برد الکترونیکی دیجیتال: منابع نویز و آسیب ها

electronic-board-noise

شما را به خواندن این مقاله دعوت می کنیم.

اشتراک گذاری:

Share on telegram
Share on whatsapp
Share on linkedin

اغلب تصور بر این است که هر برد الکترونیکی دیجیتال، از نویز مصون است، اما در واقع چنین نیست! نویز در سیستم­‌ها­ی دیجیتال نیز باعث ایجاد خرابی­ های نرم افزاری (upset) مثل پرش برنامه به یک محل تصادفی در حافظه خواهد شد. اگرچه نویز در خطوط سیگنال می­‌توانند باعث بروز چنین مشکلاتی شود، اما ولتاژ منبع تغذیه نسبت به نویز سیگنال حساس‌­تر است. نویز فقط در شرایط استثنایی ایجاد نمی‌شود بلکه حتی در یک عملکرد عادی مدار نیز، شرایط نویزی شدید می­تواند باعث شود که یک خط تغذیه ۱۲  ولت، حالت گذرایی بین + و – ۴۰۰  ولت را نشان دهد و یا باعث ایجاد تخلیه‌­های الکترواستاتیک شده و صدمات دائمی به سخت افزار وارد کنند. تمام این مسائل باعث می‌شود تا نویز در طراحی برد الکترونیکی موضوع بسیار مهمی باشد.

در چند مطلب پیش رو خواهیم گفت که نویز چطور در برد الکترونیکی دیجیتال ایجاد می‌شود و هم چنین ملاحظات طراحی در چنین شرایطی را بررسی خواهیم کرد؛ مواردی مانند نحوه‌­ی چیدمان خطوط در PCB، توزیع و دیکوپله سازی منابع تغذیه، تکنیک­ های حفاظت و زمین کردن مدار، که می‌تواند در به حداقل رساندن حساسیت به نویز کمک کند.

نشانه­‌های وجود نویز

معمولاً در مرحله توسعه یک سیستم میکروکنترلر مشکلات نویزی وجود ندارد. این امر به این دلیل است که به ندرت می­توان محیط یک سیستم را واقعا آن طور که هست شبیه سازی کرد. بعد از نصب سیستم در محیط واقعی و پس از گذشت مدتی از عملکرد نرمال، سیستم از حالت طبیعی خود خارج شده و دستورات ورودی نادیده گرفته می­شوند و در نتیجه احتمال ناپایداری خروجی­‌ها نیز وجود دارد. در برخی موارد برای چنین مشکلاتی می­تواند دلیل واضح وجود داشته باشد، مانند تخلیه الکترواستاتیک از انگشت یک شخص به صفحه کلید که با هر بار روشن یا خاموش شدن رخ دهد؛ اما در اکثر موارد نمی­توان به این راحتی منبع ایجاد نویز را یافت.

noise-signs

یکی از نشانه‌­های وجود نویز در مدار، عملکرد تصادفی هم در بروز نوع عیب در مدار و هم در عملکرد برد الکترونیک معیوب است. البته این تصور که همه خرابی­‌های عملیاتی که در فواصل به ظاهر تصادفی اتفاق می­افتند، لزوماً در اثر نویز ایجاد می­شوند نیز اشتباه است. خطوط تغذیه VCC در حاشیه‌­ی برد الکترونیکی، دیکوپله شدن ناقص، باگ­های نرم ­افزاری، یا همزمان شدن برخی از اتفاقات متناقض نیز می­تواند مشکلاتی را ایجاد کند که در وهله اول به نظر می­رسد به طور تصادفی رخ داده است. از طرف دیگر، برخی از منابع نویزی نیز می­توانند به صورت متناوب، مشکلاتی ایجاد کنند.

منابع نویز در برد الکترونیکی

EMI یا تداخل الکترومغناطیسی (electromagnetic interference)، نامی است که به نویز­های الکتریکی به غیر از موارد ذاتی اجزای مدار (مانند نویز حرارتی) داده می­شود. موتورها، سوئیچ­های قدرت، چراغ­های فلورسنت، تخلیه الکترواستاتیک و… می­توانند منابع EMI باشند، که در ادامه به طور مختصر به آن پرداخته می­شود.

