數(shù)字信號處理系統(tǒng)中的電磁兼容問題

0   引  言

    從20世紀(jì)80年代初期第一片數(shù)字信號處理器芯片（Digital Signal Processors，簡稱：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)字信號處理（DSP）的發(fā)展帶來了巨大機(jī)遇。并使得信號處理手段更靈活、功能更強(qiáng)、應(yīng)用領(lǐng)域更廣闊。由于DSPs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)、模混合系統(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DSPs及其數(shù)據(jù)信息所產(chǎn)生的干擾與破壞，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DSPs事故占其總事故的90%左右[1]。同時(shí)DSPs又不可避免地向外輻射電磁波，對環(huán)境中的人體、設(shè)備產(chǎn)生干擾、妨礙或損傷。而且隨著DSPs運(yùn)算速度的提高，能夠?qū)崟r(shí)處理的信號帶寬也大大增加了。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(EMC)問題也就越來越突出了。早期，把發(fā)射和干擾問題稱之為電磁干擾(EMI)或射頻干擾(RFI)?，F(xiàn)在用更確切的詞"干擾兼容性"替代。電磁兼容包含系統(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： (1) 對其它系統(tǒng)不產(chǎn)生干擾；(2) 對其它系統(tǒng)的發(fā)射不敏感；(3) 對系統(tǒng)本身不產(chǎn)生干擾。則該系統(tǒng)是電磁兼容的。
    本文就是對DSPs的電磁兼容問題進(jìn)行了一些探討。

1   DSPs產(chǎn)生的電磁干擾

    早期，把發(fā)射和干擾問題稱之為電磁干擾(EMI)或射頻干擾(RFI)。現(xiàn)在用更確切的詞"干擾兼容性"替代。電磁兼容包含系統(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) 對其它系統(tǒng)不產(chǎn)生干擾。(2) 對其它系統(tǒng)的發(fā)射不敏感。(3) 對系統(tǒng)本身不產(chǎn)生干擾。

1.1  DSPs中的干擾主要來源
    當(dāng)干擾的能量使DSP系統(tǒng)處在不希望的狀態(tài)時(shí)，干擾就成為主要的因素。干擾的產(chǎn)生不是直接的（通過導(dǎo)體、公共阻抗耦合等），就是間接的（通過串?dāng)_或輻射耦合）。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、直流(DC)電機(jī)和日光燈都可引起干擾。交流(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。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。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。

1.2  DSPs中的傳導(dǎo)干擾
    一種最明顯而往往被忽略的，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，在噪聲產(chǎn)生后，引起干擾前，用去耦辦法除去噪聲。例如：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)入電路之前必須對其去耦。

1.3  DSPs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。電路1的地電位被地電流2調(diào)制。噪聲信號或DC補(bǔ)償經(jīng)共地阻抗從電路2耦合到電路1。

1.4  DSPs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)生的電磁場引起的，電磁場會(huì)在鄰近的導(dǎo)體中感應(yīng)出瞬態(tài)電流。

1.5  DSPs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。

1.6  DSPs 軟件方面的干擾
    軟件方面的干擾主要表現(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。

2   對DSPs產(chǎn)生電磁干擾的因素

    (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，而低電壓電源影響敏感度。
    (2) 頻率--高頻信號與周期性信號會(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；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。
    (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?。有三種信號接地方法：單點(diǎn)、多點(diǎn)和混合。在頻率低于1MHz時(shí)可采用單點(diǎn)接地方法，但不適于高頻。在高頻應(yīng)用中，最好采用多點(diǎn)接地?；旌辖拥厥堑皖l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不能混合。
    (4) 印刷電路板設(shè)計(jì)--適當(dāng)?shù)挠∷㈦娐钒澹≒CB）布線對防止EMI是至關(guān)重要的。
    (5) 開關(guān)電源--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di/dt產(chǎn)生大范圍高頻電流，激勵(lì)部件和電纜線輻射，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]。

3   DSPs的硬件降噪技術(shù)

3.1   板結(jié)構(gòu)、線路安排方面的降噪技術(shù)
    板結(jié)構(gòu)、線路安排方面的降噪技術(shù)包括：（1）采用地和電源平板；（2）平板面積要大，以便為電源祛耦提供低阻抗；（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)是對大多數(shù)信號整體性問題和EMC問題的最好防范措施，它能夠做到對阻抗的有效控制，其內(nèi)部的走線可形成易懂和可預(yù)測的傳輸線結(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??；（10）時(shí)鐘信號環(huán)路面積應(yīng)盡量小；（11）高速線路和時(shí)鐘信號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)鐘信號與I/O信號處于正交位置；（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）。

