关于一个51单片机PCB板的电磁兼容性优化设计

I 关于一个 51单片机 电磁兼容 性优化 设计 摘 要 电磁兼容 (一门新兴的综合性学科，它所涉及的基础知识面和工程技术面相当广，直接应用的相关知识有电磁场理论、电磁测量、电工原理、电子技术、信号分析、自动控制、机械构造、生物医学、材料及工艺等，同时电磁兼容所研究的问题也有着较高的学科交叉性和复杂性。论文主要工作如下：首先对 电路板 电磁兼容性问题进行理论分析。阐明了在 析了 ，以及抑制干扰的措施 。 其次，对 一个 51单片机 高频干扰所带来的电磁兼容性 问题进行场仿真分析。采用软件 1单片机 的电流图和 场分布图。根据电流图和 析改进 获得更好电磁兼容性能的产品。 在文章的最后对整篇文章做了总结，概述主要的研究 工作 。 关键词： 电磁兼容 电磁仿真 n a 51 CB I is a of A as of of on MC is of as of MC CB MI of MC in a CB is 9SE to M of an be to be is MC 录 1 绪论 . 1 控制电路设计中电磁兼容的目的与意义 . 1 1 2 电磁兼容仿真的研究意义 . 5 国内外研究动态 . 5 国外研究动态 . 6 国内研究动态 . 8 论文的主要研究工作及结构安排 . 8 2 电磁兼容基本理论概述 . 9 磁环境 . 9 磁干扰与电磁兼容性的概念 . 11 磁干扰的本质 . 13 磁兼容性控制 . 14 电磁兼容性设计和预测 . 16 电磁兼容性设计 . 16 电磁兼容性预测 . 18 3 的高频辐射干扰 . 19 特点 . 19 区 . 20 辐射的基本原理 2728 . 23 电偶极子的辐射 . 23 磁偶极子的辐射 . 25 的高频辐射干扰 . 26 差模辐射 . 26 模辐射 . 28 差模与共模辐射的比较 . 29 4 电磁干扰对 51 单片机电磁兼容性影响的仿真分析与优化 . 30 言 . 30 4. 2 场仿真 . 30 真分析软件介绍 2930 . 30 磁兼容性仿真分析流程 293031 . 32 51 单片机的 磁兼容性仿真分析的具体步骤 . 33 化改进后的结果图及分析 . 38 5 总结 . 44 本文的主要工作和结论 . 44 5. 2 对以后相关工作的展望 . 44 参考文献 . 45 致谢 . 47 第 1 页 /共 46 页 1 绪论 控制电路设计中电磁兼容的目的与意义 随着电子技术的高速发展，世界进入了信息时代。电子、电气设备或系统获得了越来越广泛的 应用。目前，用于各类电子设备和系统的电子器材仍然以印制电路板为主要装配方式。实践证明，即使电路原理图设计正确，印制电路板设计不当，也会对电子设备的可靠性产生不利影响。 电磁兼容学科主要研究的是如何使在同一环境下工作的各种电气电子系统、分系统、设备和元器件都能正常工作，互不干扰，达到兼容状态。在某种程度上也可以说 是研究干扰和抗干扰的问题。但作为一门学科它的研究对象不仅仅限于电气电子设备，而是拓宽到自然干扰源、核电磁脉冲、静电放电，频谱管理工程，电磁辐射对人体的生态效应，信息处理设备电磁泄漏产生的失密，检测地震前的电磁辐射，进行震前预报等方面。电磁兼容学科包含的内容十分广泛， 实用性很强。几乎所有的现代工业如航天、军工、电力、通信、交通、计算机、医疗卫生部门等都必须解决电磁兼容问题 。 从电子行业的发展来看， 1992 年只有 40的电子系统工作在 30频率；到1994 年已有 50的设计达到了 501996 年之后，高速设计在整个电子设计领域所占比例越来越大， 100上的系统已随处可见。而目前随着计算机技术，无线通信术，高速网络技术的发展，有不少电子系统的外部总线 (速率超过400频超过 3高速网络中数据传输速率超过 40之，高速设计在整个电子设计领域所占的比例越来越大 1。现在，高频高速分析和布局布线问题正成为电子产品 计的主流问题，相当多的新产品设计中都在使用高速电路板。