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(shí)用價(jià)值越來(lái)越突出，日常生產(chǎn)生活都已經(jīng)離不開(kāi)集成電路的運(yùn)行。但是，電子電路卻在隨時(shí)隨地遭受著來(lái)自四面八方的電磁干擾，一旦其失去抗干擾能力，將會(huì)難以正常工作，進(jìn)而為人們的日常生活、生產(chǎn)帶來(lái)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(jì)中的抗干擾能力，促使電子電路正常、高效運(yùn)行下去已成為相關(guān)研究人員及設(shè)計(jì)人員所要面對(duì)的首要問(wèn)題，不斷探索和提升電子電路設(shè)計(jì)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(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法穩(wěn)定、正常運(yùn)動(dòng)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(huì)干擾到機(jī)電一體化系統(tǒng)穩(wěn)定、正常運(yùn)行的因素有很多，比如電磁干擾、濕度干擾、震動(dòng)干擾等，而這些干擾因素中，最常見(jiàn)、最難以控制的就是電磁干擾，且該種干擾因素對(duì)系統(tǒng)的影響最大，并不是通過(guò)物理等方式能夠有效解決的，是無(wú)處不在又無(wú)法消滅的。

針對(duì)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(huì)出現(xiàn)各種與有用信號(hào)沒(méi)有關(guān)聯(lián)的，甚至可能對(duì)運(yùn)行系統(tǒng)或信號(hào)傳輸產(chǎn)生威脅的電氣變化現(xiàn)象。在電磁干擾下，信號(hào)的數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)瞬態(tài)變化，進(jìn)而導(dǎo)致誤差增強(qiáng)，甚至?xí)霈F(xiàn)影響判斷的假象，嚴(yán)重的可能導(dǎo)致整個(gè)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(hào)，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(hào)就可能對(duì)電子系統(tǒng)正常運(yùn)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(jìn)行電子電路設(shè)計(jì)的過(guò)程中注重抗干擾設(shè)計(jì)。

2 電子電路中較為常見(jiàn)的干擾

在電子電路設(shè)計(jì)中采取抗干擾措施，主要是從干擾進(jìn)入到電子電路系統(tǒng)就開(kāi)始抑制。目前，電子電路中較為常見(jiàn)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(qiáng)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?yàn)殡娮与娐返碾娏鞫紩?huì)通過(guò)一個(gè)公共地電阻，進(jìn)而導(dǎo)致電壓降，由此形成噪聲干擾信號(hào)，影響到電子電路的正常運(yùn)行；

（3）由信號(hào)通道所引起的干擾，包括信號(hào)線之間的串?dāng)_等；

（4）由空間電磁輻射所引起的干擾。

3 電子電路設(shè)計(jì)中的抗干擾措施

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

3.1 抗電網(wǎng)干擾的措施

在進(jìn)行電子電路設(shè)計(jì)的過(guò)程中，為避免從交流電源線引入干擾，可通過(guò)如圖1 所示的措施進(jìn)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(jìn)行抗電網(wǎng)干擾的過(guò)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(guò)電壓?jiǎn)栴}，也能夠降低欠電壓?jiǎn)栴}的出現(xiàn)幾率。當(dāng)這一目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)，那么將會(huì)促使整個(gè)電子系統(tǒng)都更加的安全、可靠。

雖然通過(guò)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(chǎng)價(jià)格相對(duì)要高一些，大多在較大型的電子電路設(shè)計(jì)，或抗干擾要求較高設(shè)計(jì)中配置，一些較小型的電子電路設(shè)計(jì)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(méi)有則以電源變壓器為準(zhǔn)，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(guò)，并且能夠?qū)⒏哳l的干擾信號(hào)從中過(guò)濾出去。通常情況下，在電子電路設(shè)計(jì)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(duì)高頻干擾信號(hào)，其在通過(guò)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?；诖耍稍谝淮尉€圈和二次線圈之間增添一個(gè)金屬屏蔽層，同時(shí)要將該屏蔽層與機(jī)殼地相接，這樣不僅能夠促使分布電容值降低，同時(shí)也能夠避免高頻干擾信號(hào)通過(guò)變壓器進(jìn)入二次側(cè)。