3.2   采用去耦降噪技術(shù)
    采用去耦降噪技術(shù)有下面幾種方法：（1）對電源線和所有進(jìn)入PCB的信號進(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0.1uF，超過15MHz用0.01uF）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、旁路快速開關(guān)器件和在器件引線處對電源/地去耦；（3）用多級濾波來衰減多頻段電源噪聲；（4）把晶振安裝嵌入到板上并且接地；（5）在適當(dāng)?shù)牡胤郊悠帘?；?）安排鄰近地線緊靠信號線，以便更有效地阻止出現(xiàn)新的電場；（7）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；（8）對有干擾的引線進(jìn)行屏蔽和絞在一起，以消除PCB上的相互耦合；（9）在感性負(fù)載上加箝位二極管。

4  DSPs軟件方面的降噪技術(shù)

4.1  采用攔截失控程序的方法
   主要有：（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)?br />有效單字節(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。

4.2   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，不同了說明有誤，程序就轉(zhuǎn)入錯(cuò)誤處理子程序。

[!--empirenews.page--]4.3   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[3]。

5  利用EDA工具設(shè)計(jì)DSPs時(shí)應(yīng)考慮的幾個(gè)電磁兼容問題

     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。在早期的電路板設(shè)計(jì)工具中，布局有專門的布局軟件，布線也有專門的布線軟件，兩者之間沒什么聯(lián)系。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)市場對產(chǎn)品設(shè)計(jì)提出的更高要求。但是，在利用EDA工具設(shè)計(jì)DSPs時(shí)，要特別注意下面幾個(gè)電磁兼容問題。

5.1  采用自動(dòng)布線技術(shù)
由于要考慮電磁兼容及電磁干擾、串?dāng)_、信號延遲和差分對布線等高密度設(shè)計(jì)因素，布局布線的約束條件每年都在增加。例如：在幾年前，一般的電路板僅需6個(gè)差分對來進(jìn)行布線，而現(xiàn)在則需600對。在一定時(shí)間內(nèi)僅依賴手動(dòng)布線來實(shí)現(xiàn)這600對布線是不可能的，因此自動(dòng)布線工具是必不可少的。盡管與幾年前相比，當(dāng)今設(shè)計(jì)中的節(jié)點(diǎn)(net)數(shù)目沒有大的改變，只是硅片復(fù)雜性有所增加，但是設(shè)計(jì)中重要節(jié)點(diǎn)的比例大大增加了。當(dāng)然，對于某些特別重要的節(jié)點(diǎn)，要求布局布線工具能夠加以區(qū)分，但無需對每個(gè)管腳或節(jié)點(diǎn)都加以限制。

5.2  采用自由角度布線技術(shù)應(yīng)注意的方法
    隨著單片器件上集成功能的增加，其輸出管腳數(shù)目也大大增加了，但其封裝尺寸并沒隨之?dāng)U大，再加上管腳間距和阻抗因素的限制。因此，這類器件必須采用更細(xì)的線寬。同時(shí)，由于產(chǎn)品尺寸的總體減小，意味著用于布局布線的空間也大大減小了。在某些DSPs產(chǎn)品中，底板的大小與其上的器件大小相差無幾，元器件占據(jù)的板面積高達(dá)80%。某些高密度元器件管腳交錯(cuò)，即使采用具45°布線功能的工具也無法進(jìn)行自動(dòng)布線。盡管45°布線工具能對某些恰成45°的線段進(jìn)行完美的處理，但自由角度布線工具具有更大的靈活性，并能最大限度地提高布線密度。它的拉緊(pull-tight)功能使每個(gè)節(jié)點(diǎn)在布線后自動(dòng)縮短，以適應(yīng)空間要求。它能大大降低信號延遲，同時(shí)降低平行路徑數(shù)，有助于避免串?dāng)_的產(chǎn)生。利用自由角度布線技術(shù)能使設(shè)計(jì)具有可制造性，并且設(shè)計(jì)的電路性能良好。
5.3  對高密度器件應(yīng)采用的技術(shù)
    最新的高密度系統(tǒng)級芯片采用BGA或COB封裝，管腳間距日益減小，球間距已低至1mm，并且還會(huì)繼續(xù)降低。這樣就導(dǎo)致封裝件信號線不可能采用傳統(tǒng)布線工具來引出。目前有兩種方法可解決這個(gè)問題：（1）通過球下面的孔，將信號線從下層引出；（2）采用極細(xì)布線和自由角度布線，在球柵陣列中找出一條引線通道。對高密度器件而言，采用寬度和空間極小的布線方式是唯一可行的方法，因?yàn)橹挥羞@樣，才能保證較高的成品率?，F(xiàn)代的布線技術(shù)也要求能自動(dòng)地應(yīng)用這些約束條件。自由布線方法可減少布線層數(shù)，降低產(chǎn)品成本。同時(shí)也意味著在成本不變的情況下，可以增加一些接地層和電源層來提高信號的完整性和EMC性能。
5.4  采用其它新的電路板設(shè)計(jì)、制作技術(shù)

