一种信号处理电路传导抗扰测试分析

陈皓，米海波，王一婷，王诏宣，杨天娇

（中国航天标准化研究所，北京，100071）

0 引言

信号处理，是对信号进行提取、变换、分析、综合等处理过程的统称。本文所说的信号指的是电信号，被处理的信号来源于“模拟信号”，信号处理涉及三个步骤（1）模数转换（A/D转换）；（2）数字信号处理（3）数模转换（D/A转换）。信号处理电路，指的是对电信号进行处理的电路，除以上三个步骤包含的电路，还涉及输入接口电路、滤除噪声或干扰的滤波电路、输出接口电路等[1]。本文针对一种具体典型的信号处理电路，对其进行了射频场感应的传导干扰抗扰度的摸底测试，同时利用ANSYS公司成熟的商业软件对典型电路进行了仿真分析，然后针对测试仿真结果进行了电路再设计，取得了良好的效果。

1 信号处理电路

常规的信号处理电路的组成和信号的传输路径的一般如图1所示。

图1 信号传输路径图

电信号进入“输入接口电路”，该部分电路将外部的电信号进行衰减、放大转换为“A/D（模拟数字处理）电路”要求的“模拟信号”。“模拟信号”经过“滤波电路”滤除噪声或干扰后输入以A/D信号处理芯片为核心的“A/D电路”，“A/D电路”负责将“模拟信号”转换为DSP（数字信号处理）芯片可接受的“数字信号”。经过DSP芯片为核心的“数字信号处理电路”的信号换算后，输出到以D/A芯片为核心的“D/A（数字模拟处理）电路”。“D/A电路”输出“模拟信号”，信号经“输出接口电路”转换为外部可接收的信号模式后，信号处理的全过程完成。

信号处理电路主要由运放、A/D转换、D/A转换、DSP等芯片及其外部阻容构成，其信号流程包括信号的两重转换（输入、输出）、两重变化（A/D、D/A）、一重滤波、一重处理。从以上信号处理电路组成和信号流通过程中可以看出，待处理信号经过环节多，再加上信号处理实时性、精确性要求的不断提高，因此其抗扰性能要求比较尤其突出。从电磁兼容角度考虑，该类型电路的电磁抗扰度（敏感度）是需要重点关注的。本文结合一个典型案例具体说明了提高信号处理电路电源传导抗扰能力的测试、仿真分析、确认的全过程。

2 陀螺数字电路抗扰能力分析

陀螺数字电路实现飞行器陀螺位置信号调制、逻辑处理以及数据通信，信号处理的工作频率为MHz级别。该电路由+5VDC供电，将光纤输入的陀螺角速率信号经过一系列处理后以串口形式通过两个输出端口输出到后面的电路，其具体功能包括瞬时数字量的模拟选通和滤波、探测器信号放大、放大信号的A/D转换、信号逻辑处理、反馈信号的D/A转换、输出信号的处理等，是典型的信号处理电路。而且该电路要求能够实时准确地反馈陀螺有关信息，对信号的时效性要求较高，因此其电磁兼容抗扰能力毫无疑问地是其电磁兼容性的薄弱点及重点分析的内容。鉴于该部分电路应用于飞行器，采用元器件均为铁壳封装产品，抗辐射能力较强，参考之前的应用经验判断也没有出现过辐射抗扰的问题，因此重点考虑该电路抗传导干扰的能力。鉴于电路输入信号线为光纤且串口输出信号线为屏蔽线缆，传导抗扰电磁兼容测试的重点是考虑输入电源射频场感应耦合下，其电路输出是否正常。下面结合陀螺数字电路电磁兼容测试和仿真分析，提出针对性设计建议，为信号处理电路电磁兼容问题尤其是传导抗扰问题的解决提供思路。

2.1 陀螺数字电路传导骚扰抗扰度测试

按照射频场感应的传导骚扰抗扰度国标标准，电磁骚扰的骚扰频率范围为150kHz～80MHz，满足陀螺数字电路传导抗扰测试的频率和干扰注入位置的要求。该测试通过陀螺数字电路输入电源线、地连接线与射频场相耦合，监控芯片电源口、输出端口1、输出端口2状态进行。测试过程中按标准规定的试验程序设定的信号电平在频率范围内扫频，骚扰信号为1kHz正弦波调幅（调制度80%信号）。扫频时，频率步进不超过1%[2]。当测试场强为3V时，测试波形正常。增大到5V时，在骚扰30MHz、70MHz频率点出现测试波形的大幅扰动，其测试异常波形图如图2、3所示。

