數(shù)字電路信號(hào)傳輸抗干擾技術(shù)探究

喬月音

(貴州食品工程職業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽 550008)

0 引言

數(shù)字電路是一種運(yùn)行電路，主要是利用半導(dǎo)體技術(shù)集成各部分元件后形成電子設(shè)備。數(shù)字電路傳輸信息是利用數(shù)字信號(hào)實(shí)現(xiàn)的，具備邏輯處理以及運(yùn)算的功能。數(shù)字電路因?yàn)榫哂屑啥雀叩奶卣鳎偈蛊湓诓杉?、傳輸和采集等環(huán)節(jié)都會(huì)受到電磁環(huán)境、內(nèi)部元件與外界因素的影響，從而形成畸變信號(hào)，使信號(hào)傳輸?shù)木珳?zhǔn)度下降。在設(shè)計(jì)電子設(shè)備的過程中，數(shù)字電路的運(yùn)用頻率非常高，給電子設(shè)備的正常、穩(wěn)定運(yùn)行提供有力保障。若要優(yōu)化數(shù)字電路的抗干擾性能，就需要阻斷干擾傳播路徑、抑制干擾源和優(yōu)化元件抗干擾性能。

1 數(shù)字電路通信中常見的抗干擾技術(shù)

1.1 調(diào)頻技術(shù)

調(diào)頻技術(shù)是一種相對(duì)較為成熟的常見抗干擾技術(shù)，主要用于民用。民用的運(yùn)用量以及頻次都很大，所以需要有較穩(wěn)定的抗干擾技術(shù)支撐。調(diào)頻技術(shù)的主要核心是結(jié)合有關(guān)的規(guī)律進(jìn)行反復(fù)跳變來完成抗干擾，其具備靈活多變的特征。一般情況下，數(shù)字電路通信系統(tǒng)的工作性能能夠通過利用對(duì)其調(diào)速進(jìn)行直接觀察判斷。通信系統(tǒng)的抗干擾能力越強(qiáng)調(diào)速就越快，反之，抗干擾能力越弱調(diào)速就越慢[1]。

1.2 擴(kuò)頻技術(shù)

擴(kuò)頻技術(shù)的作用主要是將數(shù)字電路通信中傳輸與接收的信號(hào)通過一種隱藏性模式附在噪聲中。在實(shí)際運(yùn)用中，直接序列擴(kuò)頻技術(shù)是一種最常見的方式。利用這樣的方式能夠?qū)⒏蓴_有效的控制到最小甚至徹底消除，使人們?cè)趯?shí)際應(yīng)用期間可以獲得理想、優(yōu)質(zhì)的通信體驗(yàn)，并廣泛應(yīng)用于日常生產(chǎn)和生活中。

1.3 混合技術(shù)

混合技術(shù)主要是混合各種抗干擾技術(shù)后形成的，其運(yùn)用諸多種類的抗干擾技術(shù)，將它們進(jìn)行組合并最大限度呈現(xiàn)其各自的優(yōu)勢(shì)，拋棄這些技術(shù)的不足，混合形成的一項(xiàng)技術(shù)。雖然利用混合技術(shù)比單一使用抗干擾技術(shù)的成本高且更加復(fù)雜，但該技術(shù)把各種抗干擾技術(shù)進(jìn)行充分結(jié)合、綜合運(yùn)用，在很大程度上提升了數(shù)字電路通信的抗干擾能力。不管是通信質(zhì)量還是對(duì)抗諸多干擾因素方面，都具有顯著的促進(jìn)作用。雖然使用混合抗干擾技術(shù)在短時(shí)間內(nèi)增加了管理、人工以及設(shè)備方面的投入成本，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的角度看，此項(xiàng)技術(shù)的分?jǐn)偝杀据^低，使用比較經(jīng)濟(jì)。

2 數(shù)字電路通信中干擾形成的基本要素

在對(duì)數(shù)字電路通信如何抗干擾的研究中，相關(guān)人員應(yīng)首先明確導(dǎo)致數(shù)字電路通信中出現(xiàn)干擾的主要原因，其主要因素分為干擾源、傳播途徑和信號(hào)敏感器件3種，具體內(nèi)容如下。

