数字电子系统抗干扰技术研究

何宇云

【关键词】数字电子系统;电磁干扰;抗干扰技术

【中图分类号】TP273.5 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2021）06-0039-03

0 引言

随着现代科学技术的不断发展，社会大众对通信、科学计算、雷达信号处理等实时信号处理提出了越来越严格的要求。为满足对越来越庞大的数据量的高效处理，近年来数字电子系统实现了快速发展。与此同时，随着实时信号处理速率的逐步加快，数字电子系统的运行效率逐步提升，半导体工艺越来越成熟，促使电子系统中信号边沿速率上升至更高级别。飞快的信号边沿变化，促使电路信号形成反射、振铃、串扰等一系列噪声及失真的信号完整性问题 [1]。因而，对数字电子系统抗干扰问题及其技术进行分析显得尤为必要，否则会对数字电子系统处理结果造成不利影响，甚至引发更严重的后果。

1 电磁干扰及其危害

1.1 电磁干扰

电磁干扰是指一系列可中断、缩减、阻碍通信电子设备有效运行的电磁能量。作为一种产生于干扰源且会破坏有用信号的电磁现象，电磁干扰会影响电缆信号的完整性。通过电磁干扰源产生的电磁能，经导线传导、空间辐射等传播途径传输至敏感设备 [2]。在此过程中，敏感设备会形成相关形式的“响应”，并形成干扰的效果，业界将此称作电磁干扰效应。电磁干扰的形成除了要求有干扰源，还要求有对电磁信号敏感的接收设备和合适的耦合路径。20世纪80年代，英国科学家提出“论干扰”的理论，至此揭开了对干扰课题进行研究的篇章。后来，英国邮电部门对通信中的干扰问题展开了研究，促使干扰问题不断趋向工程化、产业化，进一步推动了抗干扰研究的进程，使电磁干扰的防护问题得到越来越广泛的关注。在当今社会的生产和生活中，电磁干扰效应十分普遍，依据其形式不同，主要分为外部电磁干扰、内部电磁干扰。比如，常规的电子产品不论是其外部还是内部都存在电磁干扰现象。外部电磁干扰主要包括由自然界产生的，诸如大气的放电现象，以及由人为产生的，诸如智能手机、电吹风等引发的电磁干扰。内部电磁干扰主要是通过电子设备的寄生耦合现象形成的。倘若电磁干扰效应过于严重，极有可能造成设备或者系统失灵，进而引发不良的故障或事故，这被称作电磁兼容性故障。不可否认，电磁干扰已成为现代电子技术发展所面临的一大困境。为保障电子设备或者系统的有序运行，必须加强对电磁干扰的研究，研究有效的抗干扰技术手段，增强抗干扰能力。

1.2 电磁干扰的危害

随着电子设备的不断推广，电磁干扰的现象越来越严重，众多研究与实践表明，电磁干扰会对人体、电子设备等带来不同程度的危害。首先，电磁干扰对人体的危害通常分为热效应、非热效应及累积效应。其中，熱效应是指受电磁干扰影响，人体中的水分会出现水分子摩擦，进一步使机体体温异常，导致机体器官、组织及细胞无法正常运行。非热效应是指受电磁干扰，使人体周围的微弱电场遭到破坏，致使微弱电场进入非平衡状态。累积效应是指在原本电磁损伤尚未充分复原的情况下，机体又受到电磁损伤，长此以往，必然会对机体功能造成不利影响。其次，电磁干扰对电子设备的危害同样多种多样。比如，电磁干扰会严重破坏无线电通信，进一步造成电台信号难以被广大听众接收，还会造成电视信号混乱。通过提升发射机功率，有助于解决无线电通信距离变短的问题，但会加重电磁干扰程度，进入恶性循环。又如，民航机场运营时会受到信号塔的干扰，大部分机场会受到周边大功率电台影响，在飞机起飞或降落时就会产生相应偏差，所以在乘坐飞机时，乘客会被要求关闭电子设备，以防对飞机正常运行造成不利影响。

