電子電路設(shè)計中的抗干擾措施

趙禹軒

（西北大學(xué) 陜西省西安市 710127）

在電子科技飛速發(fā)展的今天，集成電路在各領(lǐng)域中的實用價值越來越突出，日常生產(chǎn)生活都已經(jīng)離不開集成電路的運行。但是，電子電路卻在隨時隨地遭受著來自四面八方的電磁干擾，一旦其失去抗干擾能力，將會難以正常工作，進而為人們的日常生活、生產(chǎn)帶來難以預(yù)料的損失。因此，如何能夠不斷提升電子電路設(shè)計中的抗干擾能力，促使電子電路正常、高效運行下去已成為相關(guān)研究人員及設(shè)計人員所要面對的首要問題，不斷探索和提升電子電路設(shè)計中的抗干擾能力已經(jīng)刻不容緩。

1 干擾的概念

所謂的干擾，從其字面理解就是會導(dǎo)致系統(tǒng)無法穩(wěn)定、正常運動的不良因素，可能存在系統(tǒng)內(nèi)部，也可能存在系統(tǒng)外部。從廣義上看，會干擾到機電一體化系統(tǒng)穩(wěn)定、正常運行的因素有很多，比如電磁干擾、濕度干擾、震動干擾等，而這些干擾因素中，最常見、最難以控制的就是電磁干擾，且該種干擾因素對系統(tǒng)的影響最大，并不是通過物理等方式能夠有效解決的，是無處不在又無法消滅的。

針對電磁干擾，主要是指在人們的日常生活和工作中，受周邊因素影響，會出現(xiàn)各種與有用信號沒有關(guān)聯(lián)的，甚至可能對運行系統(tǒng)或信號傳輸產(chǎn)生威脅的電氣變化現(xiàn)象。在電磁干擾下，信號的數(shù)據(jù)會出現(xiàn)瞬態(tài)變化，進而導(dǎo)致誤差增強，甚至?xí)霈F(xiàn)影響判斷的假象，嚴重的可能導(dǎo)致整個系統(tǒng)崩壞[1]。

除此以外，任何的干擾都是有跡可循的，大多干擾的源頭都是源自電子系統(tǒng)內(nèi)部或外部。比如電子系統(tǒng)的內(nèi)部噪聲信號，其頻率越高越容易形成電子系統(tǒng)的內(nèi)部干擾；又如，電子系統(tǒng)周圍的大功率電子設(shè)備，這些設(shè)備所散發(fā)出的信號就可能對電子系統(tǒng)正常運行產(chǎn)生影響。通常而言，干擾源是客觀存在的，并不是刻意為之，因此為了電子電路能夠正常工作，就需要在進行電子電路設(shè)計的過程中注重抗干擾設(shè)計。

2 電子電路中較為常見的干擾

在電子電路設(shè)計中采取抗干擾措施，主要是從干擾進入到電子電路系統(tǒng)就開始抑制。目前，電子電路中較為常見的干擾主要有四大類：

（1）由電網(wǎng)所引起的干擾，比如雷電感應(yīng)產(chǎn)生的強烈的高頻浪涌電壓等；

（2）由地線所引起的干擾，其屬于電子系統(tǒng)內(nèi)部干擾，是因為電子電路的電流都會通過一個公共地電阻，進而導(dǎo)致電壓降，由此形成噪聲干擾信號，影響到電子電路的正常運行；

（3）由信號通道所引起的干擾，包括信號線之間的串擾等；

（4）由空間電磁輻射所引起的干擾。

3 電子電路設(shè)計中的抗干擾措施

針對上述對干擾概念，以及電子電路中較為常見干擾的分析，本文從以下三方面著手提出電子電路設(shè)計中抗干擾的有效措施：

3.1 抗電網(wǎng)干擾的措施

在進行電子電路設(shè)計的過程中，為避免從交流電源線引入干擾，可通過如圖1 所示的措施進行預(yù)防。具體分析如圖1。

圖1：抗電網(wǎng)干擾的措施

圖2：雙T 濾波器

3.1.1 交流穩(wěn)壓器

在進行抗電網(wǎng)干擾的過程中，交流穩(wěn)壓器起到了重要作用，其主要是為了確保所供電更加安全、穩(wěn)定，以此避免發(fā)生過電壓問題，也能夠降低欠電壓問題的出現(xiàn)幾率。當這一目標得以實現(xiàn)，那么將會促使整個電子系統(tǒng)都更加的安全、可靠。

