陳淑芳

摘 要 數(shù)字電路通過半導(dǎo)體集成器件組合在一起，以數(shù)字信號(hào)的傳輸方式，實(shí)現(xiàn)數(shù)字量的算術(shù)運(yùn)算與邏輯運(yùn)算，有很高的集成度，功能也很強(qiáng)大，然而由于高集成化，數(shù)字電路的運(yùn)行很容易受到器件之間相互的信號(hào)干擾，導(dǎo)致運(yùn)行結(jié)果出現(xiàn)較大誤差，甚至造成運(yùn)行錯(cuò)誤，達(dá)不到預(yù)期的功能，因此研究數(shù)字電路的抗干擾設(shè)計(jì)，對(duì)數(shù)字電路進(jìn)行外部干擾屏蔽設(shè)計(jì)，設(shè)法抑制電磁干擾，對(duì)于提高數(shù)字電路的運(yùn)行可靠性以及運(yùn)行效率都有積極的意義。本文從干擾的形成源頭和傳輸路徑入手，研究數(shù)字電路的抗干擾對(duì)策，并從軟硬件兩方面進(jìn)行數(shù)字電路抗干擾性能的提升研究，希望可以為電子設(shè)計(jì)者提供有效的抗干擾方法參考。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字電路 干擾源 抗干擾

1 前言

隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，大規(guī)模集成電路成為了電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)必備的路徑，數(shù)字電路作為主要的設(shè)計(jì)思想，在電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)用廣泛，其通過數(shù)字信號(hào)傳輸，很方便的實(shí)現(xiàn)數(shù)字邏輯運(yùn)算和算數(shù)運(yùn)算，廣泛應(yīng)用在電力電子器件設(shè)計(jì)中，隨著電子控制芯片CPU性能不斷提升，PCB電路板所承受的性能也應(yīng)該相應(yīng)的提升，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，電路板的抗電磁干擾性能尤為重要，要解決抗電磁干擾的問題，要從導(dǎo)線方面探討，因?yàn)榇蠹抑纼蓷l平行或近似平行的傳輸線，會(huì)產(chǎn)生串音干擾，差模傳輸較共模傳輸，電磁干擾小，信號(hào)能量損失少，能夠保證數(shù)據(jù)信號(hào)完整性，因此差模傳輸在抗干擾的應(yīng)用上使用廣泛。另外，由于在電路設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)開發(fā)人員往往對(duì)電子器件布局不夠合理，忘記加裝屏蔽線，或者使用較受干擾的敏感元件，導(dǎo)致電路很容易受到電磁干擾，電磁干擾也成為電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中主要的難題，所以分析干擾的基本要素，設(shè)法切斷干擾的來源以及傳播路徑是數(shù)字電路中抗干擾的有效途徑。

2 數(shù)字電路干擾形成的基本要素

在研究如何對(duì)數(shù)字電路進(jìn)行抗干擾設(shè)計(jì)時(shí)，需要明確造成數(shù)字電路中干擾形成的因素，這里將干擾形成的基本要素分為：干擾源、傳播途徑以及干擾對(duì)象。

2.1 干擾源

指容易產(chǎn)生干擾的電子元件、設(shè)備或信號(hào)，一般指發(fā)生在高頻電路或器件之中，某些設(shè)備電壓和電流要經(jīng)常發(fā)生突變，這樣du/dt、di/dt都非常大，很容易對(duì)其他電子元件產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致運(yùn)行誤差，常見的干擾源有：繼電器、雷電、高頻時(shí)鐘、運(yùn)行電機(jī)等。

2.2 傳播路徑

指干擾源產(chǎn)生的干擾信號(hào)傳播到易受干擾的傳感器等敏感元件中的傳播媒介，往往導(dǎo)線和電磁空間輻射是干擾信號(hào)傳播的主要路徑。

2.3 干擾對(duì)象

所謂干擾對(duì)象就是指容易受到干擾信號(hào)擾亂的元件，通常稱為干擾敏感器件，這些元件往往在數(shù)字電路中承擔(dān)數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換等功能，是數(shù)字電路中及其重要的部分，如：數(shù)字模擬量變換器、弱信號(hào)放大器等元件。

3 數(shù)字電路抗干擾常用措施

在明確數(shù)字電路傳播的三個(gè)基本要素之后，就可以從這三個(gè)基本方面采取措施，進(jìn)行抗干擾處理，再設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該注意元器件的布置以及布線規(guī)則，進(jìn)行選用干擾抑制力強(qiáng)的元器件進(jìn)行設(shè)計(jì)，在傳播路徑上，增加必要的濾波裝置，在軟件設(shè)計(jì)上也可以采取有關(guān)措施進(jìn)行抗干擾能力的提升，提高數(shù)字電路運(yùn)行的可靠性。

