數(shù)字信號處理系統(tǒng)中的電磁兼容問題

0 引 言

從20世紀80年代初期第一片數(shù)字信號處理器芯片（Digital Signal Processors，簡稱：DSP）問世以來，DSP就以數(shù)字器件特有的穩(wěn)定性、可重復(fù)性、可大規(guī)模集成、特別是可編程性和易于實現(xiàn)自適應(yīng)處理等特點，給數(shù)字信號處理（DSP）的發(fā)展帶來了巨大機遇。并使得信號處理手段更靈活、功能更強、應(yīng)用領(lǐng)域更廣闊。由于DSPs是一個相當復(fù)雜、種類繁多并有許多分系統(tǒng)的數(shù)、模混合系統(tǒng)，所以來自外部的電磁輻射、以及內(nèi)部元器件之間、分系統(tǒng)之間和各傳輸通道間的竄擾對DSPs及其數(shù)據(jù)信息所產(chǎn)生的干擾與破壞，己嚴重地威脅著其工作的穩(wěn)定性、可靠性和安全性。據(jù)統(tǒng)計，干擾引起的DSPs事故占其總事故的90%左右[1]。同時DSPs又不可避免地向外輻射電磁波，對環(huán)境中的人體、設(shè)備產(chǎn)生干擾、妨礙或損傷。而且隨著DSPs運算速度的提高，能夠?qū)崟r處理的信號帶寬也大大增加了。它的研究重點也轉(zhuǎn)到了高速、實時應(yīng)用方面。但正是這樣，它的電磁兼容(EMC)問題也就越來越突出了。早期，把發(fā)射和干擾問題稱之為電磁干擾(EMI)或射頻干擾(RFI)。現(xiàn)在用更確切的詞干擾兼容性替代。電磁兼容包含系統(tǒng)的發(fā)射和敏感度兩方面的問題。假若干擾不能完全消除，也要使干擾減少到最小。如果一個DSP系統(tǒng)符合下面三個條件： (1) 對其它系統(tǒng)不產(chǎn)生干擾；(2) 對其它系統(tǒng)的發(fā)射不敏感；(3) 對系統(tǒng)本身不產(chǎn)生干擾。則該系統(tǒng)是電磁兼容的。
本文就是對DSPs的電磁兼容問題進行了一些探討。

1 DSPs產(chǎn)生的電磁干擾

早期，把發(fā)射和干擾問題稱之為電磁干擾(EMI)或射頻干擾(RFI)?，F(xiàn)在用更確切的詞干擾兼容性替代。電磁兼容包含系統(tǒng)的發(fā)射和敏感度兩方面的問題。假若干擾不能完全消除，
也要使干擾減少到最小。如果一個DSP系統(tǒng)符合下面三個條件，則該系統(tǒng)是電磁兼容的。(1) 對其它系統(tǒng)不產(chǎn)生干擾。(2) 對其它系統(tǒng)的發(fā)射不敏感。(3) 對系統(tǒng)本身不產(chǎn)生干擾。

1.1 DSPs中的干擾主要來源
當干擾的能量使DSP系統(tǒng)處在不希望的狀態(tài)時，干擾就成為主要的因素。干擾的產(chǎn)生不是直接的（通過導(dǎo)體、公共阻抗耦合等），就是間接的（通過串擾或輻射耦合）。電磁干擾是通過導(dǎo)體或通過輻射產(chǎn)生的，很多電磁發(fā)射源，如光照、繼電器、直流(DC)電機和日光燈都可引起干擾。交流(AC)電源線、互連電纜、金屬電纜和子系統(tǒng)的內(nèi)部電路也都可能產(chǎn)生輻射或接收到不希望的信號。在高速數(shù)字電路中，時鐘電路通常是寬帶噪聲的最大產(chǎn)生源。在快速DSP系統(tǒng)中，這些電路可產(chǎn)生高達300MHz的諧波失真信號。在數(shù)字電路中，最容易受影響的是復(fù)位線、中斷線和控制線。