2 干扰数字电子系统的因素

随着科学技术的飞速发展，目前的电子设备大多都应用了先进的数字电路。相较传统模拟电路传输的模拟信号，数字电路传输的电子信号更稳定，受到外部环境中噪音干扰的情况也更少，但仍然会受到一定程度的干扰。在数字电子系统中，形成干扰的因素主要包括干扰源、传播路径及敏感设备。

2.1 干扰源

在对数字电路中形成的干扰开展探究的过程中，应当从多个角度切入，其中首要考虑的是形成干扰的源头，即为干扰源。数字电路设计主要是为了对相关数字信号进行传输，倘若面临其他外部的电子信号，则会引发外干扰现象。结合历史经验和发展实际来看，形成干扰信号的源头通常包括电机、雷电等。只要形成电子信号，即会凭借信号的强弱、大小对数字电子系统带来不同程度的干扰。因而，为切实防止数字电路被干扰，直截了当的抗干扰手段即对干扰源予以阻断，然而该种手段的实现比较困难，还有待进一步的研究。

2.2 传播路径

数字信号在传播时，要求借助相应的数字通路或者传播媒介，以发挥连接的作用。倘若数字通路或传播媒介受到干扰，势必会影响数字信号的传播。数字信号的传播路径是完全暴露于空气中的，同时各种干扰源可在空气中发出干扰信号，进而对数字信号的传播路径产生干扰。通过实践研究表明，数字信号传播路径受干扰程度与数字信号通量之间存在十分紧密的联系。因而，传播路径作为数字信号顺利传播的一大保障，控制该环节干扰的形成至关重要。

2.3 敏感设备

与其他电路构成类似，数字电路中也包含大量敏感的设备结构，诸如模数转换器、数模转换器、单片机、数字IC等。该部分的敏感设备对信号的精确度提出了较严格的要求，倘若出现外部其他信号，则极易影响它们运行的稳定性，进而引发干扰，影响数字电路的有序运行 [3]。因而，现阶段的数字电路设计中，要注重对敏感设备配备相应的防护手段，诸如隔离涂层等，这主要是为了防止空气中形成或其他电子设备形成的信号对其稳定性带来影响。尽管敏感设备因素对信号干扰的抵抗能力相对较弱，但对其干扰阻断也比较容易，因此开展对数字电路中敏感设备的优化改良工作尤为重要。

3 数字电子系统抗干扰技术实践

在数字电路中采用抗干扰技术，主要可以采用抑制干扰源、阻隔干扰传播路径及提升敏感设备抗干扰能力等方法。在相关硬件手段难以保障抗干扰效果的情况下，可以引入软件手段开展数字电路抗干扰，尽可能地控制干扰因素对数字电路的影响，保障数字电子系统的有序运行。

3.1 数字电子系统中硬件抗干扰技术

（1）器件选用过程的抗干扰。首先，科学选择器件。在数字电路中，一般噪声容限、传输延时与其抗干扰能力呈正相关关系，所以CMOS电路拥有比TTL电路更可靠的抗干扰能力。在选择逻辑器件的过程中，应对其噪声容限指标进行综合考虑，也就是倘若只追求电路的噪声容限时，可选择HTL;倘若追求电路噪声容限的同时要兼顾功耗，可选择电源电压超过15 V的CMOS [4]。其次，合理控制负载。倘若某一集成电路输出所带的负载电路在其规定的扇出以上时，则会让电路输出的低电平值上升，高电平值下降，进一步造成电路噪声容限变低，引发干扰现象。因而，在器件选用过程中应合理控制电路的输出负载，不可高于其规定扇出。最后，加强处理空端。针对不用的电路输出及控制端，极易经由分布电容转至端子对电路带来干扰。所以，对于不用的电路输入及控制端，应连接相应的逻辑电平。

