抗干扰的硬件设计措施

抗干扰的硬件设计措施

---刘必茂 2009.06.25

一、 干扰和抗干扰的定义和理解

1.干扰：又称电路噪声，是电磁兼容设计中的“服务对象”。他的来源主要由空间电磁

波、电力线终端负载、以及控制系统本身引起的大电流变化、电磁产生、高频辐射等。

是正常控制中不希望存在却又经常存在的电信号。

2.抗干扰：又称电磁兼容设计，是针对电路噪声（干扰）的一种应对统称，目的是为了

抑制甚至消除电路噪声的手段称法。

二、 地线的相关解释

1.地线的理解：

地线分安全地和信号地两大类，此处不对安全地探讨，主要探讨信号地，因为信号地是控制设计中，抗干扰设计的重点

信号地的理论学界定义是：电路的零电位参考点。这个定义是我们设计电路时的一个假设。从这个定义是无法分析和理解一些地线干扰问题的。

作为电路控制设计人员，我们在分析电磁兼容问题时，应使用下面的定义。

地线是信号电流流回信号源的地阻抗路径。

既然地线是电流的一个路径，那么根据欧姆定律，地线上是有电压的；既然地线上有电压，说明地线不是一个等电位体，也就是说，并不是同一条电气连接的地线都可以等同零电位体。这样，我们在设计电路时，关于地线电位一定的假设就不再成立，因此电路会出现各种错误。这就是地线干扰的实质。这样，我们就不难理解为什么在电路设计时地线的走法很讲究。

我们在设计时，往往会遇到这样一个难以理解的问题：我们在设计地线时，已经想尽办法使地线的电阻很小了，但是实际上地线上的电位差还是会大到导致电路干扰严重甚至信号出

错的程度。要理解这个问题，我们就要理解地线阻抗的组成。

地线的阻抗由电阻抗和感抗两部分组成，我们尤其要注意的是地线的感抗，地线走的越直，感抗越小，地线走的如果像羊肠小道，感抗就越大。地线感抗是导致地线电位差的较重要因素。

2.地环路干扰

地环路是指不同的用电设备、用电电路的地与地之间接地形成地线环路，由于地环路之间存在一定的阻抗，使得地环路内产生电流流动。地环路干扰是一种较常见的干扰现象,常常发生在通过较长电缆连接的相距较远的设备之间。其产生的内在原因是设备之间的地线电位差。地线电压导致了地环路电流，由于电路的非平衡性，地环路电流导致对电路造成影响的差模干扰电压。

图1 地环路干扰示意图

需要说明的是，不少人将地环路的理解与电流环的理解混淆了，或将地覆铜、地环绕的情况等同为地环路，是不正确的，定义和概念都不同。

如何应对地环路：

1）切断地环路

2）将地环路面积减小

3）地环路内不放或少放器件

4）隔离控制

3.电流环

电流环是指电流由电源正极经过电路用电设备、器件后返回电源负极所经过走线包围面积区域。

三、 抗干扰的常用措施

1.阻、容、感器件组合滤波

电阻R：高低通阻，衰减电路噪音，串联时不适宜大电流电路。（线绕电阻除外）

电容C：通高阻直，对衰减的电路噪音有选择性，并联时不影响电路直流电流的大小。

电感L：通低阻高，对衰减的电路噪音有选择性，串并联都影响电路直流电流的大小，对电流信号有延迟或提前作用

RC组合：通过组合成“T”型、“∏”型等组合方式，形成低通、高通、带通滤波。

LC组合：通过组合成“T”型、“∏”型等组合方式，形成低通、高通、带通滤波

2.PCB布线的讲究，主要针对地线

单点接地：所有电路的地线接到公共地线的同一点，进一步可分为串联单点接地和并联单点接地。最大好处是没有地环路，相对简单。但地线往往过长，导致地线阻抗过大。

多点接地：所有电路的地线就近接地，地线很短，适合高频接地。问题是存在地环路，大电流时不太合适。

混合接地：在地线系统内使用电感、电容连接，利用电感、电容器件在不同频率下有不同阻抗的特性，使地线系统在不同的频率具有不同的接地结构。

串联单点接地容易产生公共阻抗耦合的问题，解决的方法是采用并联单点接地。但是并联单点接地往往由于地线过多，而没有可实现性。因此，灵活的方案是，将电路按照信号特性分组，相互不会产生干扰的电路放在一组，一组内的电路采用串联单点接地，不同组的电路采用并联单点接地

3.选择抗干扰强的器件

包括选择优质的单片机、优质的变压器、三端稳压器、驱动电流较大的可控硅等等。

特别的是，不同的变压器的绕法和工艺对抗干扰有很明显的区别。

4.合理的程序控制

合理的软件设计同样是解决干扰问题的不可小看的一部分。例如，多个感性负载的控制系统，在某一个功能要求同时打开负载时，如果软件控制同时开，那么，那么比较容易引起强大的电磁干扰，特别是12V的窜扰，导致单片机死机或者其他不良影响。

有经验的软件工程师会错峰打开负载，逐个打开。

四、 抗干扰的原理设计

1.地线措施

根据不同的产品和控制电路，针对性的对地线进行必要的区分。在家电控制领域，这种方法用的比较少。地线措施主要针对不同设备、用电器之间接地线之间、控制地之间产生的差模干扰。

2.阻、容措施

阻容滤波使我们常用的滤波方式，如热敏电阻信号输入、按键输入、I/O输出等等，可以优先衰减电路噪声，以此达到抗干扰的目的。期间我们需注意的是阻容值的大小，阻容值的大小与我们设计的电路功能有很大关系，比如如果是AD转换、遥控中断信号、高速位置信号等弱信号，都可以用不同的阻容值匹配达到抗干扰目的，但是，如果是PWM等末级驱动的阻容电路，其电阻选择应能满足驱动需要，由此来调整电容值。

热敏电阻信号输入RC滤波

3.隔离措施

所谓隔离，主要有光耦隔离、电感隔离、变压器隔离、二极管隔离、三极管电路隔离等隔离方式。光耦隔离因为是光信号传递，可做到完全隔离，比如空调室内外机之间的通信，其次是变压器隔离，变压器隔离属于电流式的隔离，隔离的是电流回路，二极管和三极管电路隔离主要是防止反窜扰，主要用于电源部分、控制输出部分使用，是相对隔离，不是绝对隔离。在家电控制中，二极管和三极管电路的隔离用法比比皆是。

二极管、三极管隔离电路

4.电流措施

在很多情况下，干扰（噪声）信号都是以电势型存在于电路中，其带负载能力较弱。

根据此特征，我们可以采取通过加大有用电流信号，然后在检测端通过电阻短路方式将噪声去除，或者选用开启电流大的器件，如可控硅，如果选用小电流驱动的，很可能会因干扰信号而误动作。

5.电压措施

干扰（噪声）信号都是以电势方式扰动电路，一般情况下，其电势幅度较小在10V以下，为了抑制噪声，我们可以将有用信号提高电平幅度，比如高电平提高到15V，然后在信号检测端进行电平削减转换，比如低于12V判为低电平，高于12V判为高电平，然后转变为5V电平，通过这种方式可以将噪声基本抑制。这种方式，往往用在远距离通信，特别是超过1M的通信条件中使用效果更明显。