电子信息工程中电子电路的抗干扰设计研究

引言

随着电子信息技术的飞速发展，电子电路在通信、医疗、工业控制等领域的应用日益广泛。然而，电磁干扰（EMI）已成为制约电子系统性能的核心问题。据统计，约 70% 的电子设备故障源于干扰问题，尤其在高频、高速数字电路中，干扰导致的信号失真率高达 30% 。因此，开展电子电路抗干扰设计研究，对提升系统可靠性、保障信息安全具有重要意义。

1、电子电路干扰的分类与耦合机制

1.1 干扰的分类

干扰按来源可分为内部干扰与外部干扰：

内部干扰：由电路结构、元件布局、工艺缺陷等引发，如交流声、寄生振荡、杂散电容耦合等。

外部干扰：来自环境中的电磁辐射、电源波动、雷电冲击等，如电网中的高频谐波、无线通信设备的辐射干扰。

按传导方式可分为传导干扰与辐射干扰：

传导干扰：通过电源线、信号线等导体传播，如开关电源产生的纹波干扰辐射干扰：通过空间电磁场传播，如高频电路的天线效应引发的干扰。

1.2 干扰的耦合机制

干扰信号通过以下五种方式侵入电子电路：

直接耦合：干扰源通过导线直接连接至敏感电路，如电源线引入的电网噪声。

公共阻抗耦合：两个电路共享公共阻抗（如地线），电流变化产生压降形成干扰电容耦合：分布电容形成电场耦合，高频信号易通过此方式传播。

电磁感应耦合：交变磁场在导体中感应出电动势，如变压器漏磁引发的干扰漏电耦合：绝缘不良导致电阻性漏电，形成低频干扰。

2、电子电路抗干扰设计的核心策略

2.1 电源干扰的抑制

电源是干扰的主要传播途径，需从以下方面优化：

滤波技术：在电源输入端加装 EMI 滤波器，滤除高频谐波。例如，采用 π 型滤波电路（磁珠+电容）可抑制 100MHz 以上的干扰信号。

稳压设计：使用线性稳压器或开关稳压器提供稳定电压，避免电压波动对电路的影响。

隔离变压器：在电源变压器初级与次级间加装屏蔽层，并采用双隔离措施（初级输入端串接电容，次级外屏蔽层接地），可降低共模干扰 30dB 以上。

2.2 信号通道的抗干扰设计

信号传输过程中易受空间辐射与传导干扰，需采取以下措施：

光电隔离：在输入/输出通道采用光电耦合器，切断地线环路干扰。例如，在 PLC控制系统中，光电隔离可使输出口的抗干扰能力提升 5 倍。

双绞线传输：双绞线通过绞环抵消电磁感应，可抑制共模噪声 60dB 以上，广泛应用于工业现场总线。

阻抗匹配：长线传输时采用终端匹配电阻，消除信号反射。例如，RS-485 总线在1200m 传输距离下，通过 120Ω终端电阻可将误码率降至 0.1% 以下。

2.3 电磁屏蔽与接地优化

屏蔽技术：

静电屏蔽：采用铜或铝等高导电材料制作屏蔽罩，接地后可使电场干扰衰减 90% 以上。

磁屏蔽：使用铁氧体或坡莫合金等高导磁材料，可屏蔽低频磁场干扰。例如，在变压器周围加装磁屏蔽罩，可使漏磁降低 80‰ 。

接地设计：

单点接地：适用于低频电路（f<1MHz），避免地线环流。

多点接地：高频电路（f>10MHz）采用就近接地，降低地线阻抗

混合接地：数字电路与模拟电路分开接地，最终在电源端单点连接，可减少数字噪声对模拟信号的干扰。

2.4 软件抗干扰技术

在复杂的电磁环境或存在多种干扰源的系统中，硬件抗干扰措施往往难以完全消除所有干扰，此时软件抗干扰技术就成为保障系统稳定运行的关键手段，以下将详细介绍数字滤波、指令冗余和看门狗技术这三种常见且有效的软件抗干扰方法。

