郭寶山

(國營第七八五廠，山西太原 030024)

0 引言

干擾是電子電路穩(wěn)定可靠工作的大敵，尤其是在工作條件惡劣、干擾源很強(qiáng)且復(fù)雜的場合中，因此，干擾和抗干擾就成為電子電路設(shè)計(jì)中的一個(gè)非常重要的內(nèi)容。每個(gè)電氣工程師和電氣工程技術(shù)人員都希望自己設(shè)計(jì)的產(chǎn)品工作可靠，不會(huì)被其他設(shè)備干擾，也不會(huì)干擾其他設(shè)備。但是，由于電氣噪聲和電磁干擾幾乎是無處不在的，所以，我們設(shè)計(jì)的產(chǎn)品往往達(dá)不到這樣的目標(biāo)。如果不能有效地解決這些問題，我們可能必須在設(shè)計(jì)完成后再去進(jìn)行抗干擾的補(bǔ)救措施，這樣一來既浪費(fèi)了所投資項(xiàng)目的時(shí)間、資金和努力，又可能使產(chǎn)品性能大打折扣。因此，一般在工作的開始就必須將干擾抑制措施設(shè)計(jì)進(jìn)產(chǎn)品。

1 干擾的定義

干擾是指對(duì)系統(tǒng)的正常工作產(chǎn)生不良影響的內(nèi)部或外部因素。從廣義上講，機(jī)電一體化系統(tǒng)的干擾因素包括電磁干擾、溫度干擾、濕度干擾、聲波干擾和振動(dòng)干擾等等，在眾多干擾中，電磁干擾最為普遍，且對(duì)控制系統(tǒng)影響最大，而其它干擾因素往往可以通過一些物理的方法較容易地解決。

電磁干擾是指在工作過程中受環(huán)境因素的影響，出現(xiàn)的一些與有用信號(hào)無關(guān)的，并且對(duì)系統(tǒng)性能或信號(hào)傳輸有害的電氣變化現(xiàn)象。這些有害的電氣變化現(xiàn)象使得信號(hào)的數(shù)據(jù)發(fā)生瞬態(tài)變化，增大誤差，出現(xiàn)假象，甚至使整個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)異常信號(hào)而引起故障。

干擾都有源，干擾源可來自電子系統(tǒng)內(nèi)部，亦可來自電子系統(tǒng)外部。電子系統(tǒng)內(nèi)的噪聲信號(hào)，尤其是功率級(jí)內(nèi)高頻振蕩電路和功率級(jí)開關(guān)電路所產(chǎn)生的噪聲信號(hào)是構(gòu)成系統(tǒng)內(nèi)部的主要干擾源。電子系統(tǒng)周圍的大功率電子設(shè)備(如:大功率電動(dòng)機(jī)、電焊機(jī)、高頻爐、電弧爐、負(fù)荷開關(guān)、大功率發(fā)射設(shè)備……)的啟停，以及自然雷電所產(chǎn)生的干擾信號(hào)則構(gòu)成電子系統(tǒng)外部的主要干擾源。

干擾源是客觀存在的，在工業(yè)現(xiàn)場往往又是不可避免的，所以為了電子電路的可靠運(yùn)行而去清除干擾源是不現(xiàn)實(shí)的。只能是適應(yīng)環(huán)境，抑制干擾，加強(qiáng)電子系統(tǒng)的抗干擾能力，以保證電子電路的可靠運(yùn)行。

2 電子電路中常見的干擾

抗干擾技術(shù)主要是從干擾進(jìn)入電子系統(tǒng)的通路上采取抑制措施的。根據(jù)干擾的傳播通道，干擾主要分為:

(1)來自電網(wǎng)的干擾

眾所周知，大多數(shù)電子電路的直流電源都是由電網(wǎng)交流電經(jīng)整流、濾波、穩(wěn)壓后提供的。因此，一些干擾信號(hào)就會(huì)沿著交流電源線進(jìn)入電子系統(tǒng)，干擾電子電路的正常工作。例如，附近一些電力設(shè)備的啟停和雷電感應(yīng)產(chǎn)生的強(qiáng)烈的高頻浪涌電壓都會(huì)疊加在50 Hz的電網(wǎng)電壓上。