（2）电路设计中的抗干扰。电路设计中的抗干扰技术包括接地技术、滤波技术等。其中，接地技术作为电力设备电磁兼容技术中的一项重要内容，对其开展研究尤为必要。接地技术主要包括安全接地技术、避雷击接地技术等，安全接地技术作为一种常用的硬件抗干扰技术，主要是将机壳接入大地，将电量转移至大地中，防止机壳上积累电荷，形成静电放电而引发干扰。在实际应用中，经由机壳将多余的电荷传输至大地时，要求保证绝缘层的性能正常。倘若绝缘层损坏，会产生大量的电量，在此过程中要对电量予以快速转移处理，方可确保数字电路不受干扰。此外，电子设备在运行时极易受到自然界雷击的干扰，因而大多电子设备会设置避雷针等避雷装置。雷击会瞬间形成大量电荷，并与电子设备产生反应，进而释放巨大的电荷，威胁周围人员及建筑物的安全。因此，发生雷击时，应及时采取有效的电荷转移处理，而避雷击接地技术可通过将可能遭受雷击的物体与大地连接，从而提供释放巨大电荷的通路。滤波技术主要作用于筛选信号及抑制干扰，而滤波器就是为实现这些功能所设计的网络。依据功能不同，可将滤波器划分成信号选择滤波器和电子干扰滤波器。信号选择滤波器不仅可实现对无价值信号分量的有效剔除，还不会对所选信号幅度相位造成过多的影响。电磁干扰滤波器，亦可称作电源噪声滤波器，作为一种可有效抑制电磁干扰的滤波器，在面对电压幅度高、上升速率快、持续时间短及随机性强的瞬态电磁干扰时，电磁干扰滤波器可有效抑制电网噪声，增强数字电路的抗干扰能力 [5]。电磁干扰滤波器在数字电路中的应用如图1所示。

3.2 软件抗干扰技术

（1）数字滤波技术。作为数字电路软件抗干扰技术中的一种，数字滤波技术亦可称为硬件仿真技术，它不需要依靠硬件，主要是依托对模拟信号的多次采样，借助先进计算机计算，以获取可靠的数据信息。数字滤波技术具备灵活、所提供数据信息准确性高等特征，相较于硬件干扰技术更具优势。通常，为了提升数字电路的抗干扰能力，除了在硬件中采用相应的抗干扰技术，还应在软件中开展数字滤波处理，以此消除存在于数据中的一系列干扰，使获取的数据准确地呈现现场的运行情况。

（2）输入信号重复检测方法。作为一种存在于数字信号传输中的常见干扰，输入信号干扰作用时间相对偏短，但是干扰十分集中。在面对该种干扰时，因为采用硬件抗干扰技术难以实现对其有效抑制，所以可采用输入信号重复检测方法，达到“去伪存真”的效果，也就是只有通过接连两次或两次以上的采集结果完全相同時，才可认同方法有效。如果信号一直处在不稳定的状态，在输入信号进入限额时，即会发出警示信号。针对源于多种不同开关型传感器的信号，诸如行程开关、限位开关等，均可应用该种输入方式。针对较宽的干扰，可在连续采集数据之间插入延时 [6]。

（3）软件拦截技术。倘若电子系统中的CPU区域遭受干扰，极易造成严重的后果。常见的不良后果包括电子设备不能正常运行、程序难以正常保存、程序在地址空间陷入错乱局面，抑或进入恶性循环状态，很难实现对原有系统的自动恢复，会对系统构成极大的破坏。针对该种情况，软件拦截技术可对相关混乱的程序进行有效拦截，或使程序摆脱不良循环局面，并使程序回归正轨，保障电子设备的有效性、稳定性。

