摘要： 介紹了電磁兼容設計的重要性，并從電磁兼容的基本原理出發，詳細論述了嵌入式系統中電磁兼容設計的主要內容和實施策略。
關鍵詞： 嵌入式系統；電磁兼容；設計；耦合
Abstract： This paper introduces the essentiality of the electromagnetic compatibility design．And discusses the main contents ofthe electromagnetic compatibility design of the embedded system from its basic theory．
Keywords： embedded system；EMC；design；coupled
1引言
EMC(Electromagnetic Compatibility)——電磁兼容(性)是一門多學科交叉的邊緣性學科。電磁兼容技術已在很多領域中得到廣泛的應用，在嵌入式應用中也越來越受到重視。任何電子設備在運行時會向周圍發射電磁能量，可能會對其他設備產生干擾。同時設備本身也可能受到周圍電磁環境的干擾，電磁兼容研究的主要問題就是如何使處于同一電磁環境中的各種設備或同一設備中的各組件都能正常工作而又互不干擾。
2嵌入式系統中電磁兼容性的特點
隨著IC技術的發展，新技術不斷涌現。高性能單片機系統逐步采用32位字長的RISC體系結構，運行頻率超過了100 MHz，8位單片機也采用新工藝提高系統速度擴展功能接口。嵌入式系統正朝著高集成度、高速度、高精度、低功耗的方向發展。同時，由于電子技術的廣泛應用，電子設備密度升高，電磁環境惡化，系統的電磁干擾與抗干擾問題日益突出。
嵌入式系統中的電磁干擾主要通過2種方式傳播：
1)導線傳播即通過設備的信號線、控制線、電源線等直接侵入敏感設備，這種方式稱傳導干擾。
(2)空間傳播騷擾源周圍空間存在著電場、磁場和電磁場，會對附近電子線路產生干擾，稱為場干擾。
2．1傳導干擾
2．1．1傳輸線的分布參數特性
(1)傳輸線的電阻
任何導體都存在一定的電阻，在導線中流過直流或低頻電流時電荷在導線橫截面上是均勻分布的。當導線中流過高頻電流時，由于高頻集膚效應，導線中的電流主要集中在導體的表面，而導線中心幾乎沒有電流，因此導線的交流電阻將大于直流電阻，且交流電阻與頻率的二分之一次方成正比。導線的交流電阻可用改變截面積形狀的方法來減小。同樣截面積的矩形導線比圓形導線具有更大的表面，所以交流電阻比圓形導線小。接地導線常采用扁平矩形導線來代替圓導線，以減小高頻電阻。
(2)傳輸線的特性阻抗
傳輸線具有電阻、電感和電容，對于均勻一致的傳輸線，他們均勻地分布在傳輸線的各個部分，稱為分布參數，特性阻抗描述了傳輸線的分布參數特性，他定義為：
其中：s為平行雙線的間隔；r為導線半徑；μ為磁導率，ε為介電常數。式(1)適用條件為s＞5r。
由式(1)可知特性阻抗是表征傳輸線本身特性的一個物理量，與傳輸線內的電流、電壓無關，只與傳輸線的結構(線徑、線間距)和傳輸線周圍的介質(ε，μ)有關。要注意特性阻抗描述的是傳輸線的分布參數特性而不是真正的阻抗。印制板上的走線和雙絞線的特性阻抗在100～200Ω，同軸電纜為50Ω或75Ω。
2．1．2傳輸線的短線處理方法
傳輸線的分布參數必然會影響傳輸線中的信號傳輸，這與傳輸線的長度密切相關。根據傳輸線長度與信號頻率的關系可把傳輸線分為長線和短線，當傳輸線長度≤1/20的信號波長時或者傳輸延遲時間≤1/4的數字信號脈沖上升時間時，傳輸線可視為短線，即：