图2 30MHz测试异常波形（CH1输出端口1、CH2输出端口2、CH3+5V测试端）

图3 70MHz测试异常波形（CH1输出端口1、CH2输出端口2、CH3+5V测试端）

观察以上异常波形，对+5V电源输入电源端施加5V扰动时，扰动为30MHz时芯片电源测试端电源异常，导致整个电路输出信号均异常；扰动为70MHz时芯片电源测试端电源正常，但输出信号异常。也就是说，在扰动30MHz左右电源滤波电路未起到作用，70MHz左右扰动通过地平面等耦合到信号上。根据以上初步分析情况，下面针对电源、信号的端口耦合和平面进行仿真分析，在此基础上提出建议。

2.2 陀螺数字电路仿真

电磁兼容仿真是借助于电磁仿真软件对电子元件、线缆、电子设备乃至整个系统进行电磁兼容的建模与分析[3]。本次使用的仿真产品是ANSYS公司的仿真软件，依据本工程的实际情况，主要使用SIwave和DesignerSI进行场路协同仿真分析[4]，Slwave是一个精确的整板级电磁场全波分析工具，SIwave可仿真整个电源和地结构的谐振频率，板上放置去耦电容作用，信号线与供电板间的噪声耦合等时域效应[5]，结合DesignerSI进行场路协同仿真，最终达到仿真分析的目的。

2.2.1 建模及端口耦合仿真

根据测试问题分析，需要开展电源、信号的耦合仿真和平面仿真。采用实际PCB进行建模，PCB总厚度1.77mm，介质使用典型的FR4。建模后的模型如图4所示。

图4 PCB顶视图及叠层

为了解决电磁兼容问题，首先关注的是产生耦合问题的位置、频段，故使用仿真工具提取S参数模型。S参数，也就是散射参数。是微波传输中的一个重要参数。S 参数是描述一个高频网络特性的参数，其原理与电路理论里的Z参数，Y参数类似。但由于Z和Y参数的测量存在开路短路情况，不适合高频情况下应用，所以用S 参数来描述。对于常见两端口互联结构，可以定义四个S参数，如图5所示，其中S11和S22称插入损耗，反映了信号通过传输线网络的能力；S21 和S12 称为回波损耗，反映了信号在传输线网络上的反射状况。当端口增加之后，可得到多端口S参数模型，从而得到任意端口之间的耦合特性。

图5 S参数模型示意图

根据电磁兼容故障现象，此次在PCB的各关键芯片的+5V输入电源管脚和信号管脚之间添加端口，从而得到+5V输入端口与信号之间的S参数耦合曲线如图6所示。可以看出，总体较为平滑，且绝对幅值较小，约-100dB左右。

继续查看+5V电源各端口之间的转移阻抗如图7所示，可以看到PCB各电源端口耦合中的第一个谐振点，大约在26MHz，在此频点之前，阻抗呈下降趋势，说明此频点之前PCB总体呈容性，有一定滤波效果，但在此频点之后，PCB的阻抗呈上升趋势，说明PCB阻抗已由容性变为感性，由于感性分量对交流能量的阻碍作用，电磁兼容问题的风险也将大大增加。

图7 +5V电源各端口之间的耦合

从以上S参数端口耦合仿真分析，信号间容易出问题的频率点约在0.4G以上，不在该次整改的考虑范围内。电源容易出问题且频率点在26MHz左右，需重点针对电源采用电磁兼容防护措施。

2.2.2 陀螺数字电路仿真

在以上电路模型的基础上，注入异常测试的+5V波形数据，进行电磁场、平面的仿真。

使用仿真软件的PWL源将激励导入电路仿真器，使用Push exaction功能将引入的测试波形作为激励源导入PCB进行仿真。主要观察异常波形时能量的分布，进行场图分析，如图8、9在30M时，其辐射最大的区域。