高频高速的趋势给电子电路硬件设计带来许多新的问题，其中电磁兼容性问题最为突出。在电路板的整体布局、芯片的选型、电路布线、过孔和通孔的分布、地线设计、各种接插 件的影响、抗扰性设计、滤波设计以及地回路设计中无处不存在着电磁兼 容性问题。这些问题的解决直接决定了电路功能的实现和电子设备的质量。可以说电路设计的重点已经从早期的逻辑和功能设计扩充到电 磁兼容性设计上了。由于 的电子器件密度越来越大，走线越来越窄，信号频率越来越高，不 可 避免地会引入 问题。产品电磁兼容性能的高低，已经成为衡量电子产品与系统质量的一个重要指标，因为电磁兼容指标达不到要求，小则影响产品的稳定工作，大则导致系统崩溃。而且电第 2 页 /共 46 页 子产品的小型化，高集成度尤其是高速与高频化设计，使得产品的电磁兼容性设计变得越发重要。进行产品的电磁兼容性设计绝不仅限于元器件的选择，它所涉及的方面、领域较多，可以说产品的电磁兼容性设计是一项比较复杂的系统工程，应该贯穿于产品设计的全过程。具 体来讲就是在产品的设计初期，通过合理布局布线 (包括关键信号线及其终端 )，选择合适的器件类型、层叠结构、布线规则、滤波设计等对单板进行 计。对于系统而言，应从各子系统的电器特性、应用环境、互连方式及其系统结构与热设计等诸多方面加以考虑，主要的手段包括滤波、屏蔽、接地等；在产品调试验证过程中，应通过各种仪器设备，对产品进行 试，从 要素 (辐射源，耦合路径，敏感设备 )入手，做到早测试、早发现、早诊断、早改进，以解决那些存在的或潜在的患。在研究任何电子设备和电气工程设备时，应当在尽可能早的 阶段上注意保证它们的电磁兼容性。随着设备研制工作的推进，可供利用的抗干扰措施将越来越少，而其成本却越来越高，如图 示。可见，在早期阶段采取措施排除非有意电磁干扰对敏感设备的影响可得到比较好的效果，且经济上也更合算。据国外资料介绍，在设备的设计阶段及时采取措施可以避免 80% 90%的与干扰影响有关联的、潜在可能的困难。相反，在较晚的阶段上采用解决方法，结果表明，措施将更加复杂，需要追加更多的工作量和 增加设备的消耗，延长研制周期，有时甚至根本无法解决 12。 图 产品开发过程的各个阶段实施电磁兼容措施可用技术与成本的关系 下面通过两种电子产品设计流程图的介绍，我们可以更直观的看到采用早期采取排除电磁干扰措施的优越性。 1. 用传统的方法进行电磁兼容分析，耗费大，周期长。传统的电子产品设计 流 程图如图 示： 时间 可用技术/生产成本 生产成本 可用技术 产品定义 电路设计 线 产品原型 功能测试 规模生产 产品面世 第 3 页 /共 46 页 图 统设计流程图 这种设计流程中没有使用任何分析及测量工具。只有通过对实际 系统的整体功能、性能验证才能知道系统是否存在问题。一旦发现 问题，若 用多层板，并且关键芯片采用了 封装，无法通过跳线等方法进行试探性调测，只能重新开始整个设计流程。由于 能进行跳线调测，所以无法确认故障点，这个故障可能会在下次设计中继续保留甚至会出现新的故障点。 2. 艾姆克科技公司提供了现代电子系统的设计流程图如图，它可以确保系统满足电磁兼容性： O 理图设计与输入 布局与布线 功能性测试 制作 接 取证测试，功能、性能、 过？ 通过？ 第 4 页 /共 46 页 图 统设计法框图 图 的设计流程的设计目标是： “每道工序都有一个验证，把质量问题及时控制在最早阶段 ，为此增加了三个设计控制点： (1)布线前的电路仿真； (2)布线后的信号完整性分析、电源完整性分析、电磁兼容性分析、热辐射分析、可靠性计算和预测； (3)制板后通电时的 辐射测量。 由此可见，传统的设计方法已经不能适应现代电子系统的设计。而在现代电子产品的设计流程中，由于加入了一些仿真分析，大大提高了产品的电磁兼容性能及产品的品原理图设计与输入 布线前 真 三维全波电磁场分析 布线、布局 布线后热辐射分析 布线 后 析 布线 真 旱干扰测 试 射测 试 功能性测试 可靠性计算和预测 制作 焊 接 过？ 