深度解析DSP電磁兼容性問題

　　1 引言

　　自從20世紀(jì)80年代初期第一片數(shù)字信號(hào)處理器芯片(DSP)問世以來，DSP就以數(shù)字器件特有的穩(wěn)定性、可重復(fù)性、可大規(guī)模集成、特別是可編程性和易于實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)處理等特點(diǎn)，給數(shù)字信號(hào)處理的發(fā)展帶來了巨大機(jī)遇，應(yīng)用領(lǐng)域廣闊。但由于DSP是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜、種類繁多并有許多分系統(tǒng)的數(shù)、?；旌舷到y(tǒng)，所以來自外部的電磁輻射以及內(nèi)部元器件之間、分系統(tǒng)之間和各傳輸通道間的竄擾對(duì)DSP及其數(shù)據(jù)信息所產(chǎn)生的干擾，己嚴(yán)重地威脅著其工作的穩(wěn)定性、可靠性和安全性。據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(duì)環(huán)境中的人體、設(shè)備產(chǎn)生干擾、妨礙或損傷。并且隨著DSP運(yùn)算速度的提高，能夠?qū)崟r(shí)處理的信號(hào)帶寬也大大增加，它的研究重點(diǎn)也轉(zhuǎn)到了高速、實(shí)時(shí)應(yīng)用方面。但正是這樣，它的電磁兼容性問題也就越來越突出了，本文在DSP的電磁兼容性問題方面進(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(tǒng)的發(fā)射和敏感度兩方面的問題。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(tǒng)符合下面三個(gè)條件，則該系統(tǒng)是電磁兼容的。(1) 對(duì)其它系統(tǒng)不產(chǎn)生干擾;(2) 對(duì)其它系統(tǒng)的發(fā)射不敏感;(3) 對(duì)系統(tǒng)本身不產(chǎn)生干擾。

　　2.1 DSP中的干擾主要來源

　　電磁干擾是通過導(dǎo)體或通過輻射產(chǎn)生的，很多電磁發(fā)射源，如光照、繼電器、DC 電機(jī)和日光燈都可引起干擾。AC電源線、互連電纜、金屬電纜和子系統(tǒng)的內(nèi)部電路也都可能產(chǎn)生輻射或接收到不希望的信號(hào)。在高速數(shù)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(tǒng)中，這些電路可產(chǎn)生高達(dá)300MHz 的諧波失真信號(hào)，在系統(tǒng)中應(yīng)該把它們除掉。在數(shù)字電路中，最容易受影響的是復(fù)位線、中斷線和控制線。

　　2.2 DSP中的傳導(dǎo)性干擾

　　一種最明顯能引起電路噪聲的傳播路徑是經(jīng)過導(dǎo)體。一條穿過噪聲環(huán)境的導(dǎo)線可撿拾噪聲，并把噪聲送到另外電路而引起干擾。設(shè)計(jì)人員必須避免導(dǎo)線撿拾噪聲，如噪聲通過電源線進(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，則在電源線進(jìn)入電路之前必須對(duì)其去耦。

　　2.3 DSP中的共阻抗耦合問題

　　當(dāng)來自兩個(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。來自兩個(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(diào)制，噪聲信號(hào)或DC補(bǔ)償經(jīng)共地阻抗從電路2耦合到電路1。

　　2.4 DSP中的輻射耦合問題

　　經(jīng)輻射產(chǎn)生的耦合通稱串?dāng)_。串?dāng)_是由電流流經(jīng)導(dǎo)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(dǎo)體中感應(yīng)出瞬態(tài)電流。2.5 DSP中的輻射現(xiàn)象

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

　　2.6 影響EMC的因數(shù)

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

　　(2)頻率：高頻信號(hào)與周期性信號(hào)會(huì)產(chǎn)生更多的輻射。在高頻數(shù)字系統(tǒng)中，當(dāng)器件處于開關(guān)狀態(tài)時(shí)將產(chǎn)生電流尖峰信號(hào);在模擬系統(tǒng)中，當(dāng)負(fù)載電流變化時(shí)也將產(chǎn)生電流尖峰信號(hào)。