1.2 DSPs中的傳導(dǎo)干擾
一種最明顯而往往被忽略的，能引起電路噪聲的傳播路徑是經(jīng)過導(dǎo)體。一條穿過噪聲環(huán)境的導(dǎo)線可撿拾噪聲，并把噪聲送到另外電路而引起干擾。設(shè)計人員必須避免導(dǎo)線撿拾噪聲，在噪聲產(chǎn)生后，引起干擾前，用去耦辦法除去噪聲。例如：噪聲通過電源線進入電路后，若電源本身或連接到電源的其它電路是干擾源，則在電源線進入電路之前必須對其去耦。

1.3 DSPs中的共阻抗耦合問題
當來自兩個不同電路的電流流經(jīng)一個公共阻抗時就會產(chǎn)生共阻抗耦合。阻抗上的壓降由兩個電路決定。電路1的地電位被地電流2調(diào)制。噪聲信號或DC補償經(jīng)共地阻抗從電路2耦合到電路1。

1.4 DSPs中的輻射耦合問題
經(jīng)輻射產(chǎn)生的耦合通稱串擾，串擾是由電流流經(jīng)導(dǎo)體時產(chǎn)生的電磁場引起的，電磁場會在鄰近的導(dǎo)體中感應(yīng)出瞬態(tài)電流。

1.5 DSPs中的輻射現(xiàn)象
輻射有兩種基本類型：差分（DM）和共模（CM）兩種模式。共模輻射或單極天線輻射是由無意的壓降引起的，它使電路中所有的地連接抬高到系統(tǒng)地電位之上。就電場大小而言，CM輻射是比DM輻射更為嚴重的問題。為使CM輻射最小，必須用切合實際的設(shè)計使共模電流降到零。

1.6 DSPs 軟件方面的干擾
軟件方面的干擾主要表現(xiàn)在以下幾個方面：
(1)不正確的算法產(chǎn)生錯誤的結(jié)果，最主要的原因是由于計算機處理器中的程序指數(shù)運算是近 似計算，產(chǎn)生的結(jié)果有時有較大的誤差，容易產(chǎn)生誤動作；
(2) 由于計算機的精度不高，而加減法運算時要對階，大數(shù)吃掉了小數(shù) ，產(chǎn)生了誤差積累，導(dǎo)致下溢的出現(xiàn)，也是噪聲的來源之一；
(3)由于硬件方面的干擾引起的計算機出現(xiàn)的諸如：程序計數(shù)器PC值變化、數(shù)據(jù)采集誤差增大、控制狀態(tài)失靈、RAM數(shù)據(jù)受干擾發(fā)生變化以及系統(tǒng)出現(xiàn)死鎖等現(xiàn)象。

2 對DSPs產(chǎn)生電磁干擾的因素

(1)電壓--電源電壓越高，意味著電壓振幅越大而發(fā)射就更多，而低電壓電源影響敏感度。
(2)頻率--高頻信號與周期性信號會產(chǎn)生更多的輻射。在高頻數(shù)字系統(tǒng)中，當器件處于開關(guān)狀態(tài)時將產(chǎn)生電流尖峰信號；在模擬系統(tǒng)中，當負載電流變化時也將產(chǎn)生電流尖峰信號。
(3)接地--在電路設(shè)計中，沒有比采用可靠和完美的地線連接方式更重要的事情了，在所有EMC問題中，大部分問題是由不適當?shù)慕拥匾鸬摹Ｓ腥N信號接地方法：單點、多點和混合。在頻率低于1MHz時可采用單點接地方法，但不適于高頻。在高頻應(yīng)用中，最好采用多點接地?；旌辖拥厥堑皖l用單點接地和高頻用多點接地方法的結(jié)合。但高頻數(shù)字電路和低電平模擬電路的地回路絕對不能混合。
(4)印刷電路板設(shè)計--適當?shù)挠∷㈦娐钒澹≒CB）布線對防止EMI是至關(guān)重要的。
(5)開關(guān)電源--當器件開關(guān)時，在電源線上會產(chǎn)生瞬態(tài)電流，必須衰減和濾掉這些瞬態(tài)電流，來自高di/dt源的瞬態(tài)電流導(dǎo)致地和線跡發(fā)射電壓。高di/dt產(chǎn)生大范圍高頻電流，激勵部件和電纜線輻射，流經(jīng)導(dǎo)線的電流變化和電感會導(dǎo)致壓降，減小電感或電流隨時間的變化可使該壓降最小[2]。