通过？ 通过？ 第 5 页 /共 46 页 质，容易满足产品的电磁兼容标准。采用软件对 产品的设计阶段就可大 体估计所设计 解 对合理布局布线起到了很大的帮助。从而可以大大提高产品性能，节约成本，缩短研发时间，加快产品进入市场步伐，为占领大的市场份额争取了宝贵时间，提高经济效益。 1 2 电磁兼容仿真的研究意义 电磁兼容预测技术在 20世纪 60年代就开始被人们所重视，许多学者在该领域投入了大量的精力，到 20世纪 90年代国外在该领域已经有了较大的发展。随着计算机技术的进步，电磁兼容预测技术已经得到了根本性的改变，特别是最近几年许多相关的电磁兼容预测软件相继问世，使电磁兼容预 测步伐大大加快。由于电路系统的设计越来越复杂，对电路的指标越来越高，电路的功能越来越多， 电路的尺寸要求越做越小，而设计周期却越来越短。 传统的设计方法已经不能满足电路设计的需要，我们设计的过程中必须考虑系统的电磁兼容问题。因此我们应该用软件对设计的系统进行电磁兼容预测。 要科学的评价电子设备的电磁兼容性可以通过对各种干扰源的干扰发射量，干扰传递特性以及电子设备的干扰敏感度进行定量的测定。电磁兼容性测试技术是电磁兼容学科的大分支。这种测试最能够反映设备有可能存在的电磁兼容问题，但是它往往需要我们花费不少的精力 和财力才能够得到满意的测试结果，而且如果对每一台设备都要进行这种电磁兼容性测试然后组装在系统中，显然是不经济的，为此出现了电磁兼容性仿真技术，它可以有效地帮助我们完成对系统的电磁兼容性设计，达到事半功倍的效果。在产品设计阶段利用现有的仿真软件对新设计的电子设备进行电磁兼容仿真预测，可以大大缩短产品研发周期，提高电子设备成品率，加快上市速度，是电子设备行业必然的趋势。 近几年，利用计算机电磁兼容建模仿真工具来缩短产品设计开发周期受到广泛的关注，将电磁场仿真工具应用在电磁兼容领域变得越来越普遍。分析电磁问题计算 方法大体有三类，理论分析法，专家系统及数值分析法。其中由于以设法求解带有边界约束条件为基础的场方程 (麦克斯韦方程组 )，对场可进行精确的分析，因此以数值方法在工程中应用最广泛。而本文最后所运用的软件进行场仿真的过程也就是电磁场问题的数值计算过程。到目前为止，电磁场数值分析方法在解决有关电磁兼容方面问题起到了非常重要的作用， 80%的电磁兼容问题都能利用这样的方法在设计阶段予以解决。 国内外研究动态 第 6 页 /共 46 页 国外研究动态 早在 1944年德国电气工程师协会制定了世界上第一个电磁兼容性规范 着美国在 1945年颁布了军用规范 上世纪 80年代，美国、德国、 日 本、前苏联、法国等经济发达国家在电磁兼容研究和应用方面达到了较高的水平。主要研究及应用的内容包括电磁兼容标准和规范的制定、 计和测试理论及方法的研究，备及众多应用材料的研制与应用等。已研制出多种高精度的电磁干扰及电磁敏感度自动测量系统，开发出多种计算机分析和预测软件用十系统内和系统间电磁兼容性设计，形成了一套较为完整的设计体系。电磁兼容性已成为产品可靠性保证中的重要组成部分。 上世纪 90年代，电磁兼容性工作已经逐步从事后检测处理发展到预先分析评估、预先检测、预先设计，即在方案设计阶段就有针对性地开展预测分析工作，把过去用于研制后期试验测量和处理以及返工补救的费用，安排到加强事前设计和预测检验中来。 在 外的研究人员已开展了各种数值方法的研究和建立各种 发各种商用软件进行分析测试，同时设计对应的测试系统。加拿大的利用一个电流环探头阵列作近场测量，然后在计算机上对采集的数据进行处理，最后得到二维的图像。欧洲的 用有关电压探头 (实际是一个电偶极子天线 )和一个红外探头，对计算机上对采集的数据进行处理，可以得到 图中红色、绿色、青白色区域表示电磁辐射能量由低到高 )，再根据测试结果改进 目前，国外研发与生产电磁兼容仿真分析软件产品的公司中，公认效果比较好的公司有 345： 1） 美国的 司是全球最大的提供以电磁技术为核心的专业 商，成立 于 1984年，总部 设十美国宾夕法尼 亚 州匹兹堡市，在全球主要国家和地区设有 26 个分公司和办事机构。