电子电路设计中的抗干扰措施

2019-02-19孟祥荔

设备管理与维修 2019年2期

孟祥荔

（天津市第一轻工业学校，天津 300232）

0 引言

电子干扰对于电子电路的可靠性是一个极大的威胁，进而也会对电子电路工作能力产生影响。干扰一旦存在，电子电路是不可能安稳工作的，特别是在工作条件异常艰苦、干扰源既强大又多样的情况下，更是如此。故而在设计环节，干扰和抗干扰是要重点考虑的问题。首先要保证不能受到别的产品的干扰，其次也不能扰乱别的产品的工作。不过，在工作中几乎是不可能完全避免电气噪声和电磁干扰的出现，因此即便是再优秀的产品业不能实现这一点。但噪声和干扰是会影响设备稳定运行的，故而在设备成型之后依旧需要加装抗干扰装置，这项工作不但会浪费人力成本，也会加大资金成本的投入，且还可能会影响产品的性能。鉴于此，在设计之初，干扰抑制方案就必须要考虑进去。

1 干扰的定义

干扰就是妨碍系统正常运转的不利因素，可以来自于外界也可以产生于产品内。在大的层面上来看，机电一体化系统中的干扰有很多：电磁干扰、温度干扰和振动干扰等。其中电磁干扰出现的频率最高，并且也是控制系统最大的敌人，至于其他的干扰一般都可以借助一些物理手段来处理的。

电磁干扰表述的是在工作条件下，因环境原因而出现的与有用信号没有关联的，同时又对系统运转和信息传递有不利影响的电气变化现象。它会使数据出现瞬态突变，将误差放大，乃至于产生假象，甚至由这些异常信号导致系统故障。

每个干扰都是有源头的，这些干扰源有的存在于系统之外，有的也是在系统之内。电子系统的干扰信号种类很多，对于内部干扰源而言，最主要的就是功率级内高频振荡电路和功率级开关电路产生的噪声。反观外部干扰源，有的是来自于周边大功率用电设备的启停，也有自然环境中雷电带来的干扰。

在实际环境中，干扰源是无法去除的，因此，以彻底清除干扰源的方式确保电路的正常运转是不可能的。最好的方式就是根据实际环境阻遏干扰，强化系统对于不良干扰的应对能力，进而保证电子电路的运行不受影响。

2 电子电路中常见的抗干扰技术

（1）来自电网的干扰。在工程上，发电厂出来的都是交流电，在电路中使用的直流电源，基本都是经过整流、滤波、稳压的处理得到的。因此，在这个过程中，很容易掺入干扰信号，随着干扰信号的加入系统也就不再稳定了。

（2）来自信号地之间的干扰。信号地指代信号电路、逻辑电路和控制电路的地。其连接势必会借助导线来实现，但是考虑到导线自身肯定会有阻抗，因此不同导线的电流也是有差异的。故而，也会带来各个接地点电流的差异，进一步来看，各个点电位也是不一样的。一般电路之间是要加设接地点的，希望以此来降低电流流经公共阻抗时出现的耦合干扰，与此同时，要注意不能产生地环路电流，后者一旦出现就会和别的线路出现耦合干扰。

（3）来自信号通道的干扰。测量、控制和通信如果发生在两点距离较远的情况时，系统中输入输出信号线就会变得非常长，两线之间的间距又会比较近，信号在线内进行传递时，周边磁场就会产生干扰，即使是相近的两信号线之间也会出现串扰，甚至于地线都会出现干扰，如此一来，传输的信号就会失真，进而影响到电路的稳定运行。

（4）来自杂散电磁场的干扰。当放大电路附近出现杂散电磁场时，内部的输入电路与某些部件都将位于不断变化的电磁场中，就会出现干扰电压。对于一个放大器而言，特别是在倍率较高时，如果第一级出现干扰电压，即便是只有一点点，但是经过逐级放大，到最后输出端出现的就是一个极大的干扰电压。

通过对上述4种干扰进行分析，破坏性最大的就是来自电网和信号地之间的干扰，排在第二级的则是信号通道产生的干扰。此外，信号辐射的干扰也是存在的，但这一般不太重要，在处理措施上，只要能够保证系统和干扰源留有一定的距离，或者有一定的屏蔽措施，就能够妥善处理。

3 抗干扰措施

3.1 抗电网干扰的措施

（1）交流稳压器。该设备主要的作用就是为了确保供电的稳定，主要是防止电源出现过电压和欠电压，进而保证整个系统的稳定运行。市场情况反应，交流稳压器在价格上并不便宜，故而对于小型的电子电路而言，该设备不具有可选性，只有在大型电子电路中，或是明确指出需要严格抗干扰时，才会被采用。

（2）电源滤波器。它在电路中位于变压器之前，实现的功能就是只放过交流50 Hz基波，其他的高频干扰信号则会被阻隔下来，如此一来就可以明显的改良电源波形。

（3）带有屏蔽层的电源变压器。分布电容一般存在于一次线圈和二次线圈之间，这是高频干扰信号最关键的通道，如果在此间多加一个金属屏蔽层，然后将其设备接地，就能够很明显的降低分布电容值，由此也能够避免干扰流入二次侧。

（4）双T滤波器。不可否认，滤波的存在将有效的阻止干扰的传播。现实情况表明，来自于干扰源的电磁干扰的频谱是要明显宽于待接收信号的。即接收器不仅会收到其想收的目标信号，还会接收到一些干扰信号。此时滤波的目的就在于此，有了滤波的存在，就能够只收到目标信号，并去除干扰信号了。

