数字模拟电路转换的抗干扰设计方案

广东岭南职业技术学院 黄国爵

数字模拟电路转换的抗干扰设计方案

广东岭南职业技术学院 黄国爵

数字模拟电路中因各种原因形成的干扰，对电路系统运行质量和运行时间都有不利的影响。基于此，本文对数字模拟电路中干扰的基本要素及其耦合方式进行了的介绍，而后从干扰源、干扰的传播途径和敏感器件三个点切入，重点分析了数字模拟电路抗干扰的应对策略，并提出了具体的设计方案。

数字模拟电路；单片机；π形滤波器

1 引言

随着数字技术与集成电路的发展，数字控制电路在各种与电子科技相关的领域都有应用。但是在实际的运行过程中，电路易受到来自器件布局紧凑、线路安置不合理等因素产生的干扰。所以，我们研究数字控制电路运行过程中的干扰因素，提出抗干扰的设计方案，是十分必要的。

2 数字模拟电路中干扰的概述

2.1 干扰的基本要素

在数字模拟电路中，干扰的形成来自以下三个方面因素：第一个，干扰源。很多元件、信号或是设备都会对电路产生干扰，如雷电、电机、可控硅、高频时钟、继电器等。用数字语言来表述，du/dt，di/dt大的地方就是干扰源；第二个，干扰的传播途径，即干扰由干扰源传至电路敏感器件的媒介和路径。常见的干扰传播途径为空间的辐射和导线的传导；第三个，敏感器件，即在数字模拟电路中易受干扰源干扰的对象。例如单片机、弱信号放大装置、A/D、D/A转换器等。类似传染病的防治，数字模拟电路中的对干扰的拮抗也要从源头、途径、自身抗干扰能力三个方面共同完成。

干扰的类型复杂多样,可以按照产生干扰的原因、传导方式、波形特点分为三类。按产生干扰的原因，可分为浪涌噪声、放电噪声和高频振荡噪声；按传导方式可分为串模噪声和共模噪声；按波形特性可分为脉冲序列、脉冲电压和持续正弦波。在数字模拟电路的抗干扰设计中，要具体问题具体分析，根据不同的干扰类型采取相应的措施。

2.2 干扰的耦合方式

干扰源产生的干扰信号要对数字模拟电路的设备或系统产生作用，就需要通过导线、公共线等通道进行耦合。干扰的耦合主要分为以下几种形式：一、直接耦合，这是数字模拟电路中最直接也最常见的耦合形式。例如干扰信号通过电源线对电路系统的直接侵袭；二、漏电耦合。在线路绝缘不佳时会发生这种纯电阻性的耦合形式；三、静电耦合，也叫电容或电场耦合，是由于静电电容的存在发生的耦合；四、磁场耦合，也叫电磁感应耦合，是由于电磁感应发生的耦合；五、公共阻抗耦合。这种耦合形式主要在两个数字电路的电流有共有通路时产生，抗干扰时需要在电路设计上下功夫，使干扰源与敏感电路器件间避免出现公共阻抗。

3 数字模拟电路抗干扰的具体方案

3.1 抑制干扰源

在抗干扰的设计中，首先应该考虑的就是对干扰源的抑制，即降低du/dt和di/dt。首先通过将相应的电容并联在干扰源的两端，从而降低du/dt；与之相反，di/dt的降低需要通过在干扰源回路中串联电阻的方法来实现。在实际的应用方案中可以这样设计：

（1）由于继电器线圈的开关过程中，线圈会发出反电动势，导致电路的运行效果受到干扰。此时如果按传统办法将续流二极管添置在继电器的线圈处，虽然能降低反电动势的影响，但有减缓继电器开断时间的可能。所以，应该用稳压二极管代替续流二极管。此外，还需要在继电器两侧装设或用于抑制火花的电路，从而避免继电器运行时产生火花对电路造成影响[1]。

（2）在布线时，应尽量重视线路的合理固定，避免导线90度弯折和飞线，以便降低发射高频噪声对数字模拟电路的干扰。此外，还可以并联RC抑制电路，用来减少可控硅发出的噪声。

（3）在线路的设计和装置过程中，要考虑到各个元器件引线的长度，以免在线路传输过程中各元器件之间相互产生干扰。

3.2 阻断干扰传播途径

根据干扰的传播路径可将干扰分为传导干扰和辐射干扰。传导干扰指通过线路传播，由干扰源对敏感元件产生的直接干扰；而辐射干扰指不通过线路，干扰源经由空间对敏感元件进行辐射干扰。对于以上两种干扰形式，可以通过切断干扰传播路径来解决，具体设计方案如下：

（1）在电路板的设计中按信号强弱以及信号类型实行严格合理的分区，尽量拉开干扰源（继电器、电机等）与敏感元件（单片机等）的距离，以减轻干扰源对元件的辐射影响。

（2）为避免模拟区与数字区掺杂，可用地线将两个区隔离开，最后一点接在电源上。

（3）注意晶振的布线。要尽量缩短晶振和单片机引脚之间的距离，用地线将时钟区单独隔开，固定好晶振外壳并接地。

（4）由于大功率器件与单片机之间会产生干扰，所以为了减小双方的相互影响，需要将二者的底线单独接地。大功率器件应尽量装设在电路板的边缘，保证远离单片机分布。

（5）大多数控制芯片易受到电源噪声的干扰，所以在数字控制电路初设阶段就应考虑到电源线路的改造问题。可以在电源上增设稳压器和滤波电路，例如用电容和磁珠组成的π形滤波器，以便阻断电源发出的噪声，保证控制芯片不受干扰[2]。

3.3 提升敏感器件的抗干扰性能

提升敏感器件的抗干扰能力，主要是通过改良布线方式、优化电路格局等方法减少敏感器件对干扰噪声的吸收，帮助敏感器件更快摆脱失常状态，达到最佳的运行效果。具体设计方法如下：

硬件方面：第一，布线时要尽量选用较粗的电源线和底线，用以降低耦合噪声；第二，使用看门狗电路和电源监控系统，如X25043、IMP706、IMP809、IMP813等，对电路整体的抗干扰能力有显著的提升作用；第三，在兼顾运行速度的前提下，尽量使单片机的晶振降低；第四，尽量把IC器件装设在电路板上，减少IC座的使用；对于闲置的单片机I/O口也要接上地线或电源。

软件方面：第一，在跳转指令之前加上几个NOP，可用于程序跑飞时的归位；第二，在没有看门狗硬件可用时，可以采取软件WatchDog来进行模拟，对电路程序的运行进行监视；可以采用“3取2”或“5取3”的形式加入数据校验位，以便提升通讯过程中对干扰的拮抗能力。

4 总结

总而言之，根据对干扰因素的研究，设计出相应的数字控制电路抗干扰方案，是一项复杂而重要的工作。由上文分析可得，通过电容的合理运用、增设稳压二极管等方式实现了du/dt和di/dt的降低；通过对电路布局的调整，导线、电源电路的改造，有效阻断了干扰的传播；通过电源监控系统、WatchDog等软硬件的合理应用，对敏感器件乃至整体系统的抗干扰能力实现显著提升。除此之外，在日后的工作中，我们还需对以上方案进行实践，深入探究、总结出更高效的电路抗干扰办法。

[1]钟晨昊．数字电路的抗干扰探析[J]．电子技术与软件工程,2016,10:126．

[2]王洋．数字模拟电路转换的抗干扰设计方案[J]．科技资讯,2010,24:10．