DSP应用系统电磁兼容设计探讨

     摘　要:讨论了电磁干扰传输的一般产生、传播途径及在电子电路系统中进行电磁兼容设计的目的及相关内容,并以美国TI公司TMS320C24x系列芯片为例,阐述了DSPDSP

　　dsp是digital signal processor的简称，即数字信号处理器。它是用来完成实时信号处理的硬件平台，能够接受模拟信号将其转换成二进制的数字信号，并能进行一定形式的编辑，还具有可编程性。由于强大的数据处理能力和快捷的运行速度，dsp在信息科学领域发挥着越来越大的作用。 [全文]

应用系统进行电磁兼容设计的一些常用方法和技巧。

　　1　引　言

　　随着DSP芯片的迅猛进展,其运算速度和处理能力不断提高,使得DSP系统的成本、体积、重量及功耗都有很大程度的下降。但与此同时,四周环境的电磁干扰源越来越多,使得DSP系统和产品设计人员也面临着更加严重的挑战,即如何抑制日益严重的电磁干扰(EM I) ,提高系统性能,使各种电气及电子设备达到电磁兼容(EMC) 。

　　2　电磁兼容设计

　　2. 1　电磁兼容

　　电磁兼容(EMC)是指在有限的时间、空间和频谱资源等条件下,各种用电设备可以共存并不至于引起性能降级的一门学科。而电磁兼容性通常是指设备或系统在其电磁环境下能正常工作,并且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁**扰的能力。

　　电磁干扰( EM I)是指电磁骚扰引起的设备、传输通道或系统性能的下降。形成电磁干扰必须具备三个要素, 即: 电磁骚扰源、耦合途径和敏感设备。三者关系如图1所示。

　图1　EM I的三要素。

　　任何形式的自然现象或装置所发射的电磁能量,使生物受到损伤或使其他设备、系统产生电磁危害,从而导致性能下降或故障,这种自然现象或装置就称为电磁**扰源。如光照、天电噪声、电子噪声、发电机等都属于电磁骚扰源。

　　耦合途径是指传输电磁骚扰的媒介或途径。

　　敏感设备是指当受到电磁干扰时,会受到损害的生物及会产生电磁危害,导致性能下降或产生故障的器件、设备或系统。许多器件、设备或系统既是敏感设备又是产生干扰的电磁骚扰源。

　　2. 2　电磁兼容设计的目的

　　电磁兼容性设计的目的:是使电子设备或电子系统在预期的电磁环境中实现电磁兼容。即要求在同一电磁环境中的设备或系统都能正常工作又互不干扰,达到“兼容”的状态。满足电磁兼容( EMC)有以下两方面的规定:

　　(1)能在预期的电磁环境中正常工作,无性能降低或故障;(2)对该电磁环境来说不是一个干扰源。假如一个DSP系统符合以下条件,则该系统是电磁兼容的。

　　·对电磁骚扰不敏感。

　　·对系统自身不产生干扰。

　　·对其他系统不产生干扰。

　　为了实现电磁兼容,必须从形成电磁干扰的基本要素出发,从分析电磁骚扰源、耦合途径和敏感设备入手,采取有效的技术措施,抑制骚扰源、减弱或消除骚扰的耦合途径、降低敏感设备对骚扰的响应。

　　2. 3　电磁兼容设计的基本内容

　　电磁兼容设计可分为系统间和系统内两方面加以考虑。系统间的电磁兼容设计目前已经研究的较多,本文将主要针对系统内的电磁兼容设计加以讨论。

　　通常系统内电磁兼容设计可分为五部分:有源器件的选择和印制电路板( PCB )的设计、布线、滤波、接地及屏蔽等。如图2所示。

图2　系统内EMC设计。

　　2. 4　电磁干扰的传输途径

　　电磁骚扰源与敏感设备的耦合途径有:传导、感应、辐射或三者的组合。

　　传导耦合是电磁骚扰源和敏感设备之间的主要耦合途径之一。传导耦合的方式很多,可以通过电源线电源线

　　电源线是用作电气组件或设备与电源的连接线，通常来说指电线与其一端连接的插头或尾插的集合体，是电器产品的基本零部件之一。电源线分为电线和插头两部分。 [全文]

、信号线、接地导体等进行耦合。防止传导耦合的方法是幸免导线感应噪声,采取适当的屏蔽或将导线分离,或在干扰进入敏感电路之前,用滤波的方法将其滤除。

　　感应耦合是电子元件(例如继电器继电器

　　继电器是我们生活中常用的一种操纵设备，通俗的意义上来说就是开关，在条件满足的情况下关闭或者开启。继电器的开关特性在很多的操纵系统尤其是离散的操纵系统中得到广泛的应用。从另一个角度来说，由于为某一个用途设计使用的电子电路，最终或多或少都需要和某一些机械设备相交互，所以继电器也起到电子设备和机械设备的接口作用。 [全文]

