何宇云

【關鍵詞】數(shù)字電子系統(tǒng);電磁干擾;抗干擾技術

【中圖分類號】TP273.5 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2021）06-0039-03

0 引言

隨著現(xiàn)代科學技術的不斷發(fā)展，社會大眾對通信、科學計算、雷達信號處理等實時信號處理提出了越來越嚴格的要求。為滿足對越來越龐大的數(shù)據(jù)量的高效處理，近年來數(shù)字電子系統(tǒng)實現(xiàn)了快速發(fā)展。與此同時，隨著實時信號處理速率的逐步加快，數(shù)字電子系統(tǒng)的運行效率逐步提升，半導體工藝越來越成熟，促使電子系統(tǒng)中信號邊沿速率上升至更高級別。飛快的信號邊沿變化，促使電路信號形成反射、振鈴、串擾等一系列噪聲及失真的信號完整性問題 [1]。因而，對數(shù)字電子系統(tǒng)抗干擾問題及其技術進行分析顯得尤為必要，否則會對數(shù)字電子系統(tǒng)處理結果造成不利影響，甚至引發(fā)更嚴重的后果。

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、阻礙通信電子設備有效運行的電磁能量。作為一種產(chǎn)生于干擾源且會破壞有用信號的電磁現(xiàn)象，電磁干擾會影響電纜信號的完整性。通過電磁干擾源產(chǎn)生的電磁能，經(jīng)導線傳導、空間輻射等傳播途徑傳輸至敏感設備 [2]。在此過程中，敏感設備會形成相關形式的“響應”，并形成干擾的效果，業(yè)界將此稱作電磁干擾效應。電磁干擾的形成除了要求有干擾源，還要求有對電磁信號敏感的接收設備和合適的耦合路徑。20世紀80年代，英國科學家提出“論干擾”的理論，至此揭開了對干擾課題進行研究的篇章。后來，英國郵電部門對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，進一步推動了抗干擾研究的進程，使電磁干擾的防護問題得到越來越廣泛的關注。在當今社會的生產(chǎn)和生活中，電磁干擾效應十分普遍，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、電吹風等引發(fā)的電磁干擾。內(nèi)部電磁干擾主要是通過電子設備的寄生耦合現(xiàn)象形成的。倘若電磁干擾效應過于嚴重，極有可能造成設備或者系統(tǒng)失靈，進而引發(fā)不良的故障或事故，這被稱作電磁兼容性故障。不可否認，電磁干擾已成為現(xiàn)代電子技術發(fā)展所面臨的一大困境。為保障電子設備或者系統(tǒng)的有序運行，必須加強對電磁干擾的研究，研究有效的抗干擾技術手段，增強抗干擾能力。

1.2 電磁干擾的危害

隨著電子設備的不斷推廣，電磁干擾的現(xiàn)象越來越嚴重，眾多研究與實踐表明，電磁干擾會對人體、電子設備等帶來不同程度的危害。首先，電磁干擾對人體的危害通常分為熱效應、非熱效應及累積效應。其中，熱效應是指受電磁干擾影響，人體中的水分會出現(xiàn)水分子摩擦，進一步使機體體溫異常，導致機體器官、組織及細胞無法正常運行。非熱效應是指受電磁干擾，使人體周圍的微弱電場遭到破壞，致使微弱電場進入非平衡狀態(tài)。累積效應是指在原本電磁損傷尚未充分復原的情況下，機體又受到電磁損傷，長此以往，必然會對機體功能造成不利影響。其次，電磁干擾對電子設備的危害同樣多種多樣。比如，電磁干擾會嚴重破壞無線電通信，進一步造成電臺信號難以被廣大聽眾接收，還會造成電視信號混亂。通過提升發(fā)射機功率，有助于解決無線電通信距離變短的問題，但會加重電磁干擾程度，進入惡性循環(huán)。又如，民航機場運營時會受到信號塔的干擾，大部分機場會受到周邊大功率電臺影響，在飛機起飛或降落時就會產(chǎn)生相應偏差，所以在乘坐飛機時，乘客會被要求關閉電子設備，以防對飛機正常運行造成不利影響。

