超短波理療儀控制系統(tǒng)抗干擾設計

王云光，種曉晨，程海憑

1.上海理工大學醫(yī)療器械與食品學院(上海，200093) 2.上海健康醫(yī)學院(上海，200093)

超短波理療儀控制系統(tǒng)抗干擾設計

王云光1，2，種曉晨1，程海憑2

1.上海理工大學醫(yī)療器械與食品學院(上海，200093) 2.上海健康醫(yī)學院(上海，200093)

該文針對超短波理療儀控制系統(tǒng)的電源完整性與信號完整性，進行了電路結構(和機器架構)抗干擾和電磁兼容性設計，使之能夠在相對較為惡劣環(huán)境下穩(wěn)定地運行。應用PCB設計中的電磁兼容性設計原理和信號線屏蔽技術，改善了控制系統(tǒng)抗干擾能力，提高系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。

PCB設計;電源完整性;信號完整性

0 引言

電磁環(huán)境是我們生活環(huán)境的一個組成部分，為保障設備及系統(tǒng)穩(wěn)定地工作，需要處理好抗干擾與電磁兼容問題。

電磁兼容性(Electromagnetic Compatibility，EMC)是指設備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境下能正常工作，并且不對該環(huán)境中的任何事物構成不能承受的電磁騷擾的能力［1］。

電磁干擾是電磁兼容需要解決的問題之一，其三要素，分別是電磁干擾源、耦合途徑和敏感設備，對其中任一要素處理得當，均可改善設備的電源以及信號傳輸質量。根據(jù)電磁兼容性理論和電磁干擾的機制，在進行相關電磁兼容性設計時為防止干擾可從三方面進行考慮:抑制源的發(fā)射、盡可能使耦合途徑無效、使接收機對發(fā)射不敏感。在實際情況中，常需要采用多種措施來達到解決電磁干擾問題。

信號完整性、電源完整性已經(jīng)成為PCB設計中需重點考慮的問題［2］，在進行控制電路板電磁兼容性設計時，對這兩方面的考慮具有重要意義。正確的電源傳輸處理和信號傳輸處理可減少設計成本和調試階段的工作量。下面對超短波理療儀的控制系統(tǒng)、PCB設計、信號傳輸線幾方面分析，采用金屬殼屏蔽、電源退耦等方法處理控制系統(tǒng)的抗干擾問題，并結合示波器波形說明設計效果。

1 超短波理療儀控制系統(tǒng)分析

本超短波理療儀選用40.68 MHz高頻發(fā)生電路作為超短波發(fā)生裝置，由控制系統(tǒng)和人體阻抗自動調諧匹配系統(tǒng)共同工作實現(xiàn)超短波理療儀的全部功能。

高頻發(fā)生電路采用推挽式自激振蕩電路，產(chǎn)生滿足設備工作的高頻信號，但也是本次電磁兼容設計的主要干擾源。超短波發(fā)生部分可產(chǎn)生40.68 MHz的高頻信號，其干擾信號的傳輸通道，主要有:燈絲供電信號反射、高壓供電電路功率反射、能量發(fā)射線圈電磁輻射。針對發(fā)生裝置干擾源特點，在電路中應用電容、電感濾波和金屬外殼屏蔽技術，金屬外殼進行分層，使整個超短波發(fā)生裝置部分與供電和控制部分隔離屏蔽，降低整個裝置對控制部分的干擾。

整個測控系統(tǒng)采用單片機89S52系列作為微控制單元(Micro Control Unit，MCU)［3］，主要控制供電穩(wěn)壓、治療強度和時間調節(jié)、治療輸出匹配調諧、顯示器和按鍵信息的通訊。人體阻抗自動調諧匹配系統(tǒng)中，采集人體阻抗參數(shù)，采用磁耦合隔離技術實現(xiàn)高頻信號的隔離和采集。設計了針對高頻信號的檢波電路，以配合步進電機聯(lián)動可變電容自動調節(jié)裝置，完成阻抗匹配與調諧功能［4-5］。步進電機驅動模塊采用光電隔離技術，提高控制的精確度和抗干擾能力。

