10时，输出端、电流端每产生1mV电压都会产生0.01%的非线性误差。另外，作为一个补救措施，可以选择尽可能低的输入偏置电流的运放。
D/A的另一类误差是动态误差，它主要是由于D/A中各模拟开关动作所引起的，它主要是数字电路中的门电路快速翻转而引起的尖峰电流和毛刺脉冲。
在D/A转换器中，输入数字量的快速变换是通过S0~S1开关的切换实现的，而在实际电路中，这种电路为推挽-图腾柱结构，如图8.6所示，只要输出状态发生转换，在状态交替的一段相当短的时间内，输出两路会同时导通，从而造成相当可观的尖峰。正是这一尖峰电流可能使转换器的输出模拟量出现尖峰波形。在实际中，如出现尖峰波形，可在反馈电阻RFB上并联一只电容Cc，将Cc的值调到与实际电路带宽需要相一致，该方法对任何输出尖峰均有明显的阻尼效果。
另一个值得注意的现象就是D/A在进行转换时的毛刺脉冲，图8.7示明了毛刺脉冲的出现范围。毛刺脉冲主要是由于数字输入信号的阶跃及D/A开关传输延迟特性的不均匀所致。
毛刺脉冲通常在D/A半量程转换时最大，这是因为D/A所有数据在该点均进行转换。另外，D/A模拟与数字区域间的杂散电容耦合也将引起毛刺脉冲的出现。
为了尽量减小毛刺脉冲，通常都是采用ECL电平来驱动，这是因为ECL逻辑电平摆幅是对称的，并且有足够的幅度来开关差分对，而TTL电平变化是不对称的，并且有与逻辑变化有关的传输延迟，如图8.8(a)所示。
对D/A器件采用外接RC网络可以有效减小毛刺脉冲的影响。通常的做法是采用RC网络均衡前两个或三个高bit位的延迟。如图8.8(b)所示。例如，8位DA，当输入在01111111与10000000状态相互切换时，对应的元件内部所有的电子开关均会动作，8位DA输出产生的脉冲为最小。
另外，采用SHA也能有效地抑制毛刺脉冲。图8.9显示了去除DAC毛刺的定时关系，即恰好在关闭新数据进入D/A之前，SHA进入保持方式，这样安排使DAC毛刺与输出端隔离，从而有效地消除DAC毛刺的影响。
如前所述，D/A的前一级器件是CPU，典型微处理的总线环境是高频噪声耦合到模拟线路中的巨大潜在来源。数据、地址总线的快速边沿会产生数十兆赫的频率分量，并使DAC输出出现噪声尖峰。为了消除这些噪声，通常采用一片DM74LS374使器件与数据隔离。
8.2微控系统内的干扰与抑制
系统内部的电磁干扰，主要关心的是自身干扰所引起的恶化。从系统方法出发还需考虑其他的潜在问题：①与外部产生的传导或辐射发射有关的敏感问题；②给定系统所产生的传导或辐射发射对邻近系统的有害影响。下面就一个微控系统为例简要阐述系统内部可能存在的电磁干扰。图8.10是一个微控系统的电路原理框图。
8.2.1干扰源
1.来自信号通道的干扰
为达到数据采集系统或实时控制的目的，开关量的输入、输出是必不可少的。在工业现场，这些I/O信号线，控制线长达几百米，因此，不可避免地会将干扰引入计算机。0~10mA的信号线与交流220V的电源虽然都用双绞线屏蔽，照样会产生十几伏的干扰电压。如果受控对象是强干扰源，如可控硅、电焊机等，那么单片机根本无法运行。
2.来自电源的干扰
开关的通断、火花干扰、大电机启停这些现象在工业现场是常见的，这些来自交流电源的干扰对微机系统的正常运行危害更大。
3.来自空间的辐射干扰
在可控硅逆变电源发射机等特殊设备的周围，单片机运行也很容易出错。
4.印制版及电路间产生的相互干扰
8.2.2不同干扰的抑制措施
1.信号道干扰的抑制措施
1)开关通道干扰及解决方法
在实际应用中，尤其在进行工业控制时，输入的开关量里，往往会带来很强的干扰噪声。
因此，一般都不能用直接馈入的输入方法，而应采用响应的抗干扰措施。滤除干扰的方法很多，常用的是光电隔离输入方法。