2 干擾數(shù)字電子系統(tǒng)的因素

隨著科學技術的飛速發(fā)展，目前的電子設備大多都應用了先進的數(shù)字電路。相較傳統(tǒng)模擬電路傳輸?shù)哪M信號，數(shù)字電路傳輸?shù)碾娮有盘柛€(wěn)定，受到外部環(huán)境中噪音干擾的情況也更少，但仍然會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、傳播路徑及敏感設備。

2.1 干擾源

在對數(shù)字電路中形成的干擾開展探究的過程中，應當從多個角度切入，其中首要考慮的是形成干擾的源頭，即為干擾源。數(shù)字電路設計主要是為了對相關數(shù)字信號進行傳輸，倘若面臨其他外部的電子信號，則會引發(fā)外干擾現(xiàn)象。結合歷史經(jīng)驗和發(fā)展實際來看，形成干擾信號的源頭通常包括電機、雷電等。只要形成電子信號，即會憑借信號的強弱、大小對數(shù)字電子系統(tǒng)帶來不同程度的干擾。因而，為切實防止數(shù)字電路被干擾，直截了當?shù)目垢蓴_手段即對干擾源予以阻斷，然而該種手段的實現(xiàn)比較困難，還有待進一步的研究。

2.2 傳播路徑

數(shù)字信號在傳播時，要求借助相應的數(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，勢必會影響數(shù)字信號的傳播。數(shù)字信號的傳播路徑是完全暴露于空氣中的，同時各種干擾源可在空氣中發(fā)出干擾信號，進而對數(shù)字信號的傳播路徑產(chǎn)生干擾。通過實踐研究表明，數(shù)字信號傳播路徑受干擾程度與數(shù)字信號通量之間存在十分緊密的聯(lián)系。因而，傳播路徑作為數(shù)字信號順利傳播的一大保障，控制該環(huán)節(jié)干擾的形成至關重要。

2.3 敏感設備

與其他電路構成類似，數(shù)字電路中也包含大量敏感的設備結構，諸如模數(shù)轉換器、數(shù)模轉換器、單片機、數(shù)字IC等。該部分的敏感設備對信號的精確度提出了較嚴格的要求，倘若出現(xiàn)外部其他信號，則極易影響它們運行的穩(wěn)定性，進而引發(fā)干擾，影響數(shù)字電路的有序運行 [3]。因而，現(xiàn)階段的數(shù)字電路設計中，要注重對敏感設備配備相應的防護手段，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備形成的信號對其穩(wěn)定性帶來影響。盡管敏感設備因素對信號干擾的抵抗能力相對較弱，但對其干擾阻斷也比較容易，因此開展對數(shù)字電路中敏感設備的優(yōu)化改良工作尤為重要。

3 數(shù)字電子系統(tǒng)抗干擾技術實踐

在數(shù)字電路中采用抗干擾技術，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備抗干擾能力等方法。在相關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數(shù)字電路的影響，保障數(shù)字電子系統(tǒng)的有序運行。

3.1 數(shù)字電子系統(tǒng)中硬件抗干擾技術

（1）器件選用過程的抗干擾。首先，科學選擇器件。在數(shù)字電路中，一般噪聲容限、傳輸延時與其抗干擾能力呈正相關關系，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，應對其噪聲容限指標進行綜合考慮，也就是倘若只追求電路的噪聲容限時，可選擇HTL;倘若追求電路噪聲容限的同時要兼顧功耗，可選擇電源電壓超過15 V的CMOS [4]。其次，合理控制負載。倘若某一集成電路輸出所帶的負載電路在其規(guī)定的扇出以上時，則會讓電路輸出的低電平值上升，高電平值下降，進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合理控制電路的輸出負載，不可高于其規(guī)定扇出。最后，加強處理空端。針對不用的電路輸出及控制端，極易經(jīng)由分布電容轉至端子對電路帶來干擾。所以，對于不用的電路輸入及控制端，應連接相應的邏輯電平。

