CD4094抗干擾技術(shù)

陳炫均

摘 要 本文提出一種使用CD4094控制感性或容性負(fù)載的方法。經(jīng)過(guò)測(cè)試，該方法可有效提高CD4094可靠性。

【關(guān)鍵詞】群脈沖 CD4094

CD4094使用SPI接口擴(kuò)展接口，價(jià)格便宜，且有較強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力，可以支持級(jí)聯(lián)。因此，使用此芯片可以簡(jiǎn)化線路板之間的連線，并減少單片機(jī)的IO端口使用。然而實(shí)際上4094大多只用于LED顯示的驅(qū)動(dòng)，極少用于控制如繼電器或電磁閥等設(shè)備。究其原因，主要是因?yàn)镾PI接口抗干擾能力較差，串行數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中若收到任何干擾都會(huì)引起嚴(yán)重的錯(cuò)誤，并且在一個(gè)傳輸周期中一旦出錯(cuò)，是難以在這個(gè)周期中恢復(fù)的。因此，本文提出一種解決方案，可以在特定輸出（如繼電器）的環(huán)境下使用CD4094控制，而避免受到干擾的影響，并通過(guò)4000V脈沖干擾測(cè)試儀對(duì)比驗(yàn)證。

1 研究現(xiàn)狀

在國(guó)內(nèi)一般小家電等成本敏感應(yīng)用中，由于電源不能使用過(guò)于昂貴的濾波電路（尤其是開(kāi)關(guān)電源），電源的干擾極易串入通信線路從而引起通訊錯(cuò)誤。若通過(guò)CD4094加上放大電路控制繼電器等設(shè)備，則立即造成繼電器輸出錯(cuò)誤，從而出現(xiàn)預(yù)期之外的輸出甚至出現(xiàn)安全隱患。

因此，在小家電的輸出控制和單片機(jī)在不同板上的情況，只能使用大量的連接線，或者使用雙單片機(jī)的方案，提高系統(tǒng)的物料和工藝成本。

2 CD4094可靠性研究

2.1 CD4094通訊方式受到的干擾

（1）通過(guò)EFT群脈沖發(fā)生器，從電源端輸入高頻脈沖干擾信號(hào)，可以很好的模擬電器使用中，各種開(kāi)關(guān)通斷瞬間產(chǎn)生的電火花對(duì)電源信號(hào)造成的干擾。根據(jù)IEC61000-4-4，第四等級(jí)要求設(shè)備能在峰值達(dá)到4KV，重復(fù)率達(dá)到100kHz，持續(xù)時(shí)間不小于1分鐘的脈沖信號(hào)下穩(wěn)定工作。

（2）在簡(jiǎn)單電源濾波設(shè)備中，脈沖干擾會(huì)經(jīng)過(guò)變壓器耦合進(jìn)入弱電區(qū)域，并引起弱電電源瞬間變化。在CD4094等SPI設(shè)備中，可能引起芯片對(duì)通訊線的誤判，從而導(dǎo)致通訊錯(cuò)誤。

在群脈沖測(cè)試中，VCC電壓出現(xiàn)脈沖跳動(dòng)，甚至低于原來(lái)的低電平判定電平。這時(shí)若通過(guò)CD4094加放大電路控制繼電器，可以聽(tīng)到繼電器一直在跳動(dòng)，這在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)存在很大的安全隱患。

2.2 解決策略

2.2.1 改變strobe針腳空閑時(shí)極性

根據(jù)CD4094真值表可知，在Strobe針腳處于低電平時(shí)，各輸出口會(huì)一直保持原有的電平。因此，盡量縮短Strobe高電平的時(shí)間可以有效降低IC輸出受到干擾的可能性。在試驗(yàn)中，Strobe引腳只在一整個(gè)數(shù)據(jù)字發(fā)送完畢后有1個(gè)微秒的高電平時(shí)間。加上實(shí)際發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間極短，在通訊過(guò)程中與干擾脈沖遇上的時(shí)間極短，因此IC可靠性大大提高。

2.2.2 通過(guò)反饋檢測(cè)數(shù)據(jù)正確性

盡管CD4094允許以較高的速度通訊，縮短通訊時(shí)間。然而還是存在一定的概率在通訊過(guò)程中遇上電源脈沖，造成通訊錯(cuò)誤。

CD4094有一個(gè)QS引腳，可用于級(jí)聯(lián)。在級(jí)聯(lián)的最后一級(jí)QS或Q`Σ輸出接回單片機(jī)的MISO引腳，增加一根通訊線。每一次發(fā)送數(shù)據(jù)后，向Strobe引腳發(fā)送1微秒高電平，然后重發(fā)一次數(shù)據(jù)。此時(shí)，單片機(jī)的MISO引腳就能接收到CD4094緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)，供單片機(jī)檢測(cè)通訊過(guò)程中是否出現(xiàn)錯(cuò)誤。若檢測(cè)到接收與發(fā)送的數(shù)據(jù)一致，說(shuō)明上次通訊正確。由于Strobe針腳一直保持為低，即使在上一次發(fā)送的過(guò)程中出現(xiàn)錯(cuò)誤，也無(wú)法進(jìn)入輸出部分，也就不會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤輸出；若檢測(cè)到接收與發(fā)送的數(shù)據(jù)不一致，說(shuō)明上次或這次通訊極有可能出現(xiàn)錯(cuò)誤，由于這次通訊重發(fā)了一次數(shù)據(jù)，直接向Strobe引腳發(fā)送1微秒高電平即可，然后重復(fù)發(fā)送數(shù)據(jù)，直至接收到的數(shù)據(jù)與發(fā)送數(shù)據(jù)一致為止。由于CD4094的通訊速度較快，通訊時(shí)間極短，因此通訊錯(cuò)誤然后重發(fā)的時(shí)間也極短，在感性或容性負(fù)載，如繼電器、電磁閥等設(shè)備不會(huì)造成錯(cuò)誤輸出。

2.3 電路測(cè)試

在此電路上，控制繼電器交錯(cuò)輸入輸出，此時(shí)，若注入4000V群脈沖干擾信號(hào)，CD4094通訊偶爾會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤的情況。

由圖1可見(jiàn)，在通訊受到干擾而出現(xiàn)輸出錯(cuò)誤時(shí)，由于單片機(jī)得到了來(lái)自QS信號(hào)的反饋，及時(shí)重新發(fā)送，因此錯(cuò)誤輸出只維持了9us，大大小于繼電器、電磁閥等器件的反應(yīng)速度。因此在10分鐘的4000V群脈沖測(cè)試中，所有輸出未出現(xiàn)錯(cuò)誤的情況。

3 結(jié)論

通過(guò)文中的分析及實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以證明，在控制感性或容性輸出的器件時(shí)，若單片機(jī)腳位不足，或是難以使用太多連接線時(shí)（如在不同PCB板上，需要排線連接），通過(guò)CD4094實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展，是完全可以可靠實(shí)現(xiàn)控制的。