ولتاژ گذرا در خطوط تغذیه

هر چیزی که بارهای جریانی سنگین را به خطوط قدرت AC یا DC قطع و وصل کند، باعث ایجاد ولتاژهای گذرا­ی بزرگی در این خطوط می­شود. برای مثال روشن یا خاموش کردن یک ماشین تحریر برقی می­تواند باعث افزایش ولتاژ ناگهانی تا ۱۰۰۰ ولت بر روی خطوط برق AC شود!

در شکل زیر باتری(v) نشان دهنده منبع تغذیهAC  یا DC است. سیم پیچ­ها (L) بیانگر اندوکتانس بین منبع تغذیه و بارهای R1و R2 هستند. اگر هر دو بار جریان بکشند، جریان حاصل از طریق القاء، نیز سبب ایجاد میدان مغناطیسی می‌­شود. سپس، هنگامی که یکی از بارها خاموش شود، جریان خط از تعادل خارج شده و ولتاژ­های گذرا v =L (di / dt) را تولید می­کند تا بتواند جریان را در سطح اصلی خود حفظ کند.

به این پدیده ضربه القایی (inductive kick) گفته می‌­شود. ضربه القایی هم در لحظه باز شدن و هم در بسته شدن سوئیچ اتفاق می‌­افتد، اما اثر مخرب این پدیده در هنگام باز شدن سوئیچ بیشتر است. علاوه بر ضربه القایی، نویز می‌­تواند با خطوط انتقال توان، به سایر مدارات حساس منتقل شده و عملکرد برد الکترونیکی را دچار اختلال کند.

electronic-board-transient-voltage

EMP و RFI

هر چیزی که قوس الکتریکی یا جرقه ایجاد کند، سبب تابش پالس­ های الکترومغناطیسی (EMP) یا تداخل فرکانس رادیویی (RFI) می­شود. تخلیه الکتریکی به سبب جرقه، بیش از هر منبع نویز دیگری در تجهیزات دیجیتال آسیب ایجاد می‌کند. قوس­‌ها و جرقه‌­ها در سیستم جرقه زنی خودرو، موتورهای برقی، سوئیچ­‌ها، تخلیه‌­های ایستا و غیره اتفاق می‌­افتد. موتورهای برقی دارای کموتاتور از جمله موتورهای DC و موتورهای (AC / DC) یونیورسال که به صورت دستی روشن می­شود، با حرکت برا‌‌ش‌­ها از یک نوار به نوار دیگر قوس تولید می‌کنند. در سوئیچ­ها، همان ضربه القایی باعث می­‌شود که با باز و بسته شدن یک سوئیچ جرقه ایجاد شود.

radio-frequency-interference

ESD در برد الکترونیکی

تخلیه الکترواستاتیک (electrostatic discharge) جرقه ای است که در اثر تخلیه بار ایستایی ایجاد می­شود؛مانند جمع شدن بار ایستایی ناشی از راه رفتن شخص بر روی فرش و تخلیه آن به یک صفحه کلید. در یک محیط خشک، یک فرد می‌تواند ولتاژ ثابت ۳۵ کیلوولتی را جمع کند که پالس ناشی از تخلیه الکترواستاتیک آن می‌تواند دارای سرعت بسیار سریع ۴A / ns  باشد. مقدار ولتاژ حاصل از اعمال یک پالس جریان ESD در چند اینچ سیم مستقیم از رابطه‌ی L (di / dt) محاسبه می­شود. ۲ اینچ سیم مستقیم در حدود ۵۰nH خاصیت القایی دارد که شاید این مقدار، ناچیز به نظر برسد اما اگر مقدار(di / dt) برابر ۴A / ns  در نظر گرفته شود، تغییر ولتاژ حاصل ۲۰۰V خواهدبود. بدیهی است، در طراحی سیستم‌هایی که قرار است در معرض این پدیده قرار گیرند، باید حساسیت به ESD در نظر گرفته شود.

electronic-board-electric-discharge

نویز زمین

جریان­ های موجود در خطوط زمین، منابع دیگر نویز هستند. از جمله می­توان به جریان ۵۰ هرتز از خطوط منبع، تداخلRF، تلاقی سیگنال­‌هایی که از این سیم به عنوان مسیر بازگشت سیگنال، به طور مشترک استفاده می­کنند و غیره اشاره کرد. نویز در خطوط زمین اغلب به عنوان حلقه زمین (ground loop) شناخته می­شود. مفهوم اصلی حلقه زمین در شکل زیر نشان داده شده است.