3.3 数字电子系统装配中的抗干扰技术

（1）磁场屏蔽。磁场屏蔽是指对低频磁场、高频磁场进行屏蔽。其中，低频磁场屏蔽是通过铁磁性材料的高导磁率对干扰磁场予以分路，以此缩减通过空气的磁通，进一步达到磁场屏蔽的目的。值得一提的是，因为是对干扰磁场进行分路，所以要想收获理想的屏蔽效果，则应当保证屏蔽材料的磁导率，提升屏蔽罩厚度，扩增磁分路流过的磁通。高频磁场屏蔽所用屏蔽材料为低电阻率的良导体。外部高频磁场于屏蔽体中形成涡流，进而凭借涡流形成的磁场可抑制磁场外泄，进一步达到屏蔽的效果。有别于低频磁场屏蔽，因为高频涡流的趋肤效应，屏蔽体尺寸并非影响屏蔽效果的重要因素，同时屏蔽效果也不受屏蔽体是否接地的影响。但是，对于高频磁场屏蔽的金属良导体来说，如果接地可靠，则可同时实现磁场屏蔽和电场屏蔽的双重效果。

（2）电磁场屏蔽。电磁场屏蔽是指借助屏蔽体同时屏蔽电场、磁场。对于电场的屏蔽，通常是引入一个电场干扰源对原本的电场形成干扰，实现电场屏蔽的效果。依托这一原理及上文提到的磁场屏蔽原理，可利用金属良导体制作屏蔽体，对频率相对高的电场、磁场进行屏蔽。在此过程中，应当将屏蔽体接地，方可收获更理想的屏蔽效果。因为电磁场的屏蔽是同时对电场、磁场的屏蔽，所以在屏蔽过程中会产生新的干扰情况，比如在对高频电场、磁场进行屏蔽时，会引入涡流及新的干扰源，极易在屏蔽一个干扰后，又产生一个新的干扰，从而对电子设备带来负面影响，所以必须予以重视。

（3）信号传输线的电磁屏蔽。信号传输线的屏蔽通常通过可实现屏蔽效果的双绞线达成，该种双绞线对于不超过100 kHz的电磁场可实现良好的屏蔽效果。在信号传输线上设置可实现屏蔽效果的双绞线，可使信号传输时，电流在两根内导线上流动，噪声电流在屏蔽层上流动，进而防止公共阻抗的耦合。与此同时，各式各样源于外部的干扰均同时作用于两根导线上，使干扰实现相互抵消。此外，有部分非屏蔽的双绞线消除静电耦合的能力相对有限，不过对消除磁场的干扰相对适用。信号传输线的屏蔽形式多种多样，这主要体现在传输电缆的多样性方面。比如，同轴电缆线具备相对低损耗及分布均匀的特性阻抗，因而适用于对低频电场、高频电场及直流电等的处理。

4 结语

总而言之，随着科学技术的不断发展，数字电路凭借其高效、处理效果理想的优势在通信及信息处理领域得到广泛应用。在数字电路实际应用中，会面临各式各样的干扰，进而对数字电路造成不利影响。鉴于此，必须加强对数字电路干扰因素的研究分析，依托抑制干扰源、阻隔干扰传播路径及提升敏感设备抗干扰能力等办法，切实减少数字电路所遭受的干扰，保证数字电子系统的安全、有序运行。

参 考 文 献

[1]俞斌，贾雅琼.数字电路系统设计中的抗干扰技术[J].变频器世界，2007（9）：84-86.

[2]谢宗奇.电磁干扰传播危害及改进措施[J].中国新通信，2017（1）：159-160.

[3]钟匡民.数字电子系统装配中的抗干扰措施[J].科学导报，2016（3）：241.

[4]周琴.数字电子系统抗干扰分析与设计[J].机电一体化，2011（8）：104.

[5]杨涛，李成文，陈国，等.机载计算机高速数字电路系统的硬件抗干扰设计[J].大众科技，2015（6）：1-4.

[6]崔阳.探析数字电路设计中的抗干扰技术[J].轻松学电脑，2019（15）：1.