數(shù)字電子系統(tǒng)抗干擾技術(shù)研究

何宇云

【關(guān)鍵詞】數(shù)字電子系統(tǒng);電磁干擾;抗干擾技術(shù)

【中圖分類號(hào)】TP273.5 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2021）06-0039-03

0 引言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，社會(huì)大眾對(duì)通信、科學(xué)計(jì)算、雷達(dá)信號(hào)處理等實(shí)時(shí)信號(hào)處理提出了越來(lái)越嚴(yán)格的要求。為滿足對(duì)越來(lái)越龐大的數(shù)據(jù)量的高效處理，近年來(lái)數(shù)字電子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了快速發(fā)展。與此同時(shí)，隨著實(shí)時(shí)信號(hào)處理速率的逐步加快，數(shù)字電子系統(tǒng)的運(yùn)行效率逐步提升，半導(dǎo)體工藝越來(lái)越成熟，促使電子系統(tǒng)中信號(hào)邊沿速率上升至更高級(jí)別。飛快的信號(hào)邊沿變化，促使電路信號(hào)形成反射、振鈴、串?dāng)_等一系列噪聲及失真的信號(hào)完整性問題 [1]。因而，對(duì)數(shù)字電子系統(tǒng)抗干擾問題及其技術(shù)進(jìn)行分析顯得尤為必要，否則會(huì)對(duì)數(shù)字電子系統(tǒng)處理結(jié)果造成不利影響，甚至引發(fā)更嚴(yán)重的后果。

1 電磁干擾及其危害

1.1 電磁干擾

電磁干擾是指一系列可中斷、縮減、阻礙通信電子設(shè)備有效運(yùn)行的電磁能量。作為一種產(chǎn)生于干擾源且會(huì)破壞有用信號(hào)的電磁現(xiàn)象，電磁干擾會(huì)影響電纜信號(hào)的完整性。通過電磁干擾源產(chǎn)生的電磁能，經(jīng)導(dǎo)線傳導(dǎo)、空間輻射等傳播途徑傳輸至敏感設(shè)備 [2]。在此過程中，敏感設(shè)備會(huì)形成相關(guān)形式的“響應(yīng)”，并形成干擾的效果，業(yè)界將此稱作電磁干擾效應(yīng)。電磁干擾的形成除了要求有干擾源，還要求有對(duì)電磁信號(hào)敏感的接收設(shè)備和合適的耦合路徑。20世紀(jì)80年代，英國(guó)科學(xué)家提出“論干擾”的理論，至此揭開了對(duì)干擾課題進(jìn)行研究的篇章。后來(lái)，英國(guó)郵電部門對(duì)通信中的干擾問題展開了研究，促使干擾問題不斷趨向工程化、產(chǎn)業(yè)化，進(jìn)一步推動(dòng)了抗干擾研究的進(jìn)程，使電磁干擾的防護(hù)問題得到越來(lái)越廣泛的關(guān)注。在當(dāng)今社會(huì)的生產(chǎn)和生活中，電磁干擾效應(yīng)十分普遍，依據(jù)其形式不同，主要分為外部電磁干擾、內(nèi)部電磁干擾。比如，常規(guī)的電子產(chǎn)品不論是其外部還是內(nèi)部都存在電磁干擾現(xiàn)象。外部電磁干擾主要包括由自然界產(chǎn)生的，諸如大氣的放電現(xiàn)象，以及由人為產(chǎn)生的，諸如智能手機(jī)、電吹風(fēng)等引發(fā)的電磁干擾。內(nèi)部電磁干擾主要是通過電子設(shè)備的寄生耦合現(xiàn)象形成的。倘若電磁干擾效應(yīng)過于嚴(yán)重，極有可能造成設(shè)備或者系統(tǒng)失靈，進(jìn)而引發(fā)不良的故障或事故，這被稱作電磁兼容性故障。不可否認(rèn)，電磁干擾已成為現(xiàn)代電子技術(shù)發(fā)展所面臨的一大困境。為保障電子設(shè)備或者系統(tǒng)的有序運(yùn)行，必須加強(qiáng)對(duì)電磁干擾的研究，研究有效的抗干擾技術(shù)手段，增強(qiáng)抗干擾能力。