(2)來自地線的干擾

地線干擾是存在于電子系統(tǒng)內(nèi)的干擾。由于電子系統(tǒng)內(nèi)各部分電路往往共用一個(gè)直流電源，或者是不同的電源之間往往共一個(gè)地，因此，當(dāng)各部分電路的電流均流過公共地電阻(地線導(dǎo)體電阻)時(shí)便產(chǎn)生電壓降，此電壓降便成為各部分之間相互影響的噪聲干擾信號(hào)，即所謂地線干擾。

(3)來自信號(hào)通道的干擾

在遠(yuǎn)距離測量、控制和通信中，電子系統(tǒng)的輸入和輸出信號(hào)線很長，線間很近，信號(hào)在此長線內(nèi)的傳輸過程中很容易受到周圍電磁場的電磁感應(yīng)干擾，或者信號(hào)線間的串?dāng)_，亦或者是地線的干擾，從而導(dǎo)致所傳輸?shù)男盘?hào)發(fā)生畸變或失常，影響電子電路的正常工作。

(4)來自空間電磁輻射的干擾

以上四種干擾，危害性最大的是來自電網(wǎng)的干擾和來自地線的干擾，其次為來自信號(hào)通道的干擾，而來自電磁輻射的干擾一般不太嚴(yán)重，只要電子系統(tǒng)與干擾源保持一定距離或采取適當(dāng)?shù)钠帘未胧?如加屏蔽罩、屏蔽線等)，基本上就可解決。

3 抗干擾措施

3.1 抗電網(wǎng)干擾的措施

為了防止從交流電源線引入的干擾，常見的抗干擾措施及各部分的功能如圖1所示:

圖1 抗電源干擾的措施

(1)交流穩(wěn)壓器:用來保證供電的穩(wěn)定性，防止電源系統(tǒng)的過電壓和欠電壓，有利于提高整個(gè)電子系統(tǒng)的可靠性。由于交流穩(wěn)壓器價(jià)格比較昂貴，因此在一些小型電子電路中一般不用，只用于較大型的電子系統(tǒng)以及抗干擾要求較高的場合。

(2)電源濾波器:接在電源變壓器之前，其特性是讓交流50 Hz基波通過，而濾去高頻干擾信號(hào)，可用來消除工頻(電源)串模干擾，改善電源波形。

(3)帶有屏蔽層的電源變壓器:由于高頻干擾信號(hào)通過電源變壓器的主要傳播通道是一次線圈和二次線圈之間的分布電容，而不是一、二次之間電磁耦合。因此，在一、二次線圈之間加一個(gè)金屬屏蔽層，并將屏蔽層接機(jī)殼地(不是電路的地)，可有效地減小分布電容值，從而有效地抑制高頻干擾信號(hào)通過變壓器進(jìn)入二次側(cè)，如圖1所示。這是最常見的抗電源干擾措施。

(4)雙T濾波器:濾波是抑制干擾傳導(dǎo)的一種重要方法。由于干擾源發(fā)出的電磁干擾的頻譜往往比要接收的信號(hào)的頻譜寬得多，因此，當(dāng)接受器接收有用信號(hào)時(shí)，也會(huì)接收到那些不希望有的干擾。這時(shí)，可以采用濾波的方法，只讓所需要的頻率成分通過，而將干擾頻率成分加以抑制。

雙T濾波器(如圖2所示)用于整流電路之后，其特性是阻止50 Hz工頻干擾或其他固定頻率的干擾信號(hào)進(jìn)入電子電路。

圖2 雙T濾波器

雙T電路參數(shù)計(jì)算公式為:f=1/(2пRC)。若想阻止50 Hz工頻干擾，則選f=50 Hz。在抗干擾要求不高的場合，可以不采用此抗干擾措施，以免增加電路的復(fù)雜性。

(5)采用0.01～0.1μF的無極性電容，并聯(lián)到直流穩(wěn)壓電路的輸入和輸出端以及集成塊的電源引腳上，用以濾掉高頻干擾。

3.2 抗地線干擾的措施

抗地線干擾的具體措施有以下幾種:

(1)盡量采用一點(diǎn)接地，即各部分的地自成一體后再分別接到公共地的一點(diǎn)上，印制電路板上采用此方法不大方便布線，而都是采用串聯(lián)接法，為了減少地線噪聲干擾，可適當(dāng)加大地線寬度。