　　(3)接地：在電路設(shè)計(jì)中，沒有比采用可靠和完美的地線連接方式更重要的事情了，在所有EMC問題中，大部分問題是由不適當(dāng)?shù)慕拥匾鸬?。有單點(diǎn)、多點(diǎn)和混合三種信號(hào)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(yīng)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(jié)合。但高頻數(shù)字電路和低電平模擬電路的地回路絕對(duì)不能混合。

　　(4)PCB設(shè)計(jì)：適當(dāng)?shù)挠∷?span id="rfhjasv" class="hrefStyle">電路板(PCB)布線對(duì)防止電磁干擾至關(guān)重要。

　　(5)電源去耦：當(dāng)器件開關(guān)時(shí)，在電源線上會(huì)產(chǎn)生瞬態(tài)電流，必須衰減和濾掉這些瞬態(tài)電流，來自高di /dt源的瞬態(tài)電流導(dǎo)致地和線跡“發(fā)射”電壓。高d i/dt產(chǎn)生大范圍高頻電流，激勵(lì)部件和纜線輻射，流經(jīng)導(dǎo)線的電流變化和電感會(huì)導(dǎo)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(jié)構(gòu)、線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(dǎo)體最少;(4)采用窄線條(4到8密耳)以增加高頻阻尼和降低電容耦合;(5)分開數(shù)字、模擬、接收器、發(fā)送器地/電源線;(6)根據(jù)頻率和類型分隔PCB上的電路;(7)不要切痕PCB，切痕附近的線跡可能導(dǎo)致不希望的環(huán)路;(8)采用疊層結(jié)構(gòu)是對(duì)大多數(shù)信號(hào)整體性問題和EMC問題的最好防范措施，它能夠做到對(duì)阻抗的有效控制，其內(nèi)部的走線可形成易懂和可預(yù)測(cè)的傳輸線結(jié)構(gòu)。且要密封電源和地板層之間的線跡;(9)保持相鄰激勵(lì)線跡之間的間距大于線跡的寬度以使串?dāng)_最小;(10)時(shí)鐘信號(hào)環(huán)路面積應(yīng)盡量小;(11)高速線路和時(shí)鐘信號(hào)線要短且要直接連接;(12)敏感的線跡不要與傳輸高電流快速開關(guān)轉(zhuǎn)換信號(hào)的線跡并行;(13)不要有浮空數(shù)字輸入，以防止不必要的開關(guān)轉(zhuǎn)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跡;(15)相應(yīng)的電源、地、信號(hào)和回路線跡要平行布景，以消除噪聲;(16)使時(shí)鐘線、總線和片使能端與輸入/輸出線和連接器分隔開來;(17)使路線時(shí)鐘信號(hào)與I/O信號(hào)處于正交位置;(18)為使串?dāng)_最小，線跡用直角交叉和散置地線;(19)保護(hù)關(guān)鍵線跡(用4密耳到8密耳線跡以使電感最小，路線緊靠地板層，板層之間夾層結(jié)構(gòu)，保護(hù)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(duì)電源線和所有進(jìn)入PCB的信號(hào)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(zhǔn)電壓引腳;(3)旁路快速開關(guān)器件;(4)在器件引線處對(duì)電源/ 地去耦;(5)用多級(jí)濾波來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(dāng)?shù)牡胤郊悠帘?(8)安排鄰近地線緊靠信號(hào)線，以便更有效地阻止出現(xiàn)新的電場(chǎng);(9)把去耦線驅(qū)動(dòng)器和接收器適當(dāng)?shù)胤胖迷诰o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(duì)有干擾的引線進(jìn)行屏蔽和絞在一起，以消除PCB上的相互耦合;(11)在感性負(fù)載上加箝位二極管?！　≤浖矫娴母蓴_主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1)不正確的算法產(chǎn)生錯(cuò)誤的結(jié)果，最主要的原因是由于計(jì)算機(jī)處理器中的程序指數(shù)運(yùn)算是近似計(jì)算，產(chǎn)生的結(jié)果有時(shí)有較大的誤差，容易產(chǎn)生誤動(dòng)作;(2)由于計(jì)算機(jī)的精度不高，而加減法運(yùn)算時(shí)要對(duì)階，大數(shù)“吃掉”了小數(shù)，產(chǎn)生了誤差積累，導(dǎo)致下溢的出現(xiàn)，也是噪聲的來源之一;(3)由于硬件方面的干擾引起的計(jì)算機(jī)出現(xiàn)的諸如：程序計(jì)數(shù)器PC值變化、數(shù)據(jù)采集誤差增大、控制狀態(tài)失靈、RAM數(shù)據(jù)受干擾發(fā)生變化以及系統(tǒng)出現(xiàn)“死鎖”等現(xiàn)象。