1.2 電磁干擾的危害

隨著電子設(shè)備的不斷推廣，電磁干擾的現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重，眾多研究與實(shí)踐表明，電磁干擾會(huì)對(duì)人體、電子設(shè)備等帶來(lái)不同程度的危害。首先，電磁干擾對(duì)人體的危害通常分為熱效應(yīng)、非熱效應(yīng)及累積效應(yīng)。其中，熱效應(yīng)是指受電磁干擾影響，人體中的水分會(huì)出現(xiàn)水分子摩擦，進(jìn)一步使機(jī)體體溫異常，導(dǎo)致機(jī)體器官、組織及細(xì)胞無(wú)法正常運(yùn)行。非熱效應(yīng)是指受電磁干擾，使人體周圍的微弱電場(chǎng)遭到破壞，致使微弱電場(chǎng)進(jìn)入非平衡狀態(tài)。累積效應(yīng)是指在原本電磁損傷尚未充分復(fù)原的情況下，機(jī)體又受到電磁損傷，長(zhǎng)此以往，必然會(huì)對(duì)機(jī)體功能造成不利影響。其次，電磁干擾對(duì)電子設(shè)備的危害同樣多種多樣。比如，電磁干擾會(huì)嚴(yán)重破壞無(wú)線電通信，進(jìn)一步造成電臺(tái)信號(hào)難以被廣大聽眾接收，還會(huì)造成電視信號(hào)混亂。通過提升發(fā)射機(jī)功率，有助于解決無(wú)線電通信距離變短的問題，但會(huì)加重電磁干擾程度，進(jìn)入惡性循環(huán)。又如，民航機(jī)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)時(shí)會(huì)受到信號(hào)塔的干擾，大部分機(jī)場(chǎng)會(huì)受到周邊大功率電臺(tái)影響，在飛機(jī)起飛或降落時(shí)就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)偏差，所以在乘坐飛機(jī)時(shí)，乘客會(huì)被要求關(guān)閉電子設(shè)備，以防對(duì)飛機(jī)正常運(yùn)行造成不利影響。

2 干擾數(shù)字電子系統(tǒng)的因素

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，目前的電子設(shè)備大多都應(yīng)用了先進(jìn)的數(shù)字電路。相較傳統(tǒng)模擬電路傳輸?shù)哪M信號(hào)，數(shù)字電路傳輸?shù)碾娮有盘?hào)更穩(wěn)定，受到外部環(huán)境中噪音干擾的情況也更少，但仍然會(huì)受到一定程度的干擾。在數(shù)字電子系統(tǒng)中，形成干擾的因素主要包括干擾源、傳播路徑及敏感設(shè)備。

2.1 干擾源

在對(duì)數(shù)字電路中形成的干擾開展探究的過程中，應(yīng)當(dāng)從多個(gè)角度切入，其中首要考慮的是形成干擾的源頭，即為干擾源。數(shù)字電路設(shè)計(jì)主要是為了對(duì)相關(guān)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行傳輸，倘若面臨其他外部的電子信號(hào)，則會(huì)引發(fā)外干擾現(xiàn)象。結(jié)合歷史經(jīng)驗(yàn)和發(fā)展實(shí)際來(lái)看，形成干擾信號(hào)的源頭通常包括電機(jī)、雷電等。只要形成電子信號(hào)，即會(huì)憑借信號(hào)的強(qiáng)弱、大小對(duì)數(shù)字電子系統(tǒng)帶來(lái)不同程度的干擾。因而，為切實(shí)防止數(shù)字電路被干擾，直截了當(dāng)?shù)目垢蓴_手段即對(duì)干擾源予以阻斷，然而該種手段的實(shí)現(xiàn)比較困難，還有待進(jìn)一步的研究。

2.2 傳播路徑

數(shù)字信號(hào)在傳播時(shí)，要求借助相應(yīng)的數(shù)字通路或者傳播媒介，以發(fā)揮連接的作用。倘若數(shù)字通路或傳播媒介受到干擾，勢(shì)必會(huì)影響數(shù)字信號(hào)的傳播。數(shù)字信號(hào)的傳播路徑是完全暴露于空氣中的，同時(shí)各種干擾源可在空氣中發(fā)出干擾信號(hào)，進(jìn)而對(duì)數(shù)字信號(hào)的傳播路徑產(chǎn)生干擾。通過實(shí)踐研究表明，數(shù)字信號(hào)傳播路徑受干擾程度與數(shù)字信號(hào)通量之間存在十分緊密的聯(lián)系。因而，傳播路徑作為數(shù)字信號(hào)順利傳播的一大保障，控制該環(huán)節(jié)干擾的形成至關(guān)重要。