3.1 抑制干擾源

數(shù)字電路抗干擾設(shè)計(jì)應(yīng)該優(yōu)先考慮的因素就是干擾源，通俗來講就是盡可能的減小電壓電流的突變率，也就是設(shè)法減小du/dt和di/dt，為了減小du/dt可以嘗試在產(chǎn)生干擾的元件回路兩側(cè)并聯(lián)上合適的電容，如果想減小di/dt則需要串聯(lián)合適的電感或者電阻。

一般在電路設(shè)計(jì)是，設(shè)計(jì)時(shí)常常采用的降低干擾的方法有；

（1）可以將續(xù)流二極管元件并聯(lián)到繼電器線圈兩端，并且設(shè)計(jì)火花抑制電路，這樣在繼電器斷開時(shí)，可以有效降低產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)干擾，為了確保繼電器在有效時(shí)間內(nèi)動(dòng)作次數(shù)不變，需要增加穩(wěn)壓二極管，彌補(bǔ)其滯后性。

（2）設(shè)計(jì)有效的濾波電路，濾除高次諧波干擾，這在電機(jī)運(yùn)行電路非常有效。

（3）電路布線時(shí)為了降低高頻干擾，盡量避免垂直走線。

（4）RC抑制電路，并聯(lián)在可控硅電路中，可以適當(dāng)減小干擾噪聲。

3.2 切斷干擾傳播途徑

干擾的傳播途徑通常指導(dǎo)線或端口傳播的傳導(dǎo)干擾，或者空間傳播的電磁輻射干擾，我們可以根據(jù)這兩種干擾的傳播方式來進(jìn)行有效的干擾傳播抑制。一般我們經(jīng)常設(shè)計(jì)使用的單片機(jī)電路中，電源時(shí)較為常見的干擾源，也是對(duì)整個(gè)單片機(jī)設(shè)計(jì)干擾最為強(qiáng)烈的，經(jīng)常采用電源回路中增加二階濾波電路來抑制電源干擾，另外在單片機(jī)I/O接口直接對(duì)電機(jī)類外設(shè)控制時(shí)，常常需要使用隔離器或者增加門電路以及光耦等方法來隔離噪聲源。數(shù)字電路中的大功率器件最好獨(dú)立接地，并且布置在電路板邊緣，可以防止其對(duì)其他元件的干擾。在數(shù)字電路的關(guān)鍵部位，例如電源連接口需要增加抗干擾器件，如電源濾波器等增強(qiáng)電路的抗干擾性能。

3.3 提高元器件的抗干擾性能

首先在數(shù)字電路設(shè)計(jì)時(shí)，要注意在選擇元器件時(shí)，盡量選擇噪聲容限高的元件，眾所周知CMOS比TTL集成電路抗干擾性能好，所以在選擇時(shí)要盡可能選擇有一定抗干擾性能的元器件，另外，要合理控制電路負(fù)載的數(shù)量，因?yàn)榉笤跀?shù)量超限，會(huì)導(dǎo)致高電平達(dá)不到要求，降低電路容限，這樣設(shè)計(jì)的電路受干擾可能性非常大。分布電容對(duì)電路的抗干擾性能也有一定影響，所以要保證不用的電路或者控制端具有合適的電平值，最后，數(shù)字電路中，難免使用到容易受干擾的敏感元件，設(shè)計(jì)電路時(shí)，如果能對(duì)這些元件進(jìn)行合適的處理，比如：在敏感元件回路中，盡可能縮小回環(huán)范圍，可以減小感應(yīng)噪音，也可以通過加粗電源回路導(dǎo)線，減小回路損耗，有效抑制噪聲。

3.4 電路設(shè)計(jì)時(shí)的抗干擾措施

在數(shù)字電路中，CMOS及TTL電路轉(zhuǎn)換瞬間干擾很大，應(yīng)該設(shè)法抑制轉(zhuǎn)換引起的振蕩，有時(shí)振蕩會(huì)引起誤觸發(fā)下級(jí)電路，可以采取以下兩種方法解決：其一是對(duì)對(duì)輸入波形采取較長(zhǎng)的信號(hào)值和盡量避免微分電路產(chǎn)生脈沖作為觸發(fā)信號(hào)。其二是對(duì)于電路延遲不同所引起的毛刺也要采取一定的措施加以消除，可利用濾波電路、時(shí)間選通電路和同步控制的方法對(duì)干擾加以治理。endprint

