电子系统的抗干扰分析与设计.pdf

1 电子系统的抗干扰分析与设计摘要：抗干扰对数字电路非常重要，也是决定其工作性能的关键因素该文描述了数字电子系统中不易解决的电源噪声干扰和传导干扰 问题，并介绍了几种硬件跟软件解决该类问题的途径和方法一. 引言几乎每一个电气工程技术人员都希望他所设计的设备工作可靠，不会 被其它设备干扰，也不会干扰其它设备但是，由于电气噪气和电磁干扰 几乎无处不在，所以， 我们设计的产品往往达不到这些目标，无法完全杜 绝这方面的干扰 如果不能有效地解决这些问题，我们可能必须放弃这些 项目或者采取修修补补的办法， 这样一来既浪费了我们投资项目的所有时 问、资金和努力，又可能使产品性能大打折扣因此在电子系统设计中， 为了少走弯路和节省时间， 应充分考虑并满足抗干扰性的要求，避免在设 计完成后再去进行抗干扰的补救措施二. 抗干扰设计大多数情况下在工作的开始就必须将干扰措施设计成产品2.1 抗干扰设计包含四个基本步骤的过程： (1) 了解干扰的类型和来源 干扰源：是指产生干扰的元件、设备或信号，用数学语言描述：du ／dt ，di ／dt 大的地方就是干扰源如：继电器、雷电、电机、可控硅、 高频时钟等都可能 典型的干扰传播路径是通过导线的传导和空间的辐射。

干扰一般有电源噪声干扰、 空间干扰 ( 即场干扰 ) 和传导干扰 空间 干扰都通过电磁波辐射窜人系统；传导干扰则通过与系统相连接的导线， 如，以与前向通道和后向通道等进人系统；电源噪声干扰有过压、欠压、 浪涌电压、尖峰电压等 (2) 在设计电路时尽量消除或减小这些干扰对系统的影响；2 (3) 设计线路板、导线的结构尽量消除这些问题，必要时，使用干扰抑制 器件； (4) 将系统分成模块调试，保证每个子系统组装正确无误、工作正常，在 进行进一步组装前不会有任何问题通过一开始就正确地设计系统，经常 提前完成任务，成本也较低 2.2 抗干扰设计的几个基本原则： (1) 抑制干扰源 (2) 切断干扰传播路径 (3)提高敏感器件的抗干扰 性能 2.2.1 抑制干扰源 就是尽可能的减小干扰源的du／dt ，di ／dt 这是抗干扰设计中最优 先考虑和最重要的原则，常常会起到事半功倍的效果 减小干扰源的 du／dt 主要是通过在干扰源两端并联电容来实现减小干扰 源的di ／dt 则是在干扰源回路串联电感或电阻以及增加续流二极管来实 现 常用的抑制干扰源的措施有： ① 继电器线圈增加续流二极管，消除断开线圈时产生的反电动势干扰。

（图1）仅加续流二极管会使继电器的断开时间滞后，增加稳压二极管 后继电器在单位时间内可动作更多的次数图1 消除线圈反电势干扰② 在继电器接点两端并接火花抑制电路(一般是 RC 串联电路，电阻一般选 几K到几十 K，电容选0.01μF ～0.1μF)，减小电火花影响图2）图2 减小继电器火花3 ③ 给电机加滤波电路，注意电容、电感引线要尽量短图3）图3 电机加滤波电路④ 电路板上每个 IC要并接一个 0.01μF ～0.1μF 高频电容，以减小 IC对电源 的影响 （图4）注意高频电容的布线，图 a和图b的效果相差很大，图 c 比图b的效果更好图 a的布线增大了电容的等效串联电阻，影响了滤 波效果 ⑤ 布线时避免 90度折线，减少高频噪声发射图5） ⑥ 可控硅两端并接 RC 抑制电路，减小可控硅产生的噪声 ( 这个噪声严重时 会把可控硅击穿的 ) 图4 IC并接高频电容图5 正确布线2.2.2 切断干扰传播途径： 按干扰的传播路径可分为传导干扰和辐射干扰两类 所谓传导干扰是指通过导线传播到敏感器件的干扰高频干扰噪声和有用 信号的频带不同， 可以通过在导线上增加滤波器的方法切断高频干扰噪声4 的传播，有时也可加隔离光耦来解决。