（2）電路設計中的抗干擾。電路設計中的抗干擾技術包括接地技術、濾波技術等。其中，接地技術作為電力設備電磁兼容技術中的一項重要內(nèi)容，對其開展研究尤為必要。接地技術主要包括安全接地技術、避雷擊接地技術等，安全接地技術作為一種常用的硬件抗干擾技術，主要是將機殼接入大地，將電量轉移至大地中，防止機殼上積累電荷，形成靜電放電而引發(fā)干擾。在實際應用中，經(jīng)由機殼將多余的電荷傳輸至大地時，要求保證絕緣層的性能正常。倘若絕緣層損壞，會產(chǎn)生大量的電量，在此過程中要對電量予以快速轉移處理，方可確保數(shù)字電路不受干擾。此外，電子設備在運行時極易受到自然界雷擊的干擾，因而大多電子設備會設置避雷針等避雷裝置。雷擊會瞬間形成大量電荷，并與電子設備產(chǎn)生反應，進而釋放巨大的電荷，威脅周圍人員及建筑物的安全。因此，發(fā)生雷擊時，應及時采取有效的電荷轉移處理，而避雷擊接地技術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。濾波技術主要作用于篩選信號及抑制干擾，而濾波器就是為實現(xiàn)這些功能所設計的網(wǎng)絡。依據(jù)功能不同，可將濾波器劃分成信號選擇濾波器和電子干擾濾波器。信號選擇濾波器不僅可實現(xiàn)對無價值信號分量的有效剔除，還不會對所選信號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，在面對電壓幅度高、上升速率快、持續(xù)時間短及隨機性強的瞬態(tài)電磁干擾時，電磁干擾濾波器可有效抑制電網(wǎng)噪聲，增強數(shù)字電路的抗干擾能力 [5]。電磁干擾濾波器在數(shù)字電路中的應用如圖1所示。

3.2 軟件抗干擾技術

（1）數(shù)字濾波技術。作為數(shù)字電路軟件抗干擾技術中的一種，數(shù)字濾波技術亦可稱為硬件仿真技術，它不需要依靠硬件，主要是依托對模擬信號的多次采樣，借助先進計算機計算，以獲取可靠的數(shù)據(jù)信息。數(shù)字濾波技術具備靈活、所提供數(shù)據(jù)信息準確性高等特征，相較于硬件干擾技術更具優(yōu)勢。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的抗干擾技術，還應在軟件中開展數(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)準確地呈現(xiàn)現(xiàn)場的運行情況。

（2）輸入信號重復檢測方法。作為一種存在于數(shù)字信號傳輸中的常見干擾，輸入信號干擾作用時間相對偏短，但是干擾十分集中。在面對該種干擾時，因為采用硬件抗干擾技術難以實現(xiàn)對其有效抑制，所以可采用輸入信號重復檢測方法，達到“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果完全相同時，才可認同方法有效。如果信號一直處在不穩(wěn)定的狀態(tài)，在輸入信號進入限額時，即會發(fā)出警示信號。針對源于多種不同開關型傳感器的信號，諸如行程開關、限位開關等，均可應用該種輸入方式。針對較寬的干擾，可在連續(xù)采集數(shù)據(jù)之間插入延時 [6]。

（3）軟件攔截技術。倘若電子系統(tǒng)中的CPU區(qū)域遭受干擾，極易造成嚴重的后果。常見的不良后果包括電子設備不能正常運行、程序難以正常保存、程序在地址空間陷入錯亂局面，抑或進入惡性循環(huán)狀態(tài)，很難實現(xiàn)對原有系統(tǒng)的自動恢復，會對系統(tǒng)構成極大的破壞。針對該種情況，軟件攔截技術可對相關混亂的程序進行有效攔截，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