、变压器变压器

　　变压器（Transformer）是利用互感原理来改变交流电压的装置，主要构件是初级线圈、次级线圈和铁心（磁芯）。在电器设备和无线电路中，常用作升降电压、匹配阻抗，安全隔离等。变压器是变换电压、电流和阻抗的器件，当初级线圈中通有交流电流时，铁芯（或磁芯）中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压（或电流）。它由铁芯（或磁芯）和线圈组成，线圈有两个或两个以上的绕组，其中接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈。 [全文]

、电感器电感器

电感器是能够把电能转化为磁能而存储起来的元件。电感器的结构类似于变压器，但只有一个绕组。电感器具有一定的电感，它只阻止电流的变化。假如电感器中没有电流通过，则它阻止电流流过它；假如有电流流过它，则电路断开时它将试图维持电流不变。电感器又称扼流器、电抗器、动态电抗器。 [全文]

等)及导线之间的主要耦合方式。可分为电感电感

　　能产生电感作用的元件统称为电感原件，经常直接简称为电感。电感器在电子制作中虽然使用得不是很多，但它们在电路中同样重要。我们认为电感器和电容器一样，也是一种储能元件，它能把电能转变为磁场能，并在磁场中储存能量。 [全文]

应耦合和磁感应耦合两类。对这两类耦合可以采纳加屏蔽、隔离或改变**扰源和敏感设备的相对位置的方法加以抑制。

　　辐射是骚扰传输的另一种方式,包括天线天线

　　天线的基本功能是辐射和接收无线电波。发射时，把高频电流转换为电磁波；接收时，把电磁波转换为高频电流。天线的一般原理是：当导体上通以高频电流时，在其四周空间会产生电场与磁场。按电磁场在空间的分布特性，可分为近区、中间区、远区。设R为空间一点到导体的距离，是高频电流信号的波长，在R＜λ／2π时的区域称近区，在该区内的电磁场与导体中电流、电压有紧密的联系；在R＞A／2π的区域称为远区，在该区域内电磁场能离开导体向空间传播，它的变化相对于导体上的电流、电压就要滞后一段时间，此时传播出去的电磁波已不与导线上的电流、电压有直接的联系了，这区域的电磁场称为辐射场。 [全文]

、电缆电缆

　　电缆是一种用以传输电能信息和实现电磁能转换的线材产品。既有导体和绝缘层，有时还加有防止水份侵入的严密内护层，或还加机械强度大的外护层，结构较为复杂，截面积较大的产品叫做电缆。 [全文]

、机壳之间产生的干扰。

　　通常,一个设备或系统中存在诸多的耦合途径,一般采取抑制骚扰源、减小骚扰源和敏感设备之间的耦合、降低敏感设备对骚扰源的灵敏度来设计系统,达到电磁兼容的要求。

　　3　系统内EMC设计中采取的措施

　　3. 1　有源器件的选择和PCB的设计

　　在数字电路非凡是高速数字电路设计中,有源器件的正确选择和印刷电路板( PCB)设计对防止电磁干扰( EM I)是至关重要的环节。

　　在器件的选择过程中必须注重有源器件的固有电磁敏感度特性和电磁**扰发射特性。*价敏感器件的重要参数有灵敏度和带宽,灵敏度越高,带宽越大,抗扰度越差。电子器件的电磁骚扰发射也是应该注重的,应尽量幸免或降低对其他器件或系统产生的干扰。

　　在PCB板设计中,应充分考虑板的结构、器件的布局、线路安排及滤波等技术。以下是一些值得参考的技巧:

　　·电路中的电流环路应保持最小

　　·使用较大的地线平面以减小地线阻抗

　　·信号线和回线应尽可能接近

　　·电源电源

电源是向电子设备提供功率的装置，也称电源供给器，它提供计算机中所有部件所需要的电能。[全文]

线和地线应相互接近

　　·在多层板设计中,电源面和地平面应当分开

　　·采纳合适的布线宽度以增加高频阻抗和降低电容耦合

　　·数字地、模拟地等应相互分离

　　·采纳多点接地降低高频地阻抗

　　·增大相邻激励线迹的间距减小串扰

　　·尽量减小时钟信号环路面积

　　·高频线路和时钟线要短并尽可能直接连接

　　·敏感的线路不要与传输高频大电流开关开关

　　开关是最常见的电子元件，功能就是电路的接通和断开。接通则电流可以通过，反之电流无法通过。在各种电子设备、家用电器中都可以见到开关。 [全文]

转换信号的线路并行

　　·不要有浮空数字输入,以防止产生开关误动作和噪声

　　3. 2　滤波技术

　　在电子系统设计时经常在电路中加入电容器电容器

　　所谓电容器就是能够储存电荷的“容器”。只不过这种“容器”是一种非凡的物质——电荷，而且其所存储的正负电荷等量地分布于两块不直接导通的导体板上。至此，我们就可以描述电容器的基本结构：两块导体板（通常为金属板）中间隔以电介质，即构成电容器的基本模型。 [全文]

来满足系统工作时所要求的电源平稳和洁净度。

　　根据电容在电路中的作用可分为:去耦电容、旁路电容和容纳电容。去耦电容用来滤除高速器件在电源板上引起的**扰电流;旁路电容可用来消除高频辐射噪声,从而抑制共模干扰;容纳电容则配合去耦电容抑制由电流变化引起的噪声。

