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    藍牙模塊對于電路的影響

    發布時間:2022-09-09 來源:卓晴 責任編輯:wenwei

    【導讀】本文討論了在實際中電子信號處理電路中可能會受到高頻電磁波干擾的情況。這些情況在普通的課堂中和教科書中往往都會被省略掉。電路中所增加的那些看似對于普通信號處理無關的外圍電阻、電容,卻在保證電路穩定工作起到關鍵的作用。因此,遇到問題雖然造成麻煩,但通過觀察、分析和解決,會進一步擴大自己的知識面,提高解決問題的能力。


    01 問題提出


    1.1 問題來源


    在8月15日發出的推文  “腳氣引起的牙周炎[1] ”中,就公眾號中同學們提出的在制作智能車過程中遇到信號采集的問題(電磁信號中的脈沖、攝像頭信號的黑屏)進行了評論,引起了很多同學興趣并在在“留言”中給出了自己的看法。


    ●  留言1:我們的車也會跳變,一直沒想到是靜電的原因,真的是由于靜電嗎?

    ●  留言2:我的開藍牙后其中一個電感會有尖峰跳變,手摸藍牙就會使得運放尖峰消失。


    27.jpg

    圖1.1  具有尖脈沖干擾的信號


    1.2 問題初步分析


    對于電磁采集信號中的尖脈沖干擾,有同學提出這可能會是受到藍牙模塊的干擾。為了便于設定車模運行參數,監視車模運行狀態,同學們在車模中增加了藍牙,WiFi模塊等用于數據的傳送。這些無線通信模塊使用了2.4GHz左右的ISM頻道無線電波傳遞數據。車模上的很多信號傳輸引線很容易將高頻無線電波引入電路板中的線路內。這些高頻信號如何造成信號干擾,如何防制呢?


    02 原理介紹


    現在電路設計中廣泛使用運算放大器(OPA)進行信號的調理:放大、濾波、電平變換等。普通的運算放大器的增益隨著信號的頻率增加而下降,通常使用增益帶寬積(Gain Bandwidth Product : GBP)來表征。當信號的頻率達到GBP的時候,運放的增加下降到1。

    ??

    通常的運放的GBP在1MHz左右,比如:LMV321<1MHz, LF351:4MHz。LM385<0.7MHz。對于工作在2.4GHz的無線通信模塊的電磁波信號,由于這些信號遠遠超過了GBP,從理論上分析,即便這些信號進入了電路,運放也會將它們衰減到很低的電壓水平。

    ??

    然而,實際情況并非如此。事實上,包含在放大器內的靜電放電(ESD)二極管、輸入結構和其它非線性元件會在放大器的輸入端對RF信號進行“整流”。所以實際效果是RF信號被轉換成一種直流(DC)偏移電壓,這種DC偏移電壓添加了放大器輸入偏移電壓,進而影響了運算放大器的輸出電壓。

    ??

    反映運放受到高頻信號影響的參數為EMIRR(電磁干擾抑制比)??梢酝ㄟ^測量高頻輸入信號的幅值與運放輸出直流信號偏移量來進行計算。


    28.png

    圖2.1  測量OPAMP 的 EMIRR電路

    ??

    設計良好的運算放大器可以具有很好的EMIRR能力。下圖顯示了是TI公司的OPA333 的EMIRR曲線,可以看到對于信號頻率為1000MHz的時候,該運放具有120dB的EMIRR,這是非常高的抑制水平


    29.jpg

    圖2.2  TI 公司的 OPA333的EMIRR曲線

    ??

    對于普通的運算放大器就沒有那么好的EMIRR的性能了。


    03 問題分析


    如果在小小的車模上安裝有藍牙、WiFi模塊進行數據傳輸,它們發射的電磁波被車模上的各種引線引入控制電路中。如果沒有進行很好的輸入信號的濾波保護,再加上所使用的運放的EMIRR比較低,從而就會使得運放輸出信號中的直流分量發生改變。由于藍牙,WiFi模塊都使用數據包,間歇式發送數據,所以在線路中的信號中就會出現很多尖脈沖干擾信號。

    ??