مسئله این است که زمین واقعی در تمام نقاط دارای یک پتانسیل یکسان نیست. اگر دو انتهای یک سیم در نقاط مختلف زمین قرار داشته باشد، اختلاف ولتاژ بین دو نقطه “زمین” می­تواند جریان­های قابل توجهی (چندین آمپر) را از طریق سیم هدایت کند. یک سیم را جزئی از یک حلقه در نظر بگیرید که علاوه بر سیم، یک منبع ولتاژ دارد که ناشی از وجود اختلاف پتانسیل بین دو نقطه از زمین است. بنابراین در چنین شرایطی یک حلقه کلاسیک “زمین” وجود دارد! این اصطلاح برای اشاره به هر جریان ناخواسته (و اغلب غیر منتظره) در یک خط زمینی به کار می­‌رود.

electronic-board-ground-loop

نویز تابشی و رسانشی

نویز تابشی یا Radiated noise نویزی است که به صورت تابش الکترومغناطیسی مانند EMP و RFI می­‌تواند وارد مدار شود. این نویز با ایجاد ولتاژهای اضافی در برد الکترونیکی باعث ایجاد مشکل می­‌شود و یکی از راه­های مقابله با آن، دقت در layouts و استفاده از تکنیک­های حفاظت (shielding) است.

نویز رسانشی یا Conducted Noise نویزی است که معمولا به عنوان یک ولتاژ خارجی، به طور مستقیم از طریق خطوط برق  AC  یا  DC وارد برد می‌شود که برای کاهش آن می­توان از فیلترها استفاده کرد، اگرچه layout ها و تکنیک‌های زمین کردن نیز در اینجا مهم هستند.

electronic-board-radiation-noise

انواع عیوب ناشی از نویز در برد الکترونیکی

تا اینجا، انواع روش‌هایی که ممکن است به یک برد الکترونیکی نویز وارد شود را بررسی کردیم. همان طور که مشاهده کردید برخلاف انتظار، در بردهای الکترونیکی دیجیتال نیز نویز مسئله مهمی است که باید حتما در نظر گرفته شود. در ادامه انواع عیوبی که نویز در مدارهای الکترونیکی ایجاد می‌کند را معرفی کرده و در مورد برخی راه‌حل‌های جلوگیری از آنها، صحبت خواهیم کرد.

عیوب نرم افزاری در برد الکترونیکی

یکی از مشکلات اساسی که EMI می‌تواند در سیستم‌های دیجیتال ایجاد کند، رخداد عیب­‌های متناوب در هنگام عملکرد برد الکترونیکی است. این ایراد نرم‌افزاری زمانی رخ می‌دهد که سیستم در زمانی که یک منبع نویز فعال است، شروع به کار کند و معمولاً با از دست دادن اطلاعات یا جهش برنامه به محلی تصادفی در حافظه همراه است. در این موارد معمولا هیچ آسیبی به سخت ­افزار وارد نشده و عملیات عادی می­تواند به محض غیر فعال شدن منبع نویز به حالت نرمال برگردد. از سرگیری عملکرد نرمال معمولاً نیاز به تنظیم مجدد دستی یا خودکار دارد و احتمالاً اطلاعات از دست رفته نیز باید دوباره وارد شود.

تخلیه الکترواستاتیک از پرسنل, نه تنها موجب عیوب نرم‌افزاری می‌شود، بلکه ممکن است به سخت­ افزار سیستم نیز آسیب جدی وارد کند. رخداد این اتفاق, حتی نیاز به کارکردن سیسم ندارد. گاهی اوقات عیب دائمی پنهان بوده و نمود نتایج آن با تاخیر همراه است، این بدان معناست که آسیب اولیه ممکن است اندکی کمتر از حد خرابی باشد و با گذشت زمان و تشدید فشار بر سیستم، خرابی دائم در سیستم به وقوع بپیوندد.

electronic-board-software-upset

در ادامه بحث عیوب نرم ­افزاری وارد بر سیستم، گذراهای حاصل از نویز می­توانند از طریق هر pin، حتی pin  خروجی باعث آسیب به تراشه شوند. زیرا هر pin روی تراشه از طریق یک اتصال pn به زیرلایه متصل می‌شود. با این حال آسیب‌پذیرترین pin خط VCC است زیرا دسترسی مستقیم به تمام قسمت‌های تراشه اعم از هر رجیستر, گیت، فلیپ فلاپ، بافر و … دارد.

