嵌入式系統(tǒng)電磁兼容技術(shù)

1　引　言

EMC(Electromagnetic Compatibility)——電磁兼容(性)是一門多學(xué)科交叉的邊緣性學(xué)科。電磁兼容技術(shù)已在很多領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用，在嵌入式應(yīng)用中也越來越受到重視。任何電子設(shè)備在運(yùn)行時會向周圍發(fā)射電磁能量，可能會對其他設(shè)備產(chǎn)生干擾。同時設(shè)備本身也可能受到周圍電磁環(huán)境的干擾，電磁兼容研究的主要問題就是如何使處于同一電磁環(huán)境中的各種設(shè)備或同一設(shè)備中的各組件都能正常工作而又互不干擾。

2　嵌入式系統(tǒng)中電磁兼容性的特點(diǎn)

隨著IC技術(shù)的發(fā)展，新技術(shù)不斷涌現(xiàn)。高性能單片機(jī)系統(tǒng)逐步采用32位字長的RISC體系結(jié)構(gòu)，運(yùn)行頻率超過了100 MHz，8位單片機(jī)也采用新工藝提高系統(tǒng)速度擴(kuò)展功能接口。嵌入式系統(tǒng)正朝著高集成度、高速度、高精度、低功耗的方向發(fā)展。同時，由于電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用，電子設(shè)備密度升高，電磁環(huán)境惡化，系統(tǒng)的電磁干擾與抗干擾問題日益突出。

嵌入式系統(tǒng)中的電磁干擾主要通過2種方式傳播：　

(1)導(dǎo)線傳播　即通過設(shè)備的信號線、控制線、電源線等直接侵入敏感設(shè)備，這種方式稱傳導(dǎo)干擾。
(2)空間傳播　騷擾源周圍空間存在著電場、磁場和電磁場，會對附近電子線路產(chǎn)生干擾，稱為場干擾。

2．1　傳導(dǎo)干擾

2．1．1　傳輸線的分布參數(shù)特性

(1)傳輸線的電阻

任何導(dǎo)體都存在一定的電阻，在導(dǎo)線中流過直流或低頻電流時電荷在導(dǎo)線橫截面上是均勻分布的。當(dāng)導(dǎo)線中流過高頻電流時，由于高頻集膚效應(yīng)，導(dǎo)線中的電流主要集中在導(dǎo)體的表面，而導(dǎo)線中心幾乎沒有電流，因此導(dǎo)線的交流電阻將大于直流電阻，且交流電阻與頻率的二分之一次方成正比。導(dǎo)線的交流電阻可用改變截面積形狀的方法來減小。同樣截面積的矩形導(dǎo)線比圓形導(dǎo)線具有更大的表面，所以交流電阻比圓形導(dǎo)線小。接地導(dǎo)線常采用扁平矩形導(dǎo)線來代替圓導(dǎo)線，以減小高頻電阻。

(2)傳輸線的特性阻抗

傳輸線具有電阻、電感和電容，對于均勻一致的傳輸線，他們均勻地分布在傳輸線的各個部分，稱為分布參數(shù)，特性阻抗描述了傳輸線的分布參數(shù)特性，他定義為：

其中：s為平行雙線的間隔；r為導(dǎo)線半徑；μ為磁導(dǎo)率，ε為介電常數(shù)。式(1)適用條件為s＞5r。
由式(1)可知特性阻抗是表征傳輸線本身特性的一個物理量，與傳輸線內(nèi)的電流、電壓無關(guān)，只與傳輸線的結(jié)構(gòu)(線徑、線間距)和傳輸線周圍的介質(zhì)(ε，μ)有關(guān)。要注意特性阻抗描述的是傳輸線的分布參數(shù)特性而不是真正的阻抗。印制板上的走線和雙絞線的特性阻抗在100～200Ω，同軸電纜為50Ω或75Ω。

2．1．2　傳輸線的短線處理方法

傳輸線的分布參數(shù)必然會影響傳輸線中的信號傳輸，這與傳輸線的長度密切相關(guān)。根據(jù)傳輸線長度與信號頻率的關(guān)系可把傳輸線分為長線和短線，當(dāng)傳輸線長度≤1/20的信號波長時或者傳輸延遲時間≤1/4的數(shù)字信號脈沖上升時間時，傳輸線可視為短線，即：

短線可以用集中參數(shù)等效電路來分析，即把傳輸線看成是由集中參數(shù)電阻、電感、電容組成的網(wǎng)絡(luò)，其值大小分別等于單位長度上的分布參數(shù)值乘以傳輸線長度。例如有一對傳輸線，終端短路，如符合短線條件式(2)，則可看成是一個電阻R和一個電感L串聯(lián)，總的阻抗為：Z＝R＋j2πfL。對于絕大多數(shù)雙絞線、同軸電纜、印制板電路，當(dāng)頻率很低小于3 kHz時，傳輸線路中電阻起主要作用。當(dāng)頻率大于3 kHz以后電感起主要作用，電阻可以忽略不計(jì)。

圖1是一個傳輸線的等效電路，設(shè)其符合式(2)，其中RS是信號源阻抗，Ri，Ci是負(fù)載的輸入阻抗，L，C是傳輸線的電感和電容，則有L＝L0l，C＝C0l，其中L0和C0為分布電感和分布電容，l為傳輸線長度。由于傳輸線路中存在電感和電容，數(shù)字信號通過傳輸線時可能會產(chǎn)生振鈴現(xiàn)象，即衰減振蕩，振蕩頻率為：

振鈴波形的上沖與下沖會降低門電路的噪聲容限，嚴(yán)重時會使電路產(chǎn)生誤動作，所以應(yīng)該設(shè)法克服由于傳輸線的分布參數(shù)引起的振鈴現(xiàn)象。