3 DSPs的硬件降噪技術(shù)

3.1 板結(jié)構(gòu)、線路安排方面的降噪技術(shù)
板結(jié)構(gòu)、線路安排方面的降噪技術(shù)包括：（1）采用地和電源平板；（2）平板面積要大，以便為電源祛耦提供低阻抗；（3）使表面導(dǎo)體最少；（4）采用窄線條（4到8密耳）以增加高頻阻尼和降低電容耦合；（5）分開數(shù)字、模擬、接收器、發(fā)送器地/電源線；（6）根據(jù)頻率和類型分隔PCB上的電路；（7）不要切痕PCB，切痕附近的線跡可能導(dǎo)致不希望的環(huán)路；（8）采用疊層結(jié)構(gòu)是對大多數(shù)信號整體性問題和EMC問題的最好防范措施，它能夠做到對阻抗的有效控制，其內(nèi)部的走線可形成易懂和可預(yù)測的傳輸線結(jié)構(gòu)。且要密封電源和地板層之間的線跡；（9）保持相鄰激勵線跡之間的間距大于線跡的寬度以使串擾最??；（10）時鐘信號環(huán)路面積應(yīng)盡量?。唬?1）高速線路和時鐘信號線要短且要直接連接；（12）敏感的線跡不要與傳輸高電流快速開關(guān)轉(zhuǎn)換信號的線跡并行；（13）不要有浮空數(shù)字輸入，以防止不必要的開關(guān)轉(zhuǎn)換和噪聲產(chǎn)生；（14）避免在晶振和其它固有噪聲電路下面有供電線跡；（15）相應(yīng)的電源、地、信號和回路線跡要平行布景，以消除噪聲；（16）使時鐘線、總線和片使能端與輸入/輸出線和連接器分隔開來；（17）使路線時鐘信號與I/O信號處于正交位置；（18）為使串擾最小，線跡用直角交叉和散置地線；（19）保護關(guān)鍵線跡（用4密耳到8密耳線跡以使電感最小，路線緊靠地板層，板層之間夾層結(jié)構(gòu)，保護夾層的每一邊都有地）。

3.2 采用去耦降噪技術(shù)
采用去耦降噪技術(shù)有下面幾種方法：（1）對電源線和所有進入PCB的信號進行濾波，在IC的每一個點引腳處用高頻低電感陶瓷電容（14MHz用0.1uF，超過15MHz用0.01uF）進行去耦；（2）旁路模擬電路的所有電源供電和基準電壓引腳、旁路快速開關(guān)器件和在器件引線處對電源/地去耦；（3）用多級濾波來衰減多頻段電源噪聲；（4）把晶振安裝嵌入到板上并且接地；（5）在適當?shù)牡胤郊悠帘?；?）安排鄰近地線緊靠信號線，以便更有效地阻止出現(xiàn)新的電場；（7）把去耦線驅(qū)動器和接收器適當?shù)胤胖迷诰o靠實際的I/O接口處，這可降低PCB與其它電路的耦合，并使輻射和敏感度降低；（8）對有干擾的引線進行屏蔽和絞在一起，以消除PCB上的相互耦合；（9）在感性負載上加箝位二極管。

4 DSPs軟件方面的降噪技術(shù)

4.1 采用攔截失控程序的方法
主要有：（1）在程序設(shè)計時應(yīng)多采用單字節(jié)指令，并在關(guān)鍵處插入一些空操作指令，或?qū)?br />有效單字節(jié)指令重復(fù)幾次，這樣可保護其后的指令不被拆散，使程序運行走上正軌；（2）加入軟件陷阱：當PC值失控使程序失控后，CPU進入非程序區(qū)，這時可用一條引導(dǎo)指令，強迫程序進入初始入口狀態(tài)，進入程序區(qū)?？擅扛粢欢卧O(shè)置一個陷阱。（3）軟件復(fù)位：當程序走飛時，運行監(jiān)視系統(tǒng)，使系統(tǒng)自動復(fù)位而重新初始化。

4.2 設(shè)立標志判斷
定義某單元為標志，在模塊主程序中把該單元的值設(shè)為某個特征值，然后在主程序的最
后判斷該單元的值是否不變，不同了說明有誤，程序就轉(zhuǎn)入錯誤處理子程序。