2.3 敏感設(shè)備

與其他電路構(gòu)成類似，數(shù)字電路中也包含大量敏感的設(shè)備結(jié)構(gòu)，諸如模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)、數(shù)字IC等。該部分的敏感設(shè)備對(duì)信號(hào)的精確度提出了較嚴(yán)格的要求，倘若出現(xiàn)外部其他信號(hào)，則極易影響它們運(yùn)行的穩(wěn)定性，進(jìn)而引發(fā)干擾，影響數(shù)字電路的有序運(yùn)行 [3]。因而，現(xiàn)階段的數(shù)字電路設(shè)計(jì)中，要注重對(duì)敏感設(shè)備配備相應(yīng)的防護(hù)手段，諸如隔離涂層等，這主要是為了防止空氣中形成或其他電子設(shè)備形成的信號(hào)對(duì)其穩(wěn)定性帶來(lái)影響。盡管敏感設(shè)備因素對(duì)信號(hào)干擾的抵抗能力相對(duì)較弱，但對(duì)其干擾阻斷也比較容易，因此開展對(duì)數(shù)字電路中敏感設(shè)備的優(yōu)化改良工作尤為重要。

3 數(shù)字電子系統(tǒng)抗干擾技術(shù)實(shí)踐

在數(shù)字電路中采用抗干擾技術(shù)，主要可以采用抑制干擾源、阻隔干擾傳播路徑及提升敏感設(shè)備抗干擾能力等方法。在相關(guān)硬件手段難以保障抗干擾效果的情況下，可以引入軟件手段開展數(shù)字電路抗干擾，盡可能地控制干擾因素對(duì)數(shù)字電路的影響，保障數(shù)字電子系統(tǒng)的有序運(yùn)行。

3.1 數(shù)字電子系統(tǒng)中硬件抗干擾技術(shù)

（1）器件選用過程的抗干擾。首先，科學(xué)選擇器件。在數(shù)字電路中，一般噪聲容限、傳輸延時(shí)與其抗干擾能力呈正相關(guān)關(guān)系，所以CMOS電路擁有比TTL電路更可靠的抗干擾能力。在選擇邏輯器件的過程中，應(yīng)對(duì)其噪聲容限指標(biāo)進(jìn)行綜合考慮，也就是倘若只追求電路的噪聲容限時(shí)，可選擇HTL;倘若追求電路噪聲容限的同時(shí)要兼顧功耗，可選擇電源電壓超過15 V的CMOS [4]。其次，合理控制負(fù)載。倘若某一集成電路輸出所帶的負(fù)載電路在其規(guī)定的扇出以上時(shí)，則會(huì)讓電路輸出的低電平值上升，高電平值下降，進(jìn)一步造成電路噪聲容限變低，引發(fā)干擾現(xiàn)象。因而，在器件選用過程中應(yīng)合理控制電路的輸出負(fù)載，不可高于其規(guī)定扇出。最后，加強(qiáng)處理空端。針對(duì)不用的電路輸出及控制端，極易經(jīng)由分布電容轉(zhuǎn)至端子對(duì)電路帶來(lái)干擾。所以，對(duì)于不用的電路輸入及控制端，應(yīng)連接相應(yīng)的邏輯電平。

（2）電路設(shè)計(jì)中的抗干擾。電路設(shè)計(jì)中的抗干擾技術(shù)包括接地技術(shù)、濾波技術(shù)等。其中，接地技術(shù)作為電力設(shè)備電磁兼容技術(shù)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，對(duì)其開展研究尤為必要。接地技術(shù)主要包括安全接地技術(shù)、避雷擊接地技術(shù)等，安全接地技術(shù)作為一種常用的硬件抗干擾技術(shù)，主要是將機(jī)殼接入大地，將電量轉(zhuǎn)移至大地中，防止機(jī)殼上積累電荷，形成靜電放電而引發(fā)干擾。在實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)由機(jī)殼將多余的電荷傳輸至大地時(shí)，要求保證絕緣層的性能正常。倘若絕緣層損壞，會(huì)產(chǎn)生大量的電量，在此過程中要對(duì)電量予以快速轉(zhuǎn)移處理，方可確保數(shù)字電路不受干擾。此外，電子設(shè)備在運(yùn)行時(shí)極易受到自然界雷擊的干擾，因而大多電子設(shè)備會(huì)設(shè)置避雷針等避雷裝置。雷擊會(huì)瞬間形成大量電荷，并與電子設(shè)備產(chǎn)生反應(yīng)，進(jìn)而釋放巨大的電荷，威脅周圍人員及建筑物的安全。因此，發(fā)生雷擊時(shí)，應(yīng)及時(shí)采取有效的電荷轉(zhuǎn)移處理，而避雷擊接地技術(shù)可通過將可能遭受雷擊的物體與大地連接，從而提供釋放巨大電荷的通路。濾波技術(shù)主要作用于篩選信號(hào)及抑制干擾，而濾波器就是為實(shí)現(xiàn)這些功能所設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)。依據(jù)功能不同，可將濾波器劃分成信號(hào)選擇濾波器和電子干擾濾波器。信號(hào)選擇濾波器不僅可實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)價(jià)值信號(hào)分量的有效剔除，還不會(huì)對(duì)所選信號(hào)幅度相位造成過多的影響。電磁干擾濾波器，亦可稱作電源噪聲濾波器，作為一種可有效抑制電磁干擾的濾波器，在面對(duì)電壓幅度高、上升速率快、持續(xù)時(shí)間短及隨機(jī)性強(qiáng)的瞬態(tài)電磁干擾時(shí)，電磁干擾濾波器可有效抑制電網(wǎng)噪聲，增強(qiáng)數(shù)字電路的抗干擾能力 [5]。電磁干擾濾波器在數(shù)字電路中的應(yīng)用如圖1所示。

