數(shù)字電路的干擾及抑制

摘要：文章介紹數(shù)字電路抑制干擾的一些方法和措施，著重提出一些解決方案。

關(guān)鍵詞：外部干擾；內(nèi)部干擾；靜電；邏輯部件；耦合

中圖分類號：TN702 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937(2010)24-0092-02

隨著數(shù)字化的普及日益推廣，數(shù)字電路廣泛的應(yīng)用于各個領(lǐng)域，保證數(shù)字電路可靠正常的運(yùn)行，對保證儀器與大功率的機(jī)器等可靠穩(wěn)定的運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用，文章就將數(shù)字電路中出現(xiàn)的一些干擾以及抑制方法進(jìn)行分析。

1 干擾

干擾可以分為外部干擾和內(nèi)部干擾，外部干擾可以分為外部干擾、電源干擾、地線干擾，靜電干擾。內(nèi)部干擾分為瞬態(tài)電流干擾、竄擾、反射等。

①外部干擾是指周圍環(huán)境通過輻射或耦合，經(jīng)過電源線或地線、信號線進(jìn)人數(shù)字電路系統(tǒng)內(nèi)部而形成的干擾。

②電源干擾是指直流電源對數(shù)字電路引起的干擾，通常為直流電源濾波不佳、電壓不穩(wěn)定或電源變壓器50Hz交流電所引起的。

③地線干擾，當(dāng)頻率較高時，導(dǎo)線阻抗遠(yuǎn)大于直流電阻。在實(shí)際電路中，造成電磁干擾的信號往往是脈沖信號，脈沖信號包含豐富的高頻成分，因此會在地線上產(chǎn)生較大的電壓。對于數(shù)字電路而言，其工作頻率是很高的，因此地線阻抗對數(shù)字電路的影響很大。對于射頻電流，當(dāng)電流流過地線時，電壓降也是很大的。由于地線布置不合理，沿地線疊加的干擾電流或干擾電壓超過電路的噪聲容限，使電路的輸入端引起的干擾。

2 外部干擾的抑制

2.1外部干擾的抑制

使邏輯部件遠(yuǎn)離大功率器件，并且把數(shù)字電路加金屬外殼屏蔽并且接地，數(shù)字音頻接收機(jī)放置在屏蔽的室內(nèi)并且機(jī)器的外殼接地，從而大大的消除了外部強(qiáng)磁場的干擾。

對電源線的引入采用去藕措施。即用Rc或LC濾波環(huán)節(jié)消除或抑制直流電源回路因?yàn)樨?fù)載變化而引起的干擾。這種辦法對TTL的數(shù)字電路常用，具體的辦法是電源的輸入端與地之間并接一個5~50微法的電容，以減少瞬變電流產(chǎn)生的影響。為了跟有效的抑制電源中的高頻分量，并接一個0.01-0.047微法的電容，有時還串接一個5-10歐姆的電阻，組成RC去耦環(huán)節(jié)，還可以在緊靠邏輯們的電源線上并接取耦電容。

選用大電容小電感的電源線，可以用較寬的巨形截面的導(dǎo)線來代替圓截面的導(dǎo)線，鋪設(shè)電源線盡量與地線或地面平行，布線的距離盡量的短，使電源線具有低的動態(tài)電阻。對開關(guān)、接點(diǎn)信號采用濾波電容或加施密特觸發(fā)器作為輸入緩沖來抑制，短線輸入時，一般加RC輸入回路濾波。

當(dāng)繼電器或開關(guān)的機(jī)械觸點(diǎn)與集成電路輸入端相連時，為了防止機(jī)械觸點(diǎn)顫抖干擾而影響數(shù)字電路的工作，常采用無抖動開關(guān)來抑制干擾。

