一種信號(hào)處理電路傳導(dǎo)抗擾測(cè)試分析

陳皓，米海波，王一婷，王詔宣，楊天嬌

（中國(guó)航天標(biāo)準(zhǔn)化研究所，北京，100071）

0 引言

信號(hào)處理，是對(duì)信號(hào)進(jìn)行提取、變換、分析、綜合等處理過程的統(tǒng)稱。本文所說的信號(hào)指的是電信號(hào)，被處理的信號(hào)來源于“模擬信號(hào)”，信號(hào)處理涉及三個(gè)步驟（1）模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D轉(zhuǎn)換）；（2）數(shù)字信號(hào)處理（3）數(shù)模轉(zhuǎn)換（D/A轉(zhuǎn)換）。信號(hào)處理電路，指的是對(duì)電信號(hào)進(jìn)行處理的電路，除以上三個(gè)步驟包含的電路，還涉及輸入接口電路、濾除噪聲或干擾的濾波電路、輸出接口電路等[1]。本文針對(duì)一種具體典型的信號(hào)處理電路，對(duì)其進(jìn)行了射頻場(chǎng)感應(yīng)的傳導(dǎo)干擾抗擾度的摸底測(cè)試，同時(shí)利用ANSYS公司成熟的商業(yè)軟件對(duì)典型電路進(jìn)行了仿真分析，然后針對(duì)測(cè)試仿真結(jié)果進(jìn)行了電路再設(shè)計(jì)，取得了良好的效果。

1 信號(hào)處理電路

常規(guī)的信號(hào)處理電路的組成和信號(hào)的傳輸路徑的一般如圖1所示。

圖1 信號(hào)傳輸路徑圖

電信號(hào)進(jìn)入“輸入接口電路”，該部分電路將外部的電信號(hào)進(jìn)行衰減、放大轉(zhuǎn)換為“A/D（模擬數(shù)字處理）電路”要求的“模擬信號(hào)”?！澳M信號(hào)”經(jīng)過“濾波電路”濾除噪聲或干擾后輸入以A/D信號(hào)處理芯片為核心的“A/D電路”，“A/D電路”負(fù)責(zé)將“模擬信號(hào)”轉(zhuǎn)換為DSP（數(shù)字信號(hào)處理）芯片可接受的“數(shù)字信號(hào)”。經(jīng)過DSP芯片為核心的“數(shù)字信號(hào)處理電路”的信號(hào)換算后，輸出到以D/A芯片為核心的“D/A（數(shù)字模擬處理）電路”。“D/A電路”輸出“模擬信號(hào)”，信號(hào)經(jīng)“輸出接口電路”轉(zhuǎn)換為外部可接收的信號(hào)模式后，信號(hào)處理的全過程完成。

信號(hào)處理電路主要由運(yùn)放、A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、DSP等芯片及其外部阻容構(gòu)成，其信號(hào)流程包括信號(hào)的兩重轉(zhuǎn)換（輸入、輸出）、兩重變化（A/D、D/A）、一重濾波、一重處理。從以上信號(hào)處理電路組成和信號(hào)流通過程中可以看出，待處理信號(hào)經(jīng)過環(huán)節(jié)多，再加上信號(hào)處理實(shí)時(shí)性、精確性要求的不斷提高，因此其抗擾性能要求比較尤其突出。從電磁兼容角度考慮，該類型電路的電磁抗擾度（敏感度）是需要重點(diǎn)關(guān)注的。本文結(jié)合一個(gè)典型案例具體說明了提高信號(hào)處理電路電源傳導(dǎo)抗擾能力的測(cè)試、仿真分析、確認(rèn)的全過程。

2 陀螺數(shù)字電路抗擾能力分析

陀螺數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)飛行器陀螺位置信號(hào)調(diào)制、邏輯處理以及數(shù)據(jù)通信，信號(hào)處理的工作頻率為MHz級(jí)別。該電路由+5VDC供電，將光纖輸入的陀螺角速率信號(hào)經(jīng)過一系列處理后以串口形式通過兩個(gè)輸出端口輸出到后面的電路，其具體功能包括瞬時(shí)數(shù)字量的模擬選通和濾波、探測(cè)器信號(hào)放大、放大信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換、信號(hào)邏輯處理、反饋信號(hào)的D/A轉(zhuǎn)換、輸出信號(hào)的處理等，是典型的信號(hào)處理電路。而且該電路要求能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地反饋陀螺有關(guān)信息，對(duì)信號(hào)的時(shí)效性要求較高，因此其電磁兼容抗擾能力毫無疑問地是其電磁兼容性的薄弱點(diǎn)及重點(diǎn)分析的內(nèi)容。鑒于該部分電路應(yīng)用于飛行器，采用元器件均為鐵殼封裝產(chǎn)品，抗輻射能力較強(qiáng)，參考之前的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)判斷也沒有出現(xiàn)過輻射抗擾的問題，因此重點(diǎn)考慮該電路抗傳導(dǎo)干擾的能力。鑒于電路輸入信號(hào)線為光纖且串口輸出信號(hào)線為屏蔽線纜，傳導(dǎo)抗擾電磁兼容測(cè)試的重點(diǎn)是考慮輸入電源射頻場(chǎng)感應(yīng)耦合下，其電路輸出是否正常。下面結(jié)合陀螺數(shù)字電路電磁兼容測(cè)試和仿真分析，提出針對(duì)性設(shè)計(jì)建議，為信號(hào)處理電路電磁兼容問題尤其是傳導(dǎo)抗擾問題的解決提供思路。