短線可以用集中參數等效電路來分析，即把傳輸線看成是由集中參數電阻、電感、電容組成的網絡，其值大小分別等于單位長度上的分布參數值乘以傳輸線長度。例如有一對傳輸線，終端短路，如符合短線條件式(2)，則可看成是一個電阻R和一個電感L串聯，總的阻抗為：Z＝R＋j2πfL。對于絕大多數雙絞線、同軸電纜、印制板電路，當頻率很低小于3 kHz時，傳輸線路中電阻起主要作用。當頻率大于3 kHz以后電感起主要作用，電阻可以忽略不計。
圖1是一個傳輸線的等效電路，設其符合式(2)，其中RS是信號源阻抗，Ri，Ci是負載的輸入阻抗，L，C是傳輸線的電感和電容，則有L＝L0l，C＝C0l，其中L0和C0為分布電感和分布電容，l為傳輸線長度。由于傳輸線路中存在電感和電容，數字信號通過傳輸線時可能會產生振鈴現象，即衰減振蕩，振蕩頻率為：
振鈴波形的上沖與下沖會降低門電路的噪聲容限，嚴重時會使電路產生誤動作，所以應該設法克服由于傳輸線的分布參數引起的振鈴現象。
當信號環路中的電阻、電感和電容符合R2≥4L/(C＋Ci)時振鈴現象可被抑制。其中R為傳輸線中的總電阻，可以通過在信號源端串接一個抑制電阻以滿足上式，等效于增加信號源的阻抗。此時系統階躍響應的上升時間會略有增加，所以抑制電阻不能取值過大。
2．1．3傳輸線的長線處理方法
當傳輸線的長度不符合式(2)時則稱為長線，長線不能用集中參數網絡來替代，而要用傳輸線理論來分析，考慮到阻抗匹配問題，即傳輸線兩端的負載阻抗和源阻抗都應該和傳輸線特性阻抗Z0相等，否則會產生反射。
當圖1中的傳輸線不符合式(2)時，他是一個長線系統。設ZS為源阻抗，Z0為傳輸線特性阻抗，ZL為負載阻抗，當信號從信號源出發通過傳輸線到達負載阻抗ZL時，如果ZL＝Z0則沒有反射，信號能量全部被ZL吸收，這是匹配狀態，ZL上的電壓就是信號的入射電壓U0。如果ZL≠Z0，即負載端不匹配，則入射能量不能被負載全部吸收，有一部分就被反射回去，有反射電壓存在。
同樣，在源端如果ZS＝Z0則是匹配狀態，如果不相等則也存在反射。當源端和負載端都不匹配時信號將在源端和負載端來回反復反射，反射波和原信號疊加，如果傳輸線傳輸的是脈沖數字信號則多重反射將使脈沖邊沿產生臺階、上沖和下沖等問題。當出現多重反射時負載端會出現與振鈴現象相似的波形，影響系統抗擾性能。
根據式(2)可以計算對應于不同脈沖上升時間的最小的長線長度，傳輸線超過最小長線長度時就要考慮阻抗匹配的問題。具體應用時可以在源端和負載端加入RCL網絡來匹配傳輸線的阻抗。
2．1．4共模騷擾和差模騷擾
騷擾信號在導線上傳輸時有2種方式：共模方式和差模方式。共模噪聲變成差模噪聲后才能對設備產生干擾，因為有用信號都是差模形式的。這種轉換是由電路中傳輸線對參考端的阻抗是否平衡來決定的。
圖2是一個信號傳輸系統的阻抗特性圖，圖中的4個電阻分別表示傳輸線在2個設備中的對地阻抗。2個設備相距較遠其地線與機殼連入大地，如果2個設備的接地點之間存在噪聲信號，則由其產生的噪聲電流會沿著2條傳輸線流動，假如設備中傳輸線對地的阻抗不相等的話，2條傳輸線中的噪聲電流也不相等，這時共模噪聲就變成差模噪聲干擾有用信號。
在計算機串行總線中，RS232使用非平衡方式，只有十幾米的傳輸距離。而RS422采用平衡傳輸方式，則達到了上千米的傳輸距離。在設計遠距離傳輸系統時應該仔細考慮信號線之間的阻抗平衡問題。
2．1．5共阻抗耦合
當設備或元器件共用信號線或電源線時，他們之間就會通過公共阻抗產生相互干擾，如共用電源則稱共電源阻抗干擾，共用地線稱共地線阻抗干擾。
圖3中，電路1和電路2分別與電源各自形成一個電流回路，其中一個電路電流的增加必將使另一個電路的電流減少。電流的不斷變化，就會產生變化無常的電場和磁場，引起電磁噪聲，并通過電源線、地線形成復雜的交叉干擾。
在高頻數字系統中，當電路1工作時，會在回路公共阻抗上產生高頻數字噪聲，該噪聲在電路2的回路中使地線“飄動”。不穩定的地線將嚴重降低運算放大器、模/數轉換器等電路的性能。削弱電源系統共阻抗耦合的措施主要有以下2個：
