电磁兼容课程论文

电磁屏蔽技术的应用

摘要：阐述了电磁兼容技术的发展、电磁兼容的基本概念以及电磁干扰的产生机理,并以一款智能语音录放系统的EMC设计为例,对如何完成满足电磁兼容要求的产品给出了建议。

关键词：电磁兼容性;电磁干扰源;耦合途径

1、引言

电子技术的飞速发展和电子产品的广泛应用,使人们的生活 更加舒 适和 丰富 多彩,但同时也使电子公害日益社会化、家庭化,电磁兼容 EMC(electromagnetic compatibility )问题越来越严重, 因而引起世界各国政府和民间组织的极大重视, 纷纷研究制定出各种符合自己国情和集团利益的有关产品的电磁兼容性标准和技术法规, 电子产品上市前必须通过严格的 EM C 标准。EM C 是专门研 究电气设备之间电磁兼容性的一门专业技术, 据美国电气和电子工程师协会( I EEE) 对电磁兼容性的定义,电磁兼容性是指电子设备在其所处的电磁环境中满意地工作, 同时又不向该环境及同一环境中的其它装置排放超过允许范围的电磁扰动。通俗地说, 就是使电气设备、电子仪器、仪表之间 和平共处,均能正常工作而不致相互干扰的技术。电磁兼容设计是实现设备或系统功能、 系统效能得以充分发挥的重要保证。目前, 电子设备或系统设计的重点已由逻辑设计或系统设计转移到电磁兼容设计上。经验证明, 在电子系统设计的初级阶段, 同时进行电磁兼容性设计,把电磁兼容的大部分问题解决在设计定型之前, 可得到最高的效费比。本文介绍电磁兼容技术的发展、 电磁兼容的基本概念以及电磁干扰的产生机理, 并以一款智能语音录放系统的 EM C 设计为例,给出电子产 品研发中的 EMC优化建议。

2、电磁兼容技术

1881 年,英国著名科学家希维赛德发表了论干扰文章,是研究电磁干扰问 题最主要的早 期文献,标志着研究干扰问题的开始。20 世纪 40 年代后,各国开始比较系统地进行电磁兼容技术的研究;60 年代后,随着电子和电气技术得到迅速发展和广泛应用,电磁兼容技术获得空前的发展;80年代后,电磁兼容技术开始

实行强制认证制度。国际上, 欧盟 89/336/EEC 电磁兼容指令从 1996 年 1月 1 日开始强制执行, 2007 年 7 月 2 0 日起强制执行 200 4/108/ EC,同时废除 89/ 336/ EEC 指令。我国于 2 001年 12 月建立了强制性产品 3C 认证制度,只有取得3 C 认证的产品才能进入国内市场。电磁兼容 ( EMC) 主要研究电磁干扰( EMI ) 和抗干扰的问题, 形成电磁干扰( EMI ) 必须具备 3 个基本要素:电磁干扰源( Source)、耦合途径( Trace)和接收器( 敏感设备),如图 1 所示,由电磁干扰源发射的电磁能量, 经过耦合途径传输到接收器( 敏感设备) , 这个过程称为电磁干扰效应。

电磁干扰源 耦合途径 接收器 控制发射 （减少噪声电平，降低电磁辐射） 控制易受干扰性 （降低电磁辐射，增加接收器抗扰性） 图 1 电磁干扰模型的组成

为实现电磁兼容,须从3个基本要素出发, 采用技术和组织两方面措施。技术措施是从分析电磁干扰源、耦合途径和接收器着手,采取有效的技术手段,抑制干扰源、 消除或减弱干扰的耦合,降低敏感设备对干扰源的响应或增加电磁感性电平; 组织措施是制订和遵循一套完整的标准和规范,进行合理的频谱分配,校制与管理频谱的使用,依据频率、工作时间、天线方向性等规定工作方式。分析电磁环境并选择布置地域,进行电磁兼容性管理等。