（1）磁場屏蔽。磁場屏蔽是指對低頻磁場、高頻磁場進行屏蔽。其中，低頻磁場屏蔽是通過鐵磁性材料的高導磁率對干擾磁場予以分路，以此縮減通過空氣的磁通，進一步達到磁場屏蔽的目的。值得一提的是，因為是對干擾磁場進行分路，所以要想收獲理想的屏蔽效果，則應當保證屏蔽材料的磁導率，提升屏蔽罩厚度，擴增磁分路流過的磁通。高頻磁場屏蔽所用屏蔽材料為低電阻率的良導體。外部高頻磁場于屏蔽體中形成渦流，進而憑借渦流形成的磁場可抑制磁場外泄，進一步達到屏蔽的效果。有別于低頻磁場屏蔽，因為高頻渦流的趨膚效應，屏蔽體尺寸并非影響屏蔽效果的重要因素，同時屏蔽效果也不受屏蔽體是否接地的影響。但是，對于高頻磁場屏蔽的金屬良導體來說，如果接地可靠，則可同時實現(xiàn)磁場屏蔽和電場屏蔽的雙重效果。

（2）電磁場屏蔽。電磁場屏蔽是指借助屏蔽體同時屏蔽電場、磁場。對于電場的屏蔽，通常是引入一個電場干擾源對原本的電場形成干擾，實現(xiàn)電場屏蔽的效果。依托這一原理及上文提到的磁場屏蔽原理，可利用金屬良導體制作屏蔽體，對頻率相對高的電場、磁場進行屏蔽。在此過程中，應當將屏蔽體接地，方可收獲更理想的屏蔽效果。因為電磁場的屏蔽是同時對電場、磁場的屏蔽，所以在屏蔽過程中會產(chǎn)生新的干擾情況，比如在對高頻電場、磁場進行屏蔽時，會引入渦流及新的干擾源，極易在屏蔽一個干擾后，又產(chǎn)生一個新的干擾，從而對電子設備帶來負面影響，所以必須予以重視。

（3）信號傳輸線的電磁屏蔽。信號傳輸線的屏蔽通常通過可實現(xiàn)屏蔽效果的雙絞線達成，該種雙絞線對于不超過100 kHz的電磁場可實現(xiàn)良好的屏蔽效果。在信號傳輸線上設置可實現(xiàn)屏蔽效果的雙絞線，可使信號傳輸時，電流在兩根內(nèi)導線上流動，噪聲電流在屏蔽層上流動，進而防止公共阻抗的耦合。與此同時，各式各樣源于外部的干擾均同時作用于兩根導線上，使干擾實現(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有限，不過對消除磁場的干擾相對適用。信號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低損耗及分布均勻的特性阻抗，因而適用于對低頻電場、高頻電場及直流電等的處理。

4 結語

總而言之，隨著科學技術的不斷發(fā)展，數(shù)字電路憑借其高效、處理效果理想的優(yōu)勢在通信及信息處理領域得到廣泛應用。在數(shù)字電路實際應用中，會面臨各式各樣的干擾，進而對數(shù)字電路造成不利影響。鑒于此，必須加強對數(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備抗干擾能力等辦法，切實減少數(shù)字電路所遭受的干擾，保證數(shù)字電子系統(tǒng)的安全、有序運行。

參 考 文 獻

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[4]周琴.數(shù)字電子系統(tǒng)抗干擾分析與設計[J].機電一體化，2011（8）：104.

[5]楊濤，李成文，陳國，等.機載計算機高速數(shù)字電路系統(tǒng)的硬件抗干擾設計[J].大眾科技，2015（6）：1-4.

[6]崔陽.探析數(shù)字電路設計中的抗干擾技術[J].輕松學電腦，2019（15）：1.