電子電路設(shè)計中的抗干擾措施

孟祥荔

（天津市第一輕工業(yè)學(xué)校，天津 300232）

0 引言

電子干擾對于電子電路的可靠性是一個極大的威脅，進(jìn)而也會對電子電路工作能力產(chǎn)生影響。干擾一旦存在，電子電路是不可能安穩(wěn)工作的，特別是在工作條件異常艱苦、干擾源既強(qiáng)大又多樣的情況下，更是如此。故而在設(shè)計環(huán)節(jié)，干擾和抗干擾是要重點(diǎn)考慮的問題。首先要保證不能受到別的產(chǎn)品的干擾，其次也不能擾亂別的產(chǎn)品的工作。不過，在工作中幾乎是不可能完全避免電氣噪聲和電磁干擾的出現(xiàn)，因此即便是再優(yōu)秀的產(chǎn)品業(yè)不能實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。但噪聲和干擾是會影響設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的，故而在設(shè)備成型之后依舊需要加裝抗干擾裝置，這項(xiàng)工作不但會浪費(fèi)人力成本，也會加大資金成本的投入，且還可能會影響產(chǎn)品的性能。鑒于此，在設(shè)計之初，干擾抑制方案就必須要考慮進(jìn)去。

1 干擾的定義

干擾就是妨礙系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的不利因素，可以來自于外界也可以產(chǎn)生于產(chǎn)品內(nèi)。在大的層面上來看，機(jī)電一體化系統(tǒng)中的干擾有很多：電磁干擾、溫度干擾和振動干擾等。其中電磁干擾出現(xiàn)的頻率最高，并且也是控制系統(tǒng)最大的敵人，至于其他的干擾一般都可以借助一些物理手段來處理的。

電磁干擾表述的是在工作條件下，因環(huán)境原因而出現(xiàn)的與有用信號沒有關(guān)聯(lián)的，同時又對系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)和信息傳遞有不利影響的電氣變化現(xiàn)象。它會使數(shù)據(jù)出現(xiàn)瞬態(tài)突變，將誤差放大，乃至于產(chǎn)生假象，甚至由這些異常信號導(dǎo)致系統(tǒng)故障。

每個干擾都是有源頭的，這些干擾源有的存在于系統(tǒng)之外，有的也是在系統(tǒng)之內(nèi)。電子系統(tǒng)的干擾信號種類很多，對于內(nèi)部干擾源而言，最主要的就是功率級內(nèi)高頻振蕩電路和功率級開關(guān)電路產(chǎn)生的噪聲。反觀外部干擾源，有的是來自于周邊大功率用電設(shè)備的啟停，也有自然環(huán)境中雷電帶來的干擾。

在實(shí)際環(huán)境中，干擾源是無法去除的，因此，以徹底清除干擾源的方式確保電路的正常運(yùn)轉(zhuǎn)是不可能的。最好的方式就是根據(jù)實(shí)際環(huán)境阻遏干擾，強(qiáng)化系統(tǒng)對于不良干擾的應(yīng)對能力，進(jìn)而保證電子電路的運(yùn)行不受影響。

2 電子電路中常見的抗干擾技術(shù)

（1）來自電網(wǎng)的干擾。在工程上，發(fā)電廠出來的都是交流電，在電路中使用的直流電源，基本都是經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn)壓的處理得到的。因此，在這個過程中，很容易摻入干擾信號，隨著干擾信號的加入系統(tǒng)也就不再穩(wěn)定了。

（2）來自信號地之間的干擾。信號地指代信號電路、邏輯電路和控制電路的地。其連接勢必會借助導(dǎo)線來實(shí)現(xiàn)，但是考慮到導(dǎo)線自身肯定會有阻抗，因此不同導(dǎo)線的電流也是有差異的。故而，也會帶來各個接地點(diǎn)電流的差異，進(jìn)一步來看，各個點(diǎn)電位也是不一樣的。一般電路之間是要加設(shè)接地點(diǎn)的，希望以此來降低電流流經(jīng)公共阻抗時出現(xiàn)的耦合干擾，與此同時，要注意不能產(chǎn)生地環(huán)路電流，后者一旦出現(xiàn)就會和別的線路出現(xiàn)耦合干擾。

（3）來自信號通道的干擾。測量、控制和通信如果發(fā)生在兩點(diǎn)距離較遠(yuǎn)的情況時，系統(tǒng)中輸入輸出信號線就會變得非常長，兩線之間的間距又會比較近，信號在線內(nèi)進(jìn)行傳遞時，周邊磁場就會產(chǎn)生干擾，即使是相近的兩信號線之間也會出現(xiàn)串?dāng)_，甚至于地線都會出現(xiàn)干擾，如此一來，傳輸?shù)男盘柧蜁д?，進(jìn)而影響到電路的穩(wěn)定運(yùn)行。