3.1.4 雙T 濾波器

經(jīng)過(guò)大量實(shí)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(duì)干擾源所發(fā)出的電磁干擾信號(hào)而言，其頻譜要較正常傳輸信號(hào)的頻譜寬，并且差異顯著?；诖耍谶M(jìn)行抗干擾的過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員就可以利用這一點(diǎn)，通過(guò)采用濾波的方式過(guò)濾到那些不希望被接收到的干擾信號(hào)，只讓符合要求的頻率成分通過(guò)，以此確保電子電路能夠正常運(yùn)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(shí)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)固定頻率干擾信號(hào)的有效抑制，避免這些干擾信號(hào)進(jìn)入到電子電路中[2]。

在使用雙T 濾波器的過(guò)程中，所涉及到的電路參數(shù)計(jì)算公式如下：

如果在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，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(duì)于一些抗干擾需求并不是很高的電子電路系統(tǒng)，在實(shí)際設(shè)計(jì)中可以忽視這一環(huán)節(jié)，避免因該環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)導(dǎo)致電路變得繁瑣，影響到后續(xù)運(yùn)行。

3.1.5 無(wú)極性電容

在電子電路設(shè)計(jì)中進(jìn)行抗電網(wǎng)干擾時(shí)，除了上述幾種方式外，還需要選用0.01μF-0.1μF 的無(wú)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(shí)現(xiàn)將高頻干擾有效過(guò)濾掉的抗干擾目標(biāo)。

3.2 抗地線干擾的措施

針對(duì)地線干擾問(wèn)題，在進(jìn)行電子電路設(shè)計(jì)的過(guò)程中，可通過(guò)以下措施實(shí)現(xiàn)有效抗干擾目標(biāo)：

（1）在進(jìn)行實(shí)際設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)該以一點(diǎn)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(diǎn)上。需要注意一點(diǎn)，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(guò)增加地線寬度的方式應(yīng)對(duì)。

（2）在進(jìn)行實(shí)際設(shè)計(jì)的過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員需要將強(qiáng)信號(hào)電路與弱信號(hào)電路的地分開(kāi)，但是需要將二者在同一點(diǎn)上進(jìn)行接公共地操作。

（3）在進(jìn)行實(shí)際設(shè)計(jì)的過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員還需要將模擬地和數(shù)字地分開(kāi)，同樣需要將二者在同一點(diǎn)上進(jìn)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(wèn)題。

（4）在進(jìn)行抗地線干擾設(shè)計(jì)的過(guò)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(diǎn)，這樣能夠有效降低接地線的電阻。

3.3 抗信號(hào)通道中干擾的措施

面對(duì)電子電路設(shè)計(jì)中的信號(hào)通道干擾問(wèn)題，目前較為常見(jiàn)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?。具體分析如下：

3.3.1 雙絞線傳輸抗干擾

關(guān)于該種抗信號(hào)通道中干擾的方式，主要是指每一個(gè)信號(hào)都使用兩條互絞的線完成傳輸問(wèn)題，而這兩條線為信號(hào)線和地線。通過(guò)該種方式，能夠有效避免空間電磁的干擾，以及信號(hào)地線干擾和線間串?dāng)_，而且該種方式也十分簡(jiǎn)單。對(duì)于該種方式的原理，主要是由于空間電磁場(chǎng)在每個(gè)絞環(huán)內(nèi)所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相等，而對(duì)于每一條線而言，這種感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是能夠進(jìn)行相互抵消的?；诖?，采取該種方式不僅能夠?qū)崿F(xiàn)抗干擾目標(biāo)，同時(shí)也不會(huì)影響到有用信號(hào)的正常傳輸。另外，信號(hào)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(hào)線的互感消失，有效避免了串?dāng)_的發(fā)生。最后，每一個(gè)信號(hào)的地線都是獨(dú)立的，因此也就不會(huì)發(fā)生信號(hào)地線干擾的問(wèn)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(shí)候也需要注意兩點(diǎn)問(wèn)題：

