數(shù)字電路信號(hào)傳輸抗干擾技術(shù)研究

施宇豪，張 雄，周郅杰

（上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109）

1 數(shù)字電路信號(hào)傳輸抗干擾技術(shù)

1.1 調(diào)頻技術(shù)

調(diào)頻技術(shù)是一種民用的抗干擾技術(shù)手段。民用運(yùn)用量和其應(yīng)用的頻次相對(duì)較大，對(duì)于抗干擾技術(shù)的穩(wěn)定性要求較為嚴(yán)格。調(diào)頻技術(shù)在應(yīng)用中是根據(jù)相關(guān)規(guī)律反復(fù)跳變實(shí)現(xiàn)抗干擾處理，具有靈活多變的特征[1]。

1.2 擴(kuò)頻技術(shù)

擴(kuò)頻技術(shù)主要用在數(shù)字電路通信的傳輸和接收信號(hào)的處理中，利用一種隱蔽性的模式將其附著在噪聲中。直接序列擴(kuò)頻技術(shù)是常見(jiàn)的方式，應(yīng)用此種方式進(jìn)行處理，可以有效降低各種干擾，充分保障通信的穩(wěn)定性，在人們的日常生產(chǎn)生活中較為常見(jiàn)[2]。擴(kuò)頻技術(shù)抗干擾能力示意如圖1 所示。

圖1 擴(kuò)頻技術(shù)抗干擾能力示意

1.3 混合技術(shù)

混合技術(shù)是對(duì)多種抗干擾技術(shù)進(jìn)行混合處理后形成的一種技術(shù)手段，主要通過(guò)將諸多種類的抗干擾技術(shù)進(jìn)行組合應(yīng)用，充分凸顯不同技術(shù)優(yōu)勢(shì)?；旌霞夹g(shù)相對(duì)于單一抗干擾技術(shù)來(lái)說(shuō)，其成本更高，也更復(fù)雜，但是在處理中通過(guò)對(duì)多種抗干擾技術(shù)的組合應(yīng)用，可以有效提高整體的抗干擾性能，增強(qiáng)穩(wěn)定性[3]。

2 數(shù)字電路信號(hào)傳輸干擾問(wèn)題形成要素

2.1 主要干擾源

干擾源就是在數(shù)字電路信號(hào)傳輸中容易對(duì)其產(chǎn)生干擾的電子設(shè)備、元件以及信號(hào)等。在高頻器件和電路中，應(yīng)用的設(shè)備會(huì)產(chǎn)生電流和電壓，這些電流和電壓會(huì)出現(xiàn)不同程度的突發(fā)性變化，這樣會(huì)對(duì)其他的電子元件產(chǎn)生干擾性影響，造成運(yùn)行差錯(cuò)等問(wèn)題[4]。常見(jiàn)的電子設(shè)備干擾會(huì)對(duì)數(shù)字電路信號(hào)的傳輸產(chǎn)生不同程度的影響，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致數(shù)字電路信號(hào)在傳輸過(guò)程中出現(xiàn)各種邏輯性誤差問(wèn)題。而常見(jiàn)的干擾源主要包括雷電、繼電器以及高頻時(shí)鐘等。

2.2 主要傳播路徑

傳播路徑是導(dǎo)致干擾源傳輸信號(hào)受到干擾的傳輸媒介。一般情況下，信號(hào)傳輸產(chǎn)生干擾的傳播路徑主要包括磁空間輻射和導(dǎo)線等。在數(shù)字電路信號(hào)傳輸中，其路徑越長(zhǎng)，則意味著其受到干擾的概率越大。這些干擾因素會(huì)直接對(duì)傳輸路徑產(chǎn)生不良影響，甚至?xí)钄鄠鞑ヂ窂?，?dǎo)致數(shù)字信號(hào)在傳輸中出現(xiàn)邏輯錯(cuò)誤，直接降低了信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，影響了信號(hào)的傳輸效率[5]。

2.3 信號(hào)敏感器件

敏感器件是干擾信號(hào)傳輸?shù)闹匾蛩刂?。電子設(shè)備中包括了眾多的敏感器件，而這些器件在整個(gè)數(shù)字電路中具有轉(zhuǎn)換信息數(shù)據(jù)和采集數(shù)據(jù)的作用。這些敏感器件可以在一定程度上提高數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)木_性，增強(qiáng)整個(gè)電子設(shè)備傳輸?shù)男阅?。但是受到敏感度等因素的影響，也?huì)直接降低其抗干擾能力，導(dǎo)致設(shè)備穩(wěn)定不足等問(wèn)題[6]。

3 數(shù)字電路信號(hào)傳輸抗干擾技術(shù)

3.1 屏蔽技術(shù)

在數(shù)字信號(hào)傳輸過(guò)程中，屏蔽技術(shù)的作用就是分割屏蔽體中的電場(chǎng)、耦合以及空間磁場(chǎng)中的電磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)空間耦合通道的有效分離。整個(gè)過(guò)程中，為了有效減少耦合噪聲問(wèn)題，提高整體的抗干擾能力，則需要選擇一個(gè)高效、良好的屏蔽和接地系統(tǒng)[7]。