2.1 干擾源

干擾源主要是那些極易造成干擾的電子設(shè)備、元件和信號(hào)，是指在高頻器件和電路中，部分設(shè)備的電流以及電壓時(shí)常出現(xiàn)突發(fā)性變化，這樣du/dt，di/dt都特別高，極易干擾其他電子元件，致使出現(xiàn)運(yùn)行差錯(cuò)。在電子信息技術(shù)飛速發(fā)展和智能終端全面普及的形勢(shì)下，日常工作和生活中很多電子設(shè)備都可能會(huì)干擾各種數(shù)字電路信號(hào)的傳輸，甚至?xí)?duì)數(shù)字電路信號(hào)的邏輯電平產(chǎn)生直接影響，導(dǎo)致傳輸數(shù)字電路信號(hào)期間出現(xiàn)邏輯誤差。經(jīng)常出現(xiàn)的干擾源包括雷電、繼電器、運(yùn)行電機(jī)以及高頻時(shí)鐘等。

2.2 傳播路徑

傳播路徑是導(dǎo)致干擾源的信號(hào)在傳輸過程中容易受到干擾的敏感元件中的傳輸媒介，一般干擾信號(hào)傳輸?shù)穆窂街饕写趴臻g輻射以及導(dǎo)線。通常情況下，傳輸數(shù)字電路信號(hào)的路徑越長(zhǎng)，遭到干擾的概率越大，這些干擾可能會(huì)直接阻斷數(shù)字電路信號(hào)的傳播路徑，還可能導(dǎo)致數(shù)字信號(hào)出現(xiàn)邏輯錯(cuò)誤，致使數(shù)字電路的信號(hào)傳輸穩(wěn)定性與效率降低。

2.3 信號(hào)敏感器件

敏感器件也是干擾信號(hào)傳輸?shù)闹饕蛩?。電子設(shè)備中含有很多的敏感器件，在數(shù)字電路中這些器件起到轉(zhuǎn)換、采集信息數(shù)據(jù)等作用，是數(shù)字電路中至關(guān)重要的構(gòu)成內(nèi)容，比如弱信號(hào)放大器和數(shù)字模擬量變換器等。雖然這些敏感器件能夠在很大程度上加強(qiáng)數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)木_度，提升電子設(shè)施的傳輸性能，但因?yàn)樽陨淼拿舾卸纫矊?dǎo)致其抗干擾能力大大下降，致使設(shè)備的整體穩(wěn)定性降低[2]。

3 數(shù)字信號(hào)傳輸中的屏蔽技術(shù)與雙絞線傳輸

3.1 屏蔽技術(shù)

在傳輸數(shù)字信號(hào)的過程中，此項(xiàng)技術(shù)主要是在屏蔽體中把電場(chǎng)、耦合與空間磁場(chǎng)的電磁場(chǎng)進(jìn)行分割，以此對(duì)空間耦合通道進(jìn)行分離。在這一過程當(dāng)中，高效、良好的屏蔽和接地，不但能夠切實(shí)有效地降低耦合噪聲，還能夠獲得較為理想的抗干擾效果。屏蔽方式具體為：把電阻性能較低的材料當(dāng)做傳輸數(shù)字信號(hào)中的屏蔽體，把需要分割的位置進(jìn)行包圍，分割區(qū)域除了極易受到干擾的部分，還可以是干擾源。這不僅防止被分割區(qū)域受到外來因素干擾，還避免了隔離區(qū)域再次干擾外界。