2.1 陀螺數(shù)字電路傳導(dǎo)騷擾抗擾度測(cè)試

按照射頻場(chǎng)感應(yīng)的傳導(dǎo)騷擾抗擾度國(guó)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，電磁騷擾的騷擾頻率范圍為150kHz～80MHz，滿足陀螺數(shù)字電路傳導(dǎo)抗擾測(cè)試的頻率和干擾注入位置的要求。該測(cè)試通過陀螺數(shù)字電路輸入電源線、地連接線與射頻場(chǎng)相耦合，監(jiān)控芯片電源口、輸出端口1、輸出端口2狀態(tài)進(jìn)行。測(cè)試過程中按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)程序設(shè)定的信號(hào)電平在頻率范圍內(nèi)掃頻，騷擾信號(hào)為1kHz正弦波調(diào)幅（調(diào)制度80%信號(hào)）。掃頻時(shí)，頻率步進(jìn)不超過1%[2]。當(dāng)測(cè)試場(chǎng)強(qiáng)為3V時(shí)，測(cè)試波形正常。增大到5V時(shí)，在騷擾30MHz、70MHz頻率點(diǎn)出現(xiàn)測(cè)試波形的大幅擾動(dòng)，其測(cè)試異常波形圖如圖2、3所示。

圖2 30MHz測(cè)試異常波形（CH1輸出端口1、CH2輸出端口2、CH3+5V測(cè)試端）

圖3 70MHz測(cè)試異常波形（CH1輸出端口1、CH2輸出端口2、CH3+5V測(cè)試端）

觀察以上異常波形，對(duì)+5V電源輸入電源端施加5V擾動(dòng)時(shí)，擾動(dòng)為30MHz時(shí)芯片電源測(cè)試端電源異常，導(dǎo)致整個(gè)電路輸出信號(hào)均異常；擾動(dòng)為70MHz時(shí)芯片電源測(cè)試端電源正常，但輸出信號(hào)異常。也就是說，在擾動(dòng)30MHz左右電源濾波電路未起到作用，70MHz左右擾動(dòng)通過地平面等耦合到信號(hào)上。根據(jù)以上初步分析情況，下面針對(duì)電源、信號(hào)的端口耦合和平面進(jìn)行仿真分析，在此基礎(chǔ)上提出建議。

2.2 陀螺數(shù)字電路仿真

電磁兼容仿真是借助于電磁仿真軟件對(duì)電子元件、線纜、電子設(shè)備乃至整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行電磁兼容的建模與分析[3]。本次使用的仿真產(chǎn)品是ANSYS公司的仿真軟件，依據(jù)本工程的實(shí)際情況，主要使用SIwave和DesignerSI進(jìn)行場(chǎng)路協(xié)同仿真分析[4]，Slwave是一個(gè)精確的整板級(jí)電磁場(chǎng)全波分析工具，SIwave可仿真整個(gè)電源和地結(jié)構(gòu)的諧振頻率，板上放置去耦電容作用，信號(hào)線與供電板間的噪聲耦合等時(shí)域效應(yīng)[5]，結(jié)合DesignerSI進(jìn)行場(chǎng)路協(xié)同仿真，最終達(dá)到仿真分析的目的。

2.2.1 建模及端口耦合仿真

根據(jù)測(cè)試問題分析，需要開展電源、信號(hào)的耦合仿真和平面仿真。采用實(shí)際PCB進(jìn)行建模，PCB總厚度1.77mm，介質(zhì)使用典型的FR4。建模后的模型如圖4所示。

