EMC技術(shù)在DSP控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

本文深入細(xì)致地分析了DSP控制系統(tǒng)的信號(hào)完整性問(wèn)題，從PCB設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩方面，提出電磁兼容性設(shè)計(jì)的方案。在教學(xué)過(guò)程中增加該實(shí)例的講解， 使得抽象的電磁兼容理論具體化。這樣，學(xué)生的知識(shí)面得到擴(kuò)展，對(duì)電磁兼容理論的理解會(huì)更加透徹，電磁兼容性設(shè)計(jì)的能力也會(huì)相應(yīng)提高。

電磁兼容EMC是電子、電氣設(shè)備或系統(tǒng)的一種重要技術(shù)性能。所謂電磁兼容性是指設(shè)備或系統(tǒng)能在所處的電磁環(huán)境中正常工作，同時(shí)又不對(duì)該環(huán)境中的其他任何事物構(gòu)成干擾的能力。

基于DSP的控制系統(tǒng)是一個(gè)高速?gòu)?fù)雜的數(shù)?；旌舷到y(tǒng)，在工業(yè)過(guò)程中會(huì)受到各種干擾，使得系統(tǒng)不能正常運(yùn)行。同時(shí)，DSP系統(tǒng)又不可避免地向外輻射電磁波，對(duì)周圍的電子設(shè)備產(chǎn)生干擾。因此，抑制系統(tǒng)的電磁干擾，提高系統(tǒng)電磁兼容性，成為設(shè)計(jì)DSP控制系統(tǒng)必須考慮的因素［1］。筆者在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對(duì)EMC的理解不夠透徹，對(duì)EMC設(shè)計(jì)了解太少。本文旨在通過(guò)對(duì)DSP控制系統(tǒng)中EMC設(shè)計(jì)實(shí)例的分析，加深學(xué)生對(duì)電磁兼容技術(shù)的理解。

1 電磁兼容技術(shù)

電磁兼容主要包括兩方面內(nèi)容：電磁干擾EMI和電磁耐受性EMS，如圖1所示。從圖1可以看出，電磁兼容問(wèn)題主要從傳導(dǎo)和輻射兩方面進(jìn)行分析。電子系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計(jì)的目標(biāo)就是找到一種性價(jià)比最優(yōu)的方式，來(lái)降低受試設(shè)備［2］EUT對(duì)外發(fā)射的電磁干擾強(qiáng)度，并提高受試設(shè)備自身的電磁干擾耐受性。

　　圖1 電磁兼容基本內(nèi)容

無(wú)論是復(fù)雜的系統(tǒng)還是簡(jiǎn)單的電子元件，任何一個(gè)電磁干擾的產(chǎn)生都必須具備三要素［3］：電磁干擾源、傳播途徑和敏感設(shè)備。其傳播途徑包括無(wú)線輻射、有線傳導(dǎo)及地線耦合，如圖2所示。

　　圖2 電磁干擾三要素

上圖給出三要素之間的關(guān)系，電磁干擾源產(chǎn)生的電磁干擾，在一定條件下，通過(guò)一定的傳播途徑到達(dá)敏感設(shè)備，從而對(duì)敏感設(shè)備產(chǎn)生干擾。

為分析和設(shè)計(jì)電子系統(tǒng)或設(shè)備的電磁兼容性，必須分清這三要素。復(fù)雜的系統(tǒng)中干擾源和敏感設(shè)備間并沒(méi)有明顯的界線，很可能同時(shí)存在多個(gè)干擾源。干擾的傳播也會(huì)存在很多渠道，既有傳導(dǎo)耦合，也有輻射耦合。

2 高速電子系統(tǒng)的信號(hào)完整性

信號(hào)完整性是指?jìng)鬏數(shù)男盘?hào)質(zhì)量及信號(hào)定時(shí)的準(zhǔn)確性，即在要求的時(shí)間內(nèi)信號(hào)完整地從始端傳輸?shù)浇K端。信號(hào)完整性缺失不是由單一元素引起的，而是系統(tǒng)中的多個(gè)因素共同決定的。

在高速數(shù)字系統(tǒng)中，導(dǎo)線已不僅是單純的導(dǎo)體，而是一條具有分布參數(shù)的傳輸線。高速數(shù)字系統(tǒng)的信號(hào)互連較復(fù)雜，布線密度大。系統(tǒng)中各導(dǎo)體間的串?dāng)_、多電源間的干擾、D/A間的干擾等都成為影響信號(hào)完整性的因素。

3 DSP控制系統(tǒng)的電磁兼容性設(shè)計(jì)

典型的DSP控制系統(tǒng)如圖3所示。該系統(tǒng)由DSP芯片（包括DSP控制核心、DSP片內(nèi)外設(shè)ADC模塊和I/O模塊等）、同DSP片內(nèi)外設(shè)I/O模塊相連的驅(qū)動(dòng)模塊、信號(hào)采集模塊以及被控制對(duì)象組成。

　　圖3 典型DSP控制系統(tǒng)

3.1 DSP控制系統(tǒng)的電磁干擾分析

DSP控制系統(tǒng)的電磁干擾信號(hào)會(huì)通過(guò)多種渠道進(jìn)入系統(tǒng)，既可以以場(chǎng)的形式從空間耦合到系統(tǒng)，也可以沿各種線路侵入系統(tǒng)。