　　3.1 采用攔截失控程序的方法

　　(1)在程序設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)多采用單字節(jié)指令，并在關(guān)鍵處插入一些空操作指令，或?qū)⒂行巫止?jié)指令重復(fù)幾次，這樣可保護(hù)其后的指令不被拆散，使程序運(yùn)行走上正軌;(2)加入軟件陷阱：當(dāng)PC值失控使程序失控后，CPU進(jìn)入非程序區(qū)，這時(shí)可用一條引導(dǎo)指令，強(qiáng)迫程序進(jìn)入初始入口狀態(tài)，進(jìn)入程序區(qū)，可每隔一段設(shè)置一個(gè)陷阱;(3)軟件復(fù)位：當(dāng)程序“走飛”時(shí)，運(yùn)行監(jiān)視系統(tǒng)，使系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位而重新初始化。

　　3.2 設(shè)立標(biāo)志判斷

　　定義某單元為標(biāo)志，在模塊主程序中把該單元的值設(shè)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，若不同了則說明有誤，程序就轉(zhuǎn)入錯(cuò)誤處理子程序。

　　3.3 增加數(shù)據(jù)安全備份

　　重要的數(shù)據(jù)用兩個(gè)以上的存儲(chǔ)區(qū)存放，還可以用大容量的外部RAM，將數(shù)據(jù)作備份。永久性數(shù)據(jù)制成表格固化在EPROM中，這樣既能防止數(shù)據(jù)和表格遭破壞，又能保證程序邏輯混亂時(shí)不將數(shù)據(jù)當(dāng)指令去運(yùn)行。

　　4 利用EDA工具設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的幾個(gè)關(guān)鍵因素

　　高速數(shù)字電路的設(shè)計(jì)一方面需要設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)，另一方面需要優(yōu)秀的EDA工具的支持，EDA軟件己走向了多功能、智能化。隨著球柵陣列封裝的高密度單芯片、高密度連接器、微孔內(nèi)建技術(shù)以及3D板在印刷電路板設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，布局和布線已越來越一體化了，并成為了設(shè)計(jì)過程的重要組成部分。自動(dòng)布局和自由角度布線等軟件技術(shù)已漸漸成為解決這類高度一體化問題的重要方法，利用此類軟件能在規(guī)定時(shí)間范圍內(nèi)設(shè)計(jì)出可制造的電路板。在目前，由于產(chǎn)品上市時(shí)間越來越短，手動(dòng)布線極為耗時(shí)，己不能適應(yīng)要求。因此，現(xiàn)在要求布局布線工具具有自動(dòng)布線功能，以快速響應(yīng)市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)提出的更高要求。

　　4.1 自動(dòng)布線技術(shù)

由于要考慮電磁兼容(EMC)及電磁干擾、串?dāng)_、信號(hào)延遲和差分對(duì)布線等高密度設(shè)計(jì)因素，布局布線的約束條件每年都在增加。在幾年前，一般的電路板僅需 6 個(gè)差分對(duì)來進(jìn)行布線，而現(xiàn)在則需600對(duì)。在一定時(shí)間內(nèi)僅依賴手動(dòng)布線來實(shí)現(xiàn)這600對(duì)