介紹汽車(chē)數字AV產(chǎn)品的抗干擾研究

介紹汽車(chē)數字AV產(chǎn)品的抗干擾研究   <<版權聲明：本文由容源電子網(wǎng)（www_dziuu_com）整理提供，部分內容來(lái)源于網(wǎng)絡(luò )，如有侵犯到你的權利請與我們聯(lián)系更正�！�

一、 引言
電磁兼容(EMC)是指設備或系統在所處的電磁環(huán)境中能正常工作且不對該環(huán)境中其他事物構成不能承受的電磁騷擾的能力。   <<版權聲明：本文由容源電子網(wǎng)（www_dziuu_com）整理提供，部分內容來(lái)源于網(wǎng)絡(luò )，如有侵犯到你的權利請與我們聯(lián)系更正�！�

電磁兼容技術(shù)是一門(mén)迅速發(fā)展的交叉學(xué)科，涉及電子、計算機、通信、航空航天、鐵路交通、電力、軍事以至人民生活各個(gè)在當今信息社會(huì )，隨著(zhù)電子技術(shù)、計算機技術(shù)的發(fā)展，一個(gè)系統中采用的電氣及電子設備數量大大，而且電子設備的頻帶日益加寬，功率增大，靈敏度提高，聯(lián)接各種設備的電纜網(wǎng)絡(luò )也越來(lái)越，特別隨著(zhù)數字化產(chǎn)品的不斷問(wèn)世，其電磁兼容性的設計越來(lái)越引起人們的重視。高速數字電路工作時(shí)，會(huì )產(chǎn)生大量的高頻干擾信號，不好，不僅影響本身性能，而且還會(huì )影響周?chē)�環(huán)境。   <<版權聲明：本文由容源電子網(wǎng)（www_dziuu_com）整理提供，部分內容來(lái)源于網(wǎng)絡(luò )，如有侵犯到你的權利請與我們聯(lián)系更正�！�

如VCD視盤(pán)機MPEG1視頻數據率和音頻數據率之和約1.5Mb／s；DVDMPEG2音視頻可變碼率平均為4.69Mb／s，最大速率達10.7Mb／s，系統又與高速的存儲器配合使用進(jìn)行數據的讀寫(xiě)。隨著(zhù)碼率的不斷提高，數字信號的速度越來(lái)越快，產(chǎn)生與速度成正比的大量干擾脈沖，也頻率越來(lái)越高，幅度越來(lái)越大，這對產(chǎn)品的抗干擾設計帶來(lái)更大的難度，也是產(chǎn)品品質(zhì)高低的關(guān)鍵所在。若不當，將影響音視頻的質(zhì)量和讀盤(pán)糾錯能力。嚴重時(shí)高頻干擾脈沖會(huì )通過(guò)電源或空間輻射出來(lái)，影響周?chē)�電子設備的正常工作�，F以Car-VCD機為例討論數字AV產(chǎn)品的抗干擾設計。    <<版權聲明：本文由容源電子網(wǎng)（www_dziuu_com）整理提供，部分內容來(lái)源于網(wǎng)絡(luò )，如有侵犯到你的權利請與我們聯(lián)系更正�！�

二、 數字電路的干擾噪聲    <<版權聲明：本文由容源電子網(wǎng)（www_dziuu_com）整理提供，部分內容來(lái)源于網(wǎng)絡(luò )，如有侵犯到你的權利請與我們聯(lián)系更正�！�

對數字AV產(chǎn)品的數字信號系統，的噪聲有以下幾種。
1、 電源噪聲：主要受DSP電路、CPU、動(dòng)態(tài)存儲器件和數字邏輯電路在工作過(guò)程中邏輯高速變換造成系統電流和電壓變化產(chǎn)生的噪聲、溫度變化時(shí)的直流噪聲以及供電電源本身產(chǎn)生的噪聲。
2、 地線(xiàn)噪聲：系統內各部分的地線(xiàn)出現電位差或存在接地阻抗引起的接地噪聲。
3、 反射噪聲：傳輸線(xiàn)路各部分的特性阻抗不同或與負載阻抗不匹配時(shí)，所傳輸的信號在終端(或臨界)部位產(chǎn)生反射，使信號波形發(fā)生畸變或產(chǎn)生振蕩。
4、 串擾噪聲：扁平電纜或束捆導線(xiàn)等傳輸線(xiàn)，印制電路板內平行印制導線(xiàn)的電磁感應以及高速開(kāi)關(guān)電流通過(guò)分布電容等寄生參數把無(wú)用信號成分疊加在目的信號上引起的噪聲。    <<版權聲明：本文由容源電子網(wǎng)（www_dziuu_com）整理提供，部分內容來(lái)源于網(wǎng)絡(luò )，如有侵犯到你的權利請與我們聯(lián)系更正�！�

三、 抑制干擾噪聲的措施

1、 電源和地線(xiàn)噪聲的抑制
在車(chē)用CD，VCD中大量地應用CMOS數字器件和數字模擬混合器件，當設備工作時(shí)這些器件工作會(huì )使電路板內的電源電壓和地電平波動(dòng)，導致信號波形產(chǎn)生尖峰過(guò)沖或衰減振蕩，造成數字IC電路的噪聲容限下降而引起誤動(dòng)作。其原因是數字IC的開(kāi)關(guān)電流在電源線(xiàn)、地線(xiàn)上形成的電壓降與印制條和元器件引腳的分布電感所形成的感應電壓降，兩者起作用的結果。車(chē)用VCD中有多條高頻數字信號線(xiàn)，，電
源和地線(xiàn)的干擾相當嚴重。其次，一部分CMOS電路是數字模擬混合器件，如D／A轉換器件，根據CMOS的基本理論，數字和模擬電路形成在同一個(gè)類(lèi)型芯片上，如只有數字部分電源VDD供電，盡管模擬電源未接，VDD的電能會(huì )轉換到模擬部分上去，VDD電壓依然會(huì )出現于模擬電源VOC腳上。同樣，VDD上存在的噪聲亦會(huì )出現在VOC上，VDD和VOC上的噪聲作用造成數�；旌想娐�，如音頻D／A PCM1710的THD+N和動(dòng)態(tài)范圍下降，影響整機的性能。

為抑制電源和地線(xiàn)噪聲，筆者認為在車(chē)用VCD設計中可采取以下措施：(1)、選用貼片元件和盡縮短元件的引腳長(cháng)度，以減小元件分布電感的影響；選用噪聲容限大的數字IC。(2)、在VDD及VOC電源端盡靠近器件接入濾波電容，以縮短開(kāi)關(guān)電流的流通途徑，用10µF鋁電解和0.1µF獨石電容并聯(lián)接在電源腳上。對于MPEG板主電源輸入端和MPEG解碼芯片以及DRAM，SDRAM等高速數字IC的電源端鉭電解電容代替鋁電解電容，高頻時(shí)鉭電解的對地阻抗比鋁電解小得多。(3)、印制板布局時(shí)，要將模擬電路區和數字電路區合理地分開(kāi)，電源和地線(xiàn)單獨引出，電源供給處匯集到一點(diǎn)；   <<版權聲明：本文由容源電子網(wǎng)（www_dziuu_com）整理提供，部分內容來(lái)源于網(wǎng)絡(luò )，如有侵犯到你的權利請與我們聯(lián)系更正�！�

PCB布線(xiàn)時(shí)，高頻數字信號線(xiàn)要用短線(xiàn)，主要信號線(xiàn)最好集中在PCB板中心，時(shí)鐘發(fā)生電路應在板中心附近，時(shí)鐘扇出應采用菊鏈式或并聯(lián)布線(xiàn)，電源線(xiàn)盡遠離高頻數字信號線(xiàn)或用地線(xiàn)隔開(kāi)。(4)、印制板的電源線(xiàn)和地線(xiàn)印制條盡寬，以減小線(xiàn)電阻，從而減小公共阻抗引起的干擾噪聲。(5)、對數�；旌想娐�，VDD與VOC應連到模擬電源VOC，AGND與DGND接到模擬地AGND。根據BB，PHILIPS，ALPINE公司實(shí)驗結果，建議把D／A器件視為模擬器件，MPEG電路與D／A器件連接中，D／A器件置于A(yíng)GND上，要提供一條數字回路供這些數字噪聲／能量反饋回信號源，以減小數字器件的噪聲對模擬電路的影響，使D／A器件的動(dòng)態(tài)特性提高。