3.在数字语音录放系统设计的应用

3.1.1系统硬件设计

本智能语音录放系统硬件框图如图2所示,硬件系统包括 3 个部分: DL 165 21 DS P 处理系统,包括模拟语音输入和输出电路、与闪速存储器KM29W16000

接口等;M78860主处理器系统,包括EM 78860处理器、键盘扫描电路、LCD驱动电路、与DL1652接口等;以SP6644升压型DC-DC转换芯片为核心的电压转换电路,其主要作用是为系统提供工作电源。

图 2 系统硬件框图

主控制器采用中国台湾义隆公司生产的EM7880单片机,M78860型8位单片机是专为信号处理系统设计的MCU 核,管理采用RISC结构设计,内置LCD驱动,提供 Port6-Port9共32个双向三态I/O口,此外还提供COM0 -COM15,SEG0 - SEG59共76个LCD 驱动管脚,与DSP处理器以及LCD驱动芯片的连接非常方便。EM78860 作为主控制器,主要通过键盘扫描和LCD 驱动完成与用户的交互,并根据用户的要求控制D L16521的工作,同时将操作结果反馈给用户;用户接口将直接完成上述的交互过程。DSP芯片DL16521进行语音信号的数字信号处理和flash 存储器 管理。DL16521芯片集语音A/D,D/A 及抗混叠滤波于一体,并利用内部集成的BT L功放线路驱动0.5 W喇叭或耳机发声。芯片内部采用程序和数据分开的哈佛结构,具有专门的硬件乘法器,采用流水线操作,提供特殊的 DSP指令,用来快速地实现各种数字信号处理算法。 DL16521应用并行总线与一片三星的16MB大容量 Flash 存储器KM29W16000进行连接。 3.1.2 系统软件设计

EM78860软件部分主要完成对用户界 面的支持。用户通过键盘输入需要执行操作,EM 78860将其转换成相应的指令码发送至DL16521;而将DL16521送回的反 馈信息输出到LCD显示给用户。EM78860软件主要包括初始化程序、主程序、定时中断服务程序和 INT0中断服务程序。在初始化程序中,完成EM78860的初始化、 DL16521的复位,从DL16521获得已存入闪速存储器的语音段数和数字音

量等。主程序主要是按键处理程序。DL1652 1 软件部分的核心将是 DL16521的语音处理功能,该模块将完成对原始语音采集、ADC过程的处理、压缩及相逆的合成过程。DL16521的软件包括EPROM引导程序和系统软件两部分。EPROM引导程序是将系统软件从低速EPROM搬到高速RAM中。系统软件由3部分组成,即主程序、 串行中断服务程序和INT0中断服务程序。主程序完成系统的初始化,包括从闪速存储器中读取已经存入的语音段数及数字音量等信息。完成初始化过程后, DL16521 就等待从EM78860主处理器发来的各种命令,据不同命令调用相应的处理程序。串行中断服务程序完成语音的输入/ 输出和数据格式的转化功能;INT0 中断服务程序主要用来接收从EM78860送来的各种命令,并且设置相应的命令标志以便DL16521 在主程序中识别并调用相应的子程序。 3．2电磁兼容性设计 3.2.1 软件的抗干扰设计

软件既要能准确地运行出正确结果,又要能在严重干扰情况下可靠地运行,所编制的软件必须要有抗干扰性。软件抗干扰技术是当系统受干扰后使系统恢复正常运行或输入信号受干扰后去伪存真的一种辅助方法。软件抗干扰是被动措施, 而硬件抗干扰是主动措施。但由于软件设计灵活,能处理随机性、瞬时性的干扰, 可以节省硬件资源等, 所以软件抗干扰技术越来越受到人们的重视, 只要认真分析系统的干扰来源及传播途径,采用硬件、软件相结合的抗干扰措施,就能保证系统长期稳定可靠地运行。本系统采用的软件抗干扰方法主要有:采用软件的方法抑制叠加在模拟输入信号上的噪声影响,如数字滤波技术和输出数据端口刷等 新方法。用查询代替中断,把中断减到最少, 中断信号连线长度应不大于0.1 m, 以避免误触发和感应触发。在软件中的关键地方设置看门狗 。对由于干扰而使程序运行发生混乱,导致程序乱飞或陷入死循环的情况使软件走飞也能从头开始。对输入的键盘信号进行延时去抖动。 3.2.2 PCB的电磁兼容性设计