(2)強(qiáng)信號(hào)電路(即功率電路)和弱信號(hào)電路的地應(yīng)分開，然后再在一點(diǎn)上接公共地。

(3)模擬地和數(shù)字地也應(yīng)分開，然后再在一點(diǎn)上接公共地，切忌兩者交叉混連。

(4)不論哪種方式接地，接地線均應(yīng)短而粗，以減小接地電阻。

3.3 信號(hào)通道中的抗干擾措施

針對(duì)信號(hào)通道上的干擾，目前被人們廣泛采用的抗干擾措施是使用雙絞線傳輸和光電耦合傳輸兩種方法。

(1)雙絞線傳輸，顧名思義指的是每個(gè)信號(hào)都采用兩條互絞的線進(jìn)行傳輸，其中一條是信號(hào)線，一條是地線。這種方法是抑制空間電磁干擾、線間串?dāng)_和信號(hào)地線干擾的最有效且簡便的方法，因?yàn)榭臻g電磁場在每個(gè)絞環(huán)內(nèi)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢是相同的，但對(duì)每一條線來說，感應(yīng)電動(dòng)勢是可以相互抵消的。因此不會(huì)對(duì)傳輸?shù)男盘?hào)產(chǎn)生影響。其次，信號(hào)電流在兩條線上大小相等、方向相反，所以雙絞線對(duì)其他信號(hào)線的互感為零，抑制了串?dāng)_。再之，各個(gè)信號(hào)的地線是單獨(dú)的，可以有效地抑制信號(hào)之間通過地線的干擾。

不過此種方法中值得注意的是:第一，長線傳輸也應(yīng)當(dāng)注意阻抗匹配，即負(fù)載與雙絞線特性阻抗之間的匹配，否則會(huì)產(chǎn)生傳輸反射，使信號(hào)失真。第二，電子系統(tǒng)內(nèi)部信號(hào)線之間亦存在串?dāng)_的問題，不過由于線短，其影響較小。但是應(yīng)當(dāng)注意高頻和強(qiáng)信號(hào)線應(yīng)與弱信號(hào)線分開走。

在數(shù)字信號(hào)傳遞的長線傳輸中，根據(jù)傳送距離不同，雙絞線使用的方法也不同。當(dāng)傳輸距離在5 m以下時(shí)，發(fā)送、接收端裝負(fù)載電阻，若發(fā)射側(cè)為集電極開路型，接收側(cè)的集成電路用施密特型，則抗干擾能力更強(qiáng)些。當(dāng)做遠(yuǎn)距離傳送數(shù)據(jù)，或經(jīng)過噪聲大的區(qū)域時(shí)，可使用平衡輸出的驅(qū)動(dòng)器和平衡輸入的接收器。

(2)光電耦合器主要由發(fā)光二極管和光敏三極管組成，兩者相互絕緣地密封在一起。其主要優(yōu)點(diǎn)是能有效地抑制尖峰脈沖和各種噪聲干擾，從而使過程通道上的信噪比大大提高。信號(hào)從發(fā)光二極管輸入，使之發(fā)光，然后光照射到光敏三極管基極上，使光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并從集電極輸出。由此可見，輸入與輸出是相互隔離的，只有光耦合而沒有電的聯(lián)系。因此，兩邊的地不同，彼此可以獨(dú)立。

若電子系統(tǒng)的每條輸入信號(hào)線和輸出信號(hào)線之間均采用光電耦合器傳輸信號(hào)，則可以有效地抑制信號(hào)地線干擾和信號(hào)線上的噪聲干擾。這是因?yàn)閮蛇叺牡厥仟?dú)立的，所以不存在地線干擾。再次，由于光耦合器輸入阻抗很低，而疊加在信號(hào)上的噪聲信號(hào)的內(nèi)阻很高，因此，盡管噪聲信號(hào)的幅值很高，但進(jìn)入光耦合器的噪聲會(huì)很小，只形成很微弱的電流，不足以是發(fā)光二極管發(fā)光，所以抑制了噪聲信號(hào)的傳輸。

4 結(jié)束語

電磁干擾幾乎無處不在，如果電子電路系統(tǒng)沒有足夠強(qiáng)的抗干擾能力，那么即便電路的各項(xiàng)設(shè)計(jì)都合理，也不能完全保證系統(tǒng)可以很好地工作，只有在實(shí)踐中不斷地積累經(jīng)驗(yàn)，才可以設(shè)計(jì)出更好的電子電路。

［1］畢滿清.電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)［M］.第2版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2001.