對(duì)數(shù)字電路抗干擾設(shè)計(jì)的探討

付婷

（貴州師范大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院，貴州貴陽(yáng) 550001）

對(duì)數(shù)字電路抗干擾設(shè)計(jì)的探討

付婷

（貴州師范大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院，貴州貴陽(yáng) 550001）

由于數(shù)字電路的快速發(fā)展及時(shí)脈的不斷提升，電磁干擾的現(xiàn)象越來(lái)越受到重視。差模傳輸?shù)碾姶鸥蓴_現(xiàn)象比共模傳輸小，所以很多高速傳輸已經(jīng)漸漸地改用差模的方式來(lái)傳輸。在差模傳輸中，一個(gè)信號(hào)需要用到兩條相位完全相反信號(hào)線來(lái)傳輸，然而在某些情況下這兩條線信號(hào)沒(méi)有完全同步地相位相反，那么就會(huì)產(chǎn)生共模的干擾信號(hào)，當(dāng)干擾提升時(shí)，甚至?xí)绊懶盘?hào)的完整度。本文的主要目的是在探討數(shù)字電路中非等長(zhǎng)的差模傳輸線所產(chǎn)生的相位問(wèn)題及對(duì)于信號(hào)完整度的影響。

數(shù)字電路 抗干擾 差模 共模

1 數(shù)字電路抗干擾研究的意義

隨高速電腦的發(fā)展，CPU時(shí)脈不斷的提升，PCB所能夠承受的時(shí)脈性能也相對(duì)地需要跟著增加。為了提高傳輸?shù)男?，則必須降低電磁干擾的現(xiàn)象。如何設(shè)計(jì)較低電磁干擾的傳輸線，是目前高速數(shù)字時(shí)代非常重視的問(wèn)題。要解決傳輸線的電磁干擾問(wèn)題，首先需要從平行線去探討，因?yàn)閮蓷l垂直的傳輸線的電磁干擾非常小，而兩條很靠近的平行線之間存在的電容效應(yīng)及電感效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生串音（cross talk）的干擾現(xiàn)象。在差模的傳輸中，電磁幅射的現(xiàn)象較共模傳輸小，也即信號(hào)的能量損失較小，于是能夠保有較好的信號(hào)完整度且對(duì)于其它傳輸線的干擾比較小，因此對(duì)于整體的傳輸效能較佳。由于差模傳輸線能夠有效地解決串音現(xiàn)象，所以在數(shù)字電路的傳輸線中，已經(jīng)漸漸地采用差模的傳輸方式。然而在高速數(shù)字電路中，效能是比較受到重視的，因此雖然使用差模傳輸需要付出額外的成本，但是這種額外的付出在效能提升的考量之下，是普遍可以接受的。

2 數(shù)字電路的干擾機(jī)理分析

一是共模與差模傳輸線干擾現(xiàn)象的機(jī)理分析。共模與差模傳輸線的干擾需要有一個(gè)基本的了解，就是兩條平行傳輸線之間的電感效應(yīng)所造成的干擾現(xiàn)象遠(yuǎn)大于電容效應(yīng)所造成的干擾現(xiàn)象。當(dāng)傳輸線越長(zhǎng)時(shí)，電感效應(yīng)所造成的干擾現(xiàn)象會(huì)更加地明顯，因?yàn)殡姼行?yīng)所造成的干擾現(xiàn)象與傳輸線的長(zhǎng)度成正比。電容效應(yīng)所造成干擾現(xiàn)象的大小則與傳輸線的長(zhǎng)度無(wú)關(guān)當(dāng)傳輸線越長(zhǎng)時(shí)，這種差異會(huì)更大，所以差模傳輸線適用于高速與長(zhǎng)度較長(zhǎng)的場(chǎng)合。

二是不同步的差模傳輸線干擾現(xiàn)象的機(jī)理分析。差模傳輸在同步時(shí)有很好的抗干擾表現(xiàn)，但是當(dāng)兩條線的信號(hào)不完全同步時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生如前所述之共模干擾現(xiàn)象。共模的干擾現(xiàn)象遠(yuǎn)大于差模的干擾現(xiàn)象。所以在差模傳輸中盡量避免信號(hào)不同步的情況，才能使差模的傳輸達(dá)到最佳的狀態(tài)。然而實(shí)際在應(yīng)用時(shí)，經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生信號(hào)不同步的情況，因?yàn)樵诓季€時(shí)，轉(zhuǎn)角是很難避免的，而轉(zhuǎn)角就會(huì)造成平行線的長(zhǎng)度不一致，所造成信號(hào)傳輸?shù)牟煌剑簿驮斐闪烁蓴_現(xiàn)象的增加。