3.2 軟件抗干擾技術(shù)

（1）數(shù)字濾波技術(shù)。作為數(shù)字電路軟件抗干擾技術(shù)中的一種，數(shù)字濾波技術(shù)亦可稱為硬件仿真技術(shù)，它不需要依靠硬件，主要是依托對(duì)模擬信號(hào)的多次采樣，借助先進(jìn)計(jì)算機(jī)計(jì)算，以獲取可靠的數(shù)據(jù)信息。數(shù)字濾波技術(shù)具備靈活、所提供數(shù)據(jù)信息準(zhǔn)確性高等特征，相較于硬件干擾技術(shù)更具優(yōu)勢(shì)。通常，為了提升數(shù)字電路的抗干擾能力，除了在硬件中采用相應(yīng)的抗干擾技術(shù)，還應(yīng)在軟件中開展數(shù)字濾波處理，以此消除存在于數(shù)據(jù)中的一系列干擾，使獲取的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確地呈現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行情況。

（2）輸入信號(hào)重復(fù)檢測(cè)方法。作為一種存在于數(shù)字信號(hào)傳輸中的常見干擾，輸入信號(hào)干擾作用時(shí)間相對(duì)偏短，但是干擾十分集中。在面對(duì)該種干擾時(shí)，因?yàn)椴捎糜布垢蓴_技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)對(duì)其有效抑制，所以可采用輸入信號(hào)重復(fù)檢測(cè)方法，達(dá)到“去偽存真”的效果，也就是只有通過接連兩次或兩次以上的采集結(jié)果完全相同時(shí)，才可認(rèn)同方法有效。如果信號(hào)一直處在不穩(wěn)定的狀態(tài)，在輸入信號(hào)進(jìn)入限額時(shí)，即會(huì)發(fā)出警示信號(hào)。針對(duì)源于多種不同開關(guān)型傳感器的信號(hào)，諸如行程開關(guān)、限位開關(guān)等，均可應(yīng)用該種輸入方式。針對(duì)較寬的干擾，可在連續(xù)采集數(shù)據(jù)之間插入延時(shí) [6]。

（3）軟件攔截技術(shù)。倘若電子系統(tǒng)中的CPU區(qū)域遭受干擾，極易造成嚴(yán)重的后果。常見的不良后果包括電子設(shè)備不能正常運(yùn)行、程序難以正常保存、程序在地址空間陷入錯(cuò)亂局面，抑或進(jìn)入惡性循環(huán)狀態(tài)，很難實(shí)現(xiàn)對(duì)原有系統(tǒng)的自動(dòng)恢復(fù)，會(huì)對(duì)系統(tǒng)構(gòu)成極大的破壞。針對(duì)該種情況，軟件攔截技術(shù)可對(duì)相關(guān)混亂的程序進(jìn)行有效攔截，或使程序擺脫不良循環(huán)局面，并使程序回歸正軌，保障電子設(shè)備的有效性、穩(wěn)定性。

3.3 數(shù)字電子系統(tǒng)裝配中的抗干擾技術(shù)

