EDA技術(shù)在激光引信設計中的應用

本文針對目前激光引信探測系統的實(shí)際情況，在充分利用現有的軟硬件資源開(kāi)展型號研制過(guò)程中，利用 Mentor Graphics軟件進(jìn)行激光引信電路的設計，使引信設計更加方便、高效和優(yōu)化，能大大提高設計的可靠性，并縮短設計周期。從激光引信電路的傳輸特性、串擾耦合路徑入手，與引信電路的實(shí)際測試相結合，研究發(fā)射電路對激光引信的干擾機理并提出改進(jìn)措施，解決了激光引信電磁干擾的問(wèn)題，取得了較滿(mǎn)意的結果。

1 引言

隨著(zhù)現代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子、電氣設備獲得了越來(lái)越廣泛的應用。運行中的電子、電氣設備大多都伴隨著(zhù)電磁能量的轉換，高密度、寬頻譜的電磁信號構成了極其復雜的電磁環(huán)境。如何提高電子設備在復雜的電磁環(huán)境中的生存能力，以保證達到初始的設計目標，成為人們越來(lái)越關(guān)注的問(wèn)題。激光引信電路設計的重要內容之一就是研究控制和消除電磁干擾，使激光引信的各分系統在一起工作時(shí)，不引起其它設備或系統的工作性能的惡化或降低。簡(jiǎn)要的說(shuō)，就是如何實(shí)現一個(gè)設備在電磁環(huán)境中正常的工作，同時(shí)又不能對別的設備產(chǎn)生電磁干擾。

2 應用開(kāi)發(fā)背景

近年來(lái)隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，激光引信開(kāi)始向智能化、多功能和小型化方向發(fā)展，尤其是體積的縮小使得大功率、高頻電路、激光器、電源等強電磁波發(fā)生源與大量對電磁干擾敏感的元器件安裝在一起，因此消除激光引信內部干擾變得至關(guān)重要。通過(guò)EDA技術(shù)在激光引信中的應用，在引信電路設計之初就充分考慮系統的噪聲抑制，可以有效減少引信內部的干擾，提高電磁兼容性。

在此基礎上我們結合激光引信發(fā)射電路，應用Mentor Graphics公司的原理圖設計、元器件建庫、PCB布局布線(xiàn)等，并達到了較好的效果。我們利用Mentor提供的轉換接口工具將前版的Protel原理圖直接轉換為 Dxdesigner格式，然后在此基礎上改進(jìn)原理圖。原理圖設計是整個(gè)硬件設計的前端，它的完成質(zhì)量將對后面環(huán)節起決定作用。

DxDesigner是業(yè)界功能最強大的原理圖設計輸入工具，支持自頂向下以及自底向上的設計方式，支持層次化的設計輸入與設計管理，也支持平面方式以及混合方式的原理圖輸入方式，支持分頁(yè)設計。Mentor功能強大，但使用并不復雜，很多功能通過(guò)菜單或者快捷鍵、筆畫(huà)方式可以很快的運行。而且它還提供了各種窗口，如可以在原理圖中預覽PCB封裝、可以直接編輯網(wǎng)絡(luò )連接關(guān)系、多個(gè)器件屬性的同時(shí)編輯等。

Mentor公司的高端PCB設計工具Expedition PCB，從它的界面我們可以看出它完全針對Windows應用環(huán)境而開(kāi)發(fā)，用戶(hù)界面友好，操作方便。Expedition PCB布局布線(xiàn)工具是真正的任意角度布線(xiàn)器，布線(xiàn)方式多種多樣，尤其擅長(cháng)高密度多層板布線(xiàn)；支持自動(dòng)布線(xiàn)，總線(xiàn)布線(xiàn)和高速布線(xiàn)。功能上完全滿(mǎn)足現有及將來(lái)高密度互連、高速布線(xiàn)等PCB設計要求。它的自動(dòng)布線(xiàn)器特別優(yōu)秀，使我們以前對自動(dòng)布線(xiàn)器不實(shí)用的認識得到了改變。一塊中等難度的PCB，采用一定的布線(xiàn)策略可以在幾分鐘內完成布線(xiàn)。

3 主要應用和研究?jì)热?/p>

3.1激光引信干擾源

典型的脈沖激光引信系統通常由五個(gè)部分組成：激光發(fā)射模塊、接收模塊、時(shí)刻鑒別單元、高精度時(shí)間間隔測量單元和處理模塊。激光發(fā)射模塊在某時(shí)刻發(fā)射激光脈沖，其中一小部分功率直接進(jìn)入回波接收單元并觸發(fā)信號，開(kāi)始時(shí)間間隔測量；其余功率從發(fā)射電路向目標發(fā)射出去，經(jīng)距離L到達目標后被反射；接收通道的光電探測器接收到返回激光脈沖，經(jīng)放大后到達信號的放大及整形單元，產(chǎn)生終止信號，終止時(shí)間間隔測量；高精度計數單元把所測得的時(shí)間間隔結果t輸出到處理控制單元，最后得到距離。因此激光引信發(fā)射電路設計中如何提高抗干擾能力以免影響系統正常工作、甚至造成系統虛警乃至失效顯得十分重要。實(shí)際上，解決激光引信電磁干擾問(wèn)題效果一直不甚理想，電路測試中能觀(guān)測到較明顯的干擾信號。

