浅谈电子电路的抗干扰设计

郭宝山

(国营第七八五厂，山西太原 030024)

0 引言

干扰是电子电路稳定可靠工作的大敌，尤其是在工作条件恶劣、干扰源很强且复杂的场合中，因此，干扰和抗干扰就成为电子电路设计中的一个非常重要的内容。每个电气工程师和电气工程技术人员都希望自己设计的产品工作可靠，不会被其他设备干扰，也不会干扰其他设备。但是，由于电气噪声和电磁干扰几乎是无处不在的，所以，我们设计的产品往往达不到这样的目标。如果不能有效地解决这些问题，我们可能必须在设计完成后再去进行抗干扰的补救措施，这样一来既浪费了所投资项目的时间、资金和努力，又可能使产品性能大打折扣。因此，一般在工作的开始就必须将干扰抑制措施设计进产品。

1 干扰的定义

干扰是指对系统的正常工作产生不良影响的内部或外部因素。从广义上讲，机电一体化系统的干扰因素包括电磁干扰、温度干扰、湿度干扰、声波干扰和振动干扰等等，在众多干扰中，电磁干扰最为普遍，且对控制系统影响最大，而其它干扰因素往往可以通过一些物理的方法较容易地解决。

电磁干扰是指在工作过程中受环境因素的影响，出现的一些与有用信号无关的，并且对系统性能或信号传输有害的电气变化现象。这些有害的电气变化现象使得信号的数据发生瞬态变化，增大误差，出现假象，甚至使整个系统出现异常信号而引起故障。

干扰都有源，干扰源可来自电子系统内部，亦可来自电子系统外部。电子系统内的噪声信号，尤其是功率级内高频振荡电路和功率级开关电路所产生的噪声信号是构成系统内部的主要干扰源。电子系统周围的大功率电子设备(如:大功率电动机、电焊机、高频炉、电弧炉、负荷开关、大功率发射设备……)的启停，以及自然雷电所产生的干扰信号则构成电子系统外部的主要干扰源。

干扰源是客观存在的，在工业现场往往又是不可避免的，所以为了电子电路的可靠运行而去清除干扰源是不现实的。只能是适应环境，抑制干扰，加强电子系统的抗干扰能力，以保证电子电路的可靠运行。

2 电子电路中常见的干扰

抗干扰技术主要是从干扰进入电子系统的通路上采取抑制措施的。根据干扰的传播通道，干扰主要分为:

(1)来自电网的干扰

众所周知，大多数电子电路的直流电源都是由电网交流电经整流、滤波、稳压后提供的。因此，一些干扰信号就会沿着交流电源线进入电子系统，干扰电子电路的正常工作。例如，附近一些电力设备的启停和雷电感应产生的强烈的高频浪涌电压都会叠加在50 Hz的电网电压上。

(2)来自地线的干扰

地线干扰是存在于电子系统内的干扰。由于电子系统内各部分电路往往共用一个直流电源，或者是不同的电源之间往往共一个地，因此，当各部分电路的电流均流过公共地电阻(地线导体电阻)时便产生电压降，此电压降便成为各部分之间相互影响的噪声干扰信号，即所谓地线干扰。

(3)来自信号通道的干扰

在远距离测量、控制和通信中，电子系统的输入和输出信号线很长，线间很近，信号在此长线内的传输过程中很容易受到周围电磁场的电磁感应干扰，或者信号线间的串扰，亦或者是地线的干扰，从而导致所传输的信号发生畸变或失常，影响电子电路的正常工作。

(4)来自空间电磁辐射的干扰

以上四种干扰，危害性最大的是来自电网的干扰和来自地线的干扰，其次为来自信号通道的干扰，而来自电磁辐射的干扰一般不太严重，只要电子系统与干扰源保持一定距离或采取适当的屏蔽措施(如加屏蔽罩、屏蔽线等)，基本上就可解决。

3 抗干扰措施

3.1 抗电网干扰的措施

为了防止从交流电源线引入的干扰，常见的抗干扰措施及各部分的功能如图1所示:

图1 抗电源干扰的措施

(1)交流稳压器:用来保证供电的稳定性，防止电源系统的过电压和欠电压，有利于提高整个电子系统的可靠性。由于交流稳压器价格比较昂贵，因此在一些小型电子电路中一般不用，只用于较大型的电子系统以及抗干扰要求较高的场合。

(2)电源滤波器:接在电源变压器之前，其特性是让交流50 Hz基波通过，而滤去高频干扰信号，可用来消除工频(电源)串模干扰，改善电源波形。

(3)带有屏蔽层的电源变压器:由于高频干扰信号通过电源变压器的主要传播通道是一次线圈和二次线圈之间的分布电容，而不是一、二次之间电磁耦合。因此，在一、二次线圈之间加一个金属屏蔽层，并将屏蔽层接机壳地(不是电路的地)，可有效地减小分布电容值，从而有效地抑制高频干扰信号通过变压器进入二次侧，如图1所示。这是最常见的抗电源干扰措施。

