电子系统抗干扰设计

电子系统抗干扰设计

一、电子系统的主要干扰形式

1、空间干扰

空间干扰主要指电磁场在线路、导体、壳体上的辐射而引起的噪声吸收与调制。干扰来自于干扰系统的内部和外部，系统本身既可能接受外来干扰也可能对外产生空间干扰。一般情况下空间干扰在强度上远小于过程通道干扰和供电系统干扰，而且空间干扰可用良好的屏蔽、正确的接地和布局设计加以解决。

2、过程通道干扰

过程通道是电子系统利用前向通道、后向通道和相互通道进行信息传输的路径。在过程通道中，长线传输是干扰产生的主要原因。在电子系统中，尤其当传输为脉冲波时，它在传输线上的传输会出现迟延、琦变、衰减与通道干扰耦合（交扰），还可能接收来自空间电磁场的干扰。为保证长线传输的可靠性，可采用光电耦合隔离、双绞线传输、同轴电缆传输、阻抗匹配及屏蔽等方法解决问题。

3、供电系统干扰

电子系统中重要、危害最重要的干扰来自供电系统干扰。由于任何电源及传输电线都存在内阻，所以电网中出现各种干扰信号都可能对电网中的各种设备包括电子系统产生干扰。供电系统干扰问题可以通过稳压、隔离、滤波等措施加以解决。

二、电子系统抗干扰设计

电子系统的抗干扰设计既有硬件方面的任务也有软件方面的任务，软件抗干扰措施虽然使用灵活、成本低廉，但增加了软件编程工作量和CPU运行时间，而且对于某些干扰也难以消除，因此在系统抗干扰设计时应将软、硬件抗干扰措施有机地结合起来，使他们相辅相成，保证系统运行的可靠性。

1、硬件抗干扰措施

为了防止干扰通过前述三个渠道进入电子系统，一般采取的硬件抗干扰措施介绍如下：

（1）、切断来自电源的干扰

电源的设计中应用交流稳压、隔离变压、低通滤波和直流稳压及各种去耦等措施。供电系统配置如图7-1所示。

（2）、切断来自过程通道的干扰

过程通道的抗干扰措施有以下几种，设计时应视具体情况选择使用模拟信号通过各类隔离放大器进行隔离。由于切断了系统与外界的一切电的传输联系，因而过程通道的干扰可以被有效地消除。

与模拟信号一样，数字信号采用光电耦合器隔离，也可有效地隔离过程通道中的干扰信号，特别是用于不同接地电位系统之间的信号传输，如图所示

模拟地和数字地分开，避免公共地阻抗对模拟信号和数字信号产生耦合作用。

用电流传输代替电压传输，可获得较好的抗干扰能力。这是因为干扰噪声虽有较大的电压幅度，但能量小，只能形成微弱电流而被抑制。

光电隔离耦合器就是工作在电流状态，干扰信号产生的弱电流无法形成足够的光通量，因而传输中断。

采用双绞线或同轴电缆传输。使用平行线时，当信号线周围电磁场发生变化，信号线上就感应了干扰噪声。使用双绞线传输时，双绞线能使各个小环路的电磁感应干扰相互抵消，故对电磁场变化引起的干扰具有一定的抑制效果。使用同轴电缆传输示意图，由于同轴电缆外壳有屏蔽作用，只要注意正确接地，就可以有效地抑制电磁干扰。

长线传输的阻抗匹配。长线传输时，阻抗不匹配的传输会产生反射，使信号出现琦变、衰减，导致信号失真。为了对传输进行阻抗匹配，必须估算出它的特性阻抗。对于一般电子系统，采用如图所示电路可以消除不匹配引起的过程通道干扰。通常，在使用TTL门及双绞线传输的情况下，R1为220~330，而可在270~390X围内选取，而ECL门又有所不同。在采用同轴电缆传输时的阻抗匹配视不同情况有不同的接法。