近二十年来， 司始终领导着世界计算电磁技术的发展方向，是全球最大的专业射频 /微波、信号完整性、电磁兼容和电磁干扰、电磁场及机电 元 件和系统领域仿真软件供应商 品被广泛用 于 电子设备、集成电路、通讯、航空、航天、汽车、船舶及国防军事部门。 件是从事射频 /微波、 号完整性、以第 7 页 /共 46 页 及电机 /变压器、机电系统领域设计人员的首选工具。 用的是基 于 物理原型的术，为用户提供的是一个完 整的解决方案， 而 不是单个孤立点的工具。 路到部件级的设计及其协同仿真。它的二大产品线包括 ：高频设计解决方案、信号完整性和电磁兼容 /电磁干扰解决方案、机电系统解决方案。它的关键技术包括 ： 自适应网格 剖 分技术、 64 位求解技术、大矩阵快速压缩算法技术、全波 术、 术及按需求解技术。 I 解决方案包括 ： 动 三 维封装信号完整性仿真工具、 装全波信号完整性 /供电系统仿真工具、 型提取和仿真工具、 第一个将高频电路系统，版图和电磁场仿真工具无缝地集成到同一个环境的设计工具，内嵌了功能强大的系统、电路和电磁场仿真器。 2） 美国 司 它是一家专业从事电子产品的电磁兼 容与可靠性分析、设计和测试的高新技术公司。公司产品以专业性强，实用性高为其显著特点。从电子产品的理论设计，性能分析到产品的样机调试，故障诊断以及最终产品的标准检测等都提供相应的工具和手段。如 ：级质量分析软件 (I)，它用 于 对 的质量进行十分全面 而 精确的分析和优化 ； 件用 于 高频电磁场的仿真与分析设计 ； 电磁兼容扫描仪( 于 对板级或系统进行近场分布扫描测试和热分布扫描，以便用户排除故障和合理地进行直观的电磁兼容设计 ； 感度诊断和定位 系统可 十分 方便地测试电子产品的抗干扰能力 (包括发射辐射敏感和传导敏感 )，它的可定位特性帮助工程师给出针对性的解决方案 ； 普拉斯电磁兼容标准测试系统以其低成本、实用性强、功能完善 而 深受用户欢迎，尤其是进行电磁兼容的预检测实验已经是广大客户在产品研发过程中的不可缺少的环节。 3） 德国 司 (它是一家集开发与销售为一体的软件公司，专业开发二维及二维电磁场仿真软件，适用 于 静电、静磁、稳恒电流、瞬态场、简谐场、带电粒子及热动力场等的分析 和综合。司提供四种主要软件产品 : 微波工作室 ( 专门 用 于 高频器件及天线的时域、宽带仿真 ； 求解 S 参量和第 8 页 /共 46 页 天线方向图 ； 全自动优化功能。 设计工作室 ( 用 于 大型复杂级连微波网络的仿真，单个网络以 S 参量描述 ；采用解析或由微波工作室提取的 量 ； 专门用 于 高 Q 值结构，如谐振腔。 电磁工作室 ( 用 于 各类静电、静磁、稳恒电流场的仿真。 马飞业 4() 通用软件包，包含 9 个求解器，可以仿真静场 (静电、静磁和稳恒电流 )、简谐 (频域 )、瞬态场 (时域 )、 带电粒子与电磁场相互作 用及热动力学问题、全自动优化功能。 国内研究动态 我国 的 试及标准化工作始于六十年代，当时国内的一些院所建立了相对简陋的试验室，开展无线电干扰测试研究，同时参与前苏联和欧美国家标准制定我国的准和技术条件， 到上世纪 80 年代初才组织系统的研究并制定国家和行业级的电磁兼容性标准和规范。随着市场经济的发展和加入 国对各个行业各种产品的电磁兼容性有了更高的要求，因 而 利用先进技术设备对产品的 能进行分析、预测以及测试改进的要求 日 益迫切。 而 我国目前商用电磁兼容预测仿真软件的开发还 比较落后，目前尚无成熟的仿真软件产品报道，这方面的研究还有待 于 深入。 论文的主要研究工作及结构安排 由十电磁兼容的仿真分析涉及到复杂的电磁场计算，目前，国内外通过场仿真的方法对 行电磁兼容分析的报道还很少。最近我们用场仿真的方法对 计中由高频干扰所带来的电磁兼容性问题作了一些研究和探索。 