本站原创[摘 要]在电子信息技术快速发展的今天,电子器件与电子电路的灵敏度大大提高,绝大多数电子电路都是在弱电流下工作的,尤其是CMOS集成电路更是在微安级电流下工作,电子电路很容易因干扰而导致工作失常.因此,干扰与抗干扰已成为当今电子电路设计中的一个非常重要的内容.本论文针对电网、地线、信号通道及空间电磁辐射等干扰源对电子电路产生的干扰进行研究.
[关 键 词]电子电路抗干扰
一、干扰信号
在测控装置电路中出现的无用的信号称为噪声,当噪声使电路无法正常工作时,噪声就称为干扰.衡量噪声对有用信号的影响常用信噪比(S/N)来表示,它是指信号通道中有用信号功率PS和噪声功率PN之比或有用信号电压US与噪声电压UN之比.信噪比常用对数形式来表示,单位为分贝(dB).干扰信号可分为两大类型：传导型和辐射型.
二、抗干扰措施
干扰的形成必须同时具备三个因素,即干扰源、干扰途径和对噪声敏感性较高的接收器.抗干扰从这三个方面入手.
1.消除或抑制干扰源
噪声干扰来自于干扰源,只有仔细地分析其种类和形式,才能提出有效的抗干扰措施.
（1）机械干扰
机械干扰是指机械的振动或冲击使检测装置中的元件发生振动、变形,使连接导线发生位移,使仪表指针发生抖动等.对于机械干扰主要采取减震措施来解决,例如采用减震弹簧或减震橡皮垫等.
（2）热干扰
设备和元器件在工作时产生的热量所引起的温度波动,以及环境温度的变化等使电路参数发生变化,或产生附加的热电势等,从而影响检测装置的正常工作.
对于热干扰,工程上常采取下列防护措施：在电路中采用温度补偿元件和采用差分放大电路、电桥电路等对称平衡结构来抗干扰,在测控环境中尽量在恒温室内进行,还可采用热屏蔽,即用导热性能良好的金属材料做成防护罩,将某些对温度变化敏感的元器件和电路中的关键元器件或组件,甚至整台装置包围起来,以使罩内温度场均匀和恒定,有效地防止热电势的产生.
（3）光干扰
在测控装置中广泛使用着各种半导体元器件,由于半导体材料在光照作用下会激发空穴――电子对,使半导体元器件产生电势或引起阻值的变化,从而影响测控装置的正常工作.
为了防止光干扰,将半导体元器件封装在不透光的壳体内,对于具有光敏作用的元器件,尤其应注意光的屏蔽问题.
（4）湿度干扰
环境湿度增大会使绝缘体的绝缘电阻下降,漏电流增大；使电介质的介电常数增大,造成电容器的电容量增大；使电感线圈的Q值(品质因数)下降；使金属材料生锈等,势必影响测控装置的正常工作.
为此在设计、制造和使用时应考虑潮湿的防护与隔离问题.例如,电气元件和印刷电路板的浸漆、环氧树脂封灌和硅橡胶封灌等.
（5）化学干扰
对化学物品,如酸、碱、盐及腐蚀气体等,一方面通过其化学腐蚀作用损坏装置的元器件；另一方面与金属导体形成化学电势.因此,良好的密封和注意清洁,对测控装置是非常重要的防护化学干扰的措施.
（6）固有噪声干扰
在电路中,电子元件本身产生的、具有随机性、宽频带的噪声称为固有噪声[1].最重要的固有噪声源是电阻热噪声、半导体散粒噪声和接触噪声.
电阻热噪声：任何电阻即使不与电源相接,在它的两端也有一定的噪声电压产生,这个噪声电压是由于电阻中的电子无规则的热运动引起的.
散粒噪声：在半导体中,载流子的随机扩散以及电子――空穴对随机发生及复合形成的噪声称为散粒噪声.从整体看,散粒噪声使流过半导体的电流产生随机性的涨落,干扰测量结果.减小半导体器件的电流,减小电路的带宽,能减小散粒噪声的影响.
接触噪声：接触噪声是由元器件之间的不完全接触,从而形成电导率的起伏而引起的,它发生在两个导体连接的地方,如开关、继电器触点、电阻、晶体管内部的不良接触等.接触噪声是低频电路中的主要噪声,减小流过触点的直流电流可减小接触噪声的影响.