    微孔等離子蝕刻技術(shù)在DSPs中的多層板工藝制作中的應(yīng)用，大大提高了布局、布線工具的性能。應(yīng)用等離子蝕刻法在路徑寬度內(nèi)添加一個(gè)新孔，不會(huì)導(dǎo)致底板本身及制造成本的增加。因?yàn)椋捎玫入x子蝕刻法制作一千個(gè)孔的成本與制作一個(gè)孔的成本一樣低廉(這與激光鉆孔法大不一樣)。這就要求布線工具具有更大的靈活性，它必須能夠應(yīng)用不同的約束條件，能適應(yīng)不同的微孔和構(gòu)建技術(shù)的要求。元器件密度的不斷增加也對布局設(shè)計(jì)產(chǎn)生了某些影響，布局布線工具總是假設(shè)板上有足夠的空間讓元器件釋放機(jī)來釋放表面，以便安裝新的元器件，且不會(huì)對板上已有元器件產(chǎn)生影響。但是元器件順序放置會(huì)產(chǎn)生這樣一個(gè)問題，即每當(dāng)放置一個(gè)新的元器件后，板上每個(gè)元器件的最佳位置都會(huì)發(fā)生改變。這就是布局設(shè)計(jì)過程的自動(dòng)化程度低而人工干預(yù)程度高的原因。盡管目前的布局工具對依次布局的元器件數(shù)沒什么限制，但是某些技術(shù)人員認(rèn)為布局工具用于依次布局時(shí)實(shí)際上是受到限制的，這個(gè)限制大約為500個(gè)元器件。還有一些技術(shù)人員認(rèn)為當(dāng)在一個(gè)板上放置的元器件多達(dá)4,000個(gè)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的問題。同順序算法技術(shù)相比，并行布局技術(shù)能實(shí)現(xiàn)更好的自動(dòng)布局效果。

5.5  利用三維布局工具

    3D工具主要用于目前應(yīng)用日益廣泛的異形和定形板的布局、布線工作。如 Zuken的Freedom最新工具，它先采用三維底板模型來進(jìn)行元件的空間布局，再進(jìn)行二維布線。布線過程還能告知：該板是否具備可制造性。布線工具還必須能處理在兩個(gè)不同層上采用陰影差分對的設(shè)計(jì)方法，因?yàn)檫@種設(shè)計(jì)方法己變得日益重要了。而且隨著信號頻率的繼續(xù)提高，目前己出現(xiàn)了將布局、布線工具同用于虛擬原型的高級仿真工具集成起來的工具，如Zuken的Hot Stage工具。所以即使在虛擬原型階段也能對布線問題進(jìn)行考慮?，F(xiàn)在，自動(dòng)布線技術(shù)已極為普及。我們相信，自由角度布線、自動(dòng)布局和3D布局等新型軟件技術(shù)也會(huì)同自動(dòng)布線技術(shù)一樣成為底板設(shè)計(jì)人員的常用設(shè)計(jì)工具，設(shè)計(jì)人員可用這些新工具來解決微孔和單片高密度集成系統(tǒng)中的電磁兼容等新型技術(shù)問題[4]。

6   結(jié) 束 語 

    電磁兼容技術(shù)涉及的頻率范圍寬達(dá)0-400GHz，研究對象除傳統(tǒng)設(shè)施外，涉及從芯片級，到各型艦船、航天飛機(jī)、洲際導(dǎo)彈，甚至整個(gè)地球的電磁環(huán)境。電磁兼容技術(shù)也是DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)所要考慮的重要問題，應(yīng)采用適當(dāng)?shù)慕翟爰夹g(shù)使DSP系統(tǒng)符合EMC標(biāo)準(zhǔn)，它的電磁兼容性是作為重點(diǎn)研究并且有鮮明特點(diǎn)的領(lǐng)域。許多國家不僅各自加強(qiáng)這方面的研究，還成立了國際性的機(jī)構(gòu)，以便交流和統(tǒng)一規(guī)范。我國已加入WTO，如果電磁兼容指標(biāo)達(dá)不到國際標(biāo)準(zhǔn)的要求，生產(chǎn)的產(chǎn)品就沒有競爭力，不能打入國際市場，在國內(nèi)也沒有銷路。因此，在己進(jìn)入了二十一世紀(jì)的今天，解決好電氣、電子產(chǎn)品（包括DSP系統(tǒng)）的電磁兼容問題，有效的提高產(chǎn)品質(zhì)量，使其成為"綠色產(chǎn)品"，已刻不容緩。