數(shù)字模擬電路轉(zhuǎn)換的抗干擾設(shè)計(jì)方案

廣東嶺南職業(yè)技術(shù)學(xué)院 黃國爵

數(shù)字模擬電路轉(zhuǎn)換的抗干擾設(shè)計(jì)方案

廣東嶺南職業(yè)技術(shù)學(xué)院 黃國爵

數(shù)字模擬電路中因各種原因形成的干擾，對(duì)電路系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量和運(yùn)行時(shí)間都有不利的影響。基于此，本文對(duì)數(shù)字模擬電路中干擾的基本要素及其耦合方式進(jìn)行了的介紹，而后從干擾源、干擾的傳播途徑和敏感器件三個(gè)點(diǎn)切入，重點(diǎn)分析了數(shù)字模擬電路抗干擾的應(yīng)對(duì)策略，并提出了具體的設(shè)計(jì)方案。

數(shù)字模擬電路；單片機(jī)；π形濾波器

1 引言

隨著數(shù)字技術(shù)與集成電路的發(fā)展，數(shù)字控制電路在各種與電子科技相關(guān)的領(lǐng)域都有應(yīng)用。但是在實(shí)際的運(yùn)行過程中，電路易受到來自器件布局緊湊、線路安置不合理等因素產(chǎn)生的干擾。所以，我們研究數(shù)字控制電路運(yùn)行過程中的干擾因素，提出抗干擾的設(shè)計(jì)方案，是十分必要的。

2 數(shù)字模擬電路中干擾的概述

2.1 干擾的基本要素

在數(shù)字模擬電路中，干擾的形成來自以下三個(gè)方面因素：第一個(gè)，干擾源。很多元件、信號(hào)或是設(shè)備都會(huì)對(duì)電路產(chǎn)生干擾，如雷電、電機(jī)、可控硅、高頻時(shí)鐘、繼電器等。用數(shù)字語言來表述，du/dt，di/dt大的地方就是干擾源；第二個(gè)，干擾的傳播途徑，即干擾由干擾源傳至電路敏感器件的媒介和路徑。常見的干擾傳播途徑為空間的輻射和導(dǎo)線的傳導(dǎo)；第三個(gè)，敏感器件，即在數(shù)字模擬電路中易受干擾源干擾的對(duì)象。例如單片機(jī)、弱信號(hào)放大裝置、A/D、D/A轉(zhuǎn)換器等。類似傳染病的防治，數(shù)字模擬電路中的對(duì)干擾的拮抗也要從源頭、途徑、自身抗干擾能力三個(gè)方面共同完成。

干擾的類型復(fù)雜多樣,可以按照產(chǎn)生干擾的原因、傳導(dǎo)方式、波形特點(diǎn)分為三類。按產(chǎn)生干擾的原因，可分為浪涌噪聲、放電噪聲和高頻振蕩噪聲；按傳導(dǎo)方式可分為串模噪聲和共模噪聲；按波形特性可分為脈沖序列、脈沖電壓和持續(xù)正弦波。在數(shù)字模擬電路的抗干擾設(shè)計(jì)中，要具體問題具體分析，根據(jù)不同的干擾類型采取相應(yīng)的措施。

2.2 干擾的耦合方式

干擾源產(chǎn)生的干擾信號(hào)要對(duì)數(shù)字模擬電路的設(shè)備或系統(tǒng)產(chǎn)生作用，就需要通過導(dǎo)線、公共線等通道進(jìn)行耦合。干擾的耦合主要分為以下幾種形式：一、直接耦合，這是數(shù)字模擬電路中最直接也最常見的耦合形式。例如干擾信號(hào)通過電源線對(duì)電路系統(tǒng)的直接侵襲；二、漏電耦合。在線路絕緣不佳時(shí)會(huì)發(fā)生這種純電阻性的耦合形式；三、靜電耦合，也叫電容或電場(chǎng)耦合，是由于靜電電容的存在發(fā)生的耦合；四、磁場(chǎng)耦合，也叫電磁感應(yīng)耦合，是由于電磁感應(yīng)發(fā)生的耦合；五、公共阻抗耦合。這種耦合形式主要在兩個(gè)數(shù)字電路的電流有共有通路時(shí)產(chǎn)生，抗干擾時(shí)需要在電路設(shè)計(jì)上下功夫，使干擾源與敏感電路器件間避免出現(xiàn)公共阻抗。

3 數(shù)字模擬電路抗干擾的具體方案

3.1 抑制干擾源

在抗干擾的設(shè)計(jì)中，首先應(yīng)該考慮的就是對(duì)干擾源的抑制，即降低du/dt和di/dt。首先通過將相應(yīng)的電容并聯(lián)在干擾源的兩端，從而降低du/dt；與之相反，di/dt的降低需要通過在干擾源回路中串聯(lián)電阻的方法來實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際的應(yīng)用方案中可以這樣設(shè)計(jì)：

（1）由于繼電器線圈的開關(guān)過程中，線圈會(huì)發(fā)出反電動(dòng)勢(shì)，導(dǎo)致電路的運(yùn)行效果受到干擾。此時(shí)如果按傳統(tǒng)辦法將續(xù)流二極管添置在繼電器的線圈處，雖然能降低反電動(dòng)勢(shì)的影響，但有減緩繼電器開斷時(shí)間的可能。所以，應(yīng)該用穩(wěn)壓二極管代替續(xù)流二極管。此外，還需要在繼電器兩側(cè)裝設(shè)或用于抑制火花的電路，從而避免繼電器運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生火花對(duì)電路造成影響[1]。