圖1是在Protel環(huán)境下完成的設計后，單板的實(shí)際測試結果，由圖中可看出，在發(fā)射電路發(fā)射脈沖的同時(shí)，對接收系統產(chǎn)生較大影響，前端毛刺即為發(fā)射電路對接收系統的干擾，其干擾閾值超過(guò)0.5v。激光引信自身的電磁干擾主要來(lái)自于發(fā)射模塊。發(fā)射電路中周期性變化的脈沖時(shí)域信號含有豐富的諧波，對應的頻譜是離散頻譜，使其在脈沖頻率的整數倍頻率處的頻譜強度較非周期性變化的時(shí)域信號要高，因此在這些頻率處具有較強的干擾輻射。發(fā)射電路中的主要干擾形式是傳導干擾和近場(chǎng)干擾。印刷線(xiàn)路板的走線(xiàn)通常采用手工布局，具有更大的隨意性，這就增加了PCB分布參數的提取和近場(chǎng)干擾預測的難度。

3.2發(fā)射電路的串擾分析

對于激光引信電路，其上的傳輸線(xiàn)由于傳輸高頻信號，呈現電學(xué)長(cháng)線(xiàn)特性，這些要用傳輸線(xiàn)的分布參數概念來(lái)解釋。當高頻信號通過(guò)傳輸線(xiàn)時(shí)，傳輸線(xiàn)反映出的分布參數效應有四個(gè)：由于電流流過(guò)導線(xiàn)使導線(xiàn)發(fā)熱，這表明導線(xiàn)本身有分布電阻；由于導線(xiàn)間絕緣不完善而存在漏電流，這表明導線(xiàn)間處處有漏電導；由于導線(xiàn)中通過(guò)電流時(shí)周?chē)写艌?chǎng)，因而導線(xiàn)上存在分布電感效應；又因為導線(xiàn)間有電壓，導線(xiàn)間有電場(chǎng)，故導線(xiàn)間存在電容效應。

當負載阻抗不等于特性阻抗值時(shí)，它不能完全吸收到達的電磁能量，有一部分能量將從接受端反射回來(lái)，形成反射波。在傳輸線(xiàn)路中的各點(diǎn)反射波與入射波產(chǎn)生合成波，這種合成波稱(chēng)為駐波。由于一般傳輸線(xiàn)很難達到匹配狀況，所以駐波是最普遍的傳輸形式。

圖2 激光引信原理圖訪(fǎng)真

在引信電路中，由于器件寄生參數的存在使得波形畸變，甚至造成更加陡峭的電壓和電流變化率。一般來(lái)說(shuō)開(kāi)關(guān)電源傳導 EMI頻譜包含基頻(周期為數十毫秒)。由于對電磁兼容(EMC)的描述被定義在頻域，所以有必要將時(shí)域波形轉換到頻域。具體轉化過(guò)程如下:由傅立葉定理可得，任何周期信號都能被表示為正弦和余弦信號的級數形式，其頻率是基頻的整數倍。然而，因為EMI的頻域范圍很寬，所以需要花費很長(cháng)時(shí)間和精力對每一個(gè)諧波的幅度進(jìn)行嚴格的分析。其中電路的正向di導通所用時(shí)間，是引起 dt 變化的主要原因。在激光引信電路中，這個(gè)電流尖峰的頻譜很寬，有很大的變化率，可以帶來(lái)以下后果:1)在接收回路的電阻上產(chǎn)生很大的電壓；2)使接收回路產(chǎn)生振蕩；3)變化的電流產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，干擾周?chē)芈返恼９ぷ鳌?/p>

根據以上分析，我們在Mentor環(huán)境下重新設計了激光引信發(fā)射電路。單板的實(shí)際測試結果，由圖中可看出，前端毛刺即為發(fā)射電路對接收系統的干擾明顯低于之前的0.5v，信噪比有明顯改善。

4 應用效果及效益分析

在本次設計的過(guò)程中應用了仿真技術(shù)取得了較好的效果，保證了制板的一次性成功。在實(shí)際設計中，EDA技術(shù)具有操作交互性好、細節處理好等特點(diǎn)，可以有效幫助我的設計不是盲目任意的，所有的設計內容都是基于我們分析的結果。這樣可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量，減少盲目設計帶來(lái)的反復?；谶@個(gè)設計思想，Mentor可以在設計的前期就把我們得到的設計規則加到設計中去，從而保證了設計的一致性。

5 總結

實(shí)驗表明，借助于 EDA技術(shù)可以有效提高激光引信的設計質(zhì)量，能夠對電路中的干擾進(jìn)行合理的預測、分析。最大程度地減少了重復設計的次數。為今后系統訪(fǎng)真設計提供了重要參考。