【導(dǎo)讀】本文闡述了數(shù)字電路中電磁兼容的目的和意義，通過(guò)分析某數(shù)字式控制器的具體結(jié)構(gòu)、干擾源及其傳播路徑和特點(diǎn)，提出了從系統(tǒng)設(shè)計(jì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、濾波器設(shè)計(jì)和接地設(shè)計(jì)4個(gè)方面進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)與改進(jìn)，并通過(guò)具體的頻譜掃描圖對(duì)設(shè)計(jì)改進(jìn)前后進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了理論分析與設(shè)計(jì)改進(jìn)措施的合理性與正確性。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字式控制器被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)和無(wú)人機(jī)領(lǐng)域，數(shù)字式控制器較模擬式控制器有諸多優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)其應(yīng)用也帶來(lái)一些負(fù)面影響，較為突出的是在飛機(jī)機(jī)載設(shè)備環(huán)境下的電磁兼容問(wèn)題，若不采取相應(yīng)的電磁兼容設(shè)計(jì)和工程方法的解決，則會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重問(wèn)題。
本文針對(duì)某飛機(jī)機(jī)載數(shù)字式控制器在電磁兼容性試驗(yàn)中遇到的問(wèn)題，通過(guò)電磁理論分析和工程實(shí)踐手段對(duì)其進(jìn)行具體分析，系統(tǒng)提出了數(shù)字式控制器的電磁兼容性設(shè)計(jì)方法，通過(guò)相關(guān)工程實(shí)踐解決了電磁兼容試驗(yàn)中的輻射發(fā)射和傳導(dǎo)發(fā)射超標(biāo)問(wèn)題，并通過(guò)電磁兼容性試驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)與工程方法的可行性。
1、電磁兼容性試驗(yàn)要求
機(jī)載設(shè)備電磁兼容性試驗(yàn)的內(nèi)容包括傳導(dǎo)發(fā)射、