數(shù)字電路設(shè)計的抗干擾考慮

來源：龍人計算機研究所作者：站長時間：2006-11-04 18:17:26

   在電子系統(tǒng)設(shè)計中，為了少走彎路和節(jié)省時間，應(yīng)充分考慮并滿足抗干擾性的要求，避免在設(shè)計完成后再去進行抗干擾的補救措施。形成干擾的基本要素有三個：
  （1）干擾源，指產(chǎn)生干擾的元件、設(shè)備或信號，用數(shù)學(xué)語言描述如下：du/dt，di/dt大的地方就是干擾源。如：雷電、繼電器、可控硅、電機、高頻時鐘等都可能成為干擾源。
  （2）傳播路徑，指干擾從干擾源傳播到敏感器件的通路或媒介。典型的干擾傳播路徑是通過導(dǎo)線的傳導(dǎo)和空間的輻射。
  （3）敏感器件，指容易被干擾的對象。如：A/D、D/A變換器，單片機，數(shù)字IC，弱信號放大器等。
   抗干擾設(shè)計的基本原則是：抑制干擾源，切斷干擾傳播路徑，提高敏感器件的抗干擾性能。
1 抑制干擾源

   抑制干擾源就是盡可能的減小干擾源的du/dt，di/dt。這是抗干擾設(shè)計中最優(yōu)先考慮和最重要的原則，常常會起到事半功倍的效果。
   減小干擾源的du/dt主要是通過在干擾源兩端并聯(lián)電容來實現(xiàn)。減小干擾源的di/dt則是在干擾源回路串聯(lián)電感或電阻以及增加續(xù)流二極管來實現(xiàn)。
   抑制干擾源的常用措施如下：
  （1）繼電器線圈增加續(xù)流二極管，消除斷開線圈時產(chǎn)生的反電動勢干擾，見圖1。僅加續(xù)流二極管會使繼電器的斷開時間滯后，增加穩(wěn)壓二極管后繼電器在單位時間內(nèi)可動作更多的次數(shù)。
  （2）在繼電器接點兩端并接火花抑制電路，減小電火花影響，見圖2。
  （3）給電機加濾波電路，注意電容、電感引線要盡量短，見圖3。
  （4）電路板上每個IC要并接一個0.01μF～0.1μF高頻電容，以減小IC對電源的影響，見圖4。注意高頻電容的布線，圖a和圖b的效果相差很大，圖c比圖b的效果更好。圖a的布線增大了電容的等效串聯(lián)電阻，影響了濾波效果。
  （5）布線時避免90度折線，減少高頻噪聲發(fā)射，見圖5。
  （6）可控硅兩端并接RC抑制電路，減小可控硅產(chǎn)生的噪聲。

2 切斷干擾傳播路徑

   按干擾傳播路徑可分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩類。
   所謂傳導(dǎo)干擾是指通過導(dǎo)線傳播到敏感器件的干擾。高頻干擾噪聲和有用信號的頻帶不同，可以通過在導(dǎo)線上增加濾波器的方法切斷高頻干擾噪聲的傳播，有時也可加隔離光耦來解決。電源噪聲的危害最大，要特別注意處理。所謂輻射干擾是指通過空間輻射傳播到敏感器件的干擾。一般的解決方法是增加干擾源與敏感器件的距離，用地線把它們隔離和在敏感器件上加屏蔽罩。
   切斷干擾傳播路徑的常用措施如下：
  （1）充分考慮電源對單片機的影響，電源做得好，整個電路的抗干擾就解決了一大半，見圖6。許多單片機對電源噪聲很敏感,要給單片機電源加濾波電路或穩(wěn)壓器，以減小電源噪聲對單片機的干擾。其中L為磁珠，也可用100Ω電阻代替。
  （2）如果單片機的I/O口用來控制電機等噪聲器件，在I/O口與噪聲源之間應(yīng)加隔離，見圖7。其中L為磁珠，也可用100Ω電阻代替。
  （3）注意晶振布線，見圖8。晶振與單片機引腳盡量靠近，用地線把時鐘區(qū)隔離起來，晶振外殼接地并固定。此措施可解決許多疑難問題。
  （4）電路板合理分區(qū)，如強、弱信號，數(shù)字、模擬信號。盡可能把干擾源（如電機，繼電器）與敏感元件（如單片機）遠離，見圖9。
  （5）用地線把數(shù)字區(qū)與模擬區(qū)隔離，數(shù)字地與模擬地要分離，最后接于電源地，見圖10。A/D、D/A芯片布線也以此為原則，廠家分配A/D、D/A芯片引腳排列時已考慮此要求。
  （6）單片機和大功率器件的地線要單獨接地，以減小相互干擾。大功率器件盡可能放在電路板邊緣，見圖11。

（7）在單片機I/O口，電源線，電路板連接線等關(guān)鍵地方使用抗干擾元件如磁珠、磁環(huán)、電源濾波器，屏蔽罩，可顯著提高電路的抗干擾性能。

3 提高敏感器件的抗干擾性能

   提高敏感器件的抗干擾性能是指從敏感器件這邊考慮盡量減少對干擾噪聲的拾取，以及從不正常狀態(tài)盡快恢復(fù)的方法。
   提高敏感器件抗干擾性能的常用措施如下：
  （1）布線時盡量減少回路環(huán)的面積，以降低感應(yīng)噪聲，見圖12。
  （2）布線時，電源線和地線要盡量粗。除減小壓降外，更重要的是降低耦合噪聲。
  （3）對于單片機閑置的I/O口，不要懸空，要接地或接電源。其它IC的閑置端在不改變系統(tǒng)邏輯的情況下接地或接電源。
  （4）對單片機使用電源監(jiān)控及看門狗電路，如：IMP809，IMP706，IMP813，X25043，X25045等，可大幅度提高整個電路的抗干擾性能。
  （5）在速度能滿足要求的前提下，盡量降低單片機的晶振和選用低速數(shù)字電路。
  （6）IC器件盡量直接焊在電路板上，少用IC座。

圖1 消除線圈反電勢干擾