廣東嶺南職業(yè)技術學院 黃國爵

數(shù)字模擬電路轉換的抗干擾設計方案

廣東嶺南職業(yè)技術學院 黃國爵

數(shù)字模擬電路中因各種原因形成的干擾，對電路系統(tǒng)運行質量和運行時間都有不利的影響?；诖耍疚膶?shù)字模擬電路中干擾的基本要素及其耦合方式進行了的介紹，而后從干擾源、干擾的傳播途徑和敏感器件三個點切入，重點分析了數(shù)字模擬電路抗干擾的應對策略，并提出了具體的設計方案。

數(shù)字模擬電路；單片機；π形濾波器

1 引言

隨著數(shù)字技術與集成電路的發(fā)展，數(shù)字控制電路在各種與電子科技相關的領域都有應用。但是在實際的運行過程中，電路易受到來自器件布局緊湊、線路安置不合理等因素產生的干擾。所以，我們研究數(shù)字控制電路運行過程中的干擾因素，提出抗干擾的設計方案，是十分必要的。

2 數(shù)字模擬電路中干擾的概述

2.1 干擾的基本要素

在數(shù)字模擬電路中，干擾的形成來自以下三個方面因素：第一個，干擾源。很多元件、信號或是設備都會對電路產生干擾，如雷電、電機、可控硅、高頻時鐘、繼電器等。用數(shù)字語言來表述，du/dt，di/dt大的地方就是干擾源；第二個，干擾的傳播途徑，即干擾由干擾源傳至電路敏感器件的媒介和路徑。常見的干擾傳播途徑為空間的輻射和導線的傳導；第三個，敏感器件，即在數(shù)字模擬電路中易受干擾源干擾的對象。例如單片機、弱信號放大裝置、A/D、D/A轉換器等。類似傳染病的防治，數(shù)字模擬電路中的對干擾的拮抗也要從源頭、途徑、自身抗干擾能力三個方面共同完成。

干擾的類型復雜多樣,可以按照產生干擾的原因、傳導方式、波形特點分為三類。按產生干擾的原因，可分為浪涌噪聲、放電噪聲和高頻振蕩噪聲；按傳導方式可分為串模噪聲和共模噪聲；按波形特性可分為脈沖序列、脈沖電壓和持續(xù)正弦波。在數(shù)字模擬電路的抗干擾設計中，要具體問題具體分析，根據(jù)不同的干擾類型采取相應的措施。

2.2 干擾的耦合方式

干擾源產生的干擾信號要對數(shù)字模擬電路的設備或系統(tǒng)產生作用，就需要通過導線、公共線等通道進行耦合。干擾的耦合主要分為以下幾種形式：一、直接耦合，這是數(shù)字模擬電路中最直接也最常見的耦合形式。例如干擾信號通過電源線對電路系統(tǒng)的直接侵襲；二、漏電耦合。在線路絕緣不佳時會發(fā)生這種純電阻性的耦合形式；三、靜電耦合，也叫電容或電場耦合，是由于靜電電容的存在發(fā)生的耦合；四、磁場耦合，也叫電磁感應耦合，是由于電磁感應發(fā)生的耦合；五、公共阻抗耦合。這種耦合形式主要在兩個數(shù)字電路的電流有共有通路時產生，抗干擾時需要在電路設計上下功夫，使干擾源與敏感電路器件間避免出現(xiàn)公共阻抗。

3 數(shù)字模擬電路抗干擾的具體方案

3.1 抑制干擾源

在抗干擾的設計中，首先應該考慮的就是對干擾源的抑制，即降低du/dt和di/dt。首先通過將相應的電容并聯(lián)在干擾源的兩端，從而降低du/dt；與之相反，di/dt的降低需要通過在干擾源回路中串聯(lián)電阻的方法來實現(xiàn)。在實際的應用方案中可以這樣設計：

（1）由于繼電器線圈的開關過程中，線圈會發(fā)出反電動勢，導致電路的運行效果受到干擾。此時如果按傳統(tǒng)辦法將續(xù)流二極管添置在繼電器的線圈處，雖然能降低反電動勢的影響，但有減緩繼電器開斷時間的可能。所以，應該用穩(wěn)壓二極管代替續(xù)流二極管。此外，還需要在繼電器兩側裝設或用于抑制火花的電路，從而避免繼電器運行時產生火花對電路造成影響[1]。

