某深弹声纳系统的电磁兼容研究与设计

2022-12-28

1 电磁兼容概述

电磁兼容 (E M C:E l e c t r o m a g n e t i c Compatibility) 是研究在有限的空间、有限的时间和有限的频谱资源条件下, 各种用电设备或系统共存, 且不致引起性能降级的一门科学。电磁兼容性是指设备或系统在其电磁环境下能正常工作, 并且不对该环境中的任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。

2 元器件的选择

2.1 电阻的选择

本声纳系统为CW脉冲, 用有引脚的电阻可以满足电路设计要求。金属膜电阻, 适用于高功率密度和高准度的电路中;绕组电阻, 有很强的电感特性, 因此在对频率敏感的应用中不能用, 适用于大功率电路;在放大器的设计中, 频率高的环境下, 电阻的阻抗会因为电阻的电感效应而增加。

2.2 电容的选择

在本声纳设计中大量采用贴片电容, 贴片电容的寄生电感几乎为零, 总的电感也可以减小到元器件本身的电感、通常只是传统电容寄生电感的1/3~1/5, 自谐振频率可达同样容量的带引线电容的数倍。

3 导线的布局设计

3.1 电源线的布局

除直接由电磁辐射引起的干扰外, 经由电源线引起的电磁干扰最为常见。电源线的布局遵守以下规则。

(1) 电源线尽可能靠近地线以减小供电环路面积, 差模辐射小, 有助于减小电路交扰。不同电源的供电环路不要相互重叠。

(2) 采用多层工艺时, 模拟电源和数字电源分开, 避免相互干扰。不要把数字电源与模拟电源重叠放置, 否则就会产生耦合电容, 破坏分离度。

(3) 电源平面与地平面可采用完全介质隔离, 频率和速度很高时, 应选用低介电常数的介质浆料。电源平面应靠近接地平面, 并安排在接地平面之下, 对电源平面分布的辐射电流起到屏蔽作用。

(4) 芯片的电源引脚和地线引脚之间应进行去耦。去耦电容采用贴片电容, 应贴近芯片安装, 使去耦电容的回路面积尽可能减小。

(5) 选用贴片式芯片时, 尽量选用电源引脚与地引脚靠得较近的芯片, 可以进一步减小去耦电容的供电回路面积, 有利于实现电磁兼容。

3.2 信号线的布局

本声纳系统先布好地线, 然后将关键信号, 如高速时钟信号或敏感电路靠近它们的地回路布置, 最后对其它电路布线。信号线的布置最好根据信号的流向顺序安排, 使电磁干扰 (EMI:Electromagnetic Interference) 减小。

3.3 地线的布局

地线是电路工作的电位参考点, 还可以作为信号的低阻抗回路。地线上较常见的干扰就是地环路电流导致的地环路干扰。地线上的噪音主要对数字电路的低电平造成影响, 而数字电路输出低电平时, 对地线的噪声更为敏感。地线上的干扰不仅可能引起电路的误动作, 还会造成传导和辐射发射。电源线的布局遵守以下规则:

(1) 公共地线尽可能加粗。在采用多层厚膜工艺时, 可专门设置地线面, 这样有助于减小环路面积, 并且可作为信号线的屏蔽体。

(2) 应避免梳状地线, 这种结构使信号回流环路很大, 会增加辐射和敏感度, 并且芯片之间的公共阻抗也可能造成电路的误动作。

(3) 板上装有多个芯片时, 地线上会出现较大的电位差, 应把地线设计成封闭环路, 提高电路的噪声容限。

(4) 同时具有模拟和数字功能的电路板, 模拟地和数字地通常是分离的, 只在电源处连接。

4 接地设计

4.1 系统接地

水中各种干扰信号较多, 声纳系统本身有数字信号、模拟信号、高频信号及低频信号。要求布线要合理正确, 尽量减小各种耦合、串扰。电源线、地线尽量加粗以减小环路电阻, 走线尽量短、转角圆滑为原则;大小信号地应分开;数字地与模拟地分开;低频电路的地尽量采用单点并联接地;高频元器件周围尽量用多点串联接地, 地线应短而粗。高频元器件周围尽量用地箔包围, 地箔设计成栅格形式;信号输出、输入线不要平行并列走线, 并远离电源线。由于频率的关系, 无论何种接地方法均应尽量缩短接地线, 否则其非但增加阻抗, 同时更会产生辐射杂讯, 因其作用有如天线, 接地线的长度L<λ/20。本声纳系统采用混合接地。

4.2 湖泽接地方式

对于工作频率较高的电路和对脉冲要求很抖的数字电路接地的关键是尽量减小接地的引线电感和分布电容。在声纳电路设计中采用了湖泽式接地方式, “湖”可以看作是实际电路中的接地线, 而“泽”可以为电路模块或元器件。电路和元器件在需要接地处都可以接地不用集中到一点才接地, 这样可以减小接地的引线电感, 符合多点接地的原则。

5 滤波与屏蔽设计

5.1 滤波设计

5.1.1 消除电源去耦合设计

本声纳系统电路板中多个电路由同一稳压器供电, 容易产生诸如自激震荡之类的噪声信号。对此最有效的方法是在每个电路的直流进线端与地之间加接RC或LC去偶滤波器。利用去耦滤波器可以把电路与电源隔离, 以消除各电路间的耦合。从抗干扰的角度来看, 选择了RC耗散式去耦滤波器, 应为RC滤波器可以将噪声电压转换为热能消耗掉, 而LC滤波器不消耗噪声电压的能量, 反而经电感线圈向外界释放干扰电磁波, 对其它电路形成不利影响。

5.1.2 消除集成运放耦合设计

一般情况下, 集成运放所产生的自激震荡频率较高, 但有时也会出现低频震荡。消除自激震荡的方法是在每块集成运放的电源端加接旁路电容, 也可以加接有RC组成的去耦滤波网络。

5.1.3 消除多级放大器间耦合设计

多级放大电路各级间通过电源内阻的耦合形成相互间的影响是产生自激震荡的根本原因。对于多级放大器间加接RC去耦合滤波器。在一有三级放大器中加RC去耦合滤波器。去耦合滤波器由一个大容量电解电容C2和一个小容量的高频电容C1并联而成。电解电容提供低频去耦通道, 小容量电容提供去高频通道。放大器的第一级与第二级之间, 第二级与第三级之间, 均加装了由RC构成的级间去耦滤波器以消除各级间的相互干扰, 使电路处于稳定工作状态。

5.2 屏蔽设计

本声纳系统采用屏蔽线和隔离金属板将信号回路或震荡电路等屏蔽起来, 将隔离板和屏蔽线的金属编织网接地, 达到抑制干扰的目的。在用导线传输信号时, 大量采用了电绝缘外套的单芯屏蔽线。屏蔽线是一种简单易行、使用灵活、成本低而效果有明显的屏蔽措施。两根平行导线之间的电场会产生串扰, 两根导线都采用屏蔽线, 屏蔽网分别接地, 则会消除串扰。