2.破坏干扰途径
干扰必须通过一定的干扰途径侵入测控装置才会对测量结果造成影响.干扰途径有“路”和“场”两种形式.凡干扰源通过电路的形式作用于被干扰对象的,都属于“路”的干扰,如通过漏电阻、电源及接地线的公共阻抗等引入的干扰.凡干扰源通过电场、磁场的形式作用于被干扰对象的,都属于“场”的干扰,如通过分布电容、分布互感等引入的干扰.
（1）抑制以“路”形式侵入的干扰
1)通过泄漏电阻的干扰
元件支架、探头、接线柱、印刷电路以及电容器绝缘不良,使噪声源得以通过这些漏电阻作用于有关电路而造成的干扰称为泄漏电阻的干扰.被干扰点的等效阻抗越高,由泄漏而产生的干扰影响越大.
要消除由泄漏电阻引起干扰的一种办法是使用接地保护环,所谓接地保护环是在印刷电路板上,制做一个接地的环状印刷电路,将高输人阻抗的元件电路及单元包围在环的里面,由泄漏电阻引起的泄漏电流直接通过接地保护环流人地线而不影响被保护电路.
2)通过共阻抗耦合的干扰
共阻抗耦合的干扰是指当两个或两个以上的电路共同享有或使用一段公共的线路,而这段线路又具有一定的阻抗时,这个阻抗成为这两个电路的共阻抗,第二个电路的电流流过这个共阻抗所产生的压降就成为第一个电路的干扰电压.
3)经电源配电回路引入的干扰
交流供电配电线路在工业现场的分布相当于一个吸收各种干扰的网络,而且十分方便地以电路传导的形式传遍各处,并经检测装置的电源线进入仪器内部造成干扰.最明显的是电压突跳和交流电源波形畸变使工频的高次谐波经电源线进入仪器的前级电路.
对于以“路”的形式侵入的干扰,可采取诸如提高绝缘性能的方法以抑制泄漏电流的干扰途径；采用隔离变压器、光电继电器等切断干扰途径；采用滤波、选频、屏蔽等技术手段将干扰信号引开；对数字信号可采用整形、限幅等信号处理方法切断干扰途径；改变接地形式以消除共阻抗耦合干扰途径等.
（2）抑制以“场”形式侵入的干扰
对于“场”的形式侵入的干扰,一般采取各种屏蔽措施,如静电屏蔽、磁屏蔽、电场屏蔽等,也可以兼用对付“路”的某种措施.
通常,电磁感应用两种,一种是静电感应,一种是磁感应.由于静电感应是通过静电电容(C)构成的,故一般也称作C耦合.而磁感应是通过磁场相互感应(M)构成的,故一般也称作M耦合.为控制这两种耦合,通常采用静电屏蔽和电磁屏蔽.
1)静电感应与静电屏蔽
所谓静电感应,即当两条线路位于地线之上时,若相对于地线对半导体l加U1的电压,则导体2也将产生与U1成比例的电压U2.也就是说,由于导体之间必然存在静电电容,若设电容为C10、C12和C20,则电压U1就被C12和C20分为两部分,该被分开的电压就为U2,控制电压U2的就是静电感应电压.对付静电感应干扰的办法是静电屏蔽.屏蔽线就是利用这一原理的线路.屏蔽线的首要目的是静电屏蔽,但也可有效地用于控制M耦合.根据上述说明,显然在采用屏蔽线实现静电屏蔽时,屏蔽必须接地才能收到好的效果.
2)电磁感应与电磁屏蔽
所谓电磁感应,即回路与回路之间(也可说是指线圈与线圈之间,但传感器回路很少使用线圈,故回路大多为配线方面的问题)的电磁耦合.对付电磁感应干扰的办法是电磁屏蔽.
3、削弱接收电路对噪声干扰的敏感性
高输入阻抗的电路比低输人阻抗的电路易受干扰,模拟电路比数字电路抗干扰能力差等,这些都说明,对于被干扰对象来说存在着对干扰的敏感性问题.
在电路中采用选频措施就是削弱电路对全频带噪声的敏感性；在电路中采用负反馈就是削弱电子装置内部噪声源影响的有力措施；其它如对信号传输线采用双绞线、对输入电路采用对称结构等措施,都是削弱电子装置对噪声的敏感性.