本论文对 由高频干扰带来的电磁兼容性问题进行了理论分析，并以微机开关电源 例，考虑其中电流高频谐波干扰，进行了 局布线的电流和电磁场近场仿真分析，得到其在高频谐波激励下的电流图和近场分 布图，依据电流图和近场分布图对 图进行分析和优化，并对 计过程中引进电磁兼容设计提出了一点设想。主要内容包括以下四部分 : (1)磁兼容理论分析。 (2) 51 单片机 磁兼容仿真及初步结果分析。 (3) 51 单片机 图优化后仿真及结果分析。 (4)提高 磁兼容性的优化设计设想。 根据以上内容，本论文章节安排如下 : 第 9 页 /共 46 页 第一章 绪论。 第二章 电磁兼容基本理论概述。 第 三 章 的高频辐射干扰。 第四章 电磁干扰对 51 单片机 磁兼容性影响的仿真分析与优化 。 第五章 总 结 2 电磁兼容基本理论概述 磁环境 电磁环境是我们 所 生存 的 世界的组成部分，其基本概念可以阐述为 ： 电磁环境是指在特定区域内发生的电磁现象的总和。人类的生存空间，一方面有诸如无 线电广播电台、电视台、通信发射机、雷达和导航装置、核爆炸以及用 于 信息战的电磁干扰系统等，在第 10 页 /共 46 页 它们正常运行期间，有意的向周围环境辐射电磁能。此外，口常生活中使用的家用电器、工业控制设备、汽车点火系统、雷电等也无意的向周围环境辐射电磁能。 这些有意和无意的电磁干扰源，当其足够强时，就会干扰许多电气、电子器件 、设备和系统的安全运行 ； 另一方面，随着科学技术的进步，用电器件、设备和系统向小型化 、数字化、高速化和网络化的趋势快速发展，导致它们运行的电磁环境 日 趋复杂、抗扰性降低、安全运行受到威胁。总 之，人类生活的电磁环境在发生着巨大的变化，人为产生的电磁电平与 日 俱增，造成了电磁环境的 “污染 ”。可以这样说，现代电气、电子设备和系统与电磁环境构成一对难舍难分的孪生兄弟。电气、电子设备和系统越是现代化，其所造成的电磁环境就愈加复杂 ； 反之，复杂的电磁环境又对电气、电子设备和系统提出更为严峻的要求。因此，人们面临着一个新问题，这 就是如何提高现代电气、电子设备和系统在复杂的电磁环境中的生存能力，以确保电气、电子设备和系统达到初始的设计目的。正是在这样的背景下产生了电磁兼容的概念，形成了一门新的学科 电磁兼容(简写为 。 电磁环境是提出和确定设备或系统电磁兼容设计指标要求，实施电磁兼容的前提。只有首先明确和依据预期的电磁环境，确定和遵循正确的设计、研制、试验、生产、安装、使用和维修的要求和步骤，并在 整个寿命期内采取充分的管理保障措施，才能最佳的达到所希一望的水 平。 电磁环境由各种电磁骚扰源产生。因此，电磁环境即设备、分系统或系统在执行规定任务时，可能遇到的各种电磁骚扰源的数量、种类、分布以及在不同频率范围内功率或场强随时间的分布等有关电磁作用状态的总和。此外，在分析电磁环境时，还应考虑骚扰脉冲的重复频 率、脉冲宽度、频谱覆盖范围、骚扰源天线主瓣和副瓣以及极化等因素 。 电磁环境的有害影响主要表现为 ： 接 收机等敏感设备性能降低 ； 机电设备、电子线路、元器件等误动作 ； 烧毁或击穿元器件 ； 电爆装置、易燃材料等意外触发或点燃等。 电磁环境 产生有害影响的基本途径是 ： 预期和非预期发射通过敏感设备的接受通道，如天 线、传输线、电源线、壳体等进入系统，以及对非预期能量的响应或由 于 非预第 11 页 /共 46 页 期响应 而 进入系统。消除这种有害影响的方法主要是设备或系统的 计以及频谱管理等组织措施和技术措施。 电磁环境分析主要是分析骚扰源、骚扰特性和类型、综合电磁环境的电平危害等级、区分导致性能降低的环境电平和造成永久性损坏的电平，特别是估计最恶劣的环境电平。 磁干扰与电磁兼容性的概念 虽然电磁干扰问题由来已久，但电磁兼容这个新兴的综合性学科却是近代形成的。为了解决电 磁干扰问题，保证器件、设备和系统的高可靠性，上世纪 40 年代初 就有人提出电磁兼容性的概念。 