数字滤波：精准消除不同类型噪声

数字滤波是利用特定的算法对采集到的数据进行处理，从而抑制噪声干扰。算术平均滤波法是一种简单且常用的方法，它通过对同一采样点进行多次采样，然后计算这些采样值的算术平均值作为该点的有效值。由于随机干扰具有无规律性，多次采样后其平均值趋近于零，因此该方法能有效消除随机干扰，提高数据的稳定性。中值滤波法则适用于脉冲干扰，它将连续采样的多个数据进行排序，取中间值作为有效值。脉冲干扰通常会使采样值出现较大的突变，而中值滤波能排除这些异常值的影响，保证输出数据的准确性。

指令冗余：防止程序跑飞

在程序运行过程中，干扰可能会导致 CPU 执行错误的指令，使程序跑飞。指令冗余技术通过在关键指令前插入 NOP（空操作）指令来避免这种情况的发生。以 8051单片机为例，每 10 条指令插入 1 条 NOP，当程序受到干扰跑飞时，NOP 指令可以起到缓冲作用，使 CPU 有更多的机会重新回到正确的程序轨道上，从而将程序复位率降低 70% 左右，大大提高了程序的可靠性。

看门狗技术：实时监控程序运行

看门狗技术采用硬件看门狗芯片（如 IMP809）来监控程序的运行状态。程序在正常运行过程中会定时对看门狗芯片进行复位操作，如果由于干扰导致程序陷入死循环或跑飞，无法按时复位看门狗芯片，当超时未复位时，看门狗芯片会自动产生复位信号，使系统重新启动，恢复正常运行，为系统的稳定运行提供了有力的保障。

3、抗干扰设计案例分析

3.1 工业控制系统的抗干扰实践某工厂 PLC 控制系统在运行中频繁出现误动作，经分析发现：

干扰源：变频器产生的高频谐波通过电源线传导至 PLC。

解决方案：

在变频器输出端加装 LC 滤波器，抑制谐波幅值。

PLC 电源采用隔离变压器+π型滤波电路，降低共模干扰。

信号线改用屏蔽双绞线，屏蔽层单端接地。

效果：系统误动作率从每月 5 次降至 0 次，运行稳定性显著提升。

3.2 医疗设备的电磁兼容设计

某心电图机在临床使用中受手机辐射干扰，导致信号失真：干扰源：手机 GSM 信号（ 900MHz ）通过空间辐射耦合至心电图机输入通道。

解决方案：

输入通道加装带通滤波器（ 0.05Hz-150Hz ），滤除高频干扰。

采用光电耦合器隔离输入信号，切断地线环路机壳采用导电涂层屏蔽，屏蔽效能达 40dB。

效果：在 3G 手机辐射场强 5V/m 下，心电图信号失真率从 15% 降至 1% 以下。

结语

电子电路的抗干扰设计需从干扰源抑制、传播路径切断、敏感器件保护三方面综合施策。通过硬件滤波、屏蔽、接地优化与软件数字滤波、指令冗余的协同应用，可显著提升系统抗干扰能力。未来研究可聚焦以下方向：

智能化抗干扰：结合 AI 算法动态调整滤波参数，实现自适应抗干扰。

新材料应用：探索石墨烯、碳纳米管等新型屏蔽材料的性能优势。

系统级 EMC 设计：建立从芯片到系统的全链条电磁兼容模型，优化设计流程。

抗干扰设计是电子信息工程领域的永恒课题，需持续创新技术手段，以应对日益复杂的电磁环境挑战。

参考文献

[1]电子信息通信工程中设备抗干扰接地设计方法研究[J].刘文兵.中国新通信,2020(04)

[2]设备抗干扰接地设计在电子信息通信工程中的现状及改进策略[J].冉世熙.时代农机,2022(12)

[3]电子信息通信工程中设备抗干扰接地设计探讨[J].房新荷;张景景.中小企业管理与科技(上旬刊),2021(11)

[4]汽车电子信息通信工程中的设备抗干扰接地设计方法[J].王一凡.内燃机与配件,2022(20)