2.2電源干擾的抑制

低通濾波器，由Lc組成的低通濾波器能把50Hz電源中的高頻噪聲濾除掉，對共模和差模噪聲都有很好的抑制。電源線與地線平行走線，有利于減小電感。因?yàn)樵诟哳l的情況下，電感的感應(yīng)很大，在脈沖邊沿非常快的情況下，可以產(chǎn)生高的感應(yīng)電壓。電源變壓器的一次繞組與二次繞組間采用屏蔽層，并且可靠接地(屏蔽層不可以短接形成回路，以免燒毀變壓器線圈)，在電源變壓器前加接電源濾波器，以濾出高次諧波干擾。采用UPS，穩(wěn)壓電源等高穩(wěn)定度、低輸出阻抗的直流電源，以減少電源開啟時瞬時過流沖擊，并且縮短瞬時過電流沖擊的時間。機(jī)房發(fā)現(xiàn)節(jié)目輸出監(jiān)聽有雜音，經(jīng)改換UPS供電后，雜音消失。盡量采用粗而短的和動態(tài)電阻小的電源線。

2.3地線干擾抑制

①抑制的方法是布置合理的地線，接地所依據(jù)的一個原則確保有一個低阻抗的輸入回路。使導(dǎo)線貼近地面布置，有利于減消導(dǎo)線之間的耦合。若采用接大地的方式接地，則電路的接地端均需要地電阻導(dǎo)體可靠而牢固的連接大地的公共端。所有機(jī)器箱體的接地必須采用公共的一個地，否則會產(chǎn)生懸浮電位，造成干擾，尤其在大功率發(fā)射機(jī)的箱體。

②切斷地回路的方法是用光實(shí)現(xiàn)信號的傳輸，這是目前解決地回路干擾問題最理想的方法。用光連接有兩種方法，一是采用光耦器件，二是采用光纖連接。光電偶合器利用了發(fā)光二極管的發(fā)光強(qiáng)度隨通過它的電流變化的特性，即把電路中的信號電流變換成強(qiáng)弱不同的光信號，光敏三極管再把強(qiáng)弱不同的光信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的信號電一流，至此完成傳輸。光纖的突出優(yōu)點(diǎn)是其具有無感應(yīng)性和高層隔離性，它能從本質(zhì)上消除電磁干擾。但值得引起注意的是，當(dāng)光導(dǎo)體入戶和光電轉(zhuǎn)換設(shè)備相連接時，應(yīng)對其屏蔽體及加強(qiáng)芯采取適當(dāng)?shù)慕拥靥幚恚员苊庥捎诶讚簟㈧o電感應(yīng)等原因造成干擾而危害其它設(shè)備。

③使用共模扼流圈，在連接電纜上使用共模扼流圈能有效地抑制地環(huán)路干擾。因?yàn)樵谶B接電纜上使用共模扼流圈相當(dāng)于增加了地環(huán)路的阻抗，這在一定的地線電壓作用下，地回電流將有所減小。但對共模扼流圈的寄生電容應(yīng)加以控制，否則對高頻干擾的隔離效果會很差。共模扼流圈的匝數(shù)越多，寄生電容越大，高頻隔離效果越差。

④公共阻抗耦合干擾的抑制。抑制公共阻抗耦合的途徑有兩個：一是盡可能降低公共地線的阻線；二是對避免不同頻設(shè)備電路共用地。其分述如下：

減小公共地線部分的阻抗采用此種方法，公共地線上的電壓會隨之減小，從而使公共阻抗耦合受到控制。減小地線阻抗的核心問題是減小地線的電感。因此，在實(shí)際操作過程中可使用扁平導(dǎo)體做地線或用多條相距較遠(yuǎn)的并聯(lián)導(dǎo)體作接地線。接地線的長度應(yīng)盡量縮短，以減小由地線產(chǎn)生的感抗。

避免容易相互干擾的電路共用地線，一般情況下，應(yīng)避免強(qiáng)電電路和弱電電路、數(shù)字電路和模擬電路共用地線。消除公共阻抗的接地多采用并聯(lián)共用接地，但這種方法存在明顯的缺陷：接地導(dǎo)線過多，線路敷設(shè)難以達(dá)到理想效果。因此在實(shí)際處理中，沒有必要將所有電子設(shè)備都并聯(lián)單點(diǎn)接地，對于相互干擾較少的電路，可以采用串聯(lián)單點(diǎn)接地。例如，可以將電路按照強(qiáng)信號、弱信號、模擬信號、數(shù)字信號等進(jìn)行分類，然后在同類電路內(nèi)部采用串聯(lián)單點(diǎn)接地，而對不同類型的電路則采用并聯(lián)單點(diǎn)接地。