(4)双T滤波器:滤波是抑制干扰传导的一种重要方法。由于干扰源发出的电磁干扰的频谱往往比要接收的信号的频谱宽得多，因此，当接受器接收有用信号时，也会接收到那些不希望有的干扰。这时，可以采用滤波的方法，只让所需要的频率成分通过，而将干扰频率成分加以抑制。

双T滤波器(如图2所示)用于整流电路之后，其特性是阻止50 Hz工频干扰或其他固定频率的干扰信号进入电子电路。

图2 双T滤波器

双T电路参数计算公式为:f=1/(2пRC)。若想阻止50 Hz工频干扰，则选f=50 Hz。在抗干扰要求不高的场合，可以不采用此抗干扰措施，以免增加电路的复杂性。

(5)采用0.01～0.1μF的无极性电容，并联到直流稳压电路的输入和输出端以及集成块的电源引脚上，用以滤掉高频干扰。

3.2 抗地线干扰的措施

抗地线干扰的具体措施有以下几种:

(1)尽量采用一点接地，即各部分的地自成一体后再分别接到公共地的一点上，印制电路板上采用此方法不大方便布线，而都是采用串联接法，为了减少地线噪声干扰，可适当加大地线宽度。

(2)强信号电路(即功率电路)和弱信号电路的地应分开，然后再在一点上接公共地。

(3)模拟地和数字地也应分开，然后再在一点上接公共地，切忌两者交叉混连。

(4)不论哪种方式接地，接地线均应短而粗，以减小接地电阻。

3.3 信号通道中的抗干扰措施

针对信号通道上的干扰，目前被人们广泛采用的抗干扰措施是使用双绞线传输和光电耦合传输两种方法。

(1)双绞线传输，顾名思义指的是每个信号都采用两条互绞的线进行传输，其中一条是信号线，一条是地线。这种方法是抑制空间电磁干扰、线间串扰和信号地线干扰的最有效且简便的方法，因为空间电磁场在每个绞环内产生的感应电动势是相同的，但对每一条线来说，感应电动势是可以相互抵消的。因此不会对传输的信号产生影响。其次，信号电流在两条线上大小相等、方向相反，所以双绞线对其他信号线的互感为零，抑制了串扰。再之，各个信号的地线是单独的，可以有效地抑制信号之间通过地线的干扰。

不过此种方法中值得注意的是:第一，长线传输也应当注意阻抗匹配，即负载与双绞线特性阻抗之间的匹配，否则会产生传输反射，使信号失真。第二，电子系统内部信号线之间亦存在串扰的问题，不过由于线短，其影响较小。但是应当注意高频和强信号线应与弱信号线分开走。

在数字信号传递的长线传输中，根据传送距离不同，双绞线使用的方法也不同。当传输距离在5 m以下时，发送、接收端装负载电阻，若发射侧为集电极开路型，接收侧的集成电路用施密特型，则抗干扰能力更强些。当做远距离传送数据，或经过噪声大的区域时，可使用平衡输出的驱动器和平衡输入的接收器。

(2)光电耦合器主要由发光二极管和光敏三极管组成，两者相互绝缘地密封在一起。其主要优点是能有效地抑制尖峰脉冲和各种噪声干扰，从而使过程通道上的信噪比大大提高。信号从发光二极管输入，使之发光，然后光照射到光敏三极管基极上，使光信号转换成电信号，并从集电极输出。由此可见，输入与输出是相互隔离的，只有光耦合而没有电的联系。因此，两边的地不同，彼此可以独立。

若电子系统的每条输入信号线和输出信号线之间均采用光电耦合器传输信号，则可以有效地抑制信号地线干扰和信号线上的噪声干扰。这是因为两边的地是独立的，所以不存在地线干扰。再次，由于光耦合器输入阻抗很低，而叠加在信号上的噪声信号的内阻很高，因此，尽管噪声信号的幅值很高，但进入光耦合器的噪声会很小，只形成很微弱的电流，不足以是发光二极管发光，所以抑制了噪声信号的传输。

4 结束语

电磁干扰几乎无处不在，如果电子电路系统没有足够强的抗干扰能力，那么即便电路的各项设计都合理，也不能完全保证系统可以很好地工作，只有在实践中不断地积累经验，才可以设计出更好的电子电路。

［1］毕满清.电子技术实验与课程设计［M］.第2版.北京:机械工业出版社，2001.