根據實(shí)測VCD機MPEG解壓板數字電源VDD與模擬電源VOC的噪聲電平，得知電源上疊加的噪聲電平已相當小，VDD噪聲電平與VOC噪聲電平波形基本一致，且數字電源噪聲電平(VPP=85mV)明顯大于模擬電源的噪聲電平，這說(shuō)明這些干擾脈沖主要由數字信號產(chǎn)生的。

2、 反射干擾噪聲的抑制

在數字信號系統中，時(shí)鐘信號和數字信號傳輸因其傳輸線(xiàn)路始端和終端阻抗不匹配，所傳輸信號會(huì )在阻抗不連續處產(chǎn)生反射，使傳輸的信號波形出現上沖、下降和振蕩。反射還會(huì )降低器件噪聲容限。加大延遲時(shí)間，如傳輸線(xiàn)傳輸時(shí)間與所傳輸的延遲時(shí)間大致，引起的反射會(huì )帶來(lái)嚴重后果，有的使傳輸的信息產(chǎn)生錯誤，有的使電壓超過(guò)電路的極限值影響電路的正常工作。

通常下，傳輸線(xiàn)是無(wú)損耗線(xiàn)，單位長(cháng)度傳輸線(xiàn)的傳輸時(shí)間τ=(LC)½，特性阻抗ZO=(L/C) ½，其中C，L為單位長(cháng)度傳輸線(xiàn)的分布電容和分布電感。傳輸線(xiàn)最大匹配線(xiàn)長(cháng)度lmax=tτv／k，式中，tτ為傳輸信號的前沿時(shí)間，v為電磁波在傳輸線(xiàn)中的傳播速度，用聚乙烯線(xiàn)時(shí)為2×108 m／s，k為經(jīng)驗常數，常取4-5。傳輸線(xiàn)的長(cháng)度超過(guò)lmax，應在其始端和終端進(jìn)行阻抗匹配。否則阻抗不匹配就會(huì )造成信號嚴重畸變。   <<版權聲明：本文由容源電子網(wǎng)（www_dziuu_com）整理提供，部分內容來(lái)源于網(wǎng)絡(luò )，如有侵犯到你的權利請與我們聯(lián)系更正�！�

這里筆者以VCD機機芯DSP信號輸出端至MPEG板傳輸線(xiàn)為例進(jìn)一步加以說(shuō)明。用長(cháng)10cm束捆線(xiàn)和長(cháng)60cm扁平電纜作傳輸線(xiàn)進(jìn)行對比實(shí)驗,先用束捆線(xiàn)作實(shí)驗，用YOKOGAWA DL-1540數字波器測得DSP輸出端和MPEG板輸入端的波形基本一致，上升沿時(shí)間tτ10 ns，其lmax=50cm，束捆線(xiàn)長(cháng)度小于lmax，故不必進(jìn)行阻抗匹配。若把束捆線(xiàn)換成長(cháng)60cm的扁平電纜，根據波形知，換成扁平電纜后，波形畸變明顯變大，主要是上升沿變差，上升時(shí)間tτ變大和波形的峰谷比變大。其原因是扁平電纜的長(cháng)度大于lmax，傳輸電纜要作長(cháng)線(xiàn)，其阻抗進(jìn)行匹配。DSP輸出的上升時(shí)間變長(cháng)是反射至DSP輸出端反射波反射系數有正有負而形成波峰和波谷使上升時(shí)間變長(cháng)，DATA，LRCK波形也有類(lèi)似。   <<版權聲明：本文由容源電子網(wǎng)（www_dziuu_com）整理提供，部分內容來(lái)源于網(wǎng)絡(luò )，如有侵犯到你的權利請與我們聯(lián)系更正�！�

 

上述比較實(shí)驗顯示，要想抑制反射干擾，就要設法使發(fā)送端和終端的阻抗匹配，把傳輸線(xiàn)的長(cháng)度盡縮短，即l<lmax，是民用產(chǎn)品，還要考慮到生產(chǎn)成本及生產(chǎn)加工過(guò)程方便等原因。在車(chē)用VCD中采取的主要措施有：    <<版權聲明：本文由容源電子網(wǎng)（www_dziuu_com）整理提供，部分內容來(lái)源于網(wǎng)絡(luò )，如有侵犯到你的權利請與我們聯(lián)系更正�！�

(1)、DSP輸出端加適當電阻使之與束捆線(xiàn)和扁平電纜的特性阻抗基本一致，使發(fā)送端的阻抗基本匹配，以抵消數字信號脈沖上升／下降的過(guò)沖。
(2)、把束捆線(xiàn)的長(cháng)度縮短為l<<lmax，因線(xiàn)很短，波形畸變輕微。結果使DSP的波形明顯改善。
(3)、用終端二極管取代匹配電阻，此法已廣泛應用于數字IC的芯片制作中，輸入輸出端的匹配和保護網(wǎng)絡(luò )。這種匹配方法有以下優(yōu)點(diǎn)：能改善終端波形；對發(fā)送端的電平高低沒(méi)有影響；補設方便，同機有多個(gè)負載時(shí)達到最佳匹配；具有保護作用，有效抑制過(guò)沖脈沖。
(4)、加整形電路可減小因連接線(xiàn)不匹配引起干擾噪聲，整形電路通常加在輸入端前，但要注意不能使信號產(chǎn)生新的相位變化。
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3、 數字信號的串擾抑制

所謂串擾是指信號傳輸線(xiàn)在傳輸信號的過(guò)程中，在其相鄰信號線(xiàn)上引起嚴重的干擾噪聲，大多發(fā)生在扁平電纜、束捆導線(xiàn)或印制板電路上平行的印制導線(xiàn)。串擾的強弱與相鄰2信號線(xiàn)的互阻抗和信號本身的阻抗有關(guān)。下面討論扁平電纜的串擾問(wèn)題。    <<版權聲明：本文由容源電子網(wǎng)（www_dziuu_com）整理提供，部分內容來(lái)源于網(wǎng)絡(luò )，如有侵犯到你的權利請與我們聯(lián)系更正�！�

現代數字AV產(chǎn)品中，廣泛使用扁平電纜做連接導線(xiàn)，雖有優(yōu)點(diǎn)，但若使用不當，很易發(fā)生串擾，影響數字產(chǎn)品的正常工作。扁平電纜的各導線(xiàn)均有分布電容，經(jīng)測量，每10cm長(cháng)的相鄰導線(xiàn)間的分布電容約3pF。頻率為100MHz時(shí)，1pF電容的阻抗為1.6kΩ，而且扁平電纜導線(xiàn)的分布電容與其長(cháng)度成正比，布線(xiàn)較長(cháng)時(shí)串擾更嚴重。以VCD機為例，信號為數百千赫茲、數兆赫茲的方波和10～20MHz的時(shí)鐘信號，其含有的幾十倍的高次諧波，信號頻譜最高的近數百兆赫茲，這種高頻分量極易通過(guò)扁平電纜各導線(xiàn)的分布電容串擾。   <<版權聲明：本文由容源電子網(wǎng)（www_dziuu_com）整理提供，部分內容來(lái)源于網(wǎng)絡(luò )，如有侵犯到你的權利請與我們聯(lián)系更正�！�

通過(guò)對比實(shí)驗，分別用60cm長(cháng)扁平電纜和10cm長(cháng)的束捆線(xiàn)連接DSP與MPEG板，得知，60cm扁平電纜上的干擾明顯比l0cm長(cháng)束捆線(xiàn)上的干擾大得多，說(shuō)明扁平電纜分布電容與長(cháng)度成正比，干擾又與分布電容成正比。如把DSP輸出端的BCK時(shí)鐘斷開(kāi)，LRCK干擾點(diǎn)明顯減少和干擾脈沖幅度下降。由此說(shuō)明干擾大部分來(lái)自BCK方波信號，控制好導線(xiàn)間距離可降干擾。在車(chē)用VCD中采取了以下措施：

(1)、盡縮短信號線(xiàn)的傳輸長(cháng)度。

(2)、在多種電平的信號傳輸時(shí)，應盡量把前后沿時(shí)間相近的同級電平信號劃為一組傳輸。DATA，BCK，LRCK信號與主時(shí)鐘用一根地線(xiàn)隔離。必要時(shí)用屏蔽線(xiàn)代替束捆線(xiàn)來(lái)傳輸MCLK和BCK時(shí)鐘，減小串擾和輻射。