从以上电场及磁场场图可以看到， +5V输入以及右下角信号输出区域，是产生电磁辐射最大的两个点，需采取相关电磁兼容防护措施。

继续查看AGND层和+5V层的电压分布，如图10所示。

图9 磁场场图@30M

从以上的平面分布图可以明显地看到，能量分布的区域及路径。能量最强的区域为中间偏右下角的区域，能量从5V电源接入点，由右下至左上传输。DSP芯片下面的电源平面是主要的能量集中传输路径。

2.3 陀螺数字电路设计整改

从以上仿真过程可以看出，能量从+5V电源接入点、DSP地平面进入，传输到输出。+5V电源输入端原有电磁兼容抑制措施未起到作用，同时DSP平面、信号管脚也需进行相应处理。综合考虑电磁兼容性整改方法，决定采用滤波、地平面布局修改的方法进行电路整改。

滤波是运用电容、电感或其组合构成的滤波电路切断电磁干扰沿着导体传播的途径。滤波电路主要功能一般有两个方面，一方面是滤除掉耦合进入器件的电磁干扰信号，防止这些信号对器件的正常工作造成影响；另一方面还具有避免本身通过导线向外部发射电磁干扰信号的能力。如图11所示为一些简单滤波电路模型，根据其频率特性分为低通、高通、带通、带阻滤波电路等。根据实际电磁兼容问题分析，选用合适频率的滤波电路连接到合适的位置，如单板单机的线缆端、线线之间、线地之间、管脚和地之间、两管脚之间等。

图11 滤波电路示意图

由于干扰主要来源于+5V电源及地，且原有配置EMI滤波器未起到作用。在5V电源电路输入口增加π型滤波电路，滤波采用低通、高通滤波组合方式，位置为输入口附近、线线之间、线地之间，可有效进行共模及差模混合滤波，原理图如图12所示。

图12 电源滤波电路

同时，对于数字电路中部分关键信号管脚（如晶振输出、DA模拟量输出端、调制信号输出端等）增加了高通滤波，其位置为管脚对地之间。

接地是指在两点之间建立导电通路，把电气或电子元件与某个称作“地”的参考点或平面连接起来。接地不仅是保护人身安全的必要手段，也是抑制电磁噪声、防止电磁干扰的主要方法。接地的目的是寻找一个零阻抗的等位面，但是在实际工程中，零阻抗的导体是不存在的，任何导体都有一定的阻抗，导致任何电流经过该导体都会产生不同的电位点。因此，合适的接地方式才可以为干扰信号提供低阻抗通路，常常使用的接地方法有单点接地、多点接地和混合接地等。

单点接地指的是子系统（电路、设备等）的地回路仅与该子系统内的单点相连。使用单点接地可以有效防止两个不同子系统产生共阻抗耦合。单点接地应用频率较低，一般应用于kHz频率范围和模拟子系统中。多点接地是指为了使接地线的长度最短，系统中各个需要接地的电路直接连接到距离最近的接地平面上。在多点接地时，子系统分别与接地导体在不同点进行连接，多点接地由于其地线较短，阻抗较低，通常应用于工作频率较高的系统中，比如频率在10MHz以上的系统。混合接地就是将那些不同频率信号的系统采用不同的形式接地，混合接地不仅包含了单点接地的特性，同时又具备多点接地的优点，适用于宽频带的电路。

本电路采用的也是混合接地，但原来的混合接地都是直接通过一条铜箔直接连接，从上文仿真可以看出，DSP地平面是干扰的重要路径，干扰通过铜箔直接对其他地平面进行干扰，因此，在各电源之间的信号共地平面采用“RC”电路，原理图如图13所示。

图13 地平面RC电路

通过以上3项措施对电路进行了补充和整改后，按照前面的信号处理电路传导抗扰测试再次验证，如图14所示测试结果正常，本次分析及电路修改达到了提高信号处理电路抗扰性能的目的。

图14 扰动时测试正常波形（CH1输出端口1、CH2输出端口2、CH3+5V测试端）

3 结论

信号处理电路抗扰能力是信号处理电路的设计重点及薄弱点，通过此次的仿真分析和电路改造，可以看出电源滤波及相关电源平面、地平面的处理是影响信号抗扰的决定性因素，同时关键信号的处理也很关键，可通过仿真方式提前分析评估电路的电磁兼容特性尤其是抗扰特性，提高信号处理电路的电磁兼容性，有效支撑产品的质量与可靠性工作。