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摘要 讨论一种基于DSP的阵列声波信号采集与处理系统的电磁兼容性设计问题。在分析阵列声波信号采集与处理系统EMI问题的基础上,提出该系统的电磁兼容性设计要点。实践证明系统的EMC性能得到良好改善,系统工作状态稳定可靠。

关键词 阵列声波 信号采集 EMC EMI

电磁兼容性（EMC）是指在有限的空间、时间和频谱范围内,各种电气设备共存而不引起性能降低的能力,包括电磁干扰（EMI）和电磁敏感性（EMS）两方面的内容。EMI是指电气产品向外发出噪声,EMS则是指电气产品抵抗外来电磁骚扰的能力。数字系统采用纯粹的数学公式来描述系统实现的功能,但是常常即使是逻辑设计正确,系统却可能因为噪声问题而在完成之后不能正常运行;或者即使能够正常运行,却因为电磁辐射问题而不能销售。所以,一个数字系统也是一个射频（RF）系统,会存在潜在的电磁干扰,在系统研制的初期、布局和测试阶段,应全面考虑其EMC的设计。
1数字系统EMC特点
数字电路的EMI问题都是以噪声裕量的形式表现出来的。数字电路的性能和错误率随不同的集成电路开关组合变化而变化。首先,与模拟电路相比,数字电路对低电平噪声有突出的抗干扰特性。这是因为数字电路一般没有放大器,工作时信号电平相对很高。对于LSTTL电路来说,噪声裕量的最小典型值是400～600 mV;而对于CMOS电路噪声裕量甚至更大,大约是VCC电压的0.3倍,即当电源电压等于5 V时噪声裕量为1.5 V。其次,数字电路设计过程中多考虑时域问题,而就EMI问题而言,宜采用频域方法分析。除此之外,数字电路在实现接地、电源分布和信号互连等问题的EMC处理上,都需要与处理模拟电路截然不同的设计技术。
2阵列声波信号采集与处理系统工作原理
声波测井仪是我国石油测井设备中使用最普遍的一种测井仪,但是我国目前的声波测井仪已不能满足石油测井技术发展的需要。因为现在的传感器已由过去的单个变为阵列结构,仪器要处理的信号也由过去单一的参数信号变为复杂的图像信号,同时对信号的采集与处理变得越来越复杂,为此研制一种阵列声波信号采集与处理系统,及阵列声波测井仪,成为目前我国石油测井仪器发展的迫切需要。因此,笔者研制出了一套基于DSP的阵列声波信号采集与处理系统,作为整个阵列声波测井仪中的一部分。
该系统的总体方案如图1所示。其工作原理为：前端传感器阵列送来的数据信号比较微弱,要先由放大器对信号进行放大,当然此放大器也可以有效地减弱或消除后端A/D器件对前端模拟声波输入信号的影响,起信号隔离作用。放大器之后是模数转换器ADC,ADC对信号进行采样、数字化,然后送入DSP,DSP对数据进行一系列的处理之后把处理结果送到主CPU。从放大器到ADC、DSP形成一个采集与处理的通道,系统中这样的通道共八个,所以此系统又叫八通道阵列声波采集与处理系统。系统的控制逻辑部分由CPLD实现。
图1系统总体方案3系统中EMI问题的分析与处理
根据系统的总体方案图以及对具体电路的研究和分析,对系统存在的一些EMI问题进行了分析和处理。干扰可以分为内部干扰和外部干扰,这里讨论的主要是系统自身产生的内部干扰。总体上说,内部问题可能是由于伴随着传输路径的邻近电路之间的寄生耦合、内部组件之间的场耦合以及信号沿传输路径的衰减造成的。反应在具体问题上就是信号丢失、信号沿路径反射以及邻近信号线路的串扰。所以,我们所采取的措施也都是针对系统可能或已经出现的上述问题进行的。