（3）、抑制空间干扰

抑制空间干扰的主要措施：

加大印刷板的间隔，加大导线间、元器件间的间隔，导线之间添加地线等

系统中敏感部件远离开关功率源

长线传输使用同轴电缆或屏蔽线

使用金属机壳并接地屏蔽

印刷电路板及电路的抗干扰设计

印刷电路板是电子系统中器件、信号线、电源线的高密度集合体，

印刷电路板设计的好坏对系统的抗干扰能力影响很大。常用的抗干扰措施：

地线的设计

正确的接地与屏蔽可以解决大部分的干扰问题。在进行电路板地线设计时应注意以下几个问题：

单点接地与多点接地选择。在低频电路中，导线与元器件间的间隔影响较小，而接地电路中的环流引起的干扰对系统影响较大，因而屏蔽采用一点接地，在高频电路中，地线阻抗变得很大，此时应尽量降低地线阻抗，应采用就近多点接地法。

数字信号地与模拟信号地分开连接，最终单点相连，消除地电路经过公共阻抗而产生的干扰。

接地线尽量加粗，尽可能减小地线阻抗，从而减小因公共阻抗耦合而产生的干扰。

将数字地做成闭合的网络，可以降低个元器件之间的地线电位差，能明显提高抗干扰能力。

电源线布置

除了要根据电流的大小尽量加大线宽度外，还可以利用电源线高频阻抗小的特点，将它与逻辑信号线平行布线，以起到与地线相似的隔离作用，但电源线远离敏感信号线，以减少干扰。

配置去耦电容

在印刷板的各个关键部位配置去耦电容是印刷板电路设计的一项常规做法，他包括以下几个方面：

在电路板电源输入端跨接一个10~100UF（或更大）的电解电容，消除电源中的低频干扰。

在每个关键集成电路芯片的电源输入端跨接一个0.01UF的陶瓷电容或钽电容，消除电源中的高频干扰。

去耦电容的引线不能太长，特别是高频旁路电容不能有长引线。

印刷板电路尺寸过大时，印刷线条长，阻抗增加，不仅抗干扰能力下降，而且成本提高；过小，则散热不好，且易受邻近线条干扰。因此，印刷电路板尺寸要适中。

器件布置应遵循以下原则：

相关器件应尽量放的靠近些。例如晶振和CPU的时钟信号输入端应相互靠近些。

远离易产生噪声的器件。例如信号线与其他器件应尽量远离晶振。

逻辑电路易产生噪声的器件。例如控制电路与驱动电路应分板制作。

以上介绍了硬件抗干扰措施的一般原则及方法，但实际情况往往是错综复杂的，必须仔细分析、反复实践，才能找到有效的解决办法。

2、软件抗干扰措施

在电子系统中，大量的干扰源并不能造成硬件系统的损坏，但常常使电子系统不能正常运行。虽然系统硬件抗干扰措施能够消除大部分干扰，但它不可能完全消除干扰。因而，电子系统的抗干扰设计必须把硬件抗干扰和软件抗干扰结合起来。软件抗干扰问题的研究已愈来愈引起人们的重视。在电子系统中常用的软件干扰措施有以下几种：

（1） 数字滤波

干扰侵入电子系统前向通道时，叠加在信号上的干扰使数据采集的误差加大，特别是前向通道的传感器接口是小电压信号输入时，干扰现象尤为严重。抑制干扰常用的方法是采用硬件电路进行滤波。要获得较好的抑制效果，所加的硬件电路十分复杂。采用软件实现滤波则是当前干扰抑制技术中的一种新技术。数字滤波常用的方法有以下几种：

程序判断滤波

这种滤波方法是根据人们的经验，确定出两次采样输入信号可能出现的最大偏差，若本次输入信号与上次输入的信号的偏差超过，就放弃本次采样值，仅当小于次偏差值时才作为本次采样值。程序判断滤波又可分为限幅滤波和限速滤波两种。

中值滤波

对一个采用点连续采集多个信号，取中间值作为该点采样结果，即

∑==n

i i X N k Y 1)(1)( 式中：)(k Y ——第k 次N 个采样值的算术平均值；

)(i X ——第K 次采样点的第I 次采样值；

N ——每一个采样点的采样次数；

比较取舍法

当系统测量结果中有个别数据偏差时，为了剔除个别错误数据，可采用比较取舍法，即对每个采样点连续采样几次，剔除个别不同的数据，取相同的数据为采样结果。例如“采三取二”即对每个采样点连续采样三次，