    了解到無線射頻信號會引起運放輸出中出現干擾,解決的方法就是在那些具有很長外部引線的輸入端口中加入高頻濾波電路。使得這些外部竄入的高頻信號在到達運放管腳之前就得到很大的衰減。同時,在運放信號的電源、地的管腳附近也增加高頻濾波電容,阻止射頻信號從電源端口干擾芯片。下面電路就是在AD627數據手冊上給出的參考設計電路部分。


    30.png

    圖3.1  在運放輸入線路中增加射頻信號濾波電路


    04 實驗驗證


    4.1 實驗1:藍牙對運放的影響


    觀察運放受到藍牙發送模塊的影響

    ??

    使用LMV358搭建一個放大增加為50的同相放大器。在輸入端增加了一個引線,模擬信號外接引線。在電路板旁邊5厘米處放置一個藍牙模塊,天線與引線平行。


    1661254878747548.jpg

    圖4.1.1  測試運放收到藍牙模塊的影響

    ??

    在上述電路中,輸入端口沒有增加任何高頻濾波電路。引線上的高頻信號可以直接到達LMV358 的輸入端口。

    ??

    在藍牙模塊沒有工作的時候,運放輸出為穩定的電平。當藍牙模塊發送數據的時候, 在運放輸出中出現了尖峰干擾脈沖信號。


    32.jpg

    圖4.1.2  LMV358 運放輸出的尖峰干擾信號

    ??

    如果在測試電路板中,增加有電感和電容組成的濾波電路,在同樣的外部條件下,運放的輸出就不再會有尖峰的干擾信號了。


    4.2 實驗2:測試運放EMIRR


    對于三種運放:OP07,LMV321, LM351,按照前面圖2所示搭建一個同向放大電路。借助于普通的信號源,給電路輸入0.7~10MHz,峰峰值1V的高頻信號。測量輸出電壓的直流量的變化。


    1661254850531994.jpg

    圖4.2.1  測試EMIRR電路

    ??

    由于這三種OP的GBP都大于0.7MHz,可以看到,在0.7MH以下,輸出電壓的直流分量基本上不會隨著信號的頻率變化而變化。

    ??

    當輸入信號的頻率大于1MHz以后,輸出直流量變開始比較大的波動。其中LM358直流工作點下降,OP07,LMV321則增加。變化的范圍LMV321最小, LM358最大。由于信號源輸出信號頻率有限,所以測試還無法直接達到2.4GHz的頻段。


    1661254835128921.png

    圖4.2.2  三種運放在輸入高頻信號下的直流偏移量的改變

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    上面的結果表明不同的運算放大器對于射頻干擾的抑制能力相差很大。對于存在射頻信號比較大的環境中,需要考慮在電路設計中增加高頻濾波電路以防止電路受到干擾。


    05 討論總結


    本文討論了在實際中電子信號處理電路中可能會受到高頻電磁波干擾的情況。這些情況在普通的課堂中和教科書中往往都會被省略掉。圖4電路中所增加的那些看似對于普通信號處理無關的外圍電阻、電容,卻在保證電路穩定工作起到關鍵的作用。因此,遇到問題雖然造成麻煩,但通過觀察、分析和解決,會進一步擴大自己的知識面,提高解決問題的能力。


    5.1 電路設計中放置射頻干擾


    在今后設計電路中,由于可能存在大量的射頻通信模塊(藍牙、WiFi、手機等),除了注意到電路基本功能滿足信號處理要求之外,還需要考慮電路的電磁兼容性(EMC),使得設備在任何條件下都能夠穩定工作。否則就會出現這樣、或者那樣莫名其妙的情況。

    ??

    由于是空間電磁波干擾,所以干擾的現象會受到很多具體情況的影響。就像開始同學留言中敘述的那樣,僅僅使用手觸摸藍牙模塊就可能使得干擾消除。所以,面對問題,不要輕易的下結論。仔細區分靜電引起的干擾、還是射頻信號引起的干擾,對于最終的問題解決會有很大的幫助。


    1661254811444756.gif

    圖5.1  APPLE學習方法


    參考資料


    [1]“腳氣引起的牙周炎: https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzA5NjQyNjc2NQ==&mid=2452216934&idx=1&sn=9e908654115e69f35cadcb442c613268&chksm=876d3204b01abb12e3903eeaa117ac73b7c5f92776553c95414d024b96413385b73fea84aaf6&scene=21#wechat_redirect



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