DSP電磁兼容性問(wèn)題的分析

1 引言

自從20世紀80年代初期第一片數字信號處理器芯片(DSP)問(wèn)世以來(lái)，DSP就以數字器件特有的穩定性、可重復性、可大規模集成、特別是可編程性和易于實(shí)現自適應處理等特點(diǎn)，給數字信號處理的發(fā)展帶來(lái)了巨大機遇，應用領(lǐng)域廣闊。但由于DSP是一個(gè)相當復雜、種類(lèi)繁多并有許多分系統的數、?；旌舷到y，所以來(lái)自外部的電磁輻射以及內部元器件之間、分系統之間和各傳輸通道間的竄擾對DSP及其數據信息所產(chǎn)生的干擾，己嚴重地威脅著(zhù)其工作的穩定性、可靠性和安全性[1]。據統計，干擾引起的DSP事故占其總事故的90%左右。同時(shí)DSP又不可避免地向外輻射電磁波，對環(huán)境中的人體、設備產(chǎn)生干擾、妨礙或損傷。并且隨著(zhù)DSP運算速度的提高，能夠實(shí)時(shí)處理的信號帶寬也大大增加，它的研究重點(diǎn)也轉到了高速、實(shí)時(shí)應用方面。但正是這樣，它的電磁兼容性問(wèn)題也就越來(lái)越突出了，本文在DSP的電磁兼容性問(wèn)題方面進(jìn)行了一些探討。

2 DSP硬件方面的電磁兼容性

電磁兼容性(EMC)包含系統的發(fā)射和敏感度兩方面的問(wèn)題。假若干擾不能完全消除，也要使干擾減少到最小。如果一個(gè)DSP系統符合下面三個(gè)條件，則該系統是電磁兼容的。(1) 對其它系統不產(chǎn)生干擾;(2) 對其它系統的發(fā)射不敏感;(3) 對系統本身不產(chǎn)生干擾。

2.1 DSP中的干擾主要來(lái)源

電磁干擾是通過(guò)導體或通過(guò)輻射產(chǎn)生的，很多電磁發(fā)射源，如光照、繼電器、DC 電機和日光燈都可引起干擾。AC電源線(xiàn)、互連電纜、金屬電纜和子系統的內部電路也都可能產(chǎn)生輻射或接收到不希望的信號。在高速數字電路中，時(shí)鐘電路通常是寬帶噪聲的最大產(chǎn)生源。在快速DSP系統中，這些電路可產(chǎn)生高達300MHz 的諧波失真信號，在系統中應該把它們除掉。在數字電路中，最容易受影響的是復位線(xiàn)、中斷線(xiàn)和控制線(xiàn)。

2.2 DSP中的傳導性干擾

一種最明顯能引起電路噪聲的傳播路徑是經(jīng)過(guò)導體。一條穿過(guò)噪聲環(huán)境的導線(xiàn)可撿拾噪聲，并把噪聲送到另外電路而引起干擾。設計人員必須避免導線(xiàn)撿拾噪聲，如噪聲通過(guò)電源線(xiàn)進(jìn)入電路后，若電源本身或連接到電源的其它電路是干擾源，則在電源線(xiàn)進(jìn)入電路之前必須對其去耦。

2.3 DSP中的共阻抗耦合問(wèn)題

當來(lái)自?xún)蓚€(gè)不同電路的電流流經(jīng)一個(gè)公共阻抗時(shí)就會(huì )產(chǎn)生共阻抗耦合。阻抗上的壓降由兩個(gè)電路決定。來(lái)自?xún)蓚€(gè)電路的地電流流經(jīng)共地阻抗，電路 1的地電位被地電流2調制，噪聲信號或DC補償經(jīng)共地阻抗從電路2耦合到電路1。

2.4 DSP中的輻射耦合問(wèn)題

經(jīng)輻射產(chǎn)生的耦合通稱(chēng)串擾。串擾是由電流流經(jīng)導體時(shí)產(chǎn)生的電磁場(chǎng)引起的，電磁場(chǎng)會(huì )在鄰近的導體中感應出瞬態(tài)電流。

2.5 DSP中的輻射現象

輻射有兩種基本類(lèi)型：差分(DM)和共模(CM)兩種模式。共模輻射或單極天線(xiàn)輻射是由無(wú)意的壓降引起的，它使電路中所有的地連接抬高到系統地電位之上。就電場(chǎng)大小而言，CM輻射是比 DM輻射更為嚴重的問(wèn)題。為使CM輻射最小，必須用切合實(shí)際的設計使共模電流降到零。

2.6 影響EMC的因數

(1)電壓：電源電壓越高，意味著(zhù)電壓振幅越大而發(fā)射就更多，而低電源電壓影響敏感度。

(2)頻率：高頻信號與周期性信號會(huì )產(chǎn)生更多的輻射。在高頻數字系統中，當器件處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)時(shí)將產(chǎn)生電流尖峰信號;在模擬系統中，當負載電流變化時(shí)也將產(chǎn)生電流尖峰信號。

(3)接地：在電路設計中，沒(méi)有比采用可靠和完美的地線(xiàn)連接方式更重要的事情了，在所有EMC問(wèn)題中，大部分問(wèn)題是由不適當的接地引起的。有單點(diǎn)、多點(diǎn)和混合三種信號接地方法。在頻率低于1MHz時(shí)可采用單點(diǎn)接地方法;在高頻應用中，最好采用多點(diǎn)接地;混合接地是低頻用單點(diǎn)接地和高頻用多點(diǎn)接地方法的結合。但高頻數字電路和低電平模擬電路的地回路絕對不能混合。