(1)降低接入阻抗
電源線的布線要根據電流的大小，盡量加大導線的寬度，使電源線、地線的走向與信號傳輸方向一致，減少存在噪聲的單元和其他單元之間公共電源阻抗，有助于增強抗噪聲的能力。電路板要按功能分區，各分區電路地線相互并聯，一點接地。當電路板上有多個電路單元時，應使各單元有獨立的地線回路，各單元集中一點與公共地相連。這樣各自產生的噪聲電流不會流入其他單元，避免相互串擾。
(2)使用去耦電容
嵌入式系統印制板上一般都有多個集成電路，其中某些高速大功率器件，地線上會出現很大的噪聲電壓。抑制噪聲的方法是在各集成器件的電源線和地線間接入去耦電容，以縮短開關電流的流通途徑，降低電阻壓降。
2．2場干擾
電磁騷擾通過空間傳播實質上是騷擾能量以場的形式向四周傳播。場分為近場和遠場。近場又稱感應場，如果場源是高電壓小電流的源則近場主要是電場，如果場源是低電壓大電流的源則近場主要是磁場。無論場源是什么性質，當離場源距離大于λ/2π以后的場都變成了遠場，又稱輻射場。對于距離較遠的系統間的電磁兼容問題，一般都用遠場輻射來分析。對于系統內，特別是同一設備內的問題基本上是近場耦合問題。
2．2．1遠場輻射
騷擾源向周圍空間的輻射發射需要根據天線與電波傳播理論來計算，下面主要介紹微機系統中常見的幾種輻射方式。
(1)單點輻射
單點輻射主要指各向同性的較小的騷擾源。
2)平行雙線環路的輻射
設平行雙線環路中流有差模電流，并設線路長度l≤λ/4，其輻射應為：
其中：E為電場強度(V/m)；I為電流強度，(A)；S為環路面積(m2)，r為到發射源的距離(m)；λ為波長(m)。
如果印制板上有多條高頻率長軌線則可能產生嚴重的輻射。由式(3)可知減小信號環路的面積可以減小輻射，或者增加信號的最大波長，這可以通過延長信號的上升時間來實現。同樣當供電電源環路中有高頻電流流過時，電源環路也是很好的輻射源，所以應該在高頻噪聲源處加去耦電容，給噪聲一條高頻旁路，以免流人電源環路，產生輻射。
(3)單導線輻射
當平行雙線環路中環路面積足夠小時，其差模電流產生的輻射可以忽略，而共模電流產生的輻射將成為主要因素，稱為單導線輻射。
(4)感應
周圍空間的騷擾電場和磁場都會在閉合環路中產生感應電壓，從而對環路產生干擾。閉合環路產生的感應電壓于環路面積成正比，環路面積越大感應電壓越大，所以要避免外界噪聲場的干擾應盡量減小環路面積。同時還可看到頻率越高產生的感應電壓也越大，即高頻噪聲容易對環路產生干擾。
2．2．2近場耦合
同一設備內各部分電路之間距離較近的相互干擾常用近場耦合的方式處理。近場條件是離騷擾源的距離小于λ/2π。近場有電場和磁場，通常把騷擾源通過電場的耦合看成是電容耦合，通過磁場的耦合看成是互感耦合。對于近場耦合主要采取屏蔽的方法來減小耦合程度。
(1)電場屏蔽使用接地的金屬體包裹或隔離信號傳輸線，金屬體可以是很薄的金屬箔，但必須要有良好的接地。
(2)磁場屏蔽在磁場頻率比較低時(100 kHz以下)，通常采用鐵磁性材料如鐵、硅鋼片、坡莫合金等進行磁場屏蔽。鐵磁性物質的磁導率很大，所以可把磁力線集中在其內部通過。高頻磁場屏蔽材料采用金屬良導體，例如銅、鋁等。當高頻磁場穿過金屬板時在金屬板上產生感應電動勢，由于金屬板的電導率很高，所以產生很大的渦流，渦流又產生反磁場，與穿過金屬板的原磁場相互抵消，同時又增加了金屬板周圍的原磁場。總的效果是使磁力線在金屬板四周繞行而過。
3結語
本文從基本的電磁兼容原理開始，討論了嵌入式計算機系統中的電磁兼容性技術。根據多年在嵌入式系統應用開發中的經驗，力求從實用的角度出發，給出了系統設計中的一些相應抗干擾措施。
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