电源噪声的危害最大，要特别注意 处理 所谓辐射干扰是指通过空间辐射传播到敏感器件的干扰一般解决方 法是增加干扰源与敏感器件的距离， 用地线把它们隔离和在敏感器件上加 蔽罩 常用切断干扰传播路径的措施有： （1） 充分考虑电源对单片机的影响，电源做得好， 整个电路的抗干扰就 解决了一大图6）许多单片机对电源噪声很敏感, 要给单片机电 源加滤波电路或稳压器，以减小电源噪声对单片机的干扰图6 消除电源噪声（2）如果单片机的 I/O 口用来控制电机等噪声器件，在I/O 口与噪声源之 间应加隔离图7） （3）注意晶振布线；电路板合理分区；用地线把数字区与模拟区隔离， 数字地与模拟地要分离， 最后接于电源地； 单片机和大功率器件的地线要 单独接地，以减小相互干扰；在单片机I/O 口，电源线，电路板连接线等 关键地方使用抗干扰元件如磁珠、磁环、电源滤波器，屏蔽罩，可显著提 高电路的抗干扰性能图 7 与噪声源隔离2.2.3 提高敏感器件的抗干扰性能，从而提高系统总体的抗干扰能力 常用提高敏感器件抗干扰性能的措施有： (1) 布线时尽量减少回路环的面积，以降低感应噪声图 8）5 图 12 减少回路环面积（2）布线时，电源线和地线要尽量粗。

除减小压降外，更重要的是降低耦合噪声3）对于单片机闲置的I/O 口，不要悬空，要接地或接电源其它IC 的闲置端在不改变系统逻辑的情况下接地或接电源；IC 器件尽量直接焊在电路板上，少用IC座；在速度能满足要求的前提下，尽量降低单片机的晶振和选用低速数字电路三. 数字电路的硬件抗干扰措施：3.1 器件使用时的抗干扰措施器件的选择：对于数字集成电路， 通常噪声容限越高， 传输延时越大， 其抗干扰性能越好，因此， CMOS要比1vrL 集成电路的抗干扰性能好在选 择逻辑器件时， 要充分考虑其噪声容限指标： 当单纯考虑电路的噪声容限 时，最好用 HTL ，若兼顾功耗，则用 VDD ≥15V的CMOS为宜负载的控制：当某种集成电路输出所带的负载电路超过规定的扇出 时，会使电路输出的高电平值降低，低电平值升高，从而导致电路的噪声 容限降低，容易受干扰影响 所以在器件使用时应注意控制电路的输出负 载不要超过所规定的扇出，并应尽量留有余地空端的处理： 对于不用的集成电路输入和控制端，容易通过分布电容 进入端子对电路产生干扰 因此，不用的输入和控制端应接上合适的逻辑 电平3.2 电路设计时的抗干扰措施 电路状态转换引起的振荡及其抑制：通常1vrL和CMOS电路在状态转换 瞬间，会成为一个具有很高增益的放大器。

当输入波形在阀值附近有缓慢 变化或很小波动时，就会被放大，使输出波形的沿产生很大振荡这种振 荡造成下级电路的误触发 抑制这种干扰的办法有两种， 一是对输入波形 前后沿时间较长的信号应加一级斯密特电路整形，将输入波形的前后沿变6 陡；二是避免利用微分电路直接产生脉冲作触发信号 电路延迟不同引起的毛刺及其消除：由于信号经各支路传输的延时不同， 逻辑运算后会产生“毛刺”，形成干扰可以在电路中采用滤波、时间选 通和同步逻辑控制等方法来消除 ①滤波法，由于“毛刺”干扰的频率较高，脉宽要比信号脉宽窄得多， 所以利用 RC 积分电路可有效地将脉宽较窄的毛刺滤除 ②时间选通法，即是采用延迟电路，单稳或双稳电路构成时间选通电路， 对输入有用波形进行抽样来消除“毛刺”干扰 ③同步控制法，采用同步时序，使电路状态的翻转由一个脉冲触发，从 而避免电路因传输延迟不同而产生的“毛刺” 总线切换控制引起的浮动及其克服：在微处理机及类似数字电路中，当数 据DA 和数据 DB 分别通过总线驱动器 A和B上数据总线时，往往因驱动器A 和B的控制信号 CA 、CB 在逻辑上反相 ( 存在一个门延时的切换时差) 或存在 明显的切换时差，这样，控制信号CA 变高时，控制信号 CB 还没变低 (或者 相反) ，于是造成驱动器 A、B都为三态，从而在这个瞬间总线呈高阻，容 易耦合干扰或处于不稳定的浮动状态。