3 數(shù)字電路抗干擾設(shè)計(jì)常用措施分析

（1）抑制干擾源。抑制干擾源就是盡可能減小干擾源的du/dt，di/dt，這是抗干擾設(shè)計(jì)中最優(yōu)先考慮和最重要的原則，主要通過(guò)在干擾源兩端并聯(lián)電容來(lái)實(shí)現(xiàn)。減小干擾源的di/dt，則是在干擾源回路串聯(lián)電感或電阻以及增加續(xù)流二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)。抑制干擾源的常用措施為；第一，繼電器線圈增加續(xù)流二極管，消除斷開(kāi)線圈時(shí)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)干擾。只加續(xù)流二極管會(huì)使繼電器的斷開(kāi)時(shí)間滯后，增加穩(wěn)壓二極管后繼電器在單位時(shí)間內(nèi)可動(dòng)作更多的次數(shù)；第二，在繼電器接點(diǎn)兩端并接火花抑制電路，減小電火花影響；第三，給電機(jī)加濾波電路，注意電容、電感引線要盡量短；第四，電路板上每個(gè)IC要并接一個(gè)0.01uF～0.1uF高頻電容，以減小IC對(duì)電源的影響。注意高頻電容的布線，連線應(yīng)靠近電源端并盡量粗短，否則，等于增大了電容的等效串聯(lián)電阻，會(huì)影響濾波效果；第五，布線時(shí)避免90度折線，減少高頻噪聲發(fā)射；第六，可控硅兩端并接RC抑制電路，減小可控硅產(chǎn)生的噪聲。

（2）切斷干擾傳播路徑。干擾的傳播路徑基本分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩類。傳導(dǎo)干擾是指通過(guò)導(dǎo)線傳播到敏感器件的干擾。高頻干擾噪聲和有用信號(hào)的頻帶不同，可以通過(guò)在導(dǎo)線上增加濾波器的方法切斷高頻干擾噪聲的傳播，有時(shí)也可加隔離光耦來(lái)解決。電源噪聲的危害最大，要特別注意處理。輻射干擾是指通過(guò)空間輻射傳播到敏感器件的干擾。一般是增加干擾源與敏感器件的距離，用地線把它們隔離和在敏感器件上加蔽罩。

（3）提高敏感器件的抗干擾性能。其常用措施為：第一，布線時(shí)，盡量減少回路環(huán)的面積，以降低感應(yīng)噪聲；第二，布線時(shí)，電源線和地線要盡量粗。除了減小壓降外，更重要的是降低耦合噪聲；第三，對(duì)于單片機(jī)閑置的I/O口，不要懸空，要接地或接電源。其它IC的閑置端在不改變系統(tǒng)邏輯的情況下接地或接電源；第四，對(duì)單片機(jī)使用電源監(jiān)控及看門狗電路，如IMP809，IMP706等，可大幅度提高整個(gè)電路的抗干擾性能；第五，在速度能滿足要求的前提下，盡量降低單片機(jī)的晶振和選用低速數(shù)字電路；第六，器件盡量直接焊在電路板上，少用IC插座。

4 數(shù)字電路抗干擾設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)

（1）軟件方面。第一，將不用的代碼空間全清成“0”，等效于NOP，或在跳轉(zhuǎn)指令前加幾個(gè)NOP，目的是可在程序跑飛時(shí)歸位；第二，在無(wú)硬件“看門狗”時(shí)，可采用軟件模擬“看門狗”，以監(jiān)測(cè)程序的運(yùn)行；第三，涉及處理外部器件參數(shù)調(diào)整或設(shè)置時(shí)，為防止外部器件因受干擾而出錯(cuò)，可定時(shí)將參數(shù)重新發(fā)送一遍，使外部器件盡快恢復(fù)正確；第四，通訊中的抗干擾可加數(shù)據(jù)校驗(yàn)位，采用3取2或5取3策略；第五在有通訊線時(shí)，將Data線、CLK線、INH線常態(tài)置以高位，其抗干擾效果要比置低位好。

（2）軟件方面。第一，地線、電源線的布線要盡可能的寬，且成網(wǎng)格狀；第二，線路要去偶；第三，數(shù)字地、模擬地要分開(kāi)；第四，每個(gè)數(shù)字元件在地與電源之間都要加104電容；第五，為防I/O口的串?dāng)_，可將I/O口隔離，可用二極管隔離、門電路隔離、光偶隔離及電磁隔離等方法。

5 結(jié)語(yǔ)

數(shù)字電路信號(hào)在傳輸時(shí)需要考慮其完整性。從本文的探討中得知，為了維持信號(hào)的完整度，在差模傳輸線中，越是高速的信號(hào)，其所容許的平行線長(zhǎng)度差越小。因此對(duì)于高速數(shù)字電路差模傳輸線而言，應(yīng)該盡可能保持兩條線的長(zhǎng)度一致，以避免信號(hào)的完整度受到破壞。然而在布線中難免會(huì)因?yàn)檗D(zhuǎn)角而造成平行線的長(zhǎng)度不一致，如果其長(zhǎng)度差仍在容許范圍內(nèi)，則信號(hào)仍可保有完整性。如果其長(zhǎng)度差已經(jīng)造成了信號(hào)的不完整，則需尋求改善長(zhǎng)度差的方法，以維持信號(hào)的完整性。

［1］張慧玲.淺談數(shù)字電路的抗干擾技術(shù)［J］.中國(guó)科技信息，2006.

［2］王建曉，初偉先，于宏波.單片機(jī)系統(tǒng)硬件抗干擾的方法［J］.山東科學(xué)，2006.