电子电路设计中的抗干扰措施探究
作者：admin 来源：未知 日期：2020-04-24 09:05人气：
摘要：电子电路传输信息时不能遭受外界环境的影响, 在实际运用中外界与人为原因带来的电磁信号较多, 这都会影响电路的正常运转。要使电路具有抗干扰能力, 就必须要采取一定的抗干扰措施。
关键词：电子设计,干扰,抗干扰措施,滤波,耦合
电子干扰对于电子电路的可靠性是一个极大的威胁, 进而也会对电子电路工作能力产生影响。干扰一旦存在, 电子电路是不可能安稳工作的, 特别是在工作条件异常艰苦、干扰源既强大又多样的情况下, 更是如此。故而在设计环节, 干扰和抗干扰是要重点考虑的问题。首先要保证不能受到别的产品的干扰, 其次也不能扰乱别的产品的工作。不过, 在工作中几乎是不可能完全避免电气噪声和电磁干扰的出现, 因此即便是再优秀的产品业不能实现这一点。但噪声和干扰是会影响设备稳定运行的, 故而在设备成型之后依旧需要加装抗干扰装置, 这项工作不但会浪费人力成本, 也会加大资金成本的投入, 且还可能会影响产品的性能。鉴于此, 在设计之初, 干扰抑制方案就必须要考虑进去。
1 干扰的定义
干扰就是妨碍系统正常运转的不利因素, 可以来自于外界也可以产生于产品内。在大的层面上来看, 机电一体化系统中的干扰有很多:电磁干扰、温度干扰和振动干扰等。其中电磁干扰出现的频率最高, 并且也是控制系统最大的敌人, 至于其他的干扰一般都可以借助一些物理手段来处理的。
电磁干扰表述的是在工作条件下, 因环境原因而出现的与有用信号没有关联的, 同时又对系统运转和信息传递有不利影响的电气变化现象。它会使数据出现瞬态突变, 将误差放大, 乃至于产生假象, 甚至由这些异常信号导致系统故障。
每个干扰都是有源头的, 这些干扰源有的存在于系统之外, 有的也是在系统之内。电子系统的干扰信号种类很多, 对于内部干扰源而言, 最主要的就是功率级内高频振荡电路和功率级开关电路产生的噪声。反观外部干扰源, 有的是来自于周边大功率用电设备的启停, 也有自然环境中雷电带来的干扰。
在实际环境中, 干扰源是无法去除的, 因此, 以彻底清除干扰源的方式确保电路的正常运转是不可能的。最好的方式就是根据实际环境阻遏干扰, 强化系统对于不良干扰的应对能力, 进而保证电子电路的运行不受影响。
2 电子电路中常见的抗干扰技术
(1) 来自电网的干扰。在工程上, 发电厂出来的都是交流电, 在电路中使用的直流电源, 基本都是经过整流、滤波、稳压的处理得到的。因此, 在这个过程中, 很容易掺入干扰信号, 随着干扰信号的加入系统也就不再稳定了。
(2) 来自信号地之间的干扰。信号地指代信号电路、逻辑电路和控制电路的地。其连接势必会借助导线来实现, 但是考虑到导线自身肯定会有阻抗, 因此不同导线的电流也是有差异的。故而, 也会带来各个接地点电流的差异, 进一步来看, 各个点电位也是不一样的。一般电路之间是要加设接地点的, 希望以此来降低电流流经公共阻抗时出现的耦合干扰, 与此同时, 要注意不能产生地环路电流, 后者一旦出现就会和别的线路出现耦合干扰。
(3) 来自信号通道的干扰。测量、控制和通信如果发生在两点距离较远的情况时, 系统中输入输出信号线就会变得非常长, 两线之间的间距又会比较近, 信号在线内进行传递时, 周边磁场就会产生干扰, 即使是相近的两信号线之间也会出现串扰, 甚至于地线都会出现干扰, 如此一来, 传输的信号就会失真, 进而影响到电路的稳定运行。
(4) 来自杂散电磁场的干扰。当放大电路附近出现杂散电磁场时, 内部的输入电路与某些部件都将位于不断变化的电磁场中, 就会出现干扰电压。对于一个放大器而言, 特别是在倍率较高时, 如果第一级出现干扰电压, 即便是只有一点点, 但是经过逐级放大, 到最后输出端出现的就是一个极大的干扰电压。