克服这种现象， 除了要求控制信号切换时间严格外，通常可在总线上加所 谓的吊高电阻，即在总线到电源之间加接电阻（3～10K），使总线在控制 信号切换瞬间处于稳定的高电位，从而增强总线的抗干扰能力3.3 印制板设计时的抗干扰措施 在印制板上， 由于用作电路电源线、 地线和信号线的印制线条具有一 定的阻抗，电源线上会因电路状态改变而产生脉动干扰；地线上会造成电 路间的公共阻抗耦合；信号线之间因电容耦合( 静电感应 ) 和电感耦合 ( 电 磁感应 )造成串扰；稍长一些的印制线还会对高速电路产生反射干扰等 (1) 电源线路的脉动干扰与去耦措施 要有效地抑制脉动干扰及其耦合，措施是加去耦电容 去耦电容分两 种，即印制板的去耦电容和芯片的去耦电容前者加在每块印制板的电源 输入端与地之间，作用是抑制板之间的脉动干扰传导 一般采用 (10～100 uf)的电解电容，在高频或高速电路中，还应在电解电 容上并联一个 0．1 pF的小电容，这是因为电解电容有内部电感难以滤除 高频后者加在每块或每隔几块集成电路的电源与地之间，其作用是向芯 片提供瞬时突变电流一般用(0．001～0．1 pF) 的云母或陶瓷电容。

需 要指出，芯片去耦电容的接法十分重要，正确的接法应使去耦电容和芯片 所包围的面积保持最小，否则起不了去耦作用 (2)PCB电路板设计抗干扰措施印刷板图设计中应注意下列几点： 从焊接面看， 组件的排列方位尽可能保持与原理图相一致，布线方向 最好与电路图走线方向相一致，便于生产中的检查，调试及检修；各组件7 排列、分布要合理和均匀，力求整齐、结构严谨的工艺要求 (1) 尽可能缩短高频元器件之间的连线，设法减少它们的分布参数和 相互间的电磁干扰 易受干扰的元器件不能相互挨得太近，输入和输出元 件应尽量远离 (2) 某 些元器件或导线之间可能有较高的电位差，应加大它们之间的 距离，以免放电引出意外短路 带高电压的元器件应尽量布置在调试时手 不易触及的地方 (3) 重量超过 15g的元器件、应当用支架加以固定，然后焊接那些 又大又重、发热量多的元器件，不宜装在印制板上，而应装在整机的机箱 底板上，且应考虑散热问题热敏元件应远离发热元件 (4) 对于电位器、可调电感线圈、可变电容器、微动开关等可调元件 的布局应考虑整机的结构要求若是机内调节， 应放在印制板上方便于调 节的地方；若是机外调节， 其位置要与调节旋钮在机箱面板上的位置相适 应。

(5) 应留出印制扳定位孔及固定支架所占用的位置四. 硬件方面常见的干扰及抗干扰措施：4.1 空间干扰的产生及抗干扰措施在数字电子系统 (如，计算机和利用微处理器的设备)中，数据快速传 输和处理产生的信号有很高的重复频率和脉冲上升时间，因此，高频谐波 非常显著，短导线和电缆以及印制电路上的导体都是有效的辐射体；另外， 被控功率器件也产生能量较大的空问干扰；其它设备产生的电磁辐射作用 于电缆以及印制电路上的导体也可产生干扰不过空问干扰可用良好的屏 蔽与正确接地、 高频滤波加以解决， 故数字电子系统中应重点防止供电系 统与过程通道的干扰 . 4.2 供电系统的电源干扰及抗干扰措施 任何电源及输电线路都存在内阻， 正是这些内阻才引起了电源的噪声 干扰如果没有内阻存在，无论何种噪声都会被电源短路吸收，路中 不会建立起任何干扰电压 数字电子系统中最重要、 并且危害最严重的干 扰来源于电源的污染随着大工业迅速发展，电源污染问题日趋严重经 对电源检测发现，在某些大功率耗电设备的电网中，经常可以检测到在 50 周正弦波上叠加有很多N 多伏的尖峰电压过压、欠压、停电的危害 是显而易见的，轻则使系统运行异常，重则损坏系统。

解决的办法是电源8 中加人交流稳压器， 用来保证供电的稳定性， 防止电源系统的过压与欠压， 有利于提高整个系统的可靠性对付暂短时间的停电则配置不问断电源 UPS 在电源配置中可采取下列措施： (1) 利用反激变换器的开关稳压电源， 在反激时把输人的干扰信号抑制掉； (2) 采用频谱均衡法原理制成的干扰抑制器，。