針對設備特點和系統(tǒng)需求，對超短波理療儀進行可行的電磁兼容性設計能夠保障設備的正常工作以及系統(tǒng)的正常運行。分析本設備和系統(tǒng)的電磁干擾主要來自自然干擾和人為干擾兩部分。自然干擾源主要是指自然界的電磁現(xiàn)象引發(fā)的電磁輻射［6］，在一般設備的頻率范圍內，有平坦的功率譜密度，這一特性也簡化了對其干擾源的處理。人為干擾中能量發(fā)射頻率40.68 MHz和MCU工作頻率12 MHz都需要考慮進行抗干擾屏蔽處理，其次還有外界電子設備工作時產(chǎn)生的干擾源。結合電磁兼容性理論與技術，本文針對控制系統(tǒng)PCB板設計中的電源和接地以及信號傳輸線進行了抗干擾和電磁兼容性設計，以提高系統(tǒng)的電源完整性和信號完整性［7］。

2 控制系統(tǒng)抗干擾和電磁兼容性設計

針對本次設計，控制系統(tǒng)采用C51內核單片機，實現(xiàn)對設備的工作控制和調節(jié)，整個系統(tǒng)的控制部分的電源與信號傳輸主要置于PCB板中。另外，還使用數(shù)據(jù)線傳輸，完成板與板通信。根據(jù)電磁兼容性原理，在PCB設計和數(shù)據(jù)線選擇有針對性的電磁兼容性設計［8-9］。

2.1 PCB設計中電源完整性設計

控制部分電路板置于屏蔽金屬盒內，降低超短波發(fā)生部分干擾源的干擾。PCB設計中對電源的處理介紹于后。

根據(jù)超短波理療儀控制部分設計，電源層分割為5 V和18 V兩片區(qū)域，分別進行電源布線。加大電源層相對地層內縮的距離，抑制邊緣輻射效應［10］。5 V電源為控制部分芯片工作電壓，電路設計如圖1所示，輸出為直流波形。

圖1 芯片工作5 V直流電源電路Fig.1 5 V DC power supp ly circuit of chip working

5 V電源電路部分經(jīng)整流橋堆進行全波整流，電容濾波，穩(wěn)壓芯片LM7805輸出相對穩(wěn)定的5 V直流電壓。因為穩(wěn)壓電源芯片本身輸出會有紋波并不恒定，另穩(wěn)壓電源可能無法實時響應負載對于電流需求的快速變化，負載瞬態(tài)電流在電源路徑阻抗和地路徑阻抗上也會產(chǎn)生的壓降，所以電源系統(tǒng)會產(chǎn)生電源噪聲［11］。電源噪聲會對芯片正常工作產(chǎn)生影響，還有可能影響控制電路板其他部分的工作，因此我們需要對電源噪聲進行處理，其中電容退耦是解決電源噪聲常用的方法［12］。

電源與它供電的模塊之間路徑的長度若是太長會形成很大的環(huán)路面積，影響模塊功能的實現(xiàn)。為了消除這種電源和其供電模塊之間的潛在的大環(huán)路面積效應需要進行電源退耦--在電源和接地管腳之間接退耦電容。電源退耦可防止前后電路電流變化時，在電源電路中所形成的電壓波動對其他電路的影響。用于PCB設計中的退耦電容，小型陶瓷電容較為典型。多個陶瓷電容并聯(lián)的方法在增大電容量的同時也可濾除高頻寄生電容［13-14］。本控制部分PCB設計中選用貼片式陶瓷電容，直接焊在電路板上，實際沒有引線長度，減小連線之間的環(huán)路面積。本設計中由于控制部分電源紋波系數(shù)較小，且電源輸出功率不大，因此將兩個電容并聯(lián)，這樣可以在更寬的頻譜范圍降低電源網(wǎng)絡中的噪聲。退耦電容連接電路如圖2所示:

圖2 退耦電容連接電路Fig.2 Decoup ling capacitor circuit

退耦電容的選取與電源輸出功率、紋波系數(shù)、電源電壓等參數(shù)有關。一般一個容值的電容對應一個退耦頻段，實際應用中，并非越大越好。如果電容較大，它的諧振頻率就很低，這時電容提供的電流通路在在低頻下會變得很差，因此為了保證退耦電容提供高頻電流通路的能力，其容值不宜過大。一般在能達到電流補償?shù)那闆r下，容值越小越好。退耦電容容值計算如下:

式中ΔI為器件導通和截止狀態(tài)下電源電流差值; Δt為器件輸出脈沖跳變沿時間;ΔV為芯片工作時允許的電源電壓波動值。

一個電解電容容值為0.1～1μF，多個瓷片電容為1～10 nF之間，一般情況兩電容容值相差兩個數(shù)量級為最佳。

2.2 采集信號線屏蔽

調諧模塊中的阻抗采集電路本身置于強電磁輻射區(qū)域，將采集線圈與傳輸線相連，傳輸線圈所采集的信號。理想情況下，采集線圈收集功率發(fā)射電路附近的電磁場變化，而不希望傳輸線受到電磁場的影響。實際點傳輸線有較多的不確定因素，比如置于磁場中的相對位置和傳輸線間的距離。

在進行采集電路設計實驗時，曾遇到較強的電磁干擾，導致輸入檢波電路的信號干擾，影響檢波信號。實驗初始采用了非屏蔽雙絞線，但干擾信號并非來自傳輸線間的串擾，所以仍不能有效避免?，F(xiàn)采用2芯屏蔽雙絞線傳輸?shù)姆椒?，屏蔽強電場產(chǎn)生的電磁干擾，同時可減小傳輸線線間的信號串擾［15］。屏蔽線與信號線連接如圖3所示:檢波電路中的接地端和屏蔽層的接地端分開接地，檢波電路中的接地為系統(tǒng)的相對零勢點，而屏蔽層是與大地或機殼相連，將干擾電場產(chǎn)生的靜電感應傳至地面;屏蔽線采取雙端接地方式，一端接機殼，另一端接控制電路板屏蔽罩。兩端接地可以減小容性耦合和感性耦合，很好的抑制高頻干擾［16］。

圖3 屏蔽線連接圖Fig.3 Shielded cable connection diagram

采集電路進行信號采集輸出波形如圖4所示，波形包絡較好的保留了信號的幅值特點，其中所采集到信號使高頻信號頻率特性保存完整，由示波器采集的波形分析，信號線采用屏蔽信號線能夠使采集電路抗干擾能力增強，電磁兼容性提高。

圖4 采集信號波形Fig.4 Signal collection wave

3 結語

本文所介紹的抗干擾與電磁兼容性設計是針對文中所提到超短波理療儀的控制系統(tǒng)部分進行的。經(jīng)過設計和實際效果分析，利用金屬機殼對超短波發(fā)生裝置進行屏蔽，降低了干擾源對控制部分的干擾;控制電路板安裝在金屬屏蔽盒中，提高了控制部分的抗干擾能力;PCB板設計進行電源退耦處理，采集信號線選用屏蔽線，提高控制電路板電源完整性和信號完整性。采用以上方法對超短波控制系統(tǒng)進行抗干擾設計，提高了整個系統(tǒng)的抗干擾能力和電磁兼容性。

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A Design of Anti Interference and Electromagnetic Com patibility in Control System of Ultrashort W ave Treatment Equipment

WANG Yunguang1，2，CHONG Xiaochen1，CHENG Haiping2
1.School of Medical Instrument and Food Engineering，University of Shanghai for Science and Technology(Shanghai，200093)
2.Shanghai University of Medicine＆Health Sciences(Shanghai，200093)

This paper is a design of anti-interference and electromagnetic compatibility to improve the power integrity and signal integrity of the control system of ultrashortwave treatment equipment operate normally.It bases on electromagnetic compatibility in the design of PCB board and shielding signal lines.Combined with the actual situation，the design can play a certain role in anti-interference and improve the stability of system operation.

design of PCB，power integrity，signal integrity

1674-1242(2015)03-0150-04

10.3969/j.issn.1674-1242.2015.03.006

2015-05-21)

種曉晨，E-mail:ttfighting77@163.com