DSP控制系統(tǒng)的工作頻率較高，使得系統(tǒng)的中各分布電容和分布電感對(duì)系統(tǒng)的影響不可忽視。外界以及系統(tǒng)內(nèi)部間的信號(hào)可以通過(guò)導(dǎo)體間的分布電容和分布電感耦合到其他回路，耦合原理如圖4和圖5所示。

　　圖4 電容耦合原理

　　圖5 電感耦合原理

圖4所示導(dǎo)體1和導(dǎo)體2可以分別表示印刷電路板的時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線，兩導(dǎo)體對(duì)地都有分布電容C1g和C2g，兩導(dǎo)體之間有分布電容C。分布電容C

把兩導(dǎo)體連接在一個(gè)電路中，使得流經(jīng)兩導(dǎo)體的信號(hào)產(chǎn)生串?dāng)_。

假設(shè)圖示的等效電路中，干擾源電壓為Ui，則其耦合到導(dǎo)體回路2中的電壓為

　　（1）

式中，X是Ui的角頻率;R是導(dǎo)體2的電阻值。

若R很小，且滿足

則（2）

上式表明，在導(dǎo)體2低阻時(shí)，電容耦合干擾只與兩導(dǎo)體間的耦合電容C有關(guān)，在干擾源電壓和頻率恒定的情況下，我們可以通過(guò)導(dǎo)體的合適接地、屏蔽或隔離來(lái)減小C從而減小耦合電壓U2。

若R很大，且滿足 ，則有

　　（3）

上式表明在導(dǎo)體2高阻時(shí)，電容耦合干擾不僅與導(dǎo)體間耦合電容C有關(guān)，還與導(dǎo)體2對(duì)地的容C2g有關(guān)。

圖5表示回路1中有交變電流I1流過(guò)時(shí)，產(chǎn)生的交變磁通通過(guò)回路2產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，對(duì)回路2產(chǎn)生電磁干擾。

圖中干擾源I1在負(fù)載阻抗Z1和Z2上產(chǎn)生的干擾電壓分別為

式中，M為互感系數(shù)，S為回路2的回路面積，B為角頻率為X的正弦磁通密度有效值，H為磁通與回路2的夾角。

由式（4）和式（5）可知，減小B、S和cosH可以減小電感耦合干擾。

另外，系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)字電源和模擬電源引起的電磁干擾也非常嚴(yán)重。由于電源內(nèi)阻的存在，干擾信號(hào)都會(huì)通過(guò)電源內(nèi)阻或地耦合電阻形成互擾，即所謂的公共阻抗干擾［5］，如圖6所示。

　　圖6 公共阻抗耦合

從圖6可知，電路1和電路2的電流流經(jīng)公共阻抗Z時(shí)，在其上產(chǎn)生的壓降會(huì)使兩個(gè)電路彼此產(chǎn)生耦合，從而惡化系統(tǒng)的電磁兼容性。

3.2 DSP控制系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)

3.2.1合理設(shè)計(jì)PCB板減小系統(tǒng)串?dāng)_

串?dāng)_會(huì)隨著印刷電路板導(dǎo)線布局密度的增加越趨嚴(yán)重，在PCB設(shè)計(jì)中要盡量做到以下幾點(diǎn)，以此減小串?dāng)_的影響。

（1）為防止外界干擾通過(guò)圖3所示的信號(hào)采集模塊進(jìn)入系統(tǒng)，可采用某些器件對(duì)信號(hào)進(jìn)行隔離。

（2）為減小如圖4所示的兩相鄰導(dǎo)體間的互電容C，可在導(dǎo)體間加接地屏蔽通路，在PCB相鄰層上的布線要互相垂直，以防止層間的電容耦合。

（3）為改善電感耦合干擾，要盡量減小PCB中元件的物理尺寸、并行信號(hào)線的長(zhǎng)度和信號(hào)線到地的參考距離間隔，或增大信號(hào)線間距。

（4）電路元件要遠(yuǎn)離I/O接口及易受干擾的區(qū)域，做到敏感器件（如模擬器件）、強(qiáng)干擾元件（如功率器件）和數(shù)字器件合理分開(kāi);讓電源線和地線單獨(dú)引出，在電源供給處匯集到一點(diǎn)。必要時(shí)，加濾波器以隔離不同區(qū)域的噪聲。

（5）PCB布線時(shí)模擬電源引腳VCCA和VSSA要區(qū)別于數(shù)字電源引腳。采用單點(diǎn)接地，引腳的引線盡量短。

3.2.2 軟件設(shè)計(jì)減小DSP系統(tǒng)干擾

由于干擾的存在，DSP控制系統(tǒng)程序可能會(huì)跳轉(zhuǎn)到某些未知區(qū)域，導(dǎo)致程序跳轉(zhuǎn)錯(cuò)位。實(shí)際應(yīng)用中，我們可以采取以下措施來(lái)提高系統(tǒng)的電磁兼容性。

（1）在軟件的所有模塊設(shè)置看門狗，一旦軟件跳轉(zhuǎn)會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生復(fù)位。

（2）對(duì)于輸入的開(kāi)關(guān)信號(hào)進(jìn)行延時(shí)防抖動(dòng)，并輔之硬件低通濾波。

（3）A/D轉(zhuǎn)換采用數(shù)字濾波，以防止突發(fā)性干擾。如采用平均法和比較平均法等。

（4）利用特有的外設(shè)控制字，設(shè)置合理的信號(hào)邊沿有效作用檢測(cè)時(shí)間。