电磁兼容 (概念具体有二层含义，即设备及组成该设备的子系统能够正常工作 ； 设备工作时对外界环境产生的电磁干扰 低于 特定的限值 ； 设备工作时对来自外界的干扰有一定的耐受能力。因此我们又可以把电磁兼容 (为电磁干扰 (电磁敏感度 (其中电磁干扰又分为传导干 扰和辐射干扰两种。传导干扰是指通过导电介质把一个电网络上的信号 耦 合 (干扰 )到另一个电网络。辐射干扰是指干扰源通过空间把信号 耦 合 (干扰 )到另一个电 网络。比如，在高速 单片机 及系统设计中，高频信号线、集成电路的引脚、各类接插件等都可能成为具有天线特性的辐射干扰源，能发射电磁波并影响其他系统或本系统内其他子系统的正常工作。与 此相对，电磁敏感度也分为传导敏感度与辐射敏感度两种，但机理相反 1。 1944 年德国电气工程师协会制定了世界上第一个电磁兼容性规范 着美国在 1945 年颁布了美国最早的军用规范 。为了描述电磁干 扰和电磁兼容性，需要许多名词术语。这些名词术语的名称和定义仅限 于 电磁兼容性这一学科范围。美国电气和 电子工程师协会 (9，我国国军标 磁兼容性名词术语 10都阐明了这些名词术语的名称和定义。为了对几个常用电磁兼容性名词术语有统一的认识，现将它们叙述如下 ： 我国国军标 规定 ： 电磁干扰 (指任何能中断、阻碍、降低或限制通信电子设备有效性能的电磁能量。 电磁兼容是 “ 设备 (分系统、系统 )在共同的电磁环境中能一起执行各自功能的共存状态。即该设备不会由 于 受到处 于 同一电磁环境中的其他设备的电磁发射导致或遭受不第 12 页 /共 46 页 允许的降级，它也不会使同一电磁环境中其他设备 (分系统 、系统 )因受其电磁发射 而 导致或遭受不允许的降级 ” 。 电磁兼容性则是指电子、电气设备或系统在预期的电磁环境中按设计要求正常工作的能力。电磁兼容性包含以下两方面的含义 ： (1)设备或系统应具有抵抗给定电磁干扰的能力，并 且 有一定的安全余量。即它应不会因受到处 于 同一电磁环境中的其他设备或系统发射的电磁干扰 而 产生不允许的工作性能降级 ； (2)设备或系统不产生超过规定限度的电磁干扰。即它不会产生使处 于 同一电磁环境中其他设备或系统出现超过规定限度的工作性能降级的电磁干扰。图 2示了电磁兼容性的基本范畴。 图 2电磁兼容性的基本范畴 敏感度 ( 设备或系统受电磁干扰 而 被中断或破坏的趋势的估量。它是抗扰性不足引起的。 抗扰性 ( 设备或系统在保持预先设定的运行等级时抵抗电磁干扰能力的估量。 静电放电 ( 有着不同静电电压的物体在靠近或直接接触时引发的静电荷转 移15。 在实际的工程实践中，人们往往不加区别的使用电磁兼容和电磁兼容性概念， 且 采发射电磁干扰 电磁兼容性 辐射干扰 接受传导干扰 传导干扰 接受电磁干扰 静电放电 电压波动 谐波 辐射干扰 接受辐射干扰 远场 近场 第 13 页 /共 46 页 用同一英文缩写 电磁兼容性的观点出发 ，电子、电气设备或系统的工作状态可分为兼容、不兼容和临界二种状态，通常用电磁干扰裕度或称电磁干扰安全系数 M 来衡量。电磁干扰安全系数定义为敏感度门限与出现在关键试验点或信号线上的干扰之比，即 。当 M1 时，即敏感度门限 S 大 于 电磁干扰电平 I，表示设备或系统处 于电磁兼容工作状态 ； 当 M=1 时，即敏感度门限 S 等 于 电磁干扰电平 I，表示设备或系统处 于 临界工作状态 ； 当 统就能兼容的工作， 而 是当 M 大 于 一定数值时，系统就会以一定的概率兼 容的工作， M 的值越大系统兼容工作的概率就越大 。 图 2射或抗扰度电平的概率分布 电磁兼容已发展成为一门相对独立的新兴综合性学科，它的定义、理论和电磁兼容性标准，已成为一个国家、一个地区、乃至世界范围内解决设备或系统相互电磁兼容的基础。因此，采用示意图 2示与电磁兼容 控制技术相关的名词术语及其关系，有助于 对这些名词术语的理解。 图 2明了发射 (抗扰度 ( 电磁兼容 (电平 (极限 ( 裕度 (定量关系。 