（5）（0.01～0.1）μF的无极性电容。该元件旨在过滤高频干扰。

3.2 信号地之间的抗干扰措施

（1）单点接地。就是将所有地线接在一个点上，优势是不会产生环形地回路，也不会出现地环流，这就使得某一电路的接地点，只会与此电路的地电流和地阻抗相关联。假设某些电路电流值十分小，地线之间的电压也非常小，那么这种电路在距离比较近的时候，就允许采用单点接地，考虑到其地线是比较短的，所以电压也比较小，使相互之间的干扰也小多了。

（2）串联接地。串联接地表示的是所有接地点都依次连接在一个地线上，由于串联的特性，公用地线电流也就是所有接入地线电流之和。故而，各电路电位都受其他电路干扰，噪声也就借助这些公共地线进行耦合。在抗干扰的层面上来看，这种接线方式是不正确的。不过，这种接法极为便捷，因此在工程中也有应用。这一点，在印制电路板的案例中最为明显。

（3）多点接地。经过调查发现，接地母线的制作工艺一般都是宽铜皮镀银，以此来减小阻抗。具体做法是将所有电路的地线都接到附近的母线上，优点是能够有效的减小阻抗。常见于数字电路中。该电路中主要部件就是印刷板，其地线一般接在机架的母线上，然后母线的一侧连接直流电源地线，值得一提的是这种模式仅用于高频电路。

（4）模拟地和数字地。电子电路里的信号是多样的，不仅含有数字信号还含有模拟信号，并且数字电路经常处于启停状态，电流经常有大幅度的波动，这种情况下如果还是使用电耦合，那么地线之间必然会出现干扰，进而使得模数转换多样。处理方案是，备好2套整流电路，将模拟电路和数字电路分开，至于两个信号之间就需要借助光耦合器来耦合了，如此一来就完成了地线之间的隔离。

3.3 信号通道中的抗干扰措施

（1）双绞线传输，这种方案里各信号皆有2条互绞的线来传输，分别是信号线和地线。该模式在抗干扰领域中，多运用在抑制空间电磁干扰、线间串扰和信号地线干扰等。空间电磁场在各个绞环中带来的感应电动势都是一样的，不过在每条线上，感应电动势是能够抵消的。故而，多数情况下对传输信号是没有影响的。此外，在关联的2条线上，信号电流是等大反向的，也就是说双绞线是能够处理串扰的，因为其对其他线是没有互感的。再然后，每个信号的地线是相互分开的，这样就能够阻止信号经过地线时的干扰。

在使用这种方案时，需要考虑的问题：①对于长线传输需要重点考虑阻抗匹配问题，如果处理不当就会出现传输反射，就会使信号被破坏。②即便是同一电子系统，信号线间也有串扰的存在，但是信号线比较短，故而影响也就相对较小。这里需要重点注意的是，强信号线与弱信号线需要分开布线。

对于数字信号长线传输而言，考虑到传输距离的差异，双绞线的运用方式也是不一样的。如果传输距离＜5 m，那么发送和接收端要1个负载电阻。如果距离比较远时，或者途径区域有大的噪声时，就可考虑使用平衡输出的驱动器和平衡输入的接收器。

（2）光电耦合器的组件有发光二极管和光敏三极管，这两者需要各自经过绝缘处理，再被封在一起。这样做的好处就是能够抵抗各种噪声的干扰，同时还能抑制尖峰脉冲，然后综合性提升信噪比。信号是由发光二极管引进的，光线会进一步的传播到光敏三极管基极上，由此就完成了光信号向电信号的转变，同时再从集电极输出。这就能够看出，输入与输出之间是能够相互隔开的，两者间仅是光耦合，在电上是没有关联的。两者的独立性也就比较高了。

假设在电子系统中，各个输入信号线和输出信号线都使用的光电耦合器传输信号，那么之前出现的信号地线干扰，乃至于信号线噪声干扰都是能够避免的。主要原因是两者地是相互独立的，也就不会出现地线干扰了。然后，光耦合器输入的阻抗是非常小的，但是其上的噪声信号内阻又是比较大的。故而，纵然噪声信号的幅值比较大，但是经过光耦合器时噪声基本上是极小的，在影响上顶多产生很小的电流，基本上都不会使二极管发光，所以这也就阻止了噪声信号的传输。

3.4 杂散电磁场的抗干扰措施

（1）合理布局。在电子电路中，分布参数有着很大的意义，其事关被测电路元器件布置是否合理。高增益和高频电路的输入和输出之间要有一定的距离。对有输入变压器的放大器而言，需要做的工作就是将变压器内的线圈布置的和干扰磁场垂直，进而来降低干扰电压。电路的所有布线都要规范化、科学化，连线之间不要存在冗余。交流、直流、弱信号等线要尽可能分开走，并且还要避免平行布线。铺设的线路越长，其受到的干扰就越大。

（2）屏蔽。屏蔽分为2种：静电屏蔽和磁屏蔽。在实施上是用屏蔽罩罩住干扰源，特别是要关注放大器的第一级，第一级的信号线选取十分重要，一般使用带有金属套的屏蔽线，后者外套还要进行接地处理。

当抗干扰需求比较严苛时，就需要对放大器自身做处理了，一般是将其屏蔽起来。静电屏蔽有一个共同的特点，就是会使用电导率较高的物质，在本质上进行分析就是屏蔽罩接地以后，干扰电流就会经过它流入地下。同理，磁屏蔽运用的则是高磁导率的磁性材料。此外经过大量测试，屏蔽罩的形式也会带来一定的影响，圆柱形屏蔽罩在测试中性能最好。