（1）磁場(chǎng)屏蔽。磁場(chǎng)屏蔽是指對(duì)低頻磁場(chǎng)、高頻磁場(chǎng)進(jìn)行屏蔽。其中，低頻磁場(chǎng)屏蔽是通過鐵磁性材料的高導(dǎo)磁率對(duì)干擾磁場(chǎng)予以分路，以此縮減通過空氣的磁通，進(jìn)一步達(dá)到磁場(chǎng)屏蔽的目的。值得一提的是，因?yàn)槭菍?duì)干擾磁場(chǎng)進(jìn)行分路，所以要想收獲理想的屏蔽效果，則應(yīng)當(dāng)保證屏蔽材料的磁導(dǎo)率，提升屏蔽罩厚度，擴(kuò)增磁分路流過的磁通。高頻磁場(chǎng)屏蔽所用屏蔽材料為低電阻率的良導(dǎo)體。外部高頻磁場(chǎng)于屏蔽體中形成渦流，進(jìn)而憑借渦流形成的磁場(chǎng)可抑制磁場(chǎng)外泄，進(jìn)一步達(dá)到屏蔽的效果。有別于低頻磁場(chǎng)屏蔽，因?yàn)楦哳l渦流的趨膚效應(yīng)，屏蔽體尺寸并非影響屏蔽效果的重要因素，同時(shí)屏蔽效果也不受屏蔽體是否接地的影響。但是，對(duì)于高頻磁場(chǎng)屏蔽的金屬良導(dǎo)體來(lái)說，如果接地可靠，則可同時(shí)實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)屏蔽和電場(chǎng)屏蔽的雙重效果。

（2）電磁場(chǎng)屏蔽。電磁場(chǎng)屏蔽是指借助屏蔽體同時(shí)屏蔽電場(chǎng)、磁場(chǎng)。對(duì)于電場(chǎng)的屏蔽，通常是引入一個(gè)電場(chǎng)干擾源對(duì)原本的電場(chǎng)形成干擾，實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)屏蔽的效果。依托這一原理及上文提到的磁場(chǎng)屏蔽原理，可利用金屬良導(dǎo)體制作屏蔽體，對(duì)頻率相對(duì)高的電場(chǎng)、磁場(chǎng)進(jìn)行屏蔽。在此過程中，應(yīng)當(dāng)將屏蔽體接地，方可收獲更理想的屏蔽效果。因?yàn)殡姶艌?chǎng)的屏蔽是同時(shí)對(duì)電場(chǎng)、磁場(chǎng)的屏蔽，所以在屏蔽過程中會(huì)產(chǎn)生新的干擾情況，比如在對(duì)高頻電場(chǎng)、磁場(chǎng)進(jìn)行屏蔽時(shí)，會(huì)引入渦流及新的干擾源，極易在屏蔽一個(gè)干擾后，又產(chǎn)生一個(gè)新的干擾，從而對(duì)電子設(shè)備帶來(lái)負(fù)面影響，所以必須予以重視。

（3）信號(hào)傳輸線的電磁屏蔽。信號(hào)傳輸線的屏蔽通常通過可實(shí)現(xiàn)屏蔽效果的雙絞線達(dá)成，該種雙絞線對(duì)于不超過100 kHz的電磁場(chǎng)可實(shí)現(xiàn)良好的屏蔽效果。在信號(hào)傳輸線上設(shè)置可實(shí)現(xiàn)屏蔽效果的雙絞線，可使信號(hào)傳輸時(shí)，電流在兩根內(nèi)導(dǎo)線上流動(dòng)，噪聲電流在屏蔽層上流動(dòng)，進(jìn)而防止公共阻抗的耦合。與此同時(shí)，各式各樣源于外部的干擾均同時(shí)作用于兩根導(dǎo)線上，使干擾實(shí)現(xiàn)相互抵消。此外，有部分非屏蔽的雙絞線消除靜電耦合的能力相對(duì)有限，不過對(duì)消除磁場(chǎng)的干擾相對(duì)適用。信號(hào)傳輸線的屏蔽形式多種多樣，這主要體現(xiàn)在傳輸電纜的多樣性方面。比如，同軸電纜線具備相對(duì)低損耗及分布均勻的特性阻抗，因而適用于對(duì)低頻電場(chǎng)、高頻電場(chǎng)及直流電等的處理。

4 結(jié)語(yǔ)

總而言之，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字電路憑借其高效、處理效果理想的優(yōu)勢(shì)在通信及信息處理領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在數(shù)字電路實(shí)際應(yīng)用中，會(huì)面臨各式各樣的干擾，進(jìn)而對(duì)數(shù)字電路造成不利影響。鑒于此，必須加強(qiáng)對(duì)數(shù)字電路干擾因素的研究分析，依托抑制干擾源、阻隔干擾傳播路徑及提升敏感設(shè)備抗干擾能力等辦法，切實(shí)減少數(shù)字電路所遭受的干擾，保證數(shù)字電子系統(tǒng)的安全、有序運(yùn)行。

參 考 文 獻(xiàn)

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