圖4 PCB頂視圖及疊層

為了解決電磁兼容問題，首先關(guān)注的是產(chǎn)生耦合問題的位置、頻段，故使用仿真工具提取S參數(shù)模型。S參數(shù)，也就是散射參數(shù)。是微波傳輸中的一個(gè)重要參數(shù)。S 參數(shù)是描述一個(gè)高頻網(wǎng)絡(luò)特性的參數(shù)，其原理與電路理論里的Z參數(shù)，Y參數(shù)類似。但由于Z和Y參數(shù)的測(cè)量存在開路短路情況，不適合高頻情況下應(yīng)用，所以用S 參數(shù)來描述。對(duì)于常見兩端口互聯(lián)結(jié)構(gòu)，可以定義四個(gè)S參數(shù)，如圖5所示，其中S11和S22稱插入損耗，反映了信號(hào)通過傳輸線網(wǎng)絡(luò)的能力；S21 和S12 稱為回波損耗，反映了信號(hào)在傳輸線網(wǎng)絡(luò)上的反射狀況。當(dāng)端口增加之后，可得到多端口S參數(shù)模型，從而得到任意端口之間的耦合特性。

圖5 S參數(shù)模型示意圖

根據(jù)電磁兼容故障現(xiàn)象，此次在PCB的各關(guān)鍵芯片的+5V輸入電源管腳和信號(hào)管腳之間添加端口，從而得到+5V輸入端口與信號(hào)之間的S參數(shù)耦合曲線如圖6所示?？梢钥闯觯傮w較為平滑，且絕對(duì)幅值較小，約-100dB左右。

繼續(xù)查看+5V電源各端口之間的轉(zhuǎn)移阻抗如圖7所示，可以看到PCB各電源端口耦合中的第一個(gè)諧振點(diǎn)，大約在26MHz，在此頻點(diǎn)之前，阻抗呈下降趨勢(shì)，說明此頻點(diǎn)之前PCB總體呈容性，有一定濾波效果，但在此頻點(diǎn)之后，PCB的阻抗呈上升趨勢(shì)，說明PCB阻抗已由容性變?yōu)楦行?，由于感性分量?duì)交流能量的阻礙作用，電磁兼容問題的風(fēng)險(xiǎn)也將大大增加。

圖7 +5V電源各端口之間的耦合

從以上S參數(shù)端口耦合仿真分析，信號(hào)間容易出問題的頻率點(diǎn)約在0.4G以上，不在該次整改的考慮范圍內(nèi)。電源容易出問題且頻率點(diǎn)在26MHz左右，需重點(diǎn)針對(duì)電源采用電磁兼容防護(hù)措施。

2.2.2 陀螺數(shù)字電路仿真

在以上電路模型的基礎(chǔ)上，注入異常測(cè)試的+5V波形數(shù)據(jù)，進(jìn)行電磁場(chǎng)、平面的仿真。

使用仿真軟件的PWL源將激勵(lì)導(dǎo)入電路仿真器，使用Push exaction功能將引入的測(cè)試波形作為激勵(lì)源導(dǎo)入PCB進(jìn)行仿真。主要觀察異常波形時(shí)能量的分布，進(jìn)行場(chǎng)圖分析，如圖8、9在30M時(shí)，其輻射最大的區(qū)域。

從以上電場(chǎng)及磁場(chǎng)場(chǎng)圖可以看到， +5V輸入以及右下角信號(hào)輸出區(qū)域，是產(chǎn)生電磁輻射最大的兩個(gè)點(diǎn)，需采取相關(guān)電磁兼容防護(hù)措施。

繼續(xù)查看AGND層和+5V層的電壓分布，如圖10所示。

圖9 磁場(chǎng)場(chǎng)圖@30M

從以上的平面分布圖可以明顯地看到，能量分布的區(qū)域及路徑。能量最強(qiáng)的區(qū)域?yàn)橹虚g偏右下角的區(qū)域，能量從5V電源接入點(diǎn)，由右下至左上傳輸。DSP芯片下面的電源平面是主要的能量集中傳輸路徑。

2.3 陀螺數(shù)字電路設(shè)計(jì)整改

從以上仿真過程可以看出，能量從+5V電源接入點(diǎn)、DSP地平面進(jìn)入，傳輸?shù)捷敵觥?5V電源輸入端原有電磁兼容抑制措施未起到作用，同時(shí)DSP平面、信號(hào)管腳也需進(jìn)行相應(yīng)處理。綜合考慮電磁兼容性整改方法，決定采用濾波、地平面布局修改的方法進(jìn)行電路整改。