雖然通過上述所講已經(jīng)明確交流穩(wěn)壓器的安裝重要性，但是該設(shè)備的制作成本較高，所以其市場價格相對要高一些，大多在較大型的電子電路設(shè)計，或抗干擾要求較高設(shè)計中配置，一些較小型的電子電路設(shè)計中并不常用。

3.1.2 電源濾波器

如果有交流穩(wěn)壓器，則電源濾波器接其后，如果沒有則以電源變壓器為準，接其前。該設(shè)備的存在主要是為了確保交流50Hz 基波的順利通過，并且能夠?qū)⒏哳l的干擾信號從中過濾出去。通常情況下，在電子電路設(shè)計中添加電源濾波器是為了避免工頻串模干擾，以此使得電源波形有所改善。

3.1.3 帶有屏蔽層的電源變壓器

針對高頻干擾信號，其在通過電源變壓器之后的關(guān)鍵傳播途徑為一次線圈和二次線圈之間的分布電容，并非一次線圈和二次線圈之間的電磁耦合。基于此，可在一次線圈和二次線圈之間增添一個金屬屏蔽層，同時要將該屏蔽層與機殼地相接，這樣不僅能夠促使分布電容值降低，同時也能夠避免高頻干擾信號通過變壓器進入二次側(cè)。

3.1.4 雙T 濾波器

經(jīng)過大量實踐研究發(fā)現(xiàn)，在眾多抗干擾措施中，濾波的作用最為突出。

針對干擾源所發(fā)出的電磁干擾信號而言，其頻譜要較正常傳輸信號的頻譜寬，并且差異顯著。基于此，在進行抗干擾的過程中，設(shè)計人員就可以利用這一點，通過采用濾波的方式過濾到那些不希望被接收到的干擾信號，只讓符合要求的頻率成分通過，以此確保電子電路能夠正常運行。在此背景下，相關(guān)研究人員研究出了雙T濾波器，如圖2 所示，該種濾波器應(yīng)用到整流電路中時，即可實現(xiàn)對固定頻率干擾信號的有效抑制，避免這些干擾信號進入到電子電路中[2]。

在使用雙T 濾波器的過程中，所涉及到的電路參數(shù)計算公式如下：

如果在實際應(yīng)用時，想要抑制50Hz 工頻干擾，那么只需要將f 設(shè)置為50Hz 即可。

除此以外，對于一些抗干擾需求并不是很高的電子電路系統(tǒng)，在實際設(shè)計中可以忽視這一環(huán)節(jié)，避免因該環(huán)節(jié)的設(shè)計導(dǎo)致電路變得繁瑣，影響到后續(xù)運行。

3.1.5 無極性電容

在電子電路設(shè)計中進行抗電網(wǎng)干擾時，除了上述幾種方式外，還需要選用0.01μF-0.1μF 的無極性電容，將其與直流穩(wěn)壓電路的輸入端、輸出端并聯(lián)，并將其設(shè)置在集成模塊的電源引腳上，也可以實現(xiàn)將高頻干擾有效過濾掉的抗干擾目標。

3.2 抗地線干擾的措施

針對地線干擾問題，在進行電子電路設(shè)計的過程中，可通過以下措施實現(xiàn)有效抗干擾目標：

（1）在進行實際設(shè)計的過程中，應(yīng)該以一點接地為主，也就是要保證各部分的地自成一體之后，再分別接到公共地的一點上。需要注意一點，由于在印制電路板上使用該種措施并不容易布線，所以大多改用串連接法。基于此，為確保將地線噪聲干擾降至最低，可通過增加地線寬度的方式應(yīng)對。

（2）在進行實際設(shè)計的過程中，設(shè)計人員需要將強信號電路與弱信號電路的地分開，但是需要將二者在同一點上進行接公共地操作。

（3）在進行實際設(shè)計的過程中，設(shè)計人員還需要將模擬地和數(shù)字地分開，同樣需要將二者在同一點上進行接公共地操作，但是要注意不要讓二者出現(xiàn)交叉混連的問題。