（4）來自雜散電磁場的干擾。當(dāng)放大電路附近出現(xiàn)雜散電磁場時，內(nèi)部的輸入電路與某些部件都將位于不斷變化的電磁場中，就會出現(xiàn)干擾電壓。對于一個放大器而言，特別是在倍率較高時，如果第一級出現(xiàn)干擾電壓，即便是只有一點(diǎn)點(diǎn)，但是經(jīng)過逐級放大，到最后輸出端出現(xiàn)的就是一個極大的干擾電壓。

通過對上述4種干擾進(jìn)行分析，破壞性最大的就是來自電網(wǎng)和信號地之間的干擾，排在第二級的則是信號通道產(chǎn)生的干擾。此外，信號輻射的干擾也是存在的，但這一般不太重要，在處理措施上，只要能夠保證系統(tǒng)和干擾源留有一定的距離，或者有一定的屏蔽措施，就能夠妥善處理。

3 抗干擾措施

3.1 抗電網(wǎng)干擾的措施

（1）交流穩(wěn)壓器。該設(shè)備主要的作用就是為了確保供電的穩(wěn)定，主要是防止電源出現(xiàn)過電壓和欠電壓，進(jìn)而保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。市場情況反應(yīng)，交流穩(wěn)壓器在價格上并不便宜，故而對于小型的電子電路而言，該設(shè)備不具有可選性，只有在大型電子電路中，或是明確指出需要嚴(yán)格抗干擾時，才會被采用。

（2）電源濾波器。它在電路中位于變壓器之前，實(shí)現(xiàn)的功能就是只放過交流50 Hz基波，其他的高頻干擾信號則會被阻隔下來，如此一來就可以明顯的改良電源波形。

（3）帶有屏蔽層的電源變壓器。分布電容一般存在于一次線圈和二次線圈之間，這是高頻干擾信號最關(guān)鍵的通道，如果在此間多加一個金屬屏蔽層，然后將其設(shè)備接地，就能夠很明顯的降低分布電容值，由此也能夠避免干擾流入二次側(cè)。

（4）雙T濾波器。不可否認(rèn)，濾波的存在將有效的阻止干擾的傳播?，F(xiàn)實(shí)情況表明，來自于干擾源的電磁干擾的頻譜是要明顯寬于待接收信號的。即接收器不僅會收到其想收的目標(biāo)信號，還會接收到一些干擾信號。此時濾波的目的就在于此，有了濾波的存在，就能夠只收到目標(biāo)信號，并去除干擾信號了。

（5）（0.01～0.1）μF的無極性電容。該元件旨在過濾高頻干擾。

3.2 信號地之間的抗干擾措施

（1）單點(diǎn)接地。就是將所有地線接在一個點(diǎn)上，優(yōu)勢是不會產(chǎn)生環(huán)形地回路，也不會出現(xiàn)地環(huán)流，這就使得某一電路的接地點(diǎn)，只會與此電路的地電流和地阻抗相關(guān)聯(lián)。假設(shè)某些電路電流值十分小，地線之間的電壓也非常小，那么這種電路在距離比較近的時候，就允許采用單點(diǎn)接地，考慮到其地線是比較短的，所以電壓也比較小，使相互之間的干擾也小多了。

（2）串聯(lián)接地。串聯(lián)接地表示的是所有接地點(diǎn)都依次連接在一個地線上，由于串聯(lián)的特性，公用地線電流也就是所有接入地線電流之和。故而，各電路電位都受其他電路干擾，噪聲也就借助這些公共地線進(jìn)行耦合。在抗干擾的層面上來看，這種接線方式是不正確的。不過，這種接法極為便捷，因此在工程中也有應(yīng)用。這一點(diǎn)，在印制電路板的案例中最為明顯。

（3）多點(diǎn)接地。經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，接地母線的制作工藝一般都是寬銅皮鍍銀，以此來減小阻抗。具體做法是將所有電路的地線都接到附近的母線上，優(yōu)點(diǎn)是能夠有效的減小阻抗。常見于數(shù)字電路中。該電路中主要部件就是印刷板，其地線一般接在機(jī)架的母線上，然后母線的一側(cè)連接直流電源地線，值得一提的是這種模式僅用于高頻電路。

（4）模擬地和數(shù)字地。電子電路里的信號是多樣的，不僅含有數(shù)字信號還含有模擬信號，并且數(shù)字電路經(jīng)常處于啟停狀態(tài)，電流經(jīng)常有大幅度的波動，這種情況下如果還是使用電耦合，那么地線之間必然會出現(xiàn)干擾，進(jìn)而使得模數(shù)轉(zhuǎn)換多樣。處理方案是，備好2套整流電路，將模擬電路和數(shù)字電路分開，至于兩個信號之間就需要借助光耦合器來耦合了，如此一來就完成了地線之間的隔離。

