數字電子系統抗干擾技術研究

何宇云

【關鍵詞】數字電子系統;電磁干擾;抗干擾技術

【中圖分類號】TP273.5 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2021）06-0039-03

0 引言

隨著現代科學技術的不斷發展，社會大眾對通信、科學計算、雷達信號處理等實時信號處理提出了越來越嚴格的要求。為滿足對越來越龐大的數據量的高效處理，近年來數字電子系統實現了快速發展。與此同時，隨著實時信號處理速率的逐步加快，數字電子系統的運行效率逐步提升，半導體工藝越來越成熟，促使電子系統中信號邊沿速率上升至更高級別。飛快的信號邊沿變化，促使電路信號形成反射、振鈴、串擾等一系列噪聲及失真的信號完整性問題 [1]。因而，對數字電子系統抗干擾問題及其技術進行分析顯得尤為必要，否則會對數字電子系統處理結果造成不利影響，甚至引發更嚴重的后果。

1 電磁干擾及其危害

1.1 電磁干擾

電磁干擾是指一系列可中斷、縮減、阻礙通信電子設備有效運行的電磁能量。作為一種產生于干擾源且會破壞有用信號的電磁現象，電磁干擾會影響電纜信號的完整性。通過電磁干擾源產生的電磁能，經導線傳導、空間輻射等傳播途徑傳輸至敏感設備 [2]。在此過程中，敏感設備會形成相關形式的“響應”，并形成干擾的效果，業界將此稱作電磁干擾效應。電磁干擾的形成除了要求有干擾源，還要求有對電磁信號敏感的接收設備和合適的耦合路徑。20世紀80年代，英國科學家提出“論干擾”的理論，至此揭開了對干擾課題進行研究的篇章。后來，英國郵電部門對通信中的干擾問題展開了研究，促使干擾問題不斷趨向工程化、產業化，進一步推動了抗干擾研究的進程，使電磁干擾的防護問題得到越來越廣泛的關注。在當今社會的生產和生活中，電磁干擾效應十分普遍，依據其形式不同，主要分為外部電磁干擾、內部電磁干擾。比如，常規的電子產品不論是其外部還是內部都存在電磁干擾現象。外部電磁干擾主要包括由自然界產生的，諸如大氣的放電現象，以及由人為產生的，諸如智能手機、電吹風等引發的電磁干擾。內部電磁干擾主要是通過電子設備的寄生耦合現象形成的。倘若電磁干擾效應過于嚴重，極有可能造成設備或者系統失靈，進而引發不良的故障或事故，這被稱作電磁兼容性故障。不可否認，電磁干擾已成為現代電子技術發展所面臨的一大困境。為保障電子設備或者系統的有序運行，必須加強對電磁干擾的研究，研究有效的抗干擾技術手段，增強抗干擾能力。

1.2 電磁干擾的危害

隨著電子設備的不斷推廣，電磁干擾的現象越來越嚴重，眾多研究與實踐表明，電磁干擾會對人體、電子設備等帶來不同程度的危害。首先，電磁干擾對人體的危害通常分為熱效應、非熱效應及累積效應。其中，熱效應是指受電磁干擾影響，人體中的水分會出現水分子摩擦，進一步使機體體溫異常，導致機體器官、組織及細胞無法正常運行。非熱效應是指受電磁干擾，使人體周圍的微弱電場遭到破壞，致使微弱電場進入非平衡狀態。累積效應是指在原本電磁損傷尚未充分復原的情況下，機體又受到電磁損傷，長此以往，必然會對機體功能造成不利影響。其次，電磁干擾對電子設備的危害同樣多種多樣。比如，電磁干擾會嚴重破壞無線電通信，進一步造成電臺信號難以被廣大聽眾接收，還會造成電視信號混亂。通過提升發射機功率，有助于解決無線電通信距離變短的問題，但會加重電磁干擾程度，進入惡性循環。又如，民航機場運營時會受到信號塔的干擾，大部分機場會受到周邊大功率電臺影響，在飛機起飛或降落時就會產生相應偏差，所以在乘坐飛機時，乘客會被要求關閉電子設備，以防對飛機正常運行造成不利影響。