（1）電場(chǎng)屏蔽?；陔妼W(xué)基礎(chǔ)理論進(jìn)行分析，無(wú)論何種形態(tài)的導(dǎo)體進(jìn)入電場(chǎng)后，都可以應(yīng)用電力線將其垂直在導(dǎo)體的表面結(jié)構(gòu)上，同時(shí)不會(huì)穿過(guò)導(dǎo)體，因此在空腔中放置的物體不會(huì)受到各種外界因素的干擾和影響，這就是靜電型屏蔽。基于此特征進(jìn)行處理，可以避免電子信號(hào)和各種設(shè)備的導(dǎo)線傳輸受到干擾和影響。但是如果導(dǎo)體在處理中沒(méi)有進(jìn)行接地設(shè)置，其進(jìn)入空腔后則會(huì)變?yōu)榈入妱?shì)，這樣其數(shù)值也會(huì)在電場(chǎng)中出現(xiàn)不同程度的變化。這時(shí)如果將導(dǎo)體進(jìn)行接地處理，則在空腔中的電勢(shì)并不會(huì)出現(xiàn)變化，設(shè)備電場(chǎng)也不會(huì)對(duì)外界產(chǎn)生干擾和影響[8]。

（2）電磁場(chǎng)屏蔽。在數(shù)字信號(hào)傳輸處理過(guò)程中，屏蔽電磁場(chǎng)的主要目的是防治電磁場(chǎng)干擾電路。在基礎(chǔ)理論的支持下，電磁場(chǎng)變化頻次越高，其整體的輻射性能則越強(qiáng)。因此，在電磁場(chǎng)數(shù)字信號(hào)屏蔽處理中，分析屏蔽輻射干擾的同時(shí)也要分析屏蔽感應(yīng)。

3.2 金屬屏蔽線與雙絞線技術(shù)

（1）雙絞線抗干擾?？刂齐p絞線磁場(chǎng)感應(yīng)，臨近回路會(huì)處于相同的導(dǎo)線中，當(dāng)導(dǎo)線的總長(zhǎng)度相同，特性阻抗在輸入與輸出相同時(shí)，則是其最理想的噪聲控制狀態(tài)。

（2）屏蔽線抗干擾原理。在屏蔽線應(yīng)用處理中，屏蔽層與導(dǎo)線之間會(huì)分布大量的電容，進(jìn)行外層的屏蔽處理時(shí)需要做好接地處理，這樣可以有效提升整體的性能。反之，如果不進(jìn)行接地處理則會(huì)導(dǎo)致屏蔽層和電容分布在導(dǎo)線中，出現(xiàn)干擾問(wèn)題。在此環(huán)節(jié)中，應(yīng)用屏蔽層一段接地的方式，可以有效控制兩端接地干擾電阻壓降的狀況。

4 數(shù)字電路抗干擾技術(shù)與優(yōu)化措施

4.1 抑制干擾源

在設(shè)計(jì)處理中需要做好數(shù)字電路信號(hào)傳輸抗干擾技術(shù)的處理，對(duì)其設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)分析干擾源這一首要因素。為降低電壓電流突然出現(xiàn)變化的概率，利用多種方式進(jìn)行處理，有效減少各種干擾性問(wèn)題。其常見(jiàn)的抗干擾方式主要包括了以下4 個(gè)方面。

（1）需要并聯(lián)續(xù)流二極管元件和繼電器線圈兩側(cè)，對(duì)其進(jìn)行處理。合理設(shè)置火花控制電路裝置，保障在繼電器切斷的同時(shí)可以有效抑制產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)干擾問(wèn)題。為充分保障繼電器在應(yīng)用實(shí)踐中不改變出現(xiàn)的動(dòng)作和頻次，可通過(guò)穩(wěn)壓二極管進(jìn)行優(yōu)化，有效提高整體效率，減少滯后性問(wèn)題。

（2）做好濾波電路的科學(xué)設(shè)計(jì)。在處理中濾除高次諧波產(chǎn)生的干擾和影響，可以有效優(yōu)化電機(jī)的運(yùn)行電路。在實(shí)踐中，結(jié)合自適應(yīng)濾波器的抗干擾原理進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（如圖2 所示），其主要構(gòu)件為非遞歸型濾波器（Finite Impulse Response，F(xiàn)IR）、同相加法器以及移相器。

圖2 自適應(yīng)濾波電器硬件結(jié)構(gòu)

（3）布置優(yōu)化電路線可以有效控制高頻干擾等問(wèn)題，避免垂直走線，有效提高整體的穩(wěn)定性能。

（4）在處理中要做好RC 抑制電路和可控硅電路的并聯(lián)處理，這樣可以在一定程度上降低各種噪聲問(wèn)題產(chǎn)生的干擾和影響。

4.2 合理控制干擾傳播路徑

一般情況下，單片機(jī)電路設(shè)計(jì)中最為常見(jiàn)的干擾源就是電源。通過(guò)在電源回路中添加2 階濾波電路的方式進(jìn)行處理，這樣可以有效抑制電源干擾等問(wèn)題。