通过对上述4种干扰进行分析, 破坏性最大的就是来自电网和信号地之间的干扰, 排在第二级的则是信号通道产生的干扰。此外, 信号辐射的干扰也是存在的, 但这一般不太重要, 在处理措施上, 只要能够保证系统和干扰源留有一定的距离, 或者有一定的屏蔽措施, 就能够妥善处理。
3 抗干扰措施
3.1 抗电网干扰的措施
(1) 交流稳压器。该设备主要的作用就是为了确保供电的稳定, 主要是防止电源出现过电压和欠电压, 进而保证整个系统的稳定运行。市场情况反应, 交流稳压器在价格上并不便宜, 故而对于小型的电子电路而言, 该设备不具有可选性, 只有在大型电子电路中, 或是明确指出需要严格抗干扰时, 才会被采用。
(2) 电源滤波器。它在电路中位于变压器之前, 实现的功能就是只放过交流50 Hz基波, 其他的高频干扰信号则会被阻隔下来, 如此一来就可以明显的改良电源波形。
(3) 带有屏蔽层的电源变压器。分布电容一般存在于一次线圈和二次线圈之间, 这是高频干扰信号最关键的通道, 如果在此间多加一个金属屏蔽层, 然后将其设备接地, 就能够很明显的降低分布电容值, 由此也能够避免干扰流入二次侧。
(4) 双T滤波器。不可否认, 滤波的存在将有效的阻止干扰的传播。现实情况表明, 来自于干扰源的电磁干扰的频谱是要明显宽于待接收信号的。即接收器不仅会收到其想收的目标信号, 还会接收到一些干扰信号。此时滤波的目的就在于此, 有了滤波的存在, 就能够只收到目标信号, 并去除干扰信号了。
(5) (0.01～0.1) μF的无极性电容。该元件旨在过滤高频干扰。
3.2 信号地之间的抗干扰措施
(1) 单点接地。就是将所有地线接在一个点上, 优势是不会产生环形地回路, 也不会出现地环流, 这就使得某一电路的接地点, 只会与此电路的地电流和地阻抗相关联。假设某些电路电流值十分小, 地线之间的电压也非常小, 那么这种电路在距离比较近的时候, 就允许采用单点接地, 考虑到其地线是比较短的, 所以电压也比较小, 使相互之间的干扰也小多了。
(2) 串联接地。串联接地表示的是所有接地点都依次连接在一个地线上, 由于串联的特性, 公用地线电流也就是所有接入地线电流之和。故而, 各电路电位都受其他电路干扰, 噪声也就借助这些公共地线进行耦合。在抗干扰的层面上来看, 这种接线方式是不正确的。不过, 这种接法极为便捷, 因此在工程中也有应用。这一点, 在印制电路板的案例中最为明显。
(3) 多点接地。经过调查发现, 接地母线的制作工艺一般都是宽铜皮镀银, 以此来减小阻抗。具体做法是将所有电路的地线都接到附近的母线上, 优点是能够有效的减小阻抗。常见于数字电路中。该电路中主要部件就是印刷板, 其地线一般接在机架的母线上, 然后母线的一侧连接直流电源地线, 值得一提的是这种模式仅用于高频电路。
(4) 模拟地和数字地。电子电路里的信号是多样的, 不仅含有数字信号还含有模拟信号, 并且数字电路经常处于启停状态, 电流经常有大幅度的波动, 这种情况下如果还是使用电耦合, 那么地线之间必然会出现干扰, 进而使得模数转换多样。处理方案是, 备好2套整流电路, 将模拟电路和数字电路分开, 至于两个信号之间就需要借助光耦合器来耦合了, 如此一来就完成了地线之间的隔离。
3.3 信号通道中的抗干扰措施
(1) 双绞线传输, 这种方案里各信号皆有2条互绞的线来传输, 分别是信号线和地线。该模式在抗干扰领域中, 多运用在抑制空间电磁干扰、线间串扰和信号地线干扰等。空间电磁场在各个绞环中带来的感应电动势都是一样的, 不过在每条线上, 感应电动势是能够抵消的。故而, 多数情况下对传输信号是没有影响的。此外, 在关联的2条线上, 信号电流是等大反向的, 也就是说双绞线是能够处理串扰的, 因为其对其他线是没有互感的。再然后, 每个信号的地线是相互分开的, 这样就能够阻止信号经过地线时的干扰。
