嵌入式系統的電磁兼容性設計

1　引　言
　　EMC(Electromagnetic Compatibility)――電磁兼容(性)是一門(mén)多學(xué)科交叉的邊緣性學(xué)科。電磁兼容技術(shù)已在很多領(lǐng)域中得到廣泛的應用，在嵌入式應用中也越來(lái)越受到重視。任何電子設備在運行時(shí)會(huì )向周?chē)l(fā)射電磁能量，可能會(huì )對其他設備產(chǎn)生干擾。同時(shí)設備本身也可能受到周?chē)姶怒h(huán)境的干擾，電磁兼容研究的主要問(wèn)題就是如何使處于同一電磁環(huán)境中的各種設備或同一設備中的各組件都能正常工作而又互不干擾。

2　嵌入式系統中電磁兼容性的特點(diǎn)
　　隨著(zhù)IC技術(shù)的發(fā)展，新技術(shù)不斷涌現。高性能單片機系統逐步采用32位字長(cháng)的RISC體系結構，運行頻率超過(guò)了100 MHz，8位單片機也采用新工藝提高系統速度擴展功能接口。嵌入式系統正朝著(zhù)高集成度、高速度、高精度、低功耗的方向發(fā)展。同時(shí)，由于電子技術(shù)的廣泛應用，電子設備密度升高，電磁環(huán)境惡化，系統的電磁干擾與抗干擾問(wèn)題日益突出。
嵌入式系統中的電磁干擾主要通過(guò)2種方式傳播：　　
(1)導線(xiàn)傳播　即通過(guò)設備的信號線(xiàn)、控制線(xiàn)、電源線(xiàn)等直接侵入敏感設備，這種方式稱(chēng)傳導干擾。
　　(2)空間傳播　騷擾源周?chē)臻g存在著(zhù)電場(chǎng)、磁場(chǎng)和電磁場(chǎng)，會(huì )對附近電子線(xiàn)路產(chǎn)生干擾，稱(chēng)為場(chǎng)干擾。
2．1　傳導干擾
2．1．1　傳輸線(xiàn)的分布參數特性
(1)傳輸線(xiàn)的電阻
　　任何導體都存在一定的電阻，在導線(xiàn)中流過(guò)直流或低頻電流時(shí)電荷在導線(xiàn)橫截面上是均勻分布的。當導線(xiàn)中流過(guò)高頻電流時(shí)，由于高頻集膚效應，導線(xiàn)中的電流主要集中在導體的表面，而導線(xiàn)中心幾乎沒(méi)有電流，因此導線(xiàn)的交流電阻將大于直流電阻，且交流電阻與頻率的二分之一次方成正比。導線(xiàn)的交流電阻可用改變截面積形狀的方法來(lái)減小。同樣截面積的矩形導線(xiàn)比圓形導線(xiàn)具有更大的表面，所以交流電阻比圓形導線(xiàn)小。接地導線(xiàn)常采用扁平矩形導線(xiàn)來(lái)代替圓導線(xiàn)，以減小高頻電阻。
(2)傳輸線(xiàn)的特性阻抗
　　傳輸線(xiàn)具有電阻、電感和電容，對于均勻一致的傳輸線(xiàn)，他們均勻地分布在傳輸線(xiàn)的各個(gè)部分，稱(chēng)為分布參數，特性阻抗描述了傳輸線(xiàn)的分布參數特性，他定義為：

其中：s為平行雙線(xiàn)的間隔；r為導線(xiàn)半徑；μ為磁導率，ε為介電常數。式(1)適用條件為s＞5r。
　　由式(1)可知特性阻抗是表征傳輸線(xiàn)本身特性的一個(gè)物理量，與傳輸線(xiàn)內的電流、電壓無(wú)關(guān)，只與傳輸線(xiàn)的結構(線(xiàn)徑、線(xiàn)間距)和傳輸線(xiàn)周?chē)慕橘|(zhì)(ε，μ)有關(guān)。要注意特性阻抗描述的是傳輸線(xiàn)的分布參數特性而不是真正的阻抗。印制板上的走線(xiàn)和雙絞線(xiàn)的特性阻抗在100～200Ω，同軸電纜為50Ω或75Ω。
2．1．2　傳輸線(xiàn)的短線(xiàn)處理方法
　　傳輸線(xiàn)的分布參數必然會(huì )影響傳輸線(xiàn)中的信號傳輸，這與傳輸線(xiàn)的長(cháng)度密切相關(guān)。根據傳輸線(xiàn)長(cháng)度與信號頻率的關(guān)系可把傳輸線(xiàn)分為長(cháng)線(xiàn)和短線(xiàn)，當傳輸線(xiàn)長(cháng)度≤1/20的信號波長(cháng)時(shí)或者傳輸延遲時(shí)間≤1/4的數字信號脈沖上升時(shí)間時(shí)，傳輸線(xiàn)可視為短線(xiàn)，即：