在單片機(jī)的I/O接口中對(duì)電機(jī)類進(jìn)行控制處理時(shí)，主要是通過(guò)隔離器、加入門電路以及光耦等方式實(shí)現(xiàn)隔離噪聲源的目的。在處理中，最好保障數(shù)字電路中的大功率器件可以實(shí)現(xiàn)單獨(dú)的接地處理，將其放置在電路板的邊緣位置，可以有效避免對(duì)其他的元件產(chǎn)生干擾和影響。對(duì)數(shù)字電路進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，在電源連接口等位置需要設(shè)計(jì)抗干擾器件和電源濾波器，這樣可以有效提高電路系統(tǒng)的整體抗干擾性能。

4.3 增強(qiáng)元器件綜合抗干擾性能

在數(shù)字電路設(shè)計(jì)處理中應(yīng)用噪聲容限相對(duì)較高的元器件。

（1）在處理中應(yīng)用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）集成電路可以提高數(shù)字電路整體的抗干擾性能，在處理中需要選擇相同的抗干擾性能元器件。

（2）合理控制電路負(fù)載量。在實(shí)際電路中，如果負(fù)載量高于限制負(fù)載量，則會(huì)導(dǎo)致高電平無(wú)法滿足實(shí)際需求，造成電路容量下降等問(wèn)題。在此種狀態(tài)下會(huì)直接影響設(shè)計(jì)電路，而其分布電容也會(huì)在一定程度對(duì)電路抗干擾性能產(chǎn)生影響，因此在處理中要保障電路或者控制端電平值合適。

（3）科學(xué)設(shè)計(jì)電源回路導(dǎo)線。電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)會(huì)用到大量的元器件，設(shè)計(jì)中有效減少回環(huán)面積，可以有效降低感應(yīng)噪聲。通過(guò)加粗電源回路導(dǎo)線的方式，可以在一定程度上控制回路產(chǎn)生的損耗性問(wèn)題，抑制噪聲等干擾因素。

4.4 電路設(shè)計(jì)抗干擾措施

（1）濾波法。如果在干擾源中出現(xiàn)了較高的毛刺頻次，其脈寬相對(duì)較窄，則可以利用RC 積分電路消除存在的毛刺問(wèn)題。

（2）時(shí)間選通法。通過(guò)延遲電路的方式進(jìn)行處理，在雙向或者單向穩(wěn)定的電路結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)時(shí)間選通電路，達(dá)到消除毛刺干擾的目的。

（3）同步控制法。同步控制法就是在處理中利用時(shí)序同步理論，對(duì)電路的狀態(tài)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)處理。在單個(gè)脈沖觸發(fā)狀態(tài)下，有效控制因傳輸延遲而造成的毛刺干擾問(wèn)題。通過(guò)在總線驅(qū)動(dòng)器中放置數(shù)據(jù)總線的方式，處理DA 和DB 中的數(shù)據(jù)，有效提高整體的抗干擾性能。

4.5 印制電路板科學(xué)布線

在進(jìn)行數(shù)字電路的設(shè)計(jì)處理時(shí)，其中最為關(guān)鍵的是電路板印刷，其整體性可以直接影響電磁兼容性和抗干擾性能。一方面，明確元器件的主要位置，分離敏感元件與強(qiáng)干擾源。另一方面，實(shí)現(xiàn)地線與電源線的設(shè)置處理。在布置中根據(jù)實(shí)際狀況適當(dāng)增加線徑的寬度，達(dá)到控制導(dǎo)線阻抗的目的，也可以利用閉環(huán)回路減小回路截面的方式進(jìn)行處理，充分提高整體的抗噪聲性能，這樣可以提高地線信號(hào)的穩(wěn)定性。

整個(gè)電路板的設(shè)計(jì)處理需要綜合多種因素，系統(tǒng)分析。在相同的印刷板上會(huì)出現(xiàn)不同的電路系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)中要保障功能相同的電路放置在接地線上，這樣可以保障接地線中的電流在各個(gè)單元回路中流出，有效降低對(duì)其他元件產(chǎn)生的干擾和影響，充分提高電路的整體抗噪聲性能。

5 結(jié) 論

在數(shù)字電路的應(yīng)用中，各種干擾因素的存在會(huì)直接影響數(shù)字電路的無(wú)線電波效率和質(zhì)量。在實(shí)踐中為提高數(shù)字電路信號(hào)傳輸抗干擾技術(shù)的整體性能，需要綜合其存在的問(wèn)題，通過(guò)科學(xué)的方式進(jìn)行處理，提高敏感期間的綜合能力，才能有效提高數(shù)字電路信號(hào)的傳輸品質(zhì)，進(jìn)而為我國(guó)電子設(shè)備和通信技術(shù)的高品質(zhì)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。