（1） 信号输入侧模拟前端的EMI控制
如图2所示,该电路并非纯数字电路,而是一个前端带有放大器的数模混合电路。放大器对信号作二倍放大,另外也起到信号隔离作用,可以有效地减弱或消除后端A/D器件对前端模拟声波输入信号的影响。之后,信号进入数模转换芯片,将模拟信号转换为数字信号,使之以数字信号形式进入数字处理单元。在确定集成运算放大器噪声性能时,一方面是考虑放大器的电源输入稳定性与精度,为了避免微弱的信号受到干扰,将放大器电源通过旁路电容接地用以滤波是非常必要的。同样,放大器输出到数模转换器的过程中,也要采用稳压、接地和输入滤波的措施,以保证信号的精度及完整性。除了受外界干扰,这个前端模拟电路本身也是一个干扰源,放大器本身也会产生干扰。多数单片运算放大器的输入级为差分结构,为2路或4路输入晶体管结构,所以其噪声电压要为单个晶体管的1.4～2倍;而单片晶体管的电流增益比分立晶体管的电流增益还小,所以噪声就更大了。通常运算放大器固有噪声大于分立晶体管放大器噪声,而在运算放大器前加一个分立双级晶体管,会得到更低的噪声性能。
图2系统输入端带有放大器的数模混合电路（2） 电源分配与去耦,电源噪声问题
理想情况下,电源分配的布局应当与系统的设计保持一致,但实际应用中这种做法有时无法实现或者没有必要。因为电源噪声可以通过合理的使用去耦电容进行控制,所以电源平面或电源网格就没有接地系统中要求的那么严格。如果需要折中考虑,最后的做法应当是尽可能地利用宝贵的电路板空间实现良好的接地系统,而电源噪声则可使用去耦电容来进行控制解决,如图3、4所示。电源在为DSP芯片或系统供电时,电源引脚上的任何一个哪怕是微小的瞬态电流变化,引脚上的寄生电感所产生的干扰噪声都会混入芯片或系统的输入侧,使系统的可靠性和精度受到影响。需要指出的是,要尽量提高电容的使用效果,所选电容的类型、电容与IC之间的相对位置都非常重要。比如,使用去耦电容时,电容器位置应尽量靠近IC,以减小IC与去耦电容之间连接导线的寄生电感。而且即便已经采用了电源网格或电源的平面设计,为控制瞬态电源电流所产生的辐射发射,也很有必要使用去耦电容。
图3电源去耦示意1图4电源去耦示意2
（3） 时钟与晶振噪声的EMI处理
时钟是PCB上的主干扰源,其衍生噪声频谱与时钟所产生的数字信号上升时间（risetime）有关。根据f=1/πt可知,上升时间为2.0 ns时,噪声频谱分布为f=160 MHz;当上升时间为0.7 ns时,噪声频谱分布为f=455 MHz。在PCB布线时,首先要安排好时钟再安排其他信号。图5中,晶振为DSP芯片提供时钟电路。为避免干扰,晶振的输入端加装大小两个电容,用以滤除高低频EMI电磁能量。另外,在时钟电路的EMI控制上,PCB布线也是一个关键因素,时钟布线长度应越短越好,尽量减小布线的电感量。布线上的落地点尽量少,可减少因落地点所形成电感量增大产生辐射性噪声。时钟布线端加装阻抗匹配器,可消除因反射所产生的干扰噪声(过冲或下冲)。时钟应放在PCB中间位置并尽量与接地点接近,对于产生信号振荡器应以最短接点接装PCB上,以免产生共振频率干扰。
图5晶振与时钟的EMC设计（4） 地噪声与接地
在数字系统中,地噪声比电源噪声的影响大。地噪声因瞬态电源电流和信号回路电流产生。电源瞬态电流可以使用去耦电容进行控制,但地回路中的信号电流却无法通过去耦或旁路的方法解决。瞬态地电流是系统内部噪声电压和传导与辐射发射问题的主要来源,减小的办法是使其接地阻抗最小。如图6所示,D0至D7为数据线,引出后进入数据总线。在这个过程中,干扰噪声便会耦合到数据线中,因此信号线必须经过耦合电容接地;而接地系统必须能够在相互通信的集成电路芯片之间提供低阻抗连接。实现这一点的合理方式是使用网格接地系统。与单点接地系统相比,网格接地能够有效地将噪声电压降低一个数量级甚至更多。