图8.11所示抗干扰输入电路中，是采用光电耦合器作为抗干扰器件。其中ui是来自受控设备的输入测量值，Ri是保护光电耦合器的限流电阻。从图中可以看出，输入测量值ui在电平上不必与TTL完全兼容，也不必设置电平转换电路，不论ui值多大都可以通过调节限流电阻Ri，使光电耦合器件内发光二极管关断电流。当ui使光电耦合器中三极管导通时，在uo端检测到低电平0。此外，光电耦合器内发光二极管内电流小、不发光，则片内三极管截止。这时在uo端检测到高电平5V。因为，光电隔离的输入回路与输出回路之间没有电气连接，也没有共地，这就使得夹在输入测量中的各种干扰噪声都被挡在输入回路这边。比如，受控对象测量部分因故障，使ui与强电相短接时，也不会损坏单片机系统。因为在光电耦合器的输入回路和输出回路之间，可以承受几千伏高压，不会击穿器件。这种抑制干扰的措施较简单。
在开关量输出通道中，也存在着干扰问题，尤其是在控制动力设备启停时，就更为明显。对启停负荷不太大的设备，常采用光电耦合器来抑制输出通道的干扰。输出开关量是用于控制大负荷设备时，就不宜用光电耦合器，而采用继电器隔离输出。因为继电器触点的负载能力远远大于光电隔离器的负载能力，所以它能够直接控制动力回路。在采用继电器作开关量隔离输出时，要在单片机输出端的锁存器74LS273与继电器隔离器间设置一个OC门驱动器，用以提供较高的驱动电流(一般OC门驱动器的低电平输出电流约有300mA，足以驱动小型继电器)。
单片机工业过程控制系统的应用对象是环境较差的工业现场。各种数据输出通道的启停负荷大，工程设计时，尽量不要用全触点式的控制方式。因为大负荷触点在接通或断开时产生的火花或电弧具有强烈的干扰作用，它会直接损坏测控系统。因此，一般对大负荷控制对象应采用无触点控制方式，如图8.12所示。图中两个对接的单向可控硅取代了中间继电器。它们的控制级由小型继电器的一个触点控制。
当触点接通时，两单向可控硅完全导通，使得大负荷交流负载接通电源。当继电器触点J1断开时，两个单向可控硅则完全关断。这时立即关停大负荷负载，图8.12电路具有较好的抑制强电干扰效果。因为可控硅控制极触发电流具有毫安级，因而，在启停这样大负荷负载时，是不会产生火花和电弧干扰的。
2)模拟通道干扰及解决方法
工业生产环境下的强电干扰一般都是以冲击脉冲的形式进入计算机控制系统的，干扰进入计算机后，轻则破坏元器件的正常工作状态，重则破坏系统或损坏器件。因此，干扰不仅是产生偶然性误差和跳动误差的主要原因，也是影响整个系统可靠运行的主要因素。和开关量输入输出通道一样，模拟量输入输出通道也因与受控设备直接相连而成为强电干扰窜入系统的一个渠道。所以，在模拟量输入输出通道上采取抗干扰措施时，应尽可能将干扰的屏蔽器件设置在执行部件或传感器件附近。用于模拟量抗干扰的器件很多，有变压器或光电耦合器等，但在单片机工业控制系统中，应用较多的还是光电隔离器。
光电隔离器的主要优点是能有效地抑制尖脉冲及各种噪声的干扰，具有较强大的抗干扰能力。因为光电隔离器的输入阻抗Ro很小，一般只有几百欧姆，而干扰源的内阻R较大，约有100~1000k，如图8.13所示，尽管干扰源提供的干扰电压幅度较大，但分压到光电隔离器输入端的能量却很小。而光电隔离器输入端的发光二极管，只有通过一定强度的电流才能发光。因此，即便有幅值很高的干扰信号，也会由于没有足够的能量而不能使发光管发光，从而达到抑制作用。此外，光电耦合器能够承受高峰值脉冲的冲击，一般的光电隔离器都能承受1500~7500V甚至更高的冲击干扰电压。
抗干扰屏障的设置位置越往外推越好，最好设置在模拟量的输入输出的端口处。一般将光电隔离器放在A/D、D/A附近，如图8.14所示。
2.供电系统的干扰及解决方法
单片机系统用于工业现场进行实时控制时，强电干扰窜入单片机系统的渠道有三个：