⑤地環(huán)路干擾的抑制，從地環(huán)路干擾產(chǎn)生的原因可知，只要減小地環(huán)路中的電流就能減小地環(huán)路干擾。如果能徹底消除地環(huán)路中的電流，則可以徹底解決地環(huán)路干擾的問題。采取變壓器實(shí)現(xiàn)信號傳輸。

鐵芯飽和變壓器的磁一電變換瞬間失效，其不能傳輸?shù)诫娐妨硪欢耍瑥亩Ｗo(hù)了另一端的設(shè)備。在地回路含有直流量較多或信號頻率很低時，可使用中和變壓器。但要注意，變壓器初次級之間的寄生電容仍然能夠?yàn)轭l率較高的地回路電流提供通路，因此變壓器隔離的方法對高頻地回路電流的抑制效果較差。雖然在變壓器的初次級之間設(shè)置屏蔽層可以提高變壓器高頻隔離效果，但一定要注意使隔離變壓器屏蔽層的接地端處在接受電路一端。否則，不僅不能改善高頻隔離效果，還可能使高頻耦合更加嚴(yán)重。因此，要將變壓器安裝在信號接收設(shè)備的一側(cè)。經(jīng)過良好屏蔽的變壓器可以對以下的低頻干擾提供有效的隔離。

⑥數(shù)字地要與模擬地盡量要分開，因?yàn)槟M系統(tǒng)中，當(dāng)負(fù)載電流發(fā)生變化時，會產(chǎn)生電流間鋒信號。工作接地和強(qiáng)電流接地要盡可能遠(yuǎn)離，更不要接在同一個地上，要分別人地網(wǎng)，因?yàn)楫?dāng)器件開關(guān)時，會產(chǎn)生電流尖脈沖，影響數(shù)字設(shè)備的正常運(yùn)行。同時數(shù)字地一般不借機(jī)殼而“懸浮”，機(jī)殼與單獨(dú)的保護(hù)地相連，要求接地電阻不大于4歐姆。

⑦信號地連接時，同一個設(shè)備信號輸入端的地與輸出端的地不能接在一起，兩級設(shè)備級連時，前端設(shè)備輸出端的地與后級設(shè)備輸入端的地相連接(當(dāng)前級設(shè)備輸入端和后級設(shè)備的輸出端接地時，相連處不再接地)。必要時采取單端接地，否則信號可能通過地線形成反饋，引起信號的浮動。

2.4靜電干擾的抑制

對數(shù)字設(shè)備而言，如果靜電放電不能有效接地，肯定不能正常工作，北方干燥地區(qū)，多風(fēng)少雨，空氣濕度小，容易產(chǎn)生靜電，對靜電最敏感的是控制信號和設(shè)備的同步信號，靜電放電產(chǎn)生的瞬間高壓，能使控制信號中斷，使同步信號失鎖。

除去靜電的措施有：安裝防靜電地板，工作人員穿防靜電工作服，戴金屬手鏈，控制室內(nèi)濕度，濕度一般控制在40％~60％RH，干燥的屋內(nèi)要價加濕器，以減少靜電積累。不要使用氣泡式塑料包裝電子模塊。不要拿著電子模塊在地毯上行走，電子模塊不要與絕緣材料相接觸，千萬不要拿合成布或塑料紙來擦拭模塊。在春季易產(chǎn)生靜電的時候，先拿隨身攜帶的鑰匙或金屬器件，接觸金屬導(dǎo)體使之放電，即保護(hù)了設(shè)備，同時又避免了放電對身體的刺激。