3.4.1 濾波法

當(dāng)干擾源產(chǎn)生毛刺的頻率很高，其脈寬將比普通的脈寬信號(hào)窄許多，因此可以利用RC積分電路消除毛刺。

3.4.2 時(shí)間選通法

采取延遲電路，根據(jù)單相穩(wěn)定或者雙向穩(wěn)定電路結(jié)構(gòu)來完成時(shí)間選通電路，抽樣輸入有用波形來消除毛刺的干擾。

3.4.3 同步控制法

同步控制法利用時(shí)序同步的原理，將電路的狀態(tài)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，由單個(gè)脈沖產(chǎn)生觸發(fā)，可以有效降低因?yàn)閭鬏斞舆t所導(dǎo)致的毛刺干擾，同時(shí)采用數(shù)據(jù)DB和數(shù)據(jù)DA通過總線驅(qū)動(dòng)器進(jìn)入數(shù)據(jù)總線，驅(qū)動(dòng)器分別控制總線信號(hào)CA和CB的總線控制方法，增強(qiáng)總線的抗干擾能力。

3.5 印制電路板的合理布線

印刷電路板是數(shù)字電路設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，其抗干擾效果的好壞與電磁兼容性有重要關(guān)系，在設(shè)計(jì)PCB時(shí)，要遵循相關(guān)設(shè)計(jì)原則，盡可能增強(qiáng)電路板的抗干擾能力，首先確定好各個(gè)元器件在電路板上的擺放位置，擺放一定要合理，將強(qiáng)干擾源與，敏感元件遠(yuǎn)離，位置布置好之后，需要布置電源線和地線，注意在設(shè)置電源線和地線線徑時(shí)，要合理加寬線徑，降低導(dǎo)線阻抗，在條件允許的情況下，要通過閉環(huán)回路且回路截面要盡量小，提高抗噪音能力，增強(qiáng)地線信號(hào)的穩(wěn)定性，最后開始設(shè)置信號(hào)線的連接。電路板設(shè)計(jì)要綜合各種因素，要全面設(shè)計(jì)，避免顧此失彼。在同一印刷板上，通常有不同的電路，設(shè)計(jì)時(shí)可以將功能相同的電路集中到接地線上，使接地線電流從不同的單元回路中流出，減輕對(duì)其他元件的干擾，增強(qiáng)電路的抗噪能力。

3.6 軟件抗干擾方法

硬件方面抗干擾措施做好以后，適當(dāng)?shù)耐ㄟ^軟件抗干擾技術(shù)來彌補(bǔ)硬件的不足，是很有效的提升數(shù)字電路抗干擾能力的方法，軟件抗干擾設(shè)計(jì)靈活簡(jiǎn)單，并且不需要花費(fèi)昂貴費(fèi)用，在數(shù)字電路抗干擾技術(shù)中受到了大家的一致好評(píng)，目前有許多軟件抗干擾技術(shù)被開發(fā)利用，最常用的包括：數(shù)字濾波技術(shù)、軟件“看門狗”技術(shù)等。

3.6.1 數(shù)字濾波技術(shù)

數(shù)字濾波技術(shù)在軟件中的抗干擾功能是通過電磁兼容的方法對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行干擾消除來實(shí)現(xiàn)的。通常在采取硬件措施不能完全抑制干擾的情況下，可以通過對(duì)軟件進(jìn)行數(shù)字濾波處理，來進(jìn)一步消除數(shù)據(jù)中的各種干擾，從而確保所采集的數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，以此來減少信號(hào)采集的誤差。

3.6.2 軟件“看門狗”技術(shù)

“看門狗”指的是在主程序中利用定時(shí)器來對(duì)程序運(yùn)行過程進(jìn)行計(jì)時(shí)監(jiān)控，如果到規(guī)定時(shí)間仍不復(fù)位定時(shí)器，則容易出現(xiàn)PC指針回不來的情況，或者說造成死循環(huán)，而到定時(shí)時(shí)間之后，看門狗就會(huì)自動(dòng)使單片機(jī)恢復(fù)原位。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的看門狗可以防止干擾信號(hào)進(jìn)入程序而造成死循環(huán)，其功能在硬、軟件中均可實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)語

數(shù)字電路通過大量的半導(dǎo)體集成器件組合在一起，表現(xiàn)為高度集成化、智能化，然而由于高集成化，數(shù)字電路的運(yùn)行很容易受到器件之間相互的信號(hào)干擾，導(dǎo)致運(yùn)行結(jié)果出現(xiàn)較大誤差，甚至造成運(yùn)行錯(cuò)誤，達(dá)不到預(yù)期的功能，應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)數(shù)字電路抗干擾性能的研究，保證電子器件的穩(wěn)定運(yùn)行。數(shù)字電路抗干擾技術(shù)復(fù)雜而重要，每一個(gè)電路設(shè)計(jì)人員都不能忽視其重要性，除了本文介紹的抗干擾措施之外，還有許多其他有效的方法，開發(fā)設(shè)計(jì)人員應(yīng)該深入挖掘，不斷總結(jié)，提高數(shù)字電路的運(yùn)行效率，使其能更好的為人類服務(wù)。

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作者單位

福州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 福建省福州市 350108endprint