(4)PCB設計：適當的印刷電路板(PCB)布線(xiàn)對防止電磁干擾至關(guān)重要。

(5)電源去耦：當器件開(kāi)關(guān)時(shí)，在電源線(xiàn)上會(huì )產(chǎn)生瞬態(tài)電流，必須衰減和濾掉這些瞬態(tài)電流，來(lái)自高di /dt源的瞬態(tài)電流導致地和線(xiàn)跡“發(fā)射”電壓。高d i/dt產(chǎn)生大范圍高頻電流，激勵部件和纜線(xiàn)輻射，流經(jīng)導線(xiàn)的電流變化和電感會(huì )導致壓降，減小電感或電流隨時(shí)間的變化可使該壓降最小。

2.7 DSP的硬件降噪技術(shù)

2.7.1 板結構、線(xiàn)路安排方面的降噪技術(shù)

(1)采用地和電源平板;(2)平板面積要大，以便為電源去耦提供低阻抗;(3)使表面導體最少;(4)采用窄線(xiàn)條(4到8密耳)以增加高頻阻尼和降低電容耦合;(5)分開(kāi)數字、模擬、接收器、發(fā)送器地/電源線(xiàn);(6)根據頻率和類(lèi)型分隔PCB上的電路;(7)不要切痕PCB，切痕附近的線(xiàn)跡可能導致不希望的環(huán)路;(8)采用疊層結構是對大多數信號整體性問(wèn)題和EMC問(wèn)題的最好防范措施，它能夠做到對阻抗的有效控制，其內部的走線(xiàn)可形成易懂和可預測的傳輸線(xiàn)結構。且要密封電源和地板層之間的線(xiàn)跡;(9)保持相鄰激勵線(xiàn)跡之間的間距大于線(xiàn)跡的寬度以使串擾最小;(10)時(shí)鐘信號環(huán)路面積應盡量小;(11)高速線(xiàn)路和時(shí)鐘信號線(xiàn)要短且要直接連接;(12)敏感的線(xiàn)跡不要與傳輸高電流快速開(kāi)關(guān)轉換信號的線(xiàn)跡并行;(13)不要有浮空數字輸入，以防止不必要的開(kāi)關(guān)轉換和噪聲產(chǎn)生;(14)避免在晶振和其它固有噪聲電路下面有供電線(xiàn)跡;(15)相應的電源、地、信號和回路線(xiàn)跡要平行布景，以消除噪聲;(16)使時(shí)鐘線(xiàn)、總線(xiàn)和片使能端與輸入/輸出線(xiàn)和連接器分隔開(kāi)來(lái);(17)使路線(xiàn)時(shí)鐘信號與I/O信號處于正交位置;(18)為使串擾最小，線(xiàn)跡用直角交叉和散置地線(xiàn);(19)保護關(guān)鍵線(xiàn)跡(用4密耳到8密耳線(xiàn)跡以使電感最小，路線(xiàn)緊靠地板層，板層之間夾層結構，保護夾層的每一邊都有地)。

2.7.2 采用濾波技術(shù)降噪方法

(1)對電源線(xiàn)和所有進(jìn)入PCB的信號進(jìn)行濾波，在IC的每一個(gè)點(diǎn)引腳處用高頻低電感陶瓷電容(14MHz用0.1 mF，超過(guò)15MHz用0.01mF)進(jìn)行去耦;(2)旁路模擬電路的所有電源供電和基準電壓引腳;(3)旁路快速開(kāi)關(guān)器件;(4)在器件引線(xiàn)處對電源/ 地去耦;(5)用多級濾波來(lái)衰減多頻段電源噪聲;(6)把晶振安裝嵌入到板上并且接地;(7)在適當的地方加屏蔽;(8)安排鄰近地線(xiàn)緊靠信號線(xiàn)，以便更有效地阻止出現新的電場(chǎng);(9)把去耦線(xiàn)驅動(dòng)器和接收器適當地放置在緊靠實(shí)際的I/O接口處，這可降低PCB與其它電路的耦合，并使輻射和敏感度降低;(10)對有干擾的引線(xiàn)進(jìn)行屏蔽和絞在一起，以消除PCB上的相互耦合;(11)在感性負載上加箝位二極管。

3 DSP軟件設計時(shí)應采取的措施

軟件方面的干擾主要表現在以下幾個(gè)方面：(1)不正確的算法產(chǎn)生錯誤的結果，最主要的原因是由于計算機處理器中的程序指數運算是近似計算，產(chǎn)生的結果有時(shí)有較大的誤差，容易產(chǎn)生誤動(dòng)作;(2)由于計算機的精度不高，而加減法運算時(shí)要對階，大數“吃掉”了小數，產(chǎn)生了誤差積累，導致下溢的出現，也是噪聲的來(lái)源之一;(3)由于硬件方面的干擾引起的計算機出現的諸如：程序計數器PC值變化、數據采集誤差增大、控制狀態(tài)失靈、RAM數據受干擾發(fā)生變化以及系統出現“死鎖”等現象。

3.1 采用攔截失控程序的方法

(1)在程序設計時(shí)應多采用單字節指令，并在關(guān)鍵處插入一些空操作指令，或將有效單字節指令重復幾次，這樣可保護其后的指令不被拆散，使程序運行走上正軌;(2)加入軟件陷阱：當PC值失控使程序失控后，CPU進(jìn)入非程序區，這時(shí)可用一條引導指令，強迫程序進(jìn)入初始入口狀態(tài)，進(jìn)入程序區，可每隔一段設置一個(gè)陷阱;(3)軟件復位：當程序“走飛”時(shí)，運行監視系統，使系統自動(dòng)復位而重新初始化。

3.2 設立標志判斷

定義某單元為標志，在模塊主程序中把該單元的值設為某個(gè)特征值，然后在主程序的最后判斷該單元的值是否不變，若不同了則說(shuō)明有誤，程序就轉入錯誤處理子程序。