数字电路的抗干扰设计

　　0 引言

　　电磁兼容，即 EMC(Electromagnetic Compatibility) ，是指设备或系统在所处的电磁环境中能正常工作且不对该环境中其他事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。随着科学技术的发展，数字电路的应用越来越广泛。而数字电路的抗干扰技术直接关系到数字电路的正常工作。因此，如何有效的增强数字电路的抗干扰性能，已成为人们日益关注的问题。本文以 DVD 机为例，讨论了数字电路的抗干扰设计。

　　1 干扰源及干扰的一般分类

　　影响数字电路的干扰源大都产生在电流或电压剧烈变化的部位，这些电荷剧烈移动的部位就是噪声源，即干扰源。

　　干扰类型通常按干扰产生的原因、噪声干扰模式和噪声的波形性质的不同的划分。其中：按噪声产生的原因不同，分为放电噪声、浪涌噪声、高频振荡噪声等；按噪声的波形、性质不同，分为持续噪声、偶发噪声等；按噪声干扰模式的不同可分为共模干扰和差模干扰。共模干扰和差模干扰是一种比较常用的分类方法。共模干扰是信号对地的电位差，主要由电网串入、地电位差及空间电磁辐射在信号线上感应的共态 ( 同方向 ) 电压迭加所形成。共模电压可通过不对称电路转换成差模电压，它会直接影响测控信号，造成元器件损坏 ( 这就是一些系统 I ／ O 模件损坏率较高的主要原因 ) ，这种共模干扰可以是直流、亦可为交流。差模干扰主要是指作用于信号两极之间的干扰电压，其中最主要的是空间电磁场在信号间耦合感应及不平衡电路的转换共模干扰所形成的电压，它会直接叠加在信号上，影响测量与控制精度。

　　2 数字 AV 的产品特点

　　数字 AV 产品的核心是 DSP(Digiial SignalProcessing) 系统，该系统可对音视频信号进行高速的数字信号处理，使人们视听享受达到较完美的境地。同时，由于数字信号处理的码率很高，一般 VCD 视盘机的 MPEG1 视频数据率和音频数据率之和约 1.5 Mb ／ s ； DVD 的 MPEG2 音视频可变码率平均为 4.69 Mb ／ s ，最大速率达 10.7 Mb ／ s ，可见码率之高，而且，处理系统又与高速的存储器配合使用数据的读写。随着码率的不断提高，数字信号处理的速度越来越快，故会产生与速度成正比的大量干扰脉冲，且频率越来越高，幅度越来越大，从而对产品的抗干扰设计带来更大的难度，这也是产品品质高低的关键所在。

　　3 数字电路的常见干扰

　　数字 AV 产品的数字信号处理系统的常见噪声有以下几种：

　　(1) 电源噪声：主要是 DSP 电路、 CPU 、动态存储器件和其它数字逻辑电路在工作过程中的逻辑状态高速变换，从而造成系统电流和电压变化所产生的噪声，同时也包括温度变化时的直流噪声以及供电电源本身产生的噪声；

　　(2) 地线噪声：系统内各部分地线之间出现电位差或存在接地阻抗所引起的接地噪声；

　　(3) 反射噪声：指的是传输线路各部分的特性阻抗不同或与负载阻抗不匹配时，其传输信号在终端 ( 或临界 ) 部位将产生反射，从而使信号波形发生畸变或产生振荡。
　
　　(4) 串扰噪声：由于扁平电缆或束捆导线等传输线之间、印制电路板内平行印制导线之间的电磁感应以及高速开关电流通过分布电容等寄生参数把无用信号成分叠加在目的信号上所引起的噪声。

　　可见，形成干扰的基本要素有干扰源、传播路径和敏感器件三点。因此，抗干扰设计的基本原则为抑制干扰源、切断干扰传播路径、提高敏感器件的抗干扰性能。

　　4 干扰噪声的抑制措施

　　4.1 电源和地线噪声的抑制

　　抑制电源干扰是抗干扰设计中最先考虑和最重要的原则。电源在向系统提供能源的同时，会将其噪声加到所供电的电源上；电网上的强干扰也会通过电源进入电路；此外，即使电池供电，其电池本身也有高频噪声。事实上， DVD 所用的电源就经历了从线性电源、高压开关电源和低压开关电源的过程。

