Обеспечение помехоустойчивости цифровых устройств

ФГУП «Российский федеральный ядерный центр – 
Всероссийский научно-исследовательский институт 
экспериментальной физики» 
 
 
 

С. Н. Гончаров А. П. Мартынов, А. В. Новиков,  
Н. А. Прудкой, В. Н. Фомченко 
 
 
ОБЕСПЕЧЕНИЕ   
ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ  
ЦИФРОВЫХ  УСТРОЙСТВ 
 
 
Учебно-методическое пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Саров 
2013 

     УДК 621.391.82.016.35 
     ББК 32.81 
 
О-13 
 
Гончаров, С. Н., Мартынов, А. П., Новиков, А. В., Прудкой, Н. А., Фомченко, В. Н.  
О-13   Обеспечение помехоустойчивости цифровых устройств. – 
Саров: ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2013. – 113 с. – ил. 
 
ISBN 978-5-9515-0218-6 
 
Рассмотрены характеристики электромагнитных помех, механизмы 
и каналы их воздействия на цифровые устройства, критерии помехоустойчивости, помехозащищенные каналы связи. Представлены схемотехнические и конструкторские способы повышения помехоустойчивости 
цифровых устройств, расчетно-теоретические и экспериментальные методы оценок. 
Пособие рассчитано на широкий круг инженерно-технических работников в области радиоэлектроники и электросвязи, а также для студентов, 
аспирантов и научных сотрудников  радиотехнических специальностей. 
 
 
УДК 621.391.82.016.35 
ББК 32.81 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9515-0218-6                          © ФГУП  «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2013 

Содержание 
 
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   4 
Глава 1. Характеристика электромагнитных помех . . . . . .  5 
 
1.1. Электромагнитная обстановка. Методы описания . . . .   5 
 
1.2. Источники переходных помех . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  8 
 
1.3. Источники регулярных помех . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  20 
 
1.4. Многорежимные источники помех . . . . . . . . . . . . . . . . .  22 
 
1.5. Типовые характеристики помех . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   24 

Глава 2. Механизмы воздействия помех на цифровые  
устройства. Критерии стойкости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
 
27 

Глава 3. Способы повышения помехоустойчивости. . . . . . .  39 
 
3.1. Схемотехническое направление . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   39 
 
3.2. Конструкторское направление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  46 
Глава 4. Помехозащищенные каналы связи . . . . . . . . . . . . .   51 
Глава 5. Проектирование помехоустойчивых устройств . .   68 
 
5.1. Расчетно-теоретические методы . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   69 
 
5.2. Экспериментальные методы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   94 
Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  108 
Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   111 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 
 
Цифровые устройства находят применение в электронной аппаратуре практически любого функционального назначения. Несомненные достоинства цифровых методов обработки, хранения, передачи 
и отображения информации определяют все более широкое использование цифровых устройств в различных областях науки и техники. 
Расширение области применения цифровых устройств естественным образом привело к ужесточению условий эксплуатации, 
в том числе к усложнению помеховой обстановки за счет влияния 
мощных импульсных электромагнитных помех естественного и промышленного происхождения, источниками которых являются ядерные взрывы, грозовые разряды и разряды статического электричества, коммутационные устройства энергоемкого технологического 
оборудования, высоковольтных, силовых и энергетических установок, контактные сети электрифицированного транспорта, мощные 
радиопередающие устройства и др. 
Помехи, наводимые внешними источниками в цифровых устройствах, имеют широкий диапазон энергетических и частотных 
характеристик, зависящих от особенностей конструкции конкретных 
устройств, свойств окружающей среды, характеристик источников 
помех и каналов их распространения. 
Наводимые электрические помехи могут вызывать как необратимые нарушения работоспособности цифровых устройств (отказы), связанные с изменением физического состояния элементов, так 
и обратимые кратковременные нарушения функционирования без 
изменения физического состояния элементов, приводящие к ложному переключению (сбою) устройств хранения информации, а следовательно, к возможному нарушению алгоритма функционирования 
и потере работоспособности цифровых устройств. 
Поэтому знание способов обеспечения помехоустойчивости 
цифровых устройств и методов их проектирования является необходимым условием качественной разработки помехоустойчивых 
электронных устройств. 