为了使设备或系统达到电磁兼容状态,通常采用印制电路板设计、 屏蔽机箱( 柜、 壳)、电源线滤波、信号线滤波、接地、电缆设计等技术。实践证明印制电路板设计的合理性与产品质量紧密相关。印制线路板是电子产品最基本的部件, 也是绝大部分电子元器件的载体。当一个产品的印制线路板设计完成后, 可以说

其核心电路的电磁干扰和抗扰特性就基本确定下来了, 再通过少量的外围瞬态抑制器件和滤波电路及适当的外壳屏蔽和正确的接地, 就可以完成一个满足电磁兼容要求的产品。就是说一个好的印制线路板可以解决大部分的电磁干扰问题。解决 PCB设计中的 EM C 问题, 应注重印制电路板的选取元器件布局、地线系统设计、合理的布线策略、静电的防护等方面的工作。 3.2.3印制电路板的选取

印制电路板大小要适中,过大时印制线条长,阻抗增加,不仅抗噪声能力下降,成本也高;过小,则散热不好,同时易受临近线条干扰。印制 电路板有单面、双面和多层板之分。单面和双面板一般用于低、 中密度布线的电路和集成度较低的电路;多层板适用于高密度布线、 高集成度芯片的高速数字电路。从电磁兼容的角度来说,多层板可以减小线路板的电磁辐射并提高线路板的抗干扰能力。本设计选用双面板。 3.2.4 元器件布局

良好的PCB布局是电子产品具有良好性能的关键,这就要求 PCB设计工程师对产品设计的原理、布线规则、 电磁兼容控制技术有深刻理解和丰富经验。电路中元件的布局直接影响电磁兼容和抗扰度特性。从频率而言是先高频, 再中频,最后低频电路; 而从逻辑速度而言,是先高速,再中速,最后是低速逻辑电路。布局时首先放置与结构配合紧密的固定元器件,如电源插座、指示灯、开关、连接件之类,然后放置线路上的较特殊的和较大的元器件,如发热元件、变压器、IC 等;热敏元件应远离发热元件;布局应均匀、整齐、紧凑;去耦电容应在电源输入端就近放置;距板边距离应大于3 mm等。本设计中元器件放置的顺序为:固定结构设计的过孔,贴片 按触开关,大的功能器件EM78860,DL 6521,KM 29W16 000 等。 3.2.3 印制板线条设计及布线策略

印制线路是整个电路设计的重要环节,其对PCB抗扰性能有直接影响,印制线路的EMC设计需要选择合理的导线宽度、 长度和采用正确的布线策略。由于瞬变电流在印制线条上所产生的冲击干扰主要是由印制导线的电感成分造成的, 因此应尽量减小印制导线的电感量。印制导线的电感量与其长度成正比,与其宽度成反比, 因而短而精的导线对抑制干扰是有利的。时钟引线、行驱动器或总线驱动器的信号线常常载有大的瞬变电流, 印制导线要尽可能短。印制导线的宽度