اختلال در ولتاژ بایاس

یکی از مکانیزم­ های خرابی مرتبط با ESD، مربوط به ولتاژ بایاس زیرلایه (substrate) تراشه است. روی بعضی از تراشه­ های CPU ولتاژ زیرلایه توسط یک اسیلاتور تغییر فاز که در یک مدار کلمپ خازن / دیود کار می­کند در ۲.۵v- نگه داشته می­‌شود که در حلقه‌­های طراحی تراشه، به آن پمپ شارژ (charge pump) گفته می­‌شود. اگر این زیرلایه در هر جهت (ولتاژ منفی یا مثبت) دچار تغییرات زیادی شود، در روند خواندن برنامه خطا رخ می­‌دهد. هم­چنین آسیب‌های ناشی از اکسید شدن سطح زیرلایه باعث افزایش جریان نشتی می­‌شود که در نتیجه آن پمپ بار را پایین می­آورد و ولتاژ زیرلایه را به یک سطح حاشیه ای و یا غیرقابل قبول می­‌رساند. و درنتیجه سیستم تا زمان جابجایی تراشه CPU، غیرقابل اعتماد یا کاملاً غیرقابل استفاده است.

electronic-board-voltage-bias

تراشه­هایی که دارای زیرلایه ای متصل به زمین هستند، در شرایطی می­توانند برخی از آسیب­های اکسید را بدون اینکه در عملکردشان دچار مشکل شوند، تحمل کنند. در این حالت آسیب سبب افزایش جریان نشتی می­شود اما تا زمانی که ولتاژ زیرلایه، مقدار مطلوب طراحی خود را حفظ کند، میزان خسارت تا حد زیادی پنهان باقی خواهد ماند. بنابراین باید در نظر داشت که اتصال پین­ های محافظت نشده به صفحه کلید یا هر چیزی که باعث تخلیه­ های الکترواستاتیک می­شود، پیکربندی بسیار خطرناکی را ایجاد می­کند و پردازنده، صرف‌نظر از نوع آن، با اتصال محافظت نشده به صفحه کلید، در نهایت از بین خواهد رفت.

آسیب حرارتی در برد الکترونیکی

ذکر این نکته حائز اهمیت است که علاوه بر تراشه­ های MOS، تراشه­ های دو قطبی و خطی نیز مستعد آسیب دائمی ESD بوده و می­‌توانند از این طریق آسیب ببینند. اتصالات PN که باعث خرابی سخت­ افزاری می­شود، خرابی ثانویه حرارتی نام دارد و در آن یک spike جریان، مانند جریان تخلیه الکترواستاتیک باعث می­‌شود نقاط میکروسکوپی موضعی در محل اتصال به دمای ذوب نزدیک شوند. حتی تراشه­ های TTL توان پائین نیز از این آسیب مصون نیستند.

تعداد مکانیزم­های خرابی ممکن، نسبتا زیاد است. یک گذرای حاصل از نویز در زیرلایه، در زمان نامناسب، می­تواند باعث ایجاد خطا در روند خواندن برنامه ‌شود. به عنوان مثال؛ یک سطح نادرست در ورودی کنترل می­‌تواند باعث شود که یک OPcode بیرونی و یا غلط، fetch شود. یک اغتشاش در خط تغذیه می‌­تواند باعث تغییر ناخواسته و تصادفی یک بیت در کانتر برنامه و یا رجیستر­ها شود. هم­چنین قطع کوتاه یا معکوس شدن قطبیت در خط تغذیه، نیز باعث می­‌شود پردازنده خاموش شود اما نه به اندازه کافی طولانی که خازن تنظیم مجدد برق، بتواند کامل تخلیه شود. بنابراین هنگامی که گذرا به پایان رسد، تراشه بدون تنظیم مجدد، دوباره شروع به کار می­‌کند.

در انتها با تاکید بر این نکته که مشکلات ناشی از نویز از جمله گذرا­ها از پین ­های یک تراشه نشات می‌­گیرد، می‌­توان نتیجه گرفت که این تراشه نیست که باعث جمع شدن نویز می‌شود بلکه کل برد الکترونیکی است!

