汽車(chē)數(shù)字AV產(chǎn)品的抗干擾研究

一、    引言
電磁兼容(EMC)是指設(shè)備或系統(tǒng)在所處的電磁環(huán)境中能正常工作且不對(duì)該環(huán)境中任何其他事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。電磁兼容技術(shù)是一門(mén)迅速發(fā)展的交叉學(xué)科，涉及電子、計(jì)算機(jī)、通信、航空航天、鐵路交通、電力、軍事以至人民生活各個(gè)方面在當(dāng)今信息社會(huì)，隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，一個(gè)系統(tǒng)中采用的電氣及電子設(shè)備數(shù)量大大增加，而且電子設(shè)備的頻帶日益加寬，功率逐漸增大，靈敏度提高，聯(lián)接各種設(shè)備的電纜網(wǎng)絡(luò)也越來(lái)越復(fù)雜，特別隨著數(shù)字化產(chǎn)品的不斷問(wèn)世，其電磁兼容性的設(shè)計(jì)越來(lái)越引起人們的重視。因?yàn)楦咚贁?shù)字電路工作時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的高頻干擾信號(hào)，處理不好，不僅影響本身性能，而且還會(huì)影響周?chē)h(huán)境。如VCD視盤(pán)機(jī)MPEG1視頻數(shù)據(jù)率和音頻數(shù)據(jù)率之和約1.5Mb／s；DVDMPEG2音視頻可變碼率平均為4.69Mb／s，最大速率達(dá)10.7Mb／s，處理系統(tǒng)又與高速的存儲(chǔ)器配合使用進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)。隨著碼率的不斷提高，數(shù)字信號(hào)處理的速度越來(lái)越快，產(chǎn)生與速度成正比的大量干擾脈沖，也頻率越來(lái)越高，幅度越來(lái)越大，這對(duì)產(chǎn)品的抗干擾設(shè)計(jì)帶來(lái)更大的難度，也是產(chǎn)品品質(zhì)高低的關(guān)鍵所在。若處理不當(dāng)，將影響音視頻的質(zhì)量和讀盤(pán)糾錯(cuò)能力。嚴(yán)重時(shí)高頻干擾脈沖會(huì)通過(guò)電源或空間輻射出來(lái)，影響周?chē)娮釉O(shè)備的正常工作?，F(xiàn)以Car-VCD機(jī)為例討論數(shù)字AV產(chǎn)品的抗干擾設(shè)計(jì)。

二、    數(shù)字電路的常見(jiàn)干擾噪聲

對(duì)數(shù)字AV產(chǎn)品的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，常見(jiàn)的噪聲有以下幾種。
1、    電源噪聲：主要由于受DSP電路、CPU、動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器件和其它數(shù)字邏輯電路在工作過(guò)程中邏輯狀態(tài)高速變換造成系統(tǒng)電流和電壓變化產(chǎn)生的噪聲、溫度變化時(shí)的直流噪聲以及供電電源本身產(chǎn)生的噪聲。
2、    地線噪聲：系統(tǒng)內(nèi)各部分的地線之間出現(xiàn)電位差或存在接地阻抗引起的接地噪聲。
3、    反射噪聲：傳輸線路各部分的特性阻抗不同或與負(fù)載阻抗不匹配時(shí)，所傳輸?shù)男盘?hào)在終端(或臨界)部位產(chǎn)生反射，使信號(hào)波形發(fā)生畸變或產(chǎn)生振蕩。
4、    串?dāng)_噪聲：由于扁平電纜或束捆導(dǎo)線等傳輸線之間，印制電路板內(nèi)平行印制導(dǎo)線之間的電磁感應(yīng)以及高速開(kāi)關(guān)電流通過(guò)分布電容等寄生參數(shù)把無(wú)用信號(hào)成分疊加在目的信號(hào)上引起的噪聲。

三、    抑制干擾噪聲的措施

1、    電源和地線噪聲的抑制
在車(chē)用CD，VCD中大量地應(yīng)用CMOS數(shù)字器件和數(shù)字模擬混合器件，當(dāng)設(shè)備工作時(shí)這些器件同時(shí)工作會(huì)使電路板內(nèi)的電源電壓和地電平波動(dòng)，導(dǎo)致信號(hào)波形產(chǎn)生尖峰過(guò)沖或衰減振蕩，造成數(shù)字IC電路的噪聲容限下降而引起誤動(dòng)作。其原因是數(shù)字IC的開(kāi)關(guān)電流在電源線、地線上形成的電壓降與印制條和元器件引腳的分布電感所形成的感應(yīng)電壓降，兩者起作用的結(jié)果。由于車(chē)用VCD中有多條高頻數(shù)字信號(hào)線，因此，電
源和地線的干擾相當(dāng)嚴(yán)重。其次，由于一部分CMOS電路是數(shù)字模擬混合器件，如D／A轉(zhuǎn)換器件，根據(jù)CMOS的基本理論，數(shù)字和模擬電路形成在同一個(gè)類(lèi)型芯片上，如只有數(shù)字部分電源VDD供電，盡管模擬電源未接，VDD的電能會(huì)轉(zhuǎn)換到模擬部分上去，VDD電壓依然會(huì)出現(xiàn)于模擬電源VOC腳上。同樣，VDD上存在的噪聲亦會(huì)出現(xiàn)在VOC上，由于VDD和VOC上的噪聲作用造成數(shù)?；旌想娐罚缫纛lD／A PCM1710的THD+N和動(dòng)態(tài)范圍下降，影響整機(jī)的性能。