(3)、在雙面印制板布線(xiàn)時(shí)，正面傳輸高頻數字信號和時(shí)鐘信號，在其傳輸印制電路背面盡加大接地面積，這樣平行導線(xiàn)間的分布電容在導線(xiàn)接近地平面時(shí)會(huì )變小的緣故，信號線(xiàn)串音干擾會(huì )減��；在MPEG芯片，DRAM，SDRAM它高速數字器件印制板布線(xiàn)時(shí)，其背面布上大片地線(xiàn)，地線(xiàn)旁路屏蔽器件產(chǎn)生的高頻脈沖噪聲。

四、 數字信號系統的抗干擾設計

上，電源線(xiàn)電流變化產(chǎn)生的感應壓降、數字信號傳輸的反射干擾和數字信號間的串擾有著(zhù)密切聯(lián)系且密不可分。反映在數字信號系統中，其危害性最大的是高頻脈沖噪聲。，抑制高頻脈沖噪聲是數字AV產(chǎn)品電磁兼容性設計的重要組成部分。

如在VCD整機調試過(guò)程中遇到整機工作時(shí)功能出錯，通過(guò)內置檢測程序檢測CPU和MPEG芯片CL680A1連接處，用示波器觀(guān)察HRDY和HCK上的高頻毛刺較大，采用在HRDY上并聯(lián)一個(gè)51pF電容，用觸發(fā)器對HCK進(jìn)行整形，用內置檢測程序檢測數據通信的準確率達到100％，整機工作正常。為提高系統的抗干擾性能，在數字AV產(chǎn)品中可采用如下措施：

(1)、總線(xiàn)的抗干擾能力。采用三態(tài)門(mén)方式總線(xiàn)結構，總線(xiàn)加上拉電阻使總線(xiàn)在瞬間處于穩定的高電平而消除總線(xiàn)處于電壓不穩定的懸浮，總線(xiàn)須加緩沖器。
(2)、用軟件消除干擾。在系統設計時(shí)，雖在硬件上作了種種改進(jìn)，但不消除干擾，如出現系統“死機”和數據傳輸錯誤等，從軟件著(zhù)手可加以改進(jìn)：使用監控計時(shí)器(Watch Dog Timer)來(lái)檢測系統是否受干擾，一旦系統受到干擾則立即采取中斷系統重新初始化后再啟動(dòng)，以消除干擾影響。采用軟件容錯技術(shù)承認故障和錯誤是客觀(guān)事實(shí)，并考慮采取措施來(lái)消除、抑制、減小其造成的影響。
(3)、提高系統控制信號抗干擾能力。在系統中通常有RESET，STB等控制線(xiàn)，CPU與其控制器件的傳輸距離較遠且控制線(xiàn)阻抗較高，易受脈沖噪聲干擾，在被控器件的對等控制信號端并接一個(gè)20pF電容以消除干擾，而對RESET等控制信號并接0.01µF電容，干擾問(wèn)題也可。對控制線(xiàn)加緩沖驅動(dòng)器，使控制線(xiàn)的阻抗變低，也具有抑制干擾的作用。
(4)、IC未用端的。對未用端要妥善，否則噪聲很通過(guò)分布電容對電路造成干擾。如TTL、CMOS電路的不用端加1～10kΩ的上拉電阻，觸發(fā)器不用的輸出端并聯(lián)一個(gè)小容量的陶瓷電容等。

五、 結束語(yǔ)

國際上十分重視電子產(chǎn)品的EMC設計，歐美、日本等的電子產(chǎn)品的電磁兼容標準是強制執行的。在汽車(chē)數字AV產(chǎn)品設計、試制過(guò)程中，應把EMC設計設計過(guò)程的重要一環(huán)，從元件選購、電路板設計及整機整體布局應嚴格數字電路的抗干擾設計要求。   <<版權聲明：本文由容源電子網(wǎng)（www_dziuu_com）整理提供，部分內容來(lái)源于網(wǎng)絡(luò )，如有侵犯到你的權利請與我們聯(lián)系更正�！