Глава 1 
Характеристика электромагнитных помех 

1.1. Электромагнитная обстановка. Методы описания 

С точки зрения электромагнитных воздействий объекты, в составе которых используются цифровые устройства, являются чрезвычайно сложными системами. Кроме того, при воздействии помех 
они в большинстве ситуаций являются составными частями более 
сложных систем. Первый шаг на пути описания путей и характера 
воздействия помех на сложные технические системы состоит в разбиении их на ряд меньших, менее сложных и относительно независимых частей. Эти части, в свою очередь, можно разбить еще на 
более мелкие. Охарактеризовать помехи, воздействующие на небольшие независимые части, гораздо проще. 
Для определения того, как именно должна быть разделена система, американскими учеными Баумом и Теше был предложен метод 
электромагнитной топологии (ЭМТ). Он позволяет за счет декомпозиции изучаемой системы свести задачу о возбуждении и распространении наведенных сигналов в цепях сложной системы к набору 
простых задач, которые легко решаются. При этом система рассматривается как построенная из большого числа экранирующих 
поверхностей, которые ослабляют до определенной степени воздействующую электромагнитную помеху по мере распространения 
ее внутрь системы. Поверхности, которые разбивают систему на 
части, проводят по естественным не обязательно экранирующим 
поверхностям. Обычно такими поверхностями являются: стены 
зданий, кожуха оборудования, корпуса приборов, экраны кабельных линий, границы между различными системами, границы подсистемы внутри системы.  
Поверхности разбивают систему на ряд объемов. При этом любые две точки считаются принадлежащими одному и тому же объ

ему, если их можно соединить линией, не пересекающей разделительные поверхности. Для характеристики электромагнитных условий, в которой находится оборудование в каждом из объемов, 
вводится понятие электромагнитной обстановки (ЭМО). ЭМО – это 
совокупность электромагнитных явлений, существующих в данном 
объеме. Электромагнитная обстановка характеризуется набором 
электромагнитных помех, т. е. любых электромагнитных явлений, 
которые могут ухудшить работу системы или неблагоприятно повлиять на живую или неживую материю. 
Типичная техническая система содержит несколько зон с разными электромагнитными условиями (рис. 1.1). Считается, что 
внутри зон электромагнитные условия одинаковы, а их изменения 
происходят на границах зон. 

Рис. 1.1. Защитные зоны в технической системе 
 
Зона за пределами внешнего экрана обозначается зоной 0. Зона 0 
характеризуется оригинальными неослабленными помехами. Внутренняя зона 1 ограничена внешним экраном 1 и внутренним экраном 2. Несовершенство экрана приводит к тому, что в зону 1 попадает электромагнитное поле из внешней зоны. В зону 1 также поступают помехи по проводам и металлическим коммуникациям, 
подходящим к зоне 1. 

Вторая и последующие зоны имеют более легкие электромагнитные условия. Они в основном определяются помехами, проникающими по проводам и инженерным металлическим коммуникациям, проходящим по зонам. 
Энергия помех может попадать в выделенный объем двумя 
способами.  
Если средой распространения помех является пространство, 
окружающее данный объем, помехи называются помехами излучения, или индуктивными помехами.  
Если средой распространения помех являются проводящие 
электрический ток предметы (провода, кабели, шасси и корпуса 
приборов, экраны, оплетки и оболочки проводов и кабелей, шины 
заземления), а также паразитные цепи, по которым возможно протекание электрического тока, помехи называются помехами проводимости, или кондуктивными помехами. 
Средой распространения помех проводимости (кондуктивных 
помех) являются проводящие электрический ток предметы (провода, кабели, шасси и корпуса приборов, экраны, оплетки и оболочки 
проводов и кабелей, шины заземления), а также паразитные цепи, 
по которым возможно протекание электрического тока. Уровни 
кондуктивных помех задаются величинами напряжений или токов. 
Кондуктивные помехи, распространяющиеся по проводным линиям, делятся на симметричные и несимметричные.  
Несимметричные помехи распространяются в линии, образованной проводами и опорной поверхностью (землей). Симметричные помехи распространяются в линии, образованной проводами. 
Решение проблемы помехоустойчивости идет по двум направлениям: 
– поддержание определенной ЭМО в заданном объеме; 
– задание требований по устойчивости функционирования устройств находящихся в этом объеме в условиях заданных электромагнитных помех. 
Контроль ЭМО подразумевает регламентацию как технического выполнения элементов технической системы (конструкция здания и помещений, конструкция экранов, способы прокладки коммуникаций и выполнения систем заземления), так и мер защиты, 

ограничивающих возможные помехи до безопасных значений и координацию характеристик защит, устанавливаемых в различных 
местах системы. Например, международной электротехнической 
комиссией (МЭК) и Европейским союзом (EN) разработан ряд общих нормативных документов (рекомендации МЭК и европейские 
нормы EN) по обеспечению электромагнитной совместимости (ЭМС) 
в зданиях и электротехнических устройствах (МЭК 61024) в информационно-технических устройствах (МЭК 61312), в цепях 
электропитания низкого напряжения (EN 60439), по защитным устройствам, ограничивающим перенапряжения, включаемым в сети 
электропитания сети низкого напряжения (МЭК 61443).  
В условиях эксплуатации цифровые устройства могут подвергаться воздействию множества импульсных электромагнитных помех как естественного, так и искусственного происхождения, обусловленных различными причинами. По форме воздействия они 
разделяются на переходные и регулярные. 
Переходные помехи − это одиночные импульсы или их последовательности, произвольные по форме и различные по амплитуде, 
которые появляются в случайные моменты времени, причем для 
последовательности импульсов интервалы между ними, как правило, больше длительности самих импульсов. 
Регулярные помехи определяются как периодические, например, повторяющиеся с частотой сети и (или) ее гармоник. 
 