3.1.1 電場(chǎng)屏蔽

根據(jù)電學(xué)基礎(chǔ)理論進(jìn)行分析，促使所有形態(tài)的導(dǎo)體進(jìn)入電場(chǎng)，都可以使電力線垂直于導(dǎo)體表面，同時(shí)不穿過導(dǎo)體，所以放置于空腔中的所有物體均不會(huì)遭受外界因素的干擾。這樣的情況也叫做靜電型屏蔽。利用該特征，不但能夠避免電子信號(hào)和有關(guān)設(shè)備的導(dǎo)線傳輸，還能夠防止其受到干擾。然而，倘若導(dǎo)體并沒接地，進(jìn)到空腔中就會(huì)變成等電勢(shì)，其值也會(huì)跟著電場(chǎng)的變化而改變。這個(gè)時(shí)候，倘若把導(dǎo)體接地，空腔中的電勢(shì)就不會(huì)出現(xiàn)變化，設(shè)備電場(chǎng)也不會(huì)影響到外界。

3.1.2 電磁場(chǎng)屏蔽

在傳輸數(shù)字信號(hào)的過程中，屏蔽電磁場(chǎng)往往用于防止電磁場(chǎng)干擾電路。根據(jù)基礎(chǔ)理論，電磁場(chǎng)變化的頻次越高其輻射就越強(qiáng)。所以，在屏蔽電磁場(chǎng)數(shù)字信號(hào)的時(shí)候，不只涉及了屏蔽輻射干擾，還包括屏蔽感應(yīng)。

3.2 金屬屏蔽線與雙絞線的應(yīng)用

3.2.1 雙絞線抗干擾

在控制雙絞線磁場(chǎng)感應(yīng)的時(shí)候，因?yàn)猷徑芈芬恢碧幱谙嗤瑢?dǎo)線，噪聲和電流相等，同時(shí)表現(xiàn)出相反狀態(tài)，互相抵消。具體而言，導(dǎo)線長(zhǎng)度一樣，特性阻抗的輸入和輸出一樣時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)最理想的噪聲控制效果。倘若擰合信號(hào)的輸出線和返回線，噪聲控制和擰絞節(jié)距就會(huì)呈現(xiàn)正比例狀態(tài)。在具體運(yùn)用過程中，因?yàn)橹T多因素的干擾，兩條導(dǎo)線是絕對(duì)不可能完全一樣的，經(jīng)常因?yàn)樽杩沟牟煌?，促使感?yīng)噪聲存留于信號(hào)傳輸中。

3.2.2 屏蔽線抗干擾原理

在實(shí)際應(yīng)用屏蔽線的過程中，因?yàn)槠帘螌优c導(dǎo)線之間分布了電容，在屏蔽外層的時(shí)候，就需要進(jìn)行接地，不然就會(huì)導(dǎo)致通過屏蔽層和電容分布在導(dǎo)線中置入干擾。在這一環(huán)節(jié)中，通常使用的屏蔽接地方式為屏蔽層一端接地的方法，從而對(duì)兩端接地干擾電阻壓降的情況進(jìn)行控制；屏蔽線不但可以積極有效的抑制靜電干擾，還不會(huì)影響到電磁感應(yīng)。

4 數(shù)字電路抗干擾常用措施

在確定數(shù)字電路傳輸干擾的主要因素后，就能夠在此基礎(chǔ)上探究抗干擾措施，以此獲得良好的抗干擾效果，保證信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量。在設(shè)計(jì)過程中，需要注重布置元器件和布線規(guī)則，選擇使用具有很強(qiáng)抑制力的元器件；在傳輸途徑方面，添加相應(yīng)的濾波裝置，在設(shè)計(jì)軟件方面與能夠通過相關(guān)措施來提高抗干擾性能，加強(qiáng)數(shù)字電路的運(yùn)行效果和品質(zhì)。