حلقه‌­های جریان در برد الکترونیکی

عبور جریان الکتریکی نیاز به مسیر بسته دارد! همین واقعیت ساده گاهی توسط مهندسان با تجربه، سهوا نادیده گرفته می­‌شود. نادیده گرفته شدن حلقه جریان احتمالاً مدیون اختراع نماد زمین در مدار است. زمین در مدار، یک سینک نامتناهی جریان است که تا هر مقدار جریان می­‌تواند وارد آن شود و فراموش شود، اما از بین نرفته است. زیرا باید به منبع خود برگردد تا یک حلقه بسته شکل گیرد. هندسه فیزیکی یک حلقه جریان معین، کلید اصلی تولید EMI، چرایی ابتلا به EMI و چگونگی محافظت در برابر آن است.

electronic-board-grounding

عبور جریان الکتریکی از یک سیم، باعث ایجاد یک میدان مغناطیسی در اطراف آن سیم می­شود که شدت آن به طور معکوس با فاصله از سیم متفاوت است. دو سیم موازی حامل جریان­های +I و -I (همانطور که در خطوط تغذیه سیگنال و برگشت آن وجود دارد) می­‌توانند میدان مغناطیسی در نزدیکی سیم­ها تولید کنند (فاصله یک نقطه معین از یک سیم به طور قابل توجهی با فاصله از سیم دیگر متفاوت باشد، زیرا در فاصله­‌ی مساوی از سیم­ها، دو میدان اثر هم را خنثی می­‌کنند). بنابراین، حفظ نزدیکی بین مسیرهای تغذیه و بازگشت آن یک راه­ حل مهم برای به حداقل رساندن تداخل میدان­ها با سیگنال­های دیگر است. در واقع راه حفظ نزدیکی آنها، به حداقل رساندن مساحت حلقه آنهاست.

بنابراین به منظور کاهش EMI و هم­چنین حساسیت نسبت به EMI، باید مساحت حلقه­ های جریان در برد الکترونیک حداقل باشد. به عبارت دیگر القای برد باید به حداقل برسد.

شبیه سازی محیط

اگر بخواهید بعد از اتمام طراحی سیستم به مشکلات ناشی از نویز بپردازید باید هزینه زیادی پرداخت کنید. با صرف اندکی زمان و هزینه برای بررسی نویز و تجهیزات مورد نیاز برای شبیه سازی آن، می­توان تست­های کنترل شده‌ای انجام داد که در نتیجه در طولانی مدت مقرون به صرفه خواهدبود.

شبیه سازی نویز محیط، یک فرآیند دو مرحله‌ای است که در طی آن ابتدا باید مشخص شود نویزهای محیط چیست، یعنی شما باید بدانید که چه نوع نویزهای الکتریکی در محیط وجود دارد و کدام یک باعث ایجاد مشکل می‌شود. مرحله­‌ی بعد، تولید نویز الکتریکی در نرم‌افزار به روش کنترل‌ شده می‌باشد. البته انجام این کار نیاز به تخصص و تجربه دارد ولی از بسیاری از هزینه‌های ناخواسته جلوگیری می‌کند!

حرف آخر

در تصور اولیه ممکن است به نظر برسد که نویز فقط در مدارهای آنالوگ تاثیرگذار است. این تصور خیلی دور از انتظار هم نیست؛ چرا که در یک سیستم دیجیتال تنها مقادیر ۰ و ۱ وجود دارد و تغییرات کوچک در سیگنال، باعث تغییر در مقدار ۰ یا ۱ نمی‌شود. اما همان‌طور که دیدید شرایط بسیارمتنوعی وجود دارد که می‌تواند نویز را در یک برد الکترونیکی دیجیتال به یک مسئله جدی تبدیل کند. در مطلب بعد راجع به روش‌های حفاظت از برد الکترونیکی در برابر نویز صحبت خواهیم کرد.

از اینکه نظرات‌تان را با ما در میان می‌گذارید متشکرم!

فروزان فلاح

برای دریافت آخرین اخبار نوژان ایمیل خود را وارد نمائید
2 دیدگاه
  1. باسلام
    اگر ولتاژ Acروی مدارDcسوار شود چه تاثیری روی ورودیهای دیجیتال برد دارد

دیدگاه خود را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

مطالب مشابه