（1）就算采用的長(zhǎng)線傳輸，那么也需要在設(shè)計(jì)時(shí)多給阻抗匹配一些關(guān)注，即負(fù)載與雙絞線特性阻抗二者的匹配會(huì)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(jìn)而大大降低信號(hào)失真幾率；

（2）針對(duì)電子電路，其系統(tǒng)內(nèi)部信號(hào)線也容易出現(xiàn)問(wèn)題，比如串?dāng)_，雖然影響并不是很嚴(yán)重，不過(guò)一定要區(qū)分好高頻和強(qiáng)信號(hào)線與弱信號(hào)線，要讓其分開(kāi)走。

除此以外，在進(jìn)行該種措施設(shè)定的過(guò)程中，還需要依據(jù)數(shù)字信號(hào)傳遞傳送距離的不同確定雙絞線的正確選用方式。比如，當(dāng)傳輸距離不足5m，那么需要在發(fā)送、接收端安置負(fù)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(guò)光電耦合器實(shí)現(xiàn)抗干擾目標(biāo)，主要是因?yàn)殡婑詈掀饔砂l(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(duì)尖峰脈沖和各種噪聲干擾的高效抑制，同時(shí)也能夠促使過(guò)程通道上的信噪比得到增強(qiáng)。在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，信號(hào)將從發(fā)光二極管進(jìn)入，這時(shí)二極管會(huì)發(fā)光，在光敏三極管基極正式感受到光照的過(guò)程中，會(huì)對(duì)所接收到的光信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)變，將其化為電信號(hào)，并且通過(guò)集電極傳遞出去。

經(jīng)過(guò)上述的探討可以發(fā)現(xiàn)，輸入和輸出兩者間并沒(méi)有什么關(guān)聯(lián)，因?yàn)槎咭呀?jīng)被隔離開(kāi)來(lái)，也就表明僅有光耦合，而與電并無(wú)聯(lián)系?；诖?，兩邊的地不同，各部位之間相對(duì)獨(dú)立。在進(jìn)行電子電路設(shè)計(jì)的過(guò)程中，如果能夠在每條輸入信號(hào)線和輸出信號(hào)線之間都設(shè)置一個(gè)光電耦合器傳輸信號(hào)，那么將實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)地線干擾的有效控制，還能夠避免信號(hào)線上的噪聲干擾[4]。

除此以外，因?yàn)楣怦詈掀鞯妮斎胱杩共⒉皇呛芨撸贿^(guò)其疊加而成的噪聲信號(hào)內(nèi)阻過(guò)大，也就表示就算噪聲信號(hào)的幅值并不是很小，可其通過(guò)光耦合器中，都會(huì)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(shí)現(xiàn)了對(duì)干擾的抑制。

3.4 抗空間電磁輻射干擾的措施

針對(duì)來(lái)自空間電磁輻射的干擾，其對(duì)電子電路的影響并不是很大，所以在進(jìn)行實(shí)際設(shè)計(jì)的過(guò)程中，可以通過(guò)將電子電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)到原理干擾源的位置即可，或者可以通過(guò)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(yǔ)

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(lái)越廣闊，如果不給予解決，那么將無(wú)法確保電子電路在電磁干擾中正常運(yùn)行。因此，為了不斷提升電子電路設(shè)計(jì)水平，以及其運(yùn)行效率，就需要相關(guān)設(shè)計(jì)人員能夠注重電子電路的抗干擾設(shè)計(jì)，要能夠在不斷實(shí)踐中積累經(jīng)驗(yàn)，找到更多可以融入到電子電路設(shè)計(jì)中的抗干擾措施。