　　主要的滤波技术包括:

　　·对电源线和所有进入PCB的信号进行滤波

　　·旁路快速开关器件

　　·旁路模拟电路的所有电源供电和基准电压引脚

　　·在器件引线处对电源/地去耦

　　·用多级滤波抑制不同频段的电源噪声

　　3. 3　其它降噪措施

　　·根据系统功能和实现目标要求可以采纳悬浮地、单点接地、多点接地和混合接地等不同的接地方式

　　·在适当的地方加屏蔽

　　·对有干扰的引线进行屏蔽或绞在一起以消除相互耦合

　　·在感性负载上用箝位二极管二极管

　　二极管又叫半导体二极管、晶体二极管，是最常用的基本电子元件之一。二极管只往一个方向传送电流，由p型半导体和n型半导体形成的p-n结构成，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。当不存在外加电压时，由于p-n 结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。 [全文]

等

　　4　DSP应用系统的电磁兼容设计

　　DSP系统具有高精度、小功率、快速逻辑等特点,轻易受到寄生阻抗、介质汲取或高频噪声的影响 。在高速数字电路中,非凡是在快速DSP中,时钟电路通常是宽带噪声的主要和最大产生源,可产生高达300MHz或更高的的谐波干扰,应采取措施加以克服。此外,系统复位线、中断线和操纵线是较轻易受到干扰的敏感设备。

　　一个电子系统的电磁兼容性很大程度上取决于元件的布局和导线的连接形式。当一段导线和相应的回路中有电流流动时,便产生了天线效应,向外辐射电磁能量,此能量的大小与流过电流的幅值、频率及该电流环路所包围的面积有关。从而形成了一个典型的电磁干扰源。

图3　电子系统内部的电流环。

　　如图3所示,环路A—C—D—B和A—E—F—B中传输着系统正常工作所需的能量。然而电路中所消耗的能量不是恒定不变的,这主要取决于系统中各元件的瞬时工作状态。系统中每个器件动作所引起的变化都将反映到这些传输线上。为了防止电流的快速变化引起的干扰,可借助电容Cb加以抑制。由信号线和操纵线形成的回路N—F—P—Q 和L—M—F—D所包围的面积相对较小,但是由它们引起的高频噪声也是不容忽视的。由晶振晶振

　　晶振：即所谓石英晶体谐振器和石英晶体时钟振荡器的统称。不过由于在消费类电子产品中，谐振器用的更多，所以一般的概念中把晶振就等同于谐振器理解了。后者就是通常所指钟振。 [全文]

等元件组成的环路G—H—J—K,通常是系统中信号频率最高的区域,在进行电磁兼容(EMC)设计时应当重点考虑。

　　由以上分析可见,在DSP应用系统设计时要重点考虑电源线、高频信号线和时钟振钟振

　　钟振就是时钟晶振，石英晶体振荡器的俗称。分为贴片和插件的，其中贴片的有7*5mm，5*3.2mm，3*2.5mm的。插件的分全尺寸和半尺寸，都是4个脚,工作电压有3.3V和5V的，输出波形有方波和正玄波。 [全文]

荡电路的设计。

　　对于电源线来说,可以采纳去耦电容和铁氧体保持供电电源的稳定。信号线及其回路组成环路包围的面积越小越好,以减小辐射干扰( EM I) 。在数字系统中时钟信号通常是频率最高的信号。以图4 为例,当晶振连接C24x系列内部振荡器振荡器

　　振荡器是收发设备的基础电路,它的作用是产生一定频率的交流信号，是一种能量转换装置——将直流电能转换为具有一定频率的交流电能。 [全文]

时,通过减小高频电流和电流环路包围的面积来抑制电磁干扰。

　　晶振具有很高的阻抗(通常为几百千欧) ,因此其工作时产生的高频电流幅值很小。然而CMOS电路的输出是含有高次谐波重量的方波信号,晶振自身对这些信号不具有高阻抗特性,从而将产生较大的谐波电流,可以加一个串联电阻电阻

　　电阻，物质对电流的阻碍作用就叫该物质的电阻。电阻小的物质称为电导体，简称导体。电阻大的物质称为电绝缘体，简称绝缘体。 [全文]

加以抑制。两个旁路电容对振荡器产生的高频信号来讲,呈现出低阻特性,将在Cs—X—Cs之间产生较大的电流。为了减小辐射干扰,在设计时应尽量缩小这个区域的面积。

　　图中串联电阻阻值在一千欧范围内。

图4　一种推举的PCB设计方法。

　　5　结束语

　　针对具体的DSP应用系统,应根据所选芯片类型和功能特点进行电磁兼容设计。例如TMS320C24x DSP,它除了配置有高速数字信号处理的结构,还具有单片电机操纵的外设功能,是专门为数字电机操纵和其他操纵应用系统而设计的。当PCB设计完成后,还可以将C24x PWM单元设置为异步、同步或空间矢量PWM模式,进一步降低电磁干扰。增强系统的电磁兼容性。

  来源:冬虫

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