　　抑制电源干扰就是尽可能的减小干扰源的 du ／ dt 和 di ／ dt 。减小干扰源的 du ／ dt 主要通过在干扰源两端并联电容来实现。减小干扰源的 di ／ dt 则可在干扰源回路串联电感或电阻以及增加续流二极管来实现。常用措施如下：

　　(1) 在电源变压器的前端加装电源滤波器，这种电源滤波器具有良好抑制共模噪声和串模噪声的能力，可隔离外部和内部脉冲噪声的干扰；

　　(2) 采用开关电源来取代线性电源以提高整机的性能；

　　(3) 选用贴片元件并尽可能缩短元件的引脚长度，以减小元件分布电感的影响；同时应选用噪声容限大的数字 IC 。

　　(4) 在 VDD 及 VOC 电源端尽可能靠近器件处接入滤波电容，以缩短开关电流的流通途径，可用 10 μ F 铝电解和 0.1 μ F 独石电容并联接在电源脚上。对于 MPEG 板主电源输入端租 MPEG 解码芯片以及 DRAM 、 SDRAM 等高速数字 IC 的电源端，可用钽电解电容代替铝电解电容，因为在高频时，钽电解的对地阻抗比铝电解小得多。

　　(5) 对数模混合电路， VDD 与 VOC 应连到模拟电源 VOC ， AGND 与 DGND 接到模拟地 AGND 。根据 BB 、 PHILIPS 、 ALPINE 等公司的实验结果，建议把 D ／ A 器件视为模拟器件，因此， MPEG 电路与 D ／ A 器件连接中， D ／ A 器件必须置于 AGND 上，同时要提供一条数字回路以供这些数字噪声／能量反馈回信号源，从而减小数字器件的噪声对模拟电路的影响，提高 D ／ A 器件的动态特性。

　　根据实测 DVD 机 MPEG 解压板数字电源 VDD 与模拟电源 VOC 的噪声电平可知，电源上叠加的噪声电平已相当小， VDD 噪声电平与 VOC 噪声电平的波形基本一致，且数字电源噪声电平 (VPP=85 mV) 明显大于模拟电源的噪声电平，这说明，此处的干扰脉冲主要是数字信号产生的。

　　4.2 反射干扰噪声的抑制

　　在 DSP 输出端加适当电阻可使之与束捆线和扁平电缆的特性阻抗基本一致，并使发送端的阻抗基本匹配，从而抵消数字信号脉冲的上升／下降过冲。此外，把束捆线的长度缩短到 1 max 以下，也可以减轻波形畸变。从而使 DSP 的波形明显改善。

　　事实上，也可以用终端二极管取代匹配电阻。此法已在数字 IC 的芯片制作中被广泛用作输入输出端的匹配和保护网络。这种匹配方法能改善终端波形，且对发送端的电平高低没有影响，同时具有补设方便，多个同机负载时可达到最佳匹配，可有效抑制过冲脉冲等优点。

　　在系统中外加整形电路也可以减小因连接线不匹配而引起的干扰噪声，整形电路通常加在输入端之前，但是也应当注意，不能使信号产生新的相位变化。
　
　　4.3 数字信号的串扰抑制

　　在考虑数字信号的串扰抑制时，应尽可能缩短信号线的传输长度。在多种电平的信号传输时，应尽量把前后沿时间相近的同级电平信号划为一组进行传输。 DATA 、 BCK 、 LRCK 信号与主时钟之间应使用一根地线相互隔离。必要时，也可用屏蔽线代替束捆线来传输 MCLK 和 BCK 时钟，以减小串扰和辐射。

　　在双面印制板布线时，可用正面传输高频数字信号和时钟信号，然后在其传输印制电路背面尽可能加大接地面积。这样，由于平行导线间的分布电容在导线接近地平面时会变小，信号线之间串音干扰就会减小；在 MPEG 芯片、 DRAM 、 SDRAM 及其它高速数字器件的印制板布线时，可在其背面布上大片地线，这样，地线就可以旁路或屏蔽器件产生的高频脉冲噪声。

　　5 结束语

　　电磁兼容技术是一门迅速发展的交叉学科，涉及到电子、计算机、通信、航空航天、铁路交通、电力、军事以及人民生活的各个方面。因此，在数字 AV 产品设计、试制过程中，应把电磁兼容设计作为设计过程的重要一环，从元件选购、电路板设计及整机整体布局就各方面严格按照数字电路的抗干扰设计要求，来设计、开发具备良好电磁兼容性能和优良音视频性能的数字 AV 产品。