磁干扰的本质 电磁干扰可以被分为两类 ： 内部 干扰和外部干扰。内部问题可能是由于伴随着传输电平 L 抗扰度电平 发射电平 抗扰度裕度 发射裕度 电磁兼容性电平 第 14 页 /共 46 页 路径的邻近电路之间的寄生耦合，以及内部组件之间的场耦 合，信号沿着传输路径有衰减。详细说来这些问题就是信号丢失、 信号沿 路径 反射以及与邻近信号线路的 串话 。 外部问题分为发射和敏感度。辐射问题主要来源 于 时钟或其他周期性信号的谐波。补偿的方法是将周期信号局限在一个尽量小的区域内以及阻隔与外界寄生 耦 合的路径。 对于 外部影响的敏感度，例如 无线频率的干扰，主要与 耦合到 I/0 线上并传输到单元 内部的能量有关。主要的接收器是高速输入线和敏感的相邻线路，尤其是那些边缘激励器件。 对于 分析主要考虑五点 16： (1)频率 问题在频谱的哪部分出现 ？ (2)振幅 能量级别有多强，它导致有害影响的潜力有多大 ？ (3)时间 出现的问题是连续的 (周期信 号 )，还是只在确定的操作循环内出现。 (4)阻 抗 源和接收机单 元 的阻抗是什么 ？ 二者间传输媒质的阻抗是什么 ？ (5)尺寸 导致辐射出现的发射设备的物理尺寸是多少 ？ 流将产生电磁场，电磁场可以通过底 盘 的裂缝透出外壳。 线路的长度与 流的传输路径有直接关系。 无论何时出现了 题，回顾以上基于 产品应用的这个列表是有益的。理解这 5条将有助 于 大大消除 如何存在 于 的神秘性。运用这 5 个知识时，要注意一项设计技术在确定的条件和环境中是有效的，但在其他的条件和环境中可能就无效了。例如单 点接地在低频应用时，是极好的 ，而对于 无线电频率，则完全不适用，大部分的 题存在于 这一频率范围。许多 设计人员盲目 的在所有的产品设计中使用单点接地， 而 没有意识到使用这种接地方法会产生另外的和更加复杂的问题。 磁兼容性控制 电磁兼容性学科是在早期单纯的抗干扰方法基础上发展形成的，两者的目标都是为了使设备、系统在共存的电磁环境中互不产生干扰，最大限度地发挥其工作效能。但是，早期单纯的抗干扰方法和现代的电磁兼容技术相比，两者在控制电磁干扰的策略、技术和实施方法上有着显著的差别。 单纯的抗干扰方法在抑制 电磁干扰的策略上比较简单，或者认识比较肤浅，主 要的思想集中在怎样设法抑制电磁干扰的传输上，因此工程技术人员处于 极为被动的地位，哪里出现电磁干扰就在哪里就事论事的给予解决，当然经验丰富的工程师也会采取预防第 15 页 /共 46 页 措施，但这仅仅是被动的、依据经验的、局部的、单纯对抗式的解决方法。然 而 ，电磁兼容技术在控制电磁干扰的策略上则采用了主动预防、整体规划、 “对抗 ”与 “疏导 ”相结合的思想方法。人类在征服大自然产生的各种灾难性危害中，总结出的预防和救治、对抗和疏导等一系列策略，在控制电磁危害中同样是极其有效的思维方法。 电磁兼容性控 制是一项系统工程，在设备或系统的设计、研制、生产、使用与维护的各个阶段都必须充分考虑和认真实施电磁兼容性。电磁兼容性标准和规范是实施电磁兼容性控制、抑制电磁干扰的组织措施。此外先进、科学的电磁兼容工程管理也是电磁兼容性控制的重要组成部分。 电磁兼容性控制在技术上采用的主要方法有空间分离、时间分隔、频率划分和管制、电气隔离。 如图 示。 空间分离是控制空间辐射干扰和感应 耦 合干扰的有效方法。通过加大干扰源和敏感设备之间的空间距离，使干扰电磁场到达敏感设备时其强度已衰减到低 于 接受设备敏感度门限，从 而 达到抑制电磁 干扰的目的。由电磁场理论可知22 23，在近区感应场中，场强分布按 衰减 ； 远区辐射场的场强分布按 减小。因此空间分离实质上是利用干扰源的电磁场特性有效的抑制电磁干扰。空间分离也包括在空间有限的情况下，对干扰源辐射方向的方位调整、干扰源电场矢量与磁场矢量的空间取向控制。 时间分隔方法在许多高精度、高可靠性的设备或系统中经常被采用，例如卫星、航空母舰、武器装备系统等。