　　短線(xiàn)可以用集中參數等效電路來(lái)分析，即把傳輸線(xiàn)看成是由集中參數電阻、電感、電容組成的網(wǎng)絡(luò )，其值大小分別等于單位長(cháng)度上的分布參數值乘以傳輸線(xiàn)長(cháng)度。例如有一對傳輸線(xiàn)，終端短路，如符合短線(xiàn)條件式(2)，則可看成是一個(gè)電阻R和一個(gè)電感L串聯(lián)，總的阻抗為：Z＝R＋j2πf_L。對于絕大多數雙絞線(xiàn)、同軸電纜、印制板電路，當頻率很低小于3 kHz時(shí)，傳輸線(xiàn)路中電阻起主要作用。當頻率大于3 kHz以后電感起主要作用，電阻可以忽略不計。
　　圖1是一個(gè)傳輸線(xiàn)的等效電路，設其符合式(2)，其中R_S是信號源阻抗，R_i，C_i是負載的輸入阻抗，L，C是傳輸線(xiàn)的電感和電容，則有L＝L₀l，C＝C₀l，其中L₀和C₀為分布電感和分布電容，l為傳輸線(xiàn)長(cháng)度。由于傳輸線(xiàn)路中存在電感和電容，數字信號通過(guò)傳輸線(xiàn)時(shí)可能會(huì )產(chǎn)生振鈴現象，即衰減振蕩，振蕩頻率為：

振鈴波形的上沖與下沖會(huì )降低門(mén)電路的噪聲容限，嚴重時(shí)會(huì )使電路產(chǎn)生誤動(dòng)作，所以應該設法克服由于傳輸線(xiàn)的分布參數引起的振鈴現象。

　　當信號環(huán)路中的電阻、電感和電容符合R²≥4L/(C＋C_i)時(shí)振鈴現象可被抑制。其中R為傳輸線(xiàn)中的總電阻，可以通過(guò)在信號源端串接一個(gè)抑制電阻以滿(mǎn)足上式，等效于增加信號源的阻抗。此時(shí)系統階躍響應的上升時(shí)間會(huì )略有增加，所以抑制電阻不能取值過(guò)大。
2．1．3　傳輸線(xiàn)的長(cháng)線(xiàn)處理方法
　　當傳輸線(xiàn)的長(cháng)度不符合式(2)時(shí)則稱(chēng)為長(cháng)線(xiàn)，長(cháng)線(xiàn)不能用集中參數網(wǎng)絡(luò )來(lái)替代，而要用傳輸線(xiàn)理論來(lái)分析，考慮到阻抗匹配問(wèn)題，即傳輸線(xiàn)兩端的負載阻抗和源阻抗都應該和傳輸線(xiàn)特性阻抗Z₀相等，否則會(huì )產(chǎn)生反射。
當圖1中的傳輸線(xiàn)不符合式(2)時(shí)，他是一個(gè)長(cháng)線(xiàn)系統。設Z_S為源阻抗，Z₀為傳輸線(xiàn)特性阻抗，Z_L為負載阻抗，當信號從信號源出發(fā)通過(guò)傳輸線(xiàn)到達負載阻抗Z_L時(shí)，如果Z_L＝Z₀則沒(méi)有反射，信號能量全部被Z_L吸收，這是匹配狀態(tài)，Z_L上的電壓就是信號的入射電壓U₀。如果Z_L≠Z₀，即負載端不匹配，則入射能量不能被負載全部吸收，有一部分就被反射回去，有反射電壓存在。
　　同樣，在源端如果Z_S＝Z₀則是匹配狀態(tài)，如果不相等則也存在反射。當源端和負載端都不匹配時(shí)信號將在源端和負載端來(lái)回反復反射，反射波和原信號疊加，如果傳輸線(xiàn)傳輸的是脈沖數字信號則多重反射將使脈沖邊沿產(chǎn)生臺階、上沖和下沖等問(wèn)題。當出現多重反射時(shí)負載端會(huì )出現與振鈴現象相似的波形，影響系統抗擾性能。
　　根據式(2)可以計算對應于不同脈沖上升時(shí)間的最小的長(cháng)線(xiàn)長(cháng)度，傳輸線(xiàn)超過(guò)最小長(cháng)線(xiàn)長(cháng)度時(shí)就要考慮阻抗匹配的問(wèn)題。具體應用時(shí)可以在源端和負載端加入RCL網(wǎng)絡(luò )來(lái)匹配傳輸線(xiàn)的阻抗。
2．1．4　共模騷擾和差模騷擾
　　騷擾信號在導線(xiàn)上傳輸時(shí)有2種方式：共模方式和差模方式。共模噪聲變成差模噪聲后才能對設備產(chǎn)生干擾，因為有用信號都是差模形式的。這種轉換是由電路中傳輸線(xiàn)對參考端的阻抗是否平衡來(lái)決定的。
　　圖2是一個(gè)信號傳輸系統的阻抗特性圖，圖中的4個(gè)電阻分別表示傳輸線(xiàn)在2個(gè)設備中的對地阻抗。2個(gè)設備相距較遠其地線(xiàn)與機殼連入大地，如果2個(gè)設備的接地點(diǎn)之間存在噪聲信號，則由其產(chǎn)生的噪聲電流會(huì )沿著(zhù)2條傳輸線(xiàn)流動(dòng)，假如設備中傳輸線(xiàn)對地的阻抗不相等的話(huà)，2條傳輸線(xiàn)中的噪聲電流也不相等，這時(shí)共模噪聲就變成差模噪聲干擾有用信號。

　　在計算機串行總線(xiàn)中，RS232使用非平衡方式，只有十幾米的傳輸距離。而RS422采用平衡傳輸方式，則達到了上千米的傳輸距離。在設計遠距離傳輸系統時(shí)應該仔細考慮信號線(xiàn)之間的阻抗平衡問(wèn)題。