 
1.2.  Источники переходных помех 

1.2.1. Молния 

Наиболее распространенным источником мощных электромагнитных помех естественного происхождения является молния. 
Молния представляет собой разновидность газового разряда при 
очень большой длине искры. В природе различают несколько основных типов грозовых разрядов. Линейная молния (в дальнейшем 
просто молния) является самым распространенным и самым мощным источником помех. По приближенным подсчетам в земную 
поверхность ежесекундно ударяют около ста молний. 

Обычно довольствуются представлением молнии как источника тока. Такое замещение основано на том, что именно ток молнии 
является наиболее изученным ее параметром. Замещение молнии 
источником тока предполагает, что ток молнии практически не зависит от сопротивления его растеканию в месте поражения. Основанием к этому предположению служит тот косвенный признак, 
что в полевых измерениях токов молнии не было обнаружено какой-либо статистической зависимости токов молнии от сопротивления заземления опор. На основе многочисленных наблюдений 
амплитудно-временных характеристик импульсов тока молний и 
измерения параметров грозовых облаков были определены предельные и средние значения параметров, характеризующих грозовой разряд. Эти данные приведены в табл. 1.1. 
Т а б л и ц а  1.1 
Электрические параметры молнии 

Параметр 
Максимальное 

значение 

Среднее 
значение 

Заряд, переносимый током молнии, Кл  
100 – 500 
20 

Амплитуда тока, кА  
200 – 300 
30 – 40 

Максимальная скорость нарастания тока 
молнии, кА/мкс  
300 – 500 
10 – 20 

Количество повторных ударов 
1 – 30 
6 

 
Так как грозовой разряд в процессе формирования проходит 
несколько стадий (лидер, главный удар, повторные удары), то и 
ЭМО в окружающем пространстве будет соответствовать этим стадиям, поочередно сменяя друг друга. 
Электростатическая ЭМО обусловлена вариацией напряженности электростатического поля во время грозы и соответствует 
предразрядному периоду молнии (формирование грозового облака), 
незавершенному грозовому разряду (до окончания лидерной стадии), либо разрядам внутри облака. Грозовые облака создают у поверхности земли электростатические поля с напряженностью в среднем E = 10 ÷ 30 кВ/м. Под действием этих полей проводники при

обретают заряд. Однако при этом потенциал их будет равен нулю 
до тех пор, пока не начнется разряд облака. 
При разряде облака на землю заряд облака и электрическое поле между облаком и землей резко уменьшаются, и на проводниках, если заряды с них не успевают стекать на землю, появляются 
высокие напряжения, которые могут достигать в пределе U = Eh, 
где h − высота проводника над землей. Если, например, h = 5 м, то 
U = 50 ÷ 150 кВ. Появление таких высоких напряжений будет сопровождаться срабатыванием защитных устройств или пробоями 
изоляции и обусловленными ими переходными процессами. 
При приближении к объекту лидера наблюдаются аналогичные 
процессы, однако нарастание электростатического поля происходит значительно быстрее, а напряженность поля значительно выше. Средняя скорость нарастания электрического поля имеет порядок 105 кВ/(м⋅с), а максимальная величина электрического поля 
у поверхности земли составляет (2 ÷ 3)⋅102 кВ/м. 

Наибольшее электромагнитное влияние молния оказывает во 
время главного и повторного ударов. ЭМО на этой стадии условно 
разделяют на следующие категории: 
– переходные процессы, обусловленные прямым ударом молнии; 
– растекание токов молнии в 
грунте; 
– электромагнитный импульс 
молнии. 
При прямом ударе молнии 
поражение технических объектов 
и коммуникаций сопровождается 
возникновением перенапряжений. 
Эквивалентная 
схема 
прямого 
поражения объекта приведена на 
рис. 1.2. При поражении неэкранированных объектов возникающие 
перенапряжения 
огромны. 
Так, 
например, при ударе молнии с током амплитудой 
max
100
I
=
 кА  
в заземленный объект перенапряжение на нем относительно земли 

 
Рис. 1.2. Эквивалентная схема 
поражения технического объекта
молнией: Il − ток молнии; Zl −
волновое сопротивление канала 
молнии, Z0 − импеданс объекта