為抑制電源和地線噪聲，筆者認(rèn)為在車(chē)用VCD設(shè)計(jì)中可采取以下措施：(1)、選用貼片元件和盡可能縮短元件的引腳長(zhǎng)度，以減小元件分布電感的影響；選用噪聲容限大的數(shù)字IC。(2)、在VDD及VOC電源端盡可能靠近器件接入濾波電容，以縮短開(kāi)關(guān)電流的流通途徑，用10µF鋁電解和0.1µF獨(dú)石電容并聯(lián)接在電源腳上。對(duì)于MPEG板主電源輸入端和MPEG解碼芯片以及DRAM，SDRAM等高速數(shù)字IC的電源端可用鉭電解電容代替鋁電解電容，因?yàn)楦哳l時(shí)鉭電解的對(duì)地阻抗比鋁電解小得多。(3)、印制板布局時(shí)，要將模擬電路區(qū)和數(shù)字電路區(qū)合理地分開(kāi)，電源和地線單獨(dú)引出，電源供給處匯集到一點(diǎn)；PCB布線時(shí)，高頻數(shù)字信號(hào)線要用短線，主要信號(hào)線最好集中在PCB板中心，時(shí)鐘發(fā)生電路應(yīng)在板中心附近，時(shí)鐘扇出應(yīng)采用菊鏈?zhǔn)交虿⒙?lián)布線，電源線盡可能遠(yuǎn)離高頻數(shù)字信號(hào)線或用地線隔開(kāi)。(4)、印制板的電源線和地線印制條盡可能寬，以減小線電阻，從而減小公共阻抗引起的干擾噪聲。(5)、對(duì)數(shù)?；旌想娐罚琕DD與VOC應(yīng)連到模擬電源VOC，AGND與DGND接到模擬地AGND。根據(jù)BB，PHILIPS，ALPINE公司實(shí)驗(yàn)結(jié)果，建議把D／A器件視為模擬器件，MPEG電路與D／A器件連接中，D／A器件必須置于AGND上，同時(shí)要提供一條數(shù)字回路供這些數(shù)字噪聲／能量反饋回信號(hào)源，以減小數(shù)字器件的噪聲對(duì)模擬電路的影響，使D／A器件的動(dòng)態(tài)特性提高。

根據(jù)實(shí)測(cè)VCD機(jī)MPEG解壓板數(shù)字電源VDD與模擬電源VOC的噪聲電平，得知電源上疊加的噪聲電平已相當(dāng)小，VDD噪聲電平與VOC噪聲電平波形基本一致，且數(shù)字電源噪聲電平(VPP=85mV)明顯大于模擬電源的噪聲電平，這說(shuō)明這些干擾脈沖主要由數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生的。

2、    反射干擾噪聲的抑制

在數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)中，時(shí)鐘信號(hào)和數(shù)字信號(hào)傳輸因其傳輸線路始端和終端阻抗不匹配，所傳輸信號(hào)會(huì)在阻抗不連續(xù)處產(chǎn)生反射，使傳輸?shù)男盘?hào)波形出現(xiàn)上沖、下降和振蕩。反射還會(huì)降低器件噪聲容限。加大延遲時(shí)間，如傳輸線傳輸時(shí)間與所傳輸?shù)难舆t時(shí)間大致相同，引起的反射會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重后果，有的使傳輸?shù)男畔a(chǎn)生錯(cuò)誤，有的使電壓超過(guò)電路的極限值影響電路的正常工作。

通常情況下，傳輸線是無(wú)損耗線，單位長(zhǎng)度傳輸線的傳輸時(shí)間τ=(LC)½，特性阻抗ZO=(L/C) ½，其中C，L為單位長(zhǎng)度傳輸線的分布電容和分布電感。傳輸線最大匹配線長(zhǎng)度lmax=tτv／k，式中，tτ為傳輸信號(hào)的前沿時(shí)間，v為電磁波在傳輸線中的傳播速度，用聚乙烯線時(shí)為2