3.3 信號通道中的抗干擾措施

（1）雙絞線傳輸，這種方案里各信號皆有2條互絞的線來傳輸，分別是信號線和地線。該模式在抗干擾領(lǐng)域中，多運(yùn)用在抑制空間電磁干擾、線間串?dāng)_和信號地線干擾等。空間電磁場在各個絞環(huán)中帶來的感應(yīng)電動勢都是一樣的，不過在每條線上，感應(yīng)電動勢是能夠抵消的。故而，多數(shù)情況下對傳輸信號是沒有影響的。此外，在關(guān)聯(lián)的2條線上，信號電流是等大反向的，也就是說雙絞線是能夠處理串?dāng)_的，因?yàn)槠鋵ζ渌€是沒有互感的。再然后，每個信號的地線是相互分開的，這樣就能夠阻止信號經(jīng)過地線時的干擾。

在使用這種方案時，需要考慮的問題：①對于長線傳輸需要重點(diǎn)考慮阻抗匹配問題，如果處理不當(dāng)就會出現(xiàn)傳輸反射，就會使信號被破壞。②即便是同一電子系統(tǒng)，信號線間也有串?dāng)_的存在，但是信號線比較短，故而影響也就相對較小。這里需要重點(diǎn)注意的是，強(qiáng)信號線與弱信號線需要分開布線。

對于數(shù)字信號長線傳輸而言，考慮到傳輸距離的差異，雙絞線的運(yùn)用方式也是不一樣的。如果傳輸距離＜5 m，那么發(fā)送和接收端要1個負(fù)載電阻。如果距離比較遠(yuǎn)時，或者途徑區(qū)域有大的噪聲時，就可考慮使用平衡輸出的驅(qū)動器和平衡輸入的接收器。

（2）光電耦合器的組件有發(fā)光二極管和光敏三極管，這兩者需要各自經(jīng)過絕緣處理，再被封在一起。這樣做的好處就是能夠抵抗各種噪聲的干擾，同時還能抑制尖峰脈沖，然后綜合性提升信噪比。信號是由發(fā)光二極管引進(jìn)的，光線會進(jìn)一步的傳播到光敏三極管基極上，由此就完成了光信號向電信號的轉(zhuǎn)變，同時再從集電極輸出。這就能夠看出，輸入與輸出之間是能夠相互隔開的，兩者間僅是光耦合，在電上是沒有關(guān)聯(lián)的。兩者的獨(dú)立性也就比較高了。

假設(shè)在電子系統(tǒng)中，各個輸入信號線和輸出信號線都使用的光電耦合器傳輸信號，那么之前出現(xiàn)的信號地線干擾，乃至于信號線噪聲干擾都是能夠避免的。主要原因是兩者地是相互獨(dú)立的，也就不會出現(xiàn)地線干擾了。然后，光耦合器輸入的阻抗是非常小的，但是其上的噪聲信號內(nèi)阻又是比較大的。故而，縱然噪聲信號的幅值比較大，但是經(jīng)過光耦合器時噪聲基本上是極小的，在影響上頂多產(chǎn)生很小的電流，基本上都不會使二極管發(fā)光，所以這也就阻止了噪聲信號的傳輸。

3.4 雜散電磁場的抗干擾措施

（1）合理布局。在電子電路中，分布參數(shù)有著很大的意義，其事關(guān)被測電路元器件布置是否合理。高增益和高頻電路的輸入和輸出之間要有一定的距離。對有輸入變壓器的放大器而言，需要做的工作就是將變壓器內(nèi)的線圈布置的和干擾磁場垂直，進(jìn)而來降低干擾電壓。電路的所有布線都要規(guī)范化、科學(xué)化，連線之間不要存在冗余。交流、直流、弱信號等線要盡可能分開走，并且還要避免平行布線。鋪設(shè)的線路越長，其受到的干擾就越大。

（2）屏蔽。屏蔽分為2種：靜電屏蔽和磁屏蔽。在實(shí)施上是用屏蔽罩罩住干擾源，特別是要關(guān)注放大器的第一級，第一級的信號線選取十分重要，一般使用帶有金屬套的屏蔽線，后者外套還要進(jìn)行接地處理。

當(dāng)抗干擾需求比較嚴(yán)苛?xí)r，就需要對放大器自身做處理了，一般是將其屏蔽起來。靜電屏蔽有一個共同的特點(diǎn)，就是會使用電導(dǎo)率較高的物質(zhì)，在本質(zhì)上進(jìn)行分析就是屏蔽罩接地以后，干擾電流就會經(jīng)過它流入地下。同理，磁屏蔽運(yùn)用的則是高磁導(dǎo)率的磁性材料。此外經(jīng)過大量測試，屏蔽罩的形式也會帶來一定的影響，圓柱形屏蔽罩在測試中性能最好。

4 結(jié)束語

綜上所述，電磁干擾在電子電路中是隨處可見的，假如電路沒有很強(qiáng)的抗干擾能力，縱然是再優(yōu)秀的設(shè)計，都不可能確保系統(tǒng)能夠穩(wěn)定工作。此外，唯有經(jīng)過長年累月的實(shí)踐積累，才能夠設(shè)計出最符合實(shí)際、最為科學(xué)合理的電子電路。