2 干擾數字電子系統的因素

隨著科學技術的飛速發展，目前的電子設備大多都應用了先進的數字電路。相較傳統模擬電路傳輸的模擬信號，數字電路傳輸的電子信號更穩定，受到外部環境中噪音干擾的情況也更少，但仍然會受到一定程度的干擾。在數字電子系統中，形成干擾的因素主要包括干擾源、傳播路徑及敏感設備。

2.1 干擾源

在對數字電路中形成的干擾開展探究的過程中，應當從多個角度切入，其中首要考慮的是形成干擾的源頭，即為干擾源。數字電路設計主要是為了對相關數字信號進行傳輸，倘若面臨其他外部的電子信號，則會引發外干擾現象。結合歷史經驗和發展實際來看，形成干擾信號的源頭通常包括電機、雷電等。只要形成電子信號，即會憑借信號的強弱、大小對數字電子系統帶來不同程度的干擾。因而，為切實防止數字電路被干擾，直截了當的抗干擾手段即對干擾源予以阻斷，然而該種手段的實現比較困難，還有待進一步的研究。

2.2 傳播路徑

數字信號在傳播時，要求借助相應的數字通路或者傳播媒介，以發揮連接的作用。倘若數字通路或傳播媒介受到干擾，勢必會影響數字信號的傳播。數字信號的傳播路徑是完全暴露于空氣中的，同時各種干擾源可在空氣中發出干擾信號，進而對數字信號的傳播路徑產生干擾。通過實踐研究表明，數字信號傳播路徑受干擾程度與數字信號通量之間存在十分緊密的聯系。因而，傳播路徑作為數字信號順利傳播的一大保障，控制該環節干擾的形成至關重要。

2.3 敏感設備

與其他電路構成類似，數字電路中也包含大量敏感的設備結構，諸如模數轉換器、數模轉換器、單片機、數字IC等。該部分的敏感設備對信號的精確度提出了較嚴格的要求，倘若出現外部其他信號，則極易影響它們運行的穩定性，進而引發干擾，影響數字電路的有序運行 [3]。因而，現階段的數字電路設計中，要注重對敏感設備配備相應的防護手段，諸如隔離涂層等，這主要是為了防止空氣中形成或其他電子設備形成的信號對其穩定性帶來影響。盡管敏感設備因素對信號干擾的抵抗能力相對較弱，但對其干擾阻斷也比較容易，因此開展對數字電路中敏感設備的優化改良工作尤為重要。

3 數字電子系統抗干擾技術實踐

在數字電路中采用抗干擾技術，主要可以采用抑制干擾源、阻隔干擾傳播路徑及提升敏感設備抗干擾能力等方法。在相關硬件手段難以保障抗干擾效果的情況下，可以引入軟件手段開展數字電路抗干擾，盡可能地控制干擾因素對數字電路的影響，保障數字電子系統的有序運行。

3.1 數字電子系統中硬件抗干擾技術

（1）器件選用過程的抗干擾。首先，科學選擇器件。在數字電路中，一般噪聲容限、傳輸延時與其抗干擾能力呈正相關關系，所以CMOS電路擁有比TTL電路更可靠的抗干擾能力。在選擇邏輯器件的過程中，應對其噪聲容限指標進行綜合考慮，也就是倘若只追求電路的噪聲容限時，可選擇HTL;倘若追求電路噪聲容限的同時要兼顧功耗，可選擇電源電壓超過15 V的CMOS [4]。其次，合理控制負載。倘若某一集成電路輸出所帶的負載電路在其規定的扇出以上時，則會讓電路輸出的低電平值上升，高電平值下降，進一步造成電路噪聲容限變低，引發干擾現象。因而，在器件選用過程中應合理控制電路的輸出負載，不可高于其規定扇出。最后，加強處理空端。針對不用的電路輸出及控制端，極易經由分布電容轉至端子對電路帶來干擾。所以，對于不用的電路輸入及控制端，應連接相應的邏輯電平。