4.接地技术
（1）地线的种类
接地起源于强电技术,它的本意是接大地,主要着眼于安全.这种地线也称为“保安地线”(Safewire).
1)模拟信号地线它是模拟信号的零信号电位公共线,因为模拟信号有时较弱、易受干扰,所以对模拟信号地线的面积、走向、连接有较高的要求.
2)数字信号地线它是数字信号的零电子公共线.由于数字信号处于脉冲工作状态,动态脉冲电流在接地阻抗上产生的压降往往成为微弱模拟信号的干扰源,为了避免数字信号的干扰,所以它应与模拟信号地线分别设置为宜.
3)信号源地线传感器可看作是测量装置的信号源,通常传感器装设在生产设备现场,而测量装置设在离现场一定距离的控制室内,从测量装置的角度看,可以认为传感器的地线就是信号源地线.它必须与测量装置进行适当的连接才能提高整个检测系统的抗干扰能力.
（2）一点接地原则
对于上述四种地线一般应分别设置,在电位需要连通时,也必须仔细选择合适的点,在一个地方相连,才能消除各地线之间的干扰.
1)单级电路的一点接地原则
现举单级选择放大器为例来说明单级电路的一点接地原则.
2)多级电路的一点接地原则
3)检测系统的一点接地原则
(3)屏蔽浮置技术
若测量装置电路与大地之间没有任何导电性的直流联系就称为浮置,采用干电池的万用表就是浮置的特例.
采用三重静电屏蔽的目的,一是不使电网的交流干扰电压引入测量装置内,二是使大地电位差产生的干扰电流无法流经信号线.
必须指出的是,浮置屏蔽是一种十分复杂的技术,在设计、安装检测系统时,必须注意不使屏蔽线外皮与测量装置的外壳短路；应尽量减小各不同类型屏蔽之间的分布电容及漏电；尽量保证电路对地的对称性等等,否则“浮置”的结果有时反而会引起意想不到的严重干扰.
5.滤波技术
滤波器(Filter)是抑制交流差模干扰的有效手段之一.下面分别介绍检测技术中常用的几种滤波电路.
(1)RC滤波器
当信号源为热电偶、应变片等信号变化缓慢的传感器时,利用小体积、低成本的无源RC滤波器将会对差模干扰有较好的抑制效果.应该注意的是,RC滤波器是以牺牲系统带宽为代价来减小差模干扰的[2].
(2)直流电源滤波器
直流电源往往为几个电路所共用,为了避免通过电源内阻造成几个电路间互相干扰,应在每个电路的直流电源上加只LC滤波器.由于电解电容采用卷制工艺而含有一定的电感,在高频时阻抗反而增大,所以需要在电解电容旁边并联一个0.01uF左右的磁介电容,用来滤除高频噪声.
6.光电耦合技术
目前,检测系统越来越多地采用光电耦合器来提高系统的抗共模干扰能力.光电耦合器是一种电一光一电耦合gS件,它的输入量是电流,输出量也是电流,可是两者之间从电气上看却是绝缘的.发光二极管一般采用砷化镓红外发光二极管,而光敏元件可以是光敏二极管、光敏三极管、达林顿管,甚至可以是光敏晶闸管、光敏集成电路等,发光二极管与光敏元件的轴线对准并保持一定的间隙.
这样就实现了以光为媒介的电信号的传输.光电耦合器有如下特点：
(1)输人、输出回路绝缘电阻高(大于10~oQ)、耐压超过lkV；
(2)因为光的传输是单向的,所以输出信号不会反馈影响输入端：
(3)输入输出回路完全是隔离的,能很好地解决不同电位,不同逻辑电路之间的隔离和传输的矛盾.
从上述几个特点可以看出,使用光电耦合器能比较彻底地切断大地电位差形成的环路电流.近年来,线性光电耦合6S的性能不断提高,误差可以小于千分之几.
使用光电耦合的另一种办法是先将前置放大器的输出电压进行A／D转换,然后通过光电耦合器用数字脉冲的形式,把代表模拟信号的数字信号耦合到诸如计算机之类的数字处理系统去作数据处理,从而将模拟电路与数据处理电路隔离开来,有效地切断共模干扰的环路.在这种方式中,必须配置多路光电耦合器(视A／D转换器的位数而定),由于光电耦合器是工作在数字脉冲状态,所以可以采用廉价的光电耦合器件.