（2）在布線時，應盡量重視線路的合理固定，避免導線90度彎折和飛線，以便降低發(fā)射高頻噪聲對數(shù)字模擬電路的干擾。此外，還可以并聯(lián)RC抑制電路，用來減少可控硅發(fā)出的噪聲。

（3）在線路的設計和裝置過程中，要考慮到各個元器件引線的長度，以免在線路傳輸過程中各元器件之間相互產生干擾。

3.2 阻斷干擾傳播途徑

根據(jù)干擾的傳播路徑可將干擾分為傳導干擾和輻射干擾。傳導干擾指通過線路傳播，由干擾源對敏感元件產生的直接干擾；而輻射干擾指不通過線路，干擾源經由空間對敏感元件進行輻射干擾。對于以上兩種干擾形式，可以通過切斷干擾傳播路徑來解決，具體設計方案如下：

（1）在電路板的設計中按信號強弱以及信號類型實行嚴格合理的分區(qū)，盡量拉開干擾源（繼電器、電機等）與敏感元件（單片機等）的距離，以減輕干擾源對元件的輻射影響。

（2）為避免模擬區(qū)與數(shù)字區(qū)摻雜，可用地線將兩個區(qū)隔離開，最后一點接在電源上。

（3）注意晶振的布線。要盡量縮短晶振和單片機引腳之間的距離，用地線將時鐘區(qū)單獨隔開，固定好晶振外殼并接地。

（4）由于大功率器件與單片機之間會產生干擾，所以為了減小雙方的相互影響，需要將二者的底線單獨接地。大功率器件應盡量裝設在電路板的邊緣，保證遠離單片機分布。

（5）大多數(shù)控制芯片易受到電源噪聲的干擾，所以在數(shù)字控制電路初設階段就應考慮到電源線路的改造問題?？梢栽陔娫瓷显鲈O穩(wěn)壓器和濾波電路，例如用電容和磁珠組成的π形濾波器，以便阻斷電源發(fā)出的噪聲，保證控制芯片不受干擾[2]。

3.3 提升敏感器件的抗干擾性能

提升敏感器件的抗干擾能力，主要是通過改良布線方式、優(yōu)化電路格局等方法減少敏感器件對干擾噪聲的吸收，幫助敏感器件更快擺脫失常狀態(tài)，達到最佳的運行效果。具體設計方法如下：

硬件方面：第一，布線時要盡量選用較粗的電源線和底線，用以降低耦合噪聲；第二，使用看門狗電路和電源監(jiān)控系統(tǒng)，如X25043、IMP706、IMP809、IMP813等，對電路整體的抗干擾能力有顯著的提升作用；第三，在兼顧運行速度的前提下，盡量使單片機的晶振降低；第四，盡量把IC器件裝設在電路板上，減少IC座的使用；對于閑置的單片機I/O口也要接上地線或電源。

軟件方面：第一，在跳轉指令之前加上幾個NOP，可用于程序跑飛時的歸位；第二，在沒有看門狗硬件可用時，可以采取軟件WatchDog來進行模擬，對電路程序的運行進行監(jiān)視；可以采用“3取2”或“5取3”的形式加入數(shù)據(jù)校驗位，以便提升通訊過程中對干擾的拮抗能力。

4 總結

總而言之，根據(jù)對干擾因素的研究，設計出相應的數(shù)字控制電路抗干擾方案，是一項復雜而重要的工作。由上文分析可得，通過電容的合理運用、增設穩(wěn)壓二極管等方式實現(xiàn)了du/dt和di/dt的降低；通過對電路布局的調整，導線、電源電路的改造，有效阻斷了干擾的傳播；通過電源監(jiān)控系統(tǒng)、WatchDog等軟硬件的合理應用，對敏感器件乃至整體系統(tǒng)的抗干擾能力實現(xiàn)顯著提升。除此之外，在日后的工作中，我們還需對以上方案進行實踐，深入探究、總結出更高效的電路抗干擾辦法。

[1]鐘晨昊．數(shù)字電路的抗干擾探析[J]．電子技術與軟件工程,2016,10:126．

[2]王洋．數(shù)字模擬電路轉換的抗干擾設計方案[J]．科技資訊,2010,24:10．