2.5溫度影響的抑制

設(shè)備一定要保持有良好的環(huán)境溫度。溫度太高，容易造成設(shè)備不能正常運(yùn)行。

3 數(shù)字電路的內(nèi)部干擾及抑制

數(shù)字電路的內(nèi)部干擾包括瞬態(tài)電流干擾、竄擾、反射。

瞬態(tài)電流干擾是由電路的過渡過程引起的，如TTL集成電路在狀態(tài)轉(zhuǎn)換時引起尖峰電流，負(fù)載電容充放電時的瞬變電流等，干擾隨著工作速度提高而增加。瞬態(tài)電流比靜態(tài)電流大得多，不僅增加電流的功耗，而且給電源帶來干擾。

竄擾是當(dāng)幾根較長的信號線(大于數(shù)厘米的長度)平行布線緊靠在一起時，一根信號線的信號通過互感和互容電磁耦合到鄰近線上產(chǎn)生干擾。竄擾的大小與信號電平大小、脈沖寬度、傳輸時間、上升時間、信號的頻率、傳輸線阻抗以及信號線的形式有關(guān)，頻率越高，阻抗越高，竄擾的干擾就越大。實(shí)踐和理論證明，雙絞線對竄擾的抑制能力較強(qiáng)。

反射是因?yàn)樾盘栐趥鬏斁€上反射引起的干擾。數(shù)字電路中互聯(lián)導(dǎo)線可以看成傳輸線當(dāng)門電路的信號，傳輸線大于Im，上升和下降小于1ns時，必須考慮信號的反射。產(chǎn)生反射信號的原因是輸出器件、傳輸線與接收器件間的阻抗不匹配。另外長的傳輸線的分布電容、分布電感較大，榮日產(chǎn)生LC振蕩，致使產(chǎn)生信號延遲、振蕩信號波形不良等現(xiàn)象。甚至使門電路動作延遲而造成輸出錯誤。

3.1瞬態(tài)電流干擾抑制

采用電源去耦措施，即在電源線和地線之間并接一個50微法和0.01~0.1微法的電容。以電源線上干擾尖峰不能使輸出狀態(tài)發(fā)生變化為原則。布線時，連線盡量短，盡量減少不必要的雜散電容。有大電容負(fù)載時，串接限流保護(hù)電阻R。避免關(guān)斷電源或電源電壓下降時，電容上的電壓高于電源電壓情況的出現(xiàn)。集成電路的不用輸入端會起到天線的作用。對于時序電路而言，瞬態(tài)電流干擾會使電路產(chǎn)生誤動作。故不用的Ic輸入端不允許懸空，必須按邏輯功能接地或接電源，或者與信號端并聯(lián)使用。TrL、CMOS器件開關(guān)動作電源電流變化非常大，公共阻抗會產(chǎn)生較大的干擾，必須使用公共阻抗地。

3.2竄擾抑制的措施

盡量減少線路間連線長度。采用雙絞線或同軸電纜線作為信號線。信號接收線和發(fā)送線間，或同信號線間盡可能避免平行走線，采用分散、交叉形式走線。在必須走長線且平行的狀況下，盡可能的靠近地走線，并且盡量減小平行段的長度。在信號輸入處加接施密特觸發(fā)器，利用它具有可變閾值的特性來消除竄擾信號，使其不至于逐級放大。

3.3反射抑制的措施

盡量縮短接線長度。長傳輸線采用阻抗匹配的措施。如在輸出端串接電阻，使之阻抗匹配。在長線的開始端即驅(qū)動門的輸出端不要再另接門電路以免同反射而產(chǎn)生信號畸變導(dǎo)致邏輯電路出錯。不損壞系統(tǒng)特性的范圍內(nèi)，適當(dāng)加大上升或下降沿的時間，也會使干擾減小。

抑制干擾是許多領(lǐng)域的一個都是重要的問題，也是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，每一個方案都不可能說是盡善盡美的，多少遺留一些缺憾。以上僅是對數(shù)字抑制干擾作了一些初步的探討，與大家共勉。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳梓城，電子技術(shù)實(shí)訓(xùn)[M]，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.