4.1 抑制干擾源

在實(shí)際設(shè)計(jì)數(shù)字電路抗干擾技術(shù)的過程中，需要首先對(duì)干擾源這一因素進(jìn)行考慮。具體而言，就是盡量降低電壓電流突然改變的概率，通過各種切實(shí)可行的措施來減小du/dt及di/dt。在這一過程中，要想減小du/dt，能夠嘗試在出現(xiàn)干擾的元件回路兩端放置適當(dāng)?shù)碾娙?，倘若要想減小du/dt，就應(yīng)并聯(lián)適當(dāng)?shù)碾娮韬碗姼?。在設(shè)計(jì)電路過程中通常使用的抗干擾方式主要包括以下幾點(diǎn)：(1)能夠把續(xù)流二極管元件和繼電器線圈兩側(cè)進(jìn)行并聯(lián)，同時(shí)設(shè)置火花控制電路，這樣在切斷繼電器的時(shí)候，能夠很好地抑制出現(xiàn)的反電動(dòng)勢(shì)干擾，要想積極有效的保證繼電器在規(guī)定時(shí)間中不改變動(dòng)作頻次，就應(yīng)添加穩(wěn)壓二極管，從而更好地改善其滯后性。(2)設(shè)計(jì)科學(xué)高效的濾波電路，將高次諧波干擾進(jìn)行濾除，這對(duì)于電機(jī)運(yùn)行電路具有非常關(guān)鍵的作用。(3)布置電路線過程中要想有效抑制高頻干擾，就應(yīng)盡可能防止垂直走線。(4)將RC抑制電路和可控硅電路進(jìn)行并聯(lián)，能夠在一定程度上降低干擾噪聲。

4.2 切斷干擾傳播路徑

一般情況下，干擾傳播路徑主要是端口和導(dǎo)線傳輸?shù)膫鲗?dǎo)干擾，或是空間傳輸?shù)碾姶泡椛涓蓴_，可以結(jié)合以上兩種干擾傳播形式進(jìn)行有效抑制。通常在設(shè)計(jì)單片機(jī)電路的過程中，比較常見的干擾源是電源。這是干擾整個(gè)單片機(jī)設(shè)計(jì)最強(qiáng)的干擾源，時(shí)常利用電源回路中加入二階濾波電路的方式對(duì)電源干擾進(jìn)行抑制。在單片機(jī)I/O接口對(duì)電機(jī)類外設(shè)進(jìn)行直接控制的時(shí)候，經(jīng)常要利用隔離器和加入門電路或者光耦等方式對(duì)噪聲源進(jìn)行隔離。最好保證數(shù)字電路中的大功率器件單獨(dú)接地，通知放置于電路板邊緣，能夠有效避免其干擾別的元件。在數(shù)字電路的主要位置，比如電源連接口應(yīng)加設(shè)抗干擾器件，電源濾波器等加強(qiáng)電路的抗干擾性能[3]。

4.3 提高元器件的抗干擾性能

(1)在設(shè)計(jì)數(shù)字電路的過程中，應(yīng)盡可能選取噪聲容限較高的元器件。與TTL集成電路相比，CM0S集成電路具備更好的抗干擾性能，因此應(yīng)盡量選取具備相應(yīng)抗干擾性能的元器件。(2)應(yīng)對(duì)電路負(fù)載量進(jìn)行科學(xué)控制。這主要是由于負(fù)載量超過限制，會(huì)致使高電平無法實(shí)現(xiàn)要求，使電路容限下降，這種情況下設(shè)計(jì)的電路極易受到干擾。分布電容也會(huì)一定程度上影響電路的抗干擾性能，因此需要確保不需要的電路或是控制端存在適當(dāng)?shù)碾娖街怠?3)在設(shè)計(jì)數(shù)字電路的過程中，勢(shì)必會(huì)用到極易受干擾的敏感元件。在設(shè)計(jì)電路的時(shí)候，倘若可以適當(dāng)處理這些元件，例如，在設(shè)計(jì)敏感元件回路時(shí)，盡量減小回環(huán)面積，不僅能夠有效降低感應(yīng)噪聲，還能夠利用加粗電源回路導(dǎo)線的方式，控制回路損耗，對(duì)噪聲進(jìn)行有效控制。