濾波是運(yùn)用電容、電感或其組合構(gòu)成的濾波電路切斷電磁干擾沿著導(dǎo)體傳播的途徑。濾波電路主要功能一般有兩個(gè)方面，一方面是濾除掉耦合進(jìn)入器件的電磁干擾信號(hào)，防止這些信號(hào)對(duì)器件的正常工作造成影響；另一方面還具有避免本身通過導(dǎo)線向外部發(fā)射電磁干擾信號(hào)的能力。如圖11所示為一些簡(jiǎn)單濾波電路模型，根據(jù)其頻率特性分為低通、高通、帶通、帶阻濾波電路等。根據(jù)實(shí)際電磁兼容問題分析，選用合適頻率的濾波電路連接到合適的位置，如單板單機(jī)的線纜端、線線之間、線地之間、管腳和地之間、兩管腳之間等。

圖11 濾波電路示意圖

由于干擾主要來源于+5V電源及地，且原有配置EMI濾波器未起到作用。在5V電源電路輸入口增加π型濾波電路，濾波采用低通、高通濾波組合方式，位置為輸入口附近、線線之間、線地之間，可有效進(jìn)行共模及差?；旌蠟V波，原理圖如圖12所示。

圖12 電源濾波電路

同時(shí)，對(duì)于數(shù)字電路中部分關(guān)鍵信號(hào)管腳（如晶振輸出、DA模擬量輸出端、調(diào)制信號(hào)輸出端等）增加了高通濾波，其位置為管腳對(duì)地之間。

接地是指在兩點(diǎn)之間建立導(dǎo)電通路，把電氣或電子元件與某個(gè)稱作“地”的參考點(diǎn)或平面連接起來。接地不僅是保護(hù)人身安全的必要手段，也是抑制電磁噪聲、防止電磁干擾的主要方法。接地的目的是尋找一個(gè)零阻抗的等位面，但是在實(shí)際工程中，零阻抗的導(dǎo)體是不存在的，任何導(dǎo)體都有一定的阻抗，導(dǎo)致任何電流經(jīng)過該導(dǎo)體都會(huì)產(chǎn)生不同的電位點(diǎn)。因此，合適的接地方式才可以為干擾信號(hào)提供低阻抗通路，常常使用的接地方法有單點(diǎn)接地、多點(diǎn)接地和混合接地等。

單點(diǎn)接地指的是子系統(tǒng)（電路、設(shè)備等）的地回路僅與該子系統(tǒng)內(nèi)的單點(diǎn)相連。使用單點(diǎn)接地可以有效防止兩個(gè)不同子系統(tǒng)產(chǎn)生共阻抗耦合。單點(diǎn)接地應(yīng)用頻率較低，一般應(yīng)用于kHz頻率范圍和模擬子系統(tǒng)中。多點(diǎn)接地是指為了使接地線的長(zhǎng)度最短，系統(tǒng)中各個(gè)需要接地的電路直接連接到距離最近的接地平面上。在多點(diǎn)接地時(shí)，子系統(tǒng)分別與接地導(dǎo)體在不同點(diǎn)進(jìn)行連接，多點(diǎn)接地由于其地線較短，阻抗較低，通常應(yīng)用于工作頻率較高的系統(tǒng)中，比如頻率在10MHz以上的系統(tǒng)?；旌辖拥鼐褪菍⒛切┎煌l率信號(hào)的系統(tǒng)采用不同的形式接地，混合接地不僅包含了單點(diǎn)接地的特性，同時(shí)又具備多點(diǎn)接地的優(yōu)點(diǎn)，適用于寬頻帶的電路。

本電路采用的也是混合接地，但原來的混合接地都是直接通過一條銅箔直接連接，從上文仿真可以看出，DSP地平面是干擾的重要路徑，干擾通過銅箔直接對(duì)其他地平面進(jìn)行干擾，因此，在各電源之間的信號(hào)共地平面采用“RC”電路，原理圖如圖13所示。

圖13 地平面RC電路

通過以上3項(xiàng)措施對(duì)電路進(jìn)行了補(bǔ)充和整改后，按照前面的信號(hào)處理電路傳導(dǎo)抗擾測(cè)試再次驗(yàn)證，如圖14所示測(cè)試結(jié)果正常，本次分析及電路修改達(dá)到了提高信號(hào)處理電路抗擾性能的目的。

圖14 擾動(dòng)時(shí)測(cè)試正常波形（CH1輸出端口1、CH2輸出端口2、CH3+5V測(cè)試端）

3 結(jié)論

信號(hào)處理電路抗擾能力是信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)重點(diǎn)及薄弱點(diǎn)，通過此次的仿真分析和電路改造，可以看出電源濾波及相關(guān)電源平面、地平面的處理是影響信號(hào)抗擾的決定性因素，同時(shí)關(guān)鍵信號(hào)的處理也很關(guān)鍵，可通過仿真方式提前分析評(píng)估電路的電磁兼容特性尤其是抗擾特性，提高信號(hào)處理電路的電磁兼容性，有效支撐產(chǎn)品的質(zhì)量與可靠性工作。