应以能满足电气性能要求而又便于生产为宜, 它的最小值以承受的电流大小而定。一般情况下,地线应比电源线宽,它们之间的关系是:地线>电源线>信号线; 地线最宽使它能通过3倍于印制电路板的最大允许电流。线宽的经验值一般取0.2 –0.3 mm,本设计中除VDD,VSS ,VIN ,AGND等的网络连线宽度设置为0.3 – 0.4mm 外,其余网络线宽均设置为0.2mm。布线设计原则主要有:线应避免锐角、直角,采用45走线,印制线路线条宽度不能有突变,否则可能带来反射;避免平行布线, 最好采用井字形网状布线结构,具体做法是,印制板的一面横向布线,另一面纵向布线, 也就是相邻层信号线为正交方向,然后在交叉孔处用金属化孔相连。本设计的双面板就是采用井字形网状布线结构,印制板的一面横向布线,另一面纵向布线。

3.2.4 地线的抗干扰设计

在PCB 板中,地线结构大致有系统地、机壳地、数字地和模拟地等,消除地线干扰的重要措施就是接地。针对系统可能存在的地线环路干扰和辐射干扰, 本系统采取以下措施。

( 1) 模拟地与数字地隔离。在处理由数字电路和模拟电路混合构成的 PCB 板时, 布线时要特别注意地线上的噪音干扰。对地线来说,整个PCB 对外只有一个结点, 所以必须在 PCB 内部处理数、 模共地的问题, 而在板内部数字地和模拟地必须是分开的,只是在 PCB 与外界接口处( 如插头等)有一点短接。尽量加粗模拟地, 尽量加大其引出端的接地面积,多点接地,尽量降低地线阻抗。

( 2) 将地线布成网格。地线的一个主要作用是提供信号回流途径,信号回流要求环路面积小,路径电感小。阻抗也小; 另一个作用是对信号线的保护。地线网格提供了大量的平行地线,并联后电感很小,有效减小了地线的阻抗。 3.2.5 静 电 防 护 设 计

ESD (electrostatic discharge) 静电放电是普遍存在的,静电放电的特点是高电位、 低电荷、大电流和短时间。ESD 可通过直接传导、电容耦合和电感耦合等方式进入电子线路,直接对电路的ESD经常会引起电路的损坏,对邻近物体的放电通过电容或电感耦合会影响到电路工作的稳定性。相关人员在接触 PCB 时务必带上静电手环, 避免人体电荷移动而导致静电积累损伤。PCB设计的对于静电防护问题有以下几方面考虑。

( 1 )保证信号回流具有最短通路,有选择性地加入滤波电容和去耦电容, 提高信号线的静电放电免疫能力。

( 2 ) 采用保护器件如电压瞬态抑制二极管,对电路进行保护设计。本 PCB 设计在信号输入输出电缆入口处设置了 ESD 保护器件。

5.结束语

本文以一款智能语音录放系统中的 EMC设计为例,对如何完成满足电磁兼容要求的产品给出了建议,对本系统PCB设计中诸如元器件布局、接地、静电防护、 布线策略等技术问题的EMC优化方法进行了综述。电子产品设计中, 只有及早考虑并采用良好电磁兼容性措施,才能提高产品开发的效费比并顺利通过电磁兼容测试。面对日益突出的电磁干扰问题, 加强电磁兼容理论研究, 推广现有的、 成熟的电磁兼容技术,在产品研发早期考虑和解决EMC 问题,不断研究新的EMC设计方法等是需要长期面对的具有重要实际意义的课题。

参考文献

[ 1 ]白同云,吕晓德.电磁兼容设计[ M ].北京: 北京邮电大学出版社,2001 .

[ 2 ]陈穷,蒋全兴,周开基,等.电磁兼容性工程 计 手 册[ M ] .北京: 国防工业出版社,1993.

[ 3 ] 欧洲议会和理事会.欧洲议会和理事会2004/108/ EC指令[ J ].姜冬梅, 张璐, 张庆元,译.安全与电磁兼容,2005( 3):4 3-4 8.

[ 4 ]顾 海 洲,马双武.PCB电 磁兼容技术设计实践[ M ].北京:清华大学出版社,2004. [ 5 ]张宏伟. 印制电路板的抗干扰性设计[ J].南阳师范学院学报,2004 ,3 ( 6 ) : 30 -32 .

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/htf2.html