图6数据线抗EMI干扰的接地设计（5） 通过合理的PCB布板对系统EMI进行控制
印刷电路板(PCB)是电子系统中电路元件和器件的支撑体。PCB中的电磁兼容性直接影响着整个电子系统的干扰和抗干扰情况,PCB的EMC设计是整个系统能否正常工作的关键,因此,合理进行PCB设计,通过控制PCB的EMI来控制整个系统的EMI十分必要。PCB的基材及PCB层的选择、电子元件及器件的电磁特性、元件间互连线的长宽等都制约着PCB的电磁兼容性。常规PCB的EMI控制要关注元器件的合理布局,连线的合理控制,电源线、接地、滤波电容的合理配置等问题。我们在研发阵列声波信号采集与处理系统的过程中,其PCB的制作过程关注了上述的各个环节,使PCB板的EMC性能得到了较好的改善。
以上五点实际上可归结为对EMI干扰源、耦合途径及易感电路的分析。对于数字电路,内部噪声源对其EMI问题起决定作用,产生内部噪声源的原因,一般有地总线噪声、电源总线噪声、传输线发射以及串扰。其中地总线噪声与电源总线噪声是最重要的噪声源。分析噪声源,在关键电路采取EMC控制技术,为在整体上进行系统的EMC设计奠定了基础。
4系统中的EMC设计
从EMC设计的角度来看,根据EMC设计的三要素——EMI产生的干扰源、EMI的耦合途径和易被干扰的敏感电路,系统的EMC设计应遵循抑制干扰源EMI能量、破坏干扰的耦合通道并对敏感电路进行重点保护的思路进行。对于数字电路,其主要EMI问题包括电路内部EMI的产生、辐射干扰以及数字电路本身的敏感度。理论上只要解决其中的一个问题就可以解决所有问题,但对于具体电路的各个不同组成部分,应该采取具体的有针对性的措施加以解决才能达到最高的性价比。按照这个思路,根据以上对该系统EMI问题的分析与处理,在进行阵列声波信号采集与处理系统的EMC设计时,应着重考虑以下几个方面：① 把住I/O关口,所有I/O线都集中布放且在PCB的相应位置设置“无噪声”I/O地,且与数字逻辑电路的工作地单点连接。I/O驱动器靠近连接器而时钟电路与时钟信号线则远离I/O接口区。② 减小系统的接地电感,采用接地网格,减小元器件引脚及引线长度。③ 针对性地控制共模干扰和差模干扰,注重时钟信号环路的控制,时钟线设置邻近地回路,控制系统中所有电缆上的共模电流以控制共模辐射,减小共模电压并采取去耦措施。④ 改善数字电路干扰耐受度,将较易受干扰的信号设计为远离高位准信号,选用内置滤波器I/O接头,将干扰信号区完全隔离。⑤ 加强对印刷电路板EMI问题的解决。
5结论
针对阵列声波信号采集与处理系统具体原理及特点,采取一定的EMI控制和EMC设计措施,可使系统的EMC性能得到改善。在使用过程中,工作性能稳定、可靠、精确,达到了最初的设计要求和目的。
参考文献
1 \[美\]Ott Henry W. 电子系统中噪声的抑制与衰减技术. 北京：电子工业出版社, 2003
2\[美\]Montrose Mark I. 电磁兼容和印制电路板——理论、设计和布线. 北京：人民邮电出版社,2002
3曾峰,候亚宁,曾凡雨. 印刷电路板(PCB)设计与制作. 北京：电子工业出版社, 2002
刘付斌：硕士研究生,研究方向为应用电子技术。杨任基：硕士研究生,研究方向为电磁兼容。