（4）在進行抗地線干擾設(shè)計的過程中，不管采用哪種方式接地，都應(yīng)該確保接地線短一些、粗一點，這樣能夠有效降低接地線的電阻。

3.3 抗信號通道中干擾的措施

面對電子電路設(shè)計中的信號通道干擾問題，目前較為常見的抗干擾措施就是采用雙絞線傳輸或光電耦合傳輸?shù)姆绞健＞唧w分析如下：

3.3.1 雙絞線傳輸抗干擾

關(guān)于該種抗信號通道中干擾的方式，主要是指每一個信號都使用兩條互絞的線完成傳輸問題，而這兩條線為信號線和地線。通過該種方式，能夠有效避免空間電磁的干擾，以及信號地線干擾和線間串擾，而且該種方式也十分簡單。對于該種方式的原理，主要是由于空間電磁場在每個絞環(huán)內(nèi)所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢相等，而對于每一條線而言，這種感應(yīng)電動勢是能夠進行相互抵消的。基于此，采取該種方式不僅能夠?qū)崿F(xiàn)抗干擾目標，同時也不會影響到有用信號的正常傳輸。另外，信號電流在這兩條線上的方向不一致，但是大小相等，因此該種方式也就導(dǎo)致與其他信號線的互感消失，有效避免了串擾的發(fā)生。最后，每一個信號的地線都是獨立的，因此也就不會發(fā)生信號地線干擾的問題[3]。

雖然該種方式的抗干擾效果很好，但是在采用該種措施的時候也需要注意兩點問題：

（1）就算采用的長線傳輸，那么也需要在設(shè)計時多給阻抗匹配一些關(guān)注，即負載與雙絞線特性阻抗二者的匹配會是否符合要求，這樣才能夠避免傳輸反射現(xiàn)象的出現(xiàn)，進而大大降低信號失真幾率；

（2）針對電子電路，其系統(tǒng)內(nèi)部信號線也容易出現(xiàn)問題，比如串擾，雖然影響并不是很嚴重，不過一定要區(qū)分好高頻和強信號線與弱信號線，要讓其分開走。

除此以外，在進行該種措施設(shè)定的過程中，還需要依據(jù)數(shù)字信號傳遞傳送距離的不同確定雙絞線的正確選用方式。比如，當傳輸距離不足5m，那么需要在發(fā)送、接收端安置負載電阻等。

3.3.2 光電耦合傳輸抗干擾

該種方式主要是通過光電耦合器實現(xiàn)抗干擾目標，主要是因為電耦合器由發(fā)光二極管和光敏三極管構(gòu)成，而二者之間又是相互絕緣地，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對尖峰脈沖和各種噪聲干擾的高效抑制，同時也能夠促使過程通道上的信噪比得到增強。在實際應(yīng)用的過程中，信號將從發(fā)光二極管進入，這時二極管會發(fā)光，在光敏三極管基極正式感受到光照的過程中，會對所接收到的光信號進行轉(zhuǎn)變，將其化為電信號，并且通過集電極傳遞出去。

經(jīng)過上述的探討可以發(fā)現(xiàn)，輸入和輸出兩者間并沒有什么關(guān)聯(lián)，因為二者已經(jīng)被隔離開來，也就表明僅有光耦合，而與電并無聯(lián)系。基于此，兩邊的地不同，各部位之間相對獨立。在進行電子電路設(shè)計的過程中，如果能夠在每條輸入信號線和輸出信號線之間都設(shè)置一個光電耦合器傳輸信號，那么將實現(xiàn)對信號地線干擾的有效控制，還能夠避免信號線上的噪聲干擾[4]。

除此以外，因為光耦合器的輸入阻抗并不是很高，不過其疊加而成的噪聲信號內(nèi)阻過大，也就表示就算噪聲信號的幅值并不是很小，可其通過光耦合器中，都會使其降低，最終變成極其微弱的電流，并不能夠促使二極管發(fā)光，也就實現(xiàn)了對干擾的抑制。

3.4 抗空間電磁輻射干擾的措施

針對來自空間電磁輻射的干擾，其對電子電路的影響并不是很大，所以在進行實際設(shè)計的過程中，可以通過將電子電路系統(tǒng)設(shè)計到原理干擾源的位置即可，或者可以通過一些設(shè)備阻擋，比如在二者之間設(shè)置屏蔽線等。

4 結(jié)束語

綜上可知，隨著現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展，電磁干擾的范圍已經(jīng)越來越廣闊，如果不給予解決，那么將無法確保電子電路在電磁干擾中正常運行。因此，為了不斷提升電子電路設(shè)計水平，以及其運行效率，就需要相關(guān)設(shè)計人員能夠注重電子電路的抗干擾設(shè)計，要能夠在不斷實踐中積累經(jīng)驗，找到更多可以融入到電子電路設(shè)計中的抗干擾措施。