当干扰源的强度不易采用其它方法可靠的抑制时，通常采用时间分隔的方法，使有用信号在干扰信号停 止发射的时间内传输，或者当强干扰信号发射时，使易受干扰的敏感设备短时关闭，以避免遭受损害。人们把这种方法称为时间分隔控制或 时间回避控制。时间分隔控制有两种形式，一种是主动时间分隔，适用于 有用信号出现时间与干扰信号出现时间有确定先后关系的情况 ； 另一种是被动时间分隔，它是按照干扰信号与有用信号出现的特征使其中某一信号迅速关闭，从 而 达到时间上不重合、不覆盖的控制要求。 时间分隔 空间分隔 被动时间分隔法 主动时间分隔法 第 16 页 /共 46 页 图 气兼容性控制方法 任何信号都是由一定的频率分量 组成的，利用信号的频谱特性将需要的频率分量全部接受，将干扰的频率分量加以剔除，这就是利用频率特性来控制电磁干扰的指导思想。在这个原则下形成了许多具体方法，如频谱管制、滤波、频率调制、数字传输、光电传输等等。 电气隔离是避免电路中传导干扰的可靠方法，同时还能使有用信号正常耦合传输。常见的电气隔离耦合原理有机械耦合、电磁耦合、光电耦 合等等。 电磁兼容性设计和预测 电磁兼容性设计 电子技术应用的 日益广泛、频谱占用日 益拥挤、设备布局 更加密集、大功率设备和对干扰敏感的精密设备增多，使电磁兼容问 题日 趋重要 62425。实践证明 ： 设备或系统的电磁兼容性是靠精密有效的设计实现的，不是通过试验或测试解决的。诚然试验或测试作为检验和发现干扰问题的技术手段是不可缺少的，然 而 没有全面合理的电磁兼容性设计，试验或测试发现了干扰问题也只能是亡羊补牢，因此电磁兼容性必须从设计开始。 一般 而 言，复杂系统的电磁兼容性设计分为五个级别 ： (1)电路组件级设计 ； (2)设备级设计 ； (3)分系统级设计 ； (4)系统级设计 ； (5)系统间级设计。不论哪一级电磁兼容性设计不仅应与功能性设计同步进行、并行展开， 而且 要贯穿 于 方案论 证、工程设计、电磁兼容性控制 电气隔离 频率划分和管制 机械耦合 电 磁耦合 光电耦合 光电传输 数字传输 频率调制 虑波 频率管制 第 17 页 /共 46 页 研制、生产、使用和维护的各个阶段。 科学技术的进步、人们认识和解决干扰问题的能力的提高，使电磁兼容性设计获得了长足的发展 26。电磁兼容性设计的发展依次经历了问题解决法 (规范法 ( 系统法 (过程。 问题解决法是先进行研制，然后根据研制成的设备和系统在装配中出现的电磁干扰问题，应用各种抑制干扰的技术去解决。这是一种落后 而 冒险的方法。因为设备或 系统已经装配好，再去 “解决 ”电磁干扰问题是很困难的。为了解决问题，可能要进行大量的拆卸和修改，也许还要重新进行设计。这不但造成人力和物力的浪费，延误系统研制周期， 而且 会使设备和系统性能下降。因此 “问题解决法 ”是一种比较落后的方法，它是在电磁兼容性理论不够完善、电磁兼容 性方法不够系统、电磁兼容性分析预测尚未形成的历史条件下产生的， 曾普遍被采用，目前它仍然被部分工程技术人员所采用 ； 随着电磁兼容性标准和规范的完善和发展，电磁兼容性设计方法发展成比较合理的 “规范法 ”方法。规范法是按照已经颁布的电磁兼容标准和规范进行 设备和系统的设计、制造、装配。这种方法可以 在一定程度上预防电磁干扰问题的出现，比问题解决法更为合理。但由于 标准和规范不可能是针对某个设备和系统制定的。因此，企图解决的问题不一定是要解决的问题，只是为了适应规范 而 已。另外，规范是建立在电磁兼容经验基础上的，没有进行电磁干扰的分析和预测，因 而 往往导致过量的预防贮备，可能使设备和系 统的成本增加。由于 电磁兼容性标准和规范在一定程度上反映了设备或系统中存在的共性问题以及解决问题的规则，因此规范法对系统电磁兼容性设计提供了预见性和综合性，故与 “问题解决法 ”相比，规范法较 为合理和进步 ； “系统法 ”是用计算机技术按预测程序针对某个特定设备或系统的设计方案进行电磁兼容性分析和预测。系统法从开始就预测和分析设备和系统的电磁兼容性，并在设