数字信号处理系统中的电磁兼容问题

0 引 言

从20世纪80年代初期第一片数字信号处理器芯片（Digital Signal Processors，简称：DSP）问世以来，DSP就以数字器件特有的稳定性、可重复性、可大规模集成、特别是可编程性和易于实现自适应处理等特点，给数字信号处理（DSP）的发展带来了巨大机遇。并使得信号处理手段更灵活、功能更强、应用领域更广阔。由于DSPs是一个相当复杂、种类繁多并有许多分系统的数、模混合系统，所以来自外部的电磁辐射、以及内部元器件之间、分系统之间和各传输通道间的窜扰对DSPs及其数据信息所产生的干扰与破坏，己严重地威胁着其工作的稳定性、可靠性和安全性。据统计，干扰引起的DSPs事故占其总事故的90%左右[1]。同时DSPs又不可避免地向外辐射电磁波，对环境中的人体、设备产生干扰、妨碍或损伤。而且随着DSPs运算速度的提高，能够实时处理的信号带宽也大大增加了。它的研究重点也转到了高速、实时应用方面。但正是这样，它的电磁兼容(EMC)问题也就越来越突出了。早期，把发射和干扰问题称之为电磁干扰(EMI)或射频干扰(RFI)。现在用更确切的词干扰兼容性替代。电磁兼容包含系统的发射和敏感度两方面的问题。假若干扰不能完全消除，也要使干扰减少到最小。如果一个DSP系统符合下面三个条件： (1) 对其它系统不产生干扰；(2) 对其它系统的发射不敏感；(3) 对系统本身不产生干扰。则该系统是电磁兼容的。
本文就是对DSPs的电磁兼容问题进行了一些探讨。

1 DSPs产生的电磁干扰

早期，把发射和干扰问题称之为电磁干扰(EMI)或射频干扰(RFI)。现在用更确切的词干扰兼容性替代。电磁兼容包含系统的发射和敏感度两方面的问题。假若干扰不能完全消除，
也要使干扰减少到最小。如果一个DSP系统符合下面三个条件，则该系统是电磁兼容的。(1) 对其它系统不产生干扰。(2) 对其它系统的发射不敏感。(3) 对系统本身不产生干扰。

1.1 DSPs中的干扰主要来源
当干扰的能量使DSP系统处在不希望的状态时，干扰就成为主要的因素。干扰的产生不是直接的（通过导体、公共阻抗耦合等），就是间接的（通过串扰或辐射耦合）。电磁干扰是通过导体或通过辐射产生的，很多电磁发射源，如光照、继电器、直流(DC)电机和日光灯都可引起干扰。交流(AC)电源线、互连电缆、金属电缆和子系统的内部电路也都可能产生辐射或接收到不希望的信号。在高速数字电路中，时钟电路通常是宽带噪声的最大产生源。在快速DSP系统中，这些电路可产生高达300MHz的谐波失真信号。在数字电路中，最容易受影响的是复位线、中断线和控制线。

1.2 DSPs中的传导干扰
一种最明显而往往被忽略的，能引起电路噪声的传播路径是经过导体。一条穿过噪声环境的导线可捡拾噪声，并把噪声送到另外电路而引起干扰。设计人员必须避免导线捡拾噪声，在噪声产生后，引起干扰前，用去耦办法除去噪声。例如：噪声通过电源线进入电路后，若电源本身或连接到电源的其它电路是干扰源，则在电源线进入电路之前必须对其去耦。

1.3 DSPs中的共阻抗耦合问题
当来自两个不同电路的电流流经一个公共阻抗时就会产生共阻抗耦合。阻抗上的压降由两个电路决定。电路1的地电位被地电流2调制。噪声信号或DC补偿经共地阻抗从电路2耦合到电路1。

1.4 DSPs中的辐射耦合问题
经辐射产生的耦合通称串扰，串扰是由电流流经导体时产生的电磁场引起的，电磁场会在邻近的导体中感应出瞬态电流。

1.5 DSPs中的辐射现象
辐射有两种基本类型：差分（DM）和共模（CM）两种模式。共模辐射或单极天线辐射是由无意的压降引起的，它使电路中所有的地连接抬高到系统地电位之上。就电场大小而言，CM辐射是比DM辐射更为严重的问题。为使CM辐射最小，必须用切合实际的设计使共模电流降到零。

1.6 DSPs 软件方面的干扰
软件方面的干扰主要表现在以下几个方面：
(1)不正确的算法产生错误的结果，最主要的原因是由于计算机处理器中的程序指数运算是近 似计算，产生的结果有时有较大的误差，容易产生误动作；
(2) 由于计算机的精度不高，而加减法运算时要对阶，大数吃掉了小数 ，产生了误差积累，导致下溢的出现，也是噪声的来源之一；
(3)由于硬件方面的干扰引起的计算机出现的诸如：程序计数器PC值变化、数据采集误差增大、控制状态失灵、RAM数据受干扰发生变化以及系统出现死锁等现象。

2 对DSPs产生电磁干扰的因素

(1)电压--电源电压越高，意味着电压振幅越大而发射就更多，而低电压电源影响敏感度。
(2)频率--高频信号与周期性信号会产生更多的辐射。在高频数字系统中，当器件处于开关状态时将产生电流尖峰信号；在模拟系统中，当负载电流变化时也将产生电流尖峰信号。
(3)接地--在电路设计中，没有比采用可靠和完美的地线连接方式更重要的事情了，在所有EMC问题中，大部分问题是由不适当的接地引起的。有三种信号接地方法：单点、多点和混合。在频率低于1MHz时可采用单点接地方法，但不适于高频。在高频应用中，最好采用多点接地。混合接地是低频用单点接地和高频用多点接地方法的结合。但高频数字电路和低电平模拟电路的地回路绝对不能混合。
(4)印刷电路板设计--适当的印刷电路板（PCB）布线对防止EMI是至关重要的。
(5)开关电源--当器件开关时，在电源线上会产生瞬态电流，必须衰减和滤掉这些瞬态电流，来自高di/dt源的瞬态电流导致地和线迹发射电压。高di/dt产生大范围高频电流，激励部件和电缆线辐射，流经导线的电流变化和电感会导致压降，减小电感或电流随时间的变化可使该压降最小[2]。