4.4 電路設(shè)計(jì)時(shí)的抗干擾措施

CMO和TTL電路轉(zhuǎn)換對(duì)數(shù)字電路干擾非常大，需要利用科學(xué)有效的方式對(duì)轉(zhuǎn)換導(dǎo)致的振蕩進(jìn)行抑制，有時(shí)振蕩會(huì)致使誤觸發(fā)下級(jí)電路，能夠利用下面的方式解決：首先,選取信號(hào)值較長(zhǎng)的輸入波形，并且盡可能防止微分電路出現(xiàn)脈沖，將其當(dāng)做觸發(fā)信號(hào)。其次，通過相應(yīng)的對(duì)策來消除電路不同延遲導(dǎo)致的毛刺，能夠通過同步控制、濾波電路與時(shí)間選通電路等方式來治理干擾。(1)濾波法。在干擾源出現(xiàn)毛刺的頻次較高，其脈寬比常規(guī)的脈寬信號(hào)窄很多，所以能夠通過RC積分電路對(duì)毛刺進(jìn)行消除。(2)時(shí)間選通法。利用延遲電路，結(jié)合雙向或單相穩(wěn)定的電路結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)時(shí)間選通電路，抽樣輸入有價(jià)值的波形對(duì)毛刺干擾進(jìn)行消除。(3)同步控制法。同步控制法主要是通過時(shí)序同步理論，翻轉(zhuǎn)電路狀態(tài)，通過觸發(fā)單個(gè)脈沖，能夠很好地控制由于傳輸延遲致使的毛刺干擾。另外，數(shù)據(jù)DA與DB利用總線驅(qū)動(dòng)器置入數(shù)據(jù)總線，驅(qū)動(dòng)器對(duì)總線信號(hào)CB與CA進(jìn)行控制的方式，加強(qiáng)總線的抗干擾性能。

4.5 印制電路板的合理布線

在設(shè)計(jì)數(shù)字電路的過程中，印刷電路板是至關(guān)重要的內(nèi)容，其抗干擾性能的好壞與電磁兼容性具有密切聯(lián)系。在設(shè)計(jì)PCB的時(shí)候，應(yīng)嚴(yán)格循序有關(guān)的設(shè)計(jì)原則，盡量提高電路板的抗干擾性能。第一，確定好所有元器件在電路板中的擺放部位。擺放必須科學(xué)，把敏感元件和強(qiáng)干擾源進(jìn)行分離。第二，設(shè)置地線與電源線。在布置地線與電源線線徑的過程中，應(yīng)適當(dāng)增加線徑的寬度，控制導(dǎo)線阻抗。在條件許可時(shí)，應(yīng)利用閉環(huán)回路并減小回路截面的方式，提升抗噪聲性，使地線信號(hào)更加穩(wěn)定，最后連接信號(hào)線。在設(shè)計(jì)電路板的時(shí)，應(yīng)綜合考慮諸多因素，全方位設(shè)計(jì)，防止出現(xiàn)顧此失彼的情況。在相同印刷板上，經(jīng)常出現(xiàn)不一樣的電路，在設(shè)計(jì)過程中，需相同功能的電路放置于接地線上，促使接地線電流在各個(gè)單元回路中流出，降低對(duì)其他元件的影響，加強(qiáng)電路的抗噪聲性能[4]。

5 結(jié)語

綜上所述，在智能電子設(shè)備的持續(xù)普及下，日常生產(chǎn)和生活中都越來越離不開電子設(shè)備。數(shù)字電路利用組合諸多半導(dǎo)體集成器件的方式，呈現(xiàn)出了極高的智能化和集成化特征，但因?yàn)榧苫潭雀?，運(yùn)行期間器件信號(hào)極易互相干擾，致使運(yùn)行結(jié)果產(chǎn)生很大的差錯(cuò)，致使運(yùn)行誤差，無法達(dá)到理想的效能。而防止傳輸數(shù)字電路信號(hào)期間的干擾因素，當(dāng)前已經(jīng)成為確保電子設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的重要基礎(chǔ)。干擾數(shù)字電路信號(hào)的類型與抑制干擾方式有許多。文章主要對(duì)傳輸數(shù)字電路信號(hào)期間的干擾因素進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合自身實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)提出相應(yīng)的抑制干擾技術(shù)，希望能夠給有關(guān)工作者提供參考依據(jù)。