（2）電路設計中的抗干擾。電路設計中的抗干擾技術包括接地技術、濾波技術等。其中，接地技術作為電力設備電磁兼容技術中的一項重要內容，對其開展研究尤為必要。接地技術主要包括安全接地技術、避雷擊接地技術等，安全接地技術作為一種常用的硬件抗干擾技術，主要是將機殼接入大地，將電量轉移至大地中，防止機殼上積累電荷，形成靜電放電而引發干擾。在實際應用中，經由機殼將多余的電荷傳輸至大地時，要求保證絕緣層的性能正常。倘若絕緣層損壞，會產生大量的電量，在此過程中要對電量予以快速轉移處理，方可確保數字電路不受干擾。此外，電子設備在運行時極易受到自然界雷擊的干擾，因而大多電子設備會設置避雷針等避雷裝置。雷擊會瞬間形成大量電荷，并與電子設備產生反應，進而釋放巨大的電荷，威脅周圍人員及建筑物的安全。因此，發生雷擊時，應及時采取有效的電荷轉移處理，而避雷擊接地技術可通過將可能遭受雷擊的物體與大地連接，從而提供釋放巨大電荷的通路。濾波技術主要作用于篩選信號及抑制干擾，而濾波器就是為實現這些功能所設計的網絡。依據功能不同，可將濾波器劃分成信號選擇濾波器和電子干擾濾波器。信號選擇濾波器不僅可實現對無價值信號分量的有效剔除，還不會對所選信號幅度相位造成過多的影響。電磁干擾濾波器，亦可稱作電源噪聲濾波器，作為一種可有效抑制電磁干擾的濾波器，在面對電壓幅度高、上升速率快、持續時間短及隨機性強的瞬態電磁干擾時，電磁干擾濾波器可有效抑制電網噪聲，增強數字電路的抗干擾能力 [5]。電磁干擾濾波器在數字電路中的應用如圖1所示。

3.2 軟件抗干擾技術

（1）數字濾波技術。作為數字電路軟件抗干擾技術中的一種，數字濾波技術亦可稱為硬件仿真技術，它不需要依靠硬件，主要是依托對模擬信號的多次采樣，借助先進計算機計算，以獲取可靠的數據信息。數字濾波技術具備靈活、所提供數據信息準確性高等特征，相較于硬件干擾技術更具優勢。通常，為了提升數字電路的抗干擾能力，除了在硬件中采用相應的抗干擾技術，還應在軟件中開展數字濾波處理，以此消除存在于數據中的一系列干擾，使獲取的數據準確地呈現現場的運行情況。

（2）輸入信號重復檢測方法。作為一種存在于數字信號傳輸中的常見干擾，輸入信號干擾作用時間相對偏短，但是干擾十分集中。在面對該種干擾時，因為采用硬件抗干擾技術難以實現對其有效抑制，所以可采用輸入信號重復檢測方法，達到“去偽存真”的效果，也就是只有通過接連兩次或兩次以上的采集結果完全相同時，才可認同方法有效。如果信號一直處在不穩定的狀態，在輸入信號進入限額時，即會發出警示信號。針對源于多種不同開關型傳感器的信號，諸如行程開關、限位開關等，均可應用該種輸入方式。針對較寬的干擾，可在連續采集數據之間插入延時 [6]。

（3）軟件攔截技術。倘若電子系統中的CPU區域遭受干擾，極易造成嚴重的后果。常見的不良后果包括電子設備不能正常運行、程序難以正常保存、程序在地址空間陷入錯亂局面，抑或進入惡性循環狀態，很難實現對原有系統的自動恢復，會對系統構成極大的破壞。針對該種情況，軟件攔截技術可對相關混亂的程序進行有效攔截，或使程序擺脫不良循環局面，并使程序回歸正軌，保障電子設備的有效性、穩定性。