（2）在布線時(shí)，應(yīng)盡量重視線路的合理固定，避免導(dǎo)線90度彎折和飛線，以便降低發(fā)射高頻噪聲對(duì)數(shù)字模擬電路的干擾。此外，還可以并聯(lián)RC抑制電路，用來減少可控硅發(fā)出的噪聲。

（3）在線路的設(shè)計(jì)和裝置過程中，要考慮到各個(gè)元器件引線的長(zhǎng)度，以免在線路傳輸過程中各元器件之間相互產(chǎn)生干擾。

3.2 阻斷干擾傳播途徑

根據(jù)干擾的傳播路徑可將干擾分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾。傳導(dǎo)干擾指通過線路傳播，由干擾源對(duì)敏感元件產(chǎn)生的直接干擾；而輻射干擾指不通過線路，干擾源經(jīng)由空間對(duì)敏感元件進(jìn)行輻射干擾。對(duì)于以上兩種干擾形式，可以通過切斷干擾傳播路徑來解決，具體設(shè)計(jì)方案如下：

（1）在電路板的設(shè)計(jì)中按信號(hào)強(qiáng)弱以及信號(hào)類型實(shí)行嚴(yán)格合理的分區(qū)，盡量拉開干擾源（繼電器、電機(jī)等）與敏感元件（單片機(jī)等）的距離，以減輕干擾源對(duì)元件的輻射影響。

（2）為避免模擬區(qū)與數(shù)字區(qū)摻雜，可用地線將兩個(gè)區(qū)隔離開，最后一點(diǎn)接在電源上。

（3）注意晶振的布線。要盡量縮短晶振和單片機(jī)引腳之間的距離，用地線將時(shí)鐘區(qū)單獨(dú)隔開，固定好晶振外殼并接地。

（4）由于大功率器件與單片機(jī)之間會(huì)產(chǎn)生干擾，所以為了減小雙方的相互影響，需要將二者的底線單獨(dú)接地。大功率器件應(yīng)盡量裝設(shè)在電路板的邊緣，保證遠(yuǎn)離單片機(jī)分布。

（5）大多數(shù)控制芯片易受到電源噪聲的干擾，所以在數(shù)字控制電路初設(shè)階段就應(yīng)考慮到電源線路的改造問題?？梢栽陔娫瓷显鲈O(shè)穩(wěn)壓器和濾波電路，例如用電容和磁珠組成的π形濾波器，以便阻斷電源發(fā)出的噪聲，保證控制芯片不受干擾[2]。

3.3 提升敏感器件的抗干擾性能

提升敏感器件的抗干擾能力，主要是通過改良布線方式、優(yōu)化電路格局等方法減少敏感器件對(duì)干擾噪聲的吸收，幫助敏感器件更快擺脫失常狀態(tài)，達(dá)到最佳的運(yùn)行效果。具體設(shè)計(jì)方法如下：

硬件方面：第一，布線時(shí)要盡量選用較粗的電源線和底線，用以降低耦合噪聲；第二，使用看門狗電路和電源監(jiān)控系統(tǒng)，如X25043、IMP706、IMP809、IMP813等，對(duì)電路整體的抗干擾能力有顯著的提升作用；第三，在兼顧運(yùn)行速度的前提下，盡量使單片機(jī)的晶振降低；第四，盡量把IC器件裝設(shè)在電路板上，減少IC座的使用；對(duì)于閑置的單片機(jī)I/O口也要接上地線或電源。

軟件方面：第一，在跳轉(zhuǎn)指令之前加上幾個(gè)NOP，可用于程序跑飛時(shí)的歸位；第二，在沒有看門狗硬件可用時(shí)，可以采取軟件WatchDog來進(jìn)行模擬，對(duì)電路程序的運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)視；可以采用“3取2”或“5取3”的形式加入數(shù)據(jù)校驗(yàn)位，以便提升通訊過程中對(duì)干擾的拮抗能力。

4 總結(jié)

總而言之，根據(jù)對(duì)干擾因素的研究，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的數(shù)字控制電路抗干擾方案，是一項(xiàng)復(fù)雜而重要的工作。由上文分析可得，通過電容的合理運(yùn)用、增設(shè)穩(wěn)壓二極管等方式實(shí)現(xiàn)了du/dt和di/dt的降低；通過對(duì)電路布局的調(diào)整，導(dǎo)線、電源電路的改造，有效阻斷了干擾的傳播；通過電源監(jiān)控系統(tǒng)、WatchDog等軟硬件的合理應(yīng)用，對(duì)敏感器件乃至整體系統(tǒng)的抗干擾能力實(shí)現(xiàn)顯著提升。除此之外，在日后的工作中，我們還需對(duì)以上方案進(jìn)行實(shí)踐，深入探究、總結(jié)出更高效的電路抗干擾辦法。

[1]鐘晨昊．?dāng)?shù)字電路的抗干擾探析[J]．電子技術(shù)與軟件工程,2016,10:126．

[2]王洋．?dāng)?shù)字模擬電路轉(zhuǎn)換的抗干擾設(shè)計(jì)方案[J]．科技資訊,2010,24:10．