在使用这种方案时, 需要考虑的问题: (1) 对于长线传输需要重点考虑阻抗匹配问题, 如果处理不当就会出现传输反射, 就会使信号被破坏。 (2) 即便是同一电子系统, 信号线间也有串扰的存在, 但是信号线比较短, 故而影响也就相对较小。这里需要重点注意的是, 强信号线与弱信号线需要分开布线。
对于数字信号长线传输而言, 考虑到传输距离的差异, 双绞线的运用方式也是不一样的。如果传输距离<5 m, 那么发送和接收端要1个负载电阻。如果距离比较远时, 或者途径区域有大的噪声时, 就可考虑使用平衡输出的驱动器和平衡输入的接收器。
(2) 光电耦合器的组件有发光二极管和光敏三极管, 这两者需要各自经过绝缘处理, 再被封在一起。这样做的好处就是能够抵抗各种噪声的干扰, 同时还能抑制尖峰脉冲, 然后综合性提升信噪比。信号是由发光二极管引进的, 光线会进一步的传播到光敏三极管基极上, 由此就完成了光信号向电信号的转变, 同时再从集电极输出。这就能够看出, 输入与输出之间是能够相互隔开的, 两者间仅是光耦合, 在电上是没有关联的。两者的独立性也就比较高了。
假设在电子系统中, 各个输入信号线和输出信号线都使用的光电耦合器传输信号, 那么之前出现的信号地线干扰, 乃至于信号线噪声干扰都是能够避免的。主要原因是两者地是相互独立的, 也就不会出现地线干扰了。然后, 光耦合器输入的阻抗是非常小的, 但是其上的噪声信号内阻又是比较大的。故而, 纵然噪声信号的幅值比较大, 但是经过光耦合器时噪声基本上是极小的, 在影响上顶多产生很小的电流, 基本上都不会使二极管发光, 所以这也就阻止了噪声信号的传输。
3.4 杂散电磁场的抗干扰措施
(1) 合理布局。在电子电路中, 分布参数有着很大的意义, 其事关被测电路元器件布置是否合理。高增益和高频电路的输入和输出之间要有一定的距离。对有输入变压器的放大器而言, 需要做的工作就是将变压器内的线圈布置的和干扰磁场垂直, 进而来降低干扰电压。电路的所有布线都要规范化、科学化, 连线之间不要存在冗余。交流、直流、弱信号等线要尽可能分开走, 并且还要避免平行布线。铺设的线路越长, 其受到的干扰就越大。
(2) 屏蔽。屏蔽分为2种:静电屏蔽和磁屏蔽。在实施上是用屏蔽罩罩住干扰源, 特别是要关注放大器的第一级, 第一级的信号线选取十分重要, 一般使用带有金属套的屏蔽线, 后者外套还要进行接地处理。
当抗干扰需求比较严苛时, 就需要对放大器自身做处理了, 一般是将其屏蔽起来。静电屏蔽有一个共同的特点, 就是会使用电导率较高的物质, 在本质上进行分析就是屏蔽罩接地以后, 干扰电流就会经过它流入地下。同理, 磁屏蔽运用的则是高磁导率的磁性材料。此外经过大量测试, 屏蔽罩的形式也会带来一定的影响, 圆柱形屏蔽罩在测试中性能最好。
结束语
综上所述, 电磁干扰在电子电路中是随处可见的, 假如电路没有很强的抗干扰能力, 纵然是再优秀的设计, 都不可能确保系统能够稳定工作。此外, 唯有经过长年累月的实践积累, 才能够设计出最符合实际、最为科学合理的电子电路。
参考文献
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[2]李宏利.电子电路的抗干扰措施[J].消费电子, 2013 (10) :1-2.
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