3.3 數字電子系統裝配中的抗干擾技術

（1）磁場屏蔽。磁場屏蔽是指對低頻磁場、高頻磁場進行屏蔽。其中，低頻磁場屏蔽是通過鐵磁性材料的高導磁率對干擾磁場予以分路，以此縮減通過空氣的磁通，進一步達到磁場屏蔽的目的。值得一提的是，因為是對干擾磁場進行分路，所以要想收獲理想的屏蔽效果，則應當保證屏蔽材料的磁導率，提升屏蔽罩厚度，擴增磁分路流過的磁通。高頻磁場屏蔽所用屏蔽材料為低電阻率的良導體。外部高頻磁場于屏蔽體中形成渦流，進而憑借渦流形成的磁場可抑制磁場外泄，進一步達到屏蔽的效果。有別于低頻磁場屏蔽，因為高頻渦流的趨膚效應，屏蔽體尺寸并非影響屏蔽效果的重要因素，同時屏蔽效果也不受屏蔽體是否接地的影響。但是，對于高頻磁場屏蔽的金屬良導體來說，如果接地可靠，則可同時實現磁場屏蔽和電場屏蔽的雙重效果。

（2）電磁場屏蔽。電磁場屏蔽是指借助屏蔽體同時屏蔽電場、磁場。對于電場的屏蔽，通常是引入一個電場干擾源對原本的電場形成干擾，實現電場屏蔽的效果。依托這一原理及上文提到的磁場屏蔽原理，可利用金屬良導體制作屏蔽體，對頻率相對高的電場、磁場進行屏蔽。在此過程中，應當將屏蔽體接地，方可收獲更理想的屏蔽效果。因為電磁場的屏蔽是同時對電場、磁場的屏蔽，所以在屏蔽過程中會產生新的干擾情況，比如在對高頻電場、磁場進行屏蔽時，會引入渦流及新的干擾源，極易在屏蔽一個干擾后，又產生一個新的干擾，從而對電子設備帶來負面影響，所以必須予以重視。

（3）信號傳輸線的電磁屏蔽。信號傳輸線的屏蔽通常通過可實現屏蔽效果的雙絞線達成，該種雙絞線對于不超過100 kHz的電磁場可實現良好的屏蔽效果。在信號傳輸線上設置可實現屏蔽效果的雙絞線，可使信號傳輸時，電流在兩根內導線上流動，噪聲電流在屏蔽層上流動，進而防止公共阻抗的耦合。與此同時，各式各樣源于外部的干擾均同時作用于兩根導線上，使干擾實現相互抵消。此外，有部分非屏蔽的雙絞線消除靜電耦合的能力相對有限，不過對消除磁場的干擾相對適用。信號傳輸線的屏蔽形式多種多樣，這主要體現在傳輸電纜的多樣性方面。比如，同軸電纜線具備相對低損耗及分布均勻的特性阻抗，因而適用于對低頻電場、高頻電場及直流電等的處理。

4 結語

總而言之，隨著科學技術的不斷發展，數字電路憑借其高效、處理效果理想的優勢在通信及信息處理領域得到廣泛應用。在數字電路實際應用中，會面臨各式各樣的干擾，進而對數字電路造成不利影響。鑒于此，必須加強對數字電路干擾因素的研究分析，依托抑制干擾源、阻隔干擾傳播路徑及提升敏感設備抗干擾能力等辦法，切實減少數字電路所遭受的干擾，保證數字電子系統的安全、有序運行。

參 考 文 獻

[1]俞斌，賈雅瓊.數字電路系統設計中的抗干擾技術[J].變頻器世界，2007（9）：84-86.

[2]謝宗奇.電磁干擾傳播危害及改進措施[J].中國新通信，2017（1）：159-160.

[3]鐘匡民.數字電子系統裝配中的抗干擾措施[J].科學導報，2016（3）：241.

[4]周琴.數字電子系統抗干擾分析與設計[J].機電一體化，2011（8）：104.

[5]楊濤，李成文，陳國，等.機載計算機高速數字電路系統的硬件抗干擾設計[J].大眾科技，2015（6）：1-4.

[6]崔陽.探析數字電路設計中的抗干擾技術[J].輕松學電腦，2019（15）：1.