EMC技術(shù)在DSP控制系統(tǒng)中的應用

本文深入細致地分析了DSP控制系統(tǒng)的信號完整性問題，從PCB設計和軟件設計兩方面，提出電磁兼容性設計的方案。在教學過程中增加該實例的講解， 使得抽象的電磁兼容理論具體化。這樣，學生的知識面得到擴展，對電磁兼容理論的理解會更加透徹，電磁兼容性設計的能力也會相應提高。

電磁兼容EMC是電子、電氣設備或系統(tǒng)的一種重要技術(shù)性能。所謂電磁兼容性是指設備或系統(tǒng)能在所處的電磁環(huán)境中正常工作，同時又不對該環(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)是一個高速復雜的數(shù)模混合系統(tǒng)，在工業(yè)過程中會受到各種干擾，使得系統(tǒng)不能正常運行。同時，DSP系統(tǒng)又不可避免地向外輻射電磁波，對周圍的電子設備產(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，成為設計DSP控制系統(tǒng)必須考慮的因素［1］。筆者在教學中發(fā)現(xiàn)，學生對EMC的理解不夠透徹，對EMC設計了解太少。本文旨在通過對DSP控制系統(tǒng)中EMC設計實例的分析，加深學生對電磁兼容技術(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，電磁兼容問題主要從傳導和輻射兩方面進行分析。電子系統(tǒng)電磁兼容設計的目標就是找到一種性價比最優(yōu)的方式，來降低受試設備［2］EUT對外發(fā)射的電磁干擾強度，并提高受試設備自身的電磁干擾耐受性。

　　圖1 電磁兼容基本內(nèi)容

無論是復雜的系統(tǒng)還是簡單的電子元件，任何一個電磁干擾的產(chǎn)生都必須具備三要素［3］：電磁干擾源、傳播途徑和敏感設備。其傳播途徑包括無線輻射、有線傳導及地線耦合，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，通過一定的傳播途徑到達敏感設備，從而對敏感設備產(chǎn)生干擾。

為分析和設計電子系統(tǒng)或設備的電磁兼容性，必須分清這三要素。復雜的系統(tǒng)中干擾源和敏感設備間并沒有明顯的界線，很可能同時存在多個干擾源。干擾的傳播也會存在很多渠道，既有傳導耦合，也有輻射耦合。

2 高速電子系統(tǒng)的信號完整性

信號完整性是指傳輸?shù)男盘栙|(zhì)量及信號定時的準確性，即在要求的時間內(nèi)信號完整地從始端傳輸?shù)浇K端。信號完整性缺失不是由單一元素引起的，而是系統(tǒng)中的多個因素共同決定的。

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

3 DSP控制系統(tǒng)的電磁兼容性設計

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ADC模塊和I/O模塊等）、同DSP片內(nèi)外設I/O模塊相連的驅(qū)動模塊、信號采集模塊以及被控制對象組成。

　　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)的電磁干擾信號會通過多種渠道進入系統(tǒng)，既可以以場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系統(tǒng)的影響不可忽視。外界以及系統(tǒng)內(nèi)部間的信號可以通過導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所示導體1和導體2可以分別表示印刷電路板的時鐘線和數(shù)據(jù)線，兩導體對地都有分布電容C1g和C2g，兩導體之間有分布電容C。分布電容C

把兩導體連接在一個電路中，使得流經(jīng)兩導體的信號產(chǎn)生串擾。

假設圖示的等效電路中，干擾源電壓為Ui，則其耦合到導體回路2中的電壓為

　　（1）

式中，X是Ui的角頻率;R是導體2的電阻值。

若R很小，且滿足

則（2）

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

若R很大，且滿足 ，則有

　　（3）

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

圖5表示回路1中有交變電流I1流過時，產(chǎn)生的交變磁通通過回路2產(chǎn)生感應電動勢，對回路2產(chǎn)生電磁干擾。

圖中干擾源I1在負載阻抗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重。由于電源內(nèi)阻的存在，干擾信號都會通過電源內(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，在其上產(chǎn)生的壓降會使兩個電路彼此產(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)抗干擾設計

3.2.1合理設計PCB板減小系統(tǒng)串擾

串擾會隨著印刷電路板導線布局密度的增加越趨嚴重，在PCB設計中要盡量做到以下幾點，以此減小串擾的影響。

（1）為防止外界干擾通過圖3所示的信號采集模塊進入系統(tǒng)，可采用某些器件對信號進行隔離。

（2）為減小如圖4所示的兩相鄰導體間的互電容C，可在導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、并行信號線的長度和信號線到地的參考距離間隔，或增大信號線間距。

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

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

3.2.2 軟件設計減小DSP系統(tǒng)干擾

由于干擾的存在，DSP控制系統(tǒng)程序可能會跳轉(zhuǎn)到某些未知區(qū)域，導致程序跳轉(zhuǎn)錯位。實際應用中，我們可以采取以下措施來提高系統(tǒng)的電磁兼容性。

（1）在軟件的所有模塊設置看門狗，一旦軟件跳轉(zhuǎn)會自動產(chǎn)生復位。

（2）對于輸入的開關(guān)信號進行延時防抖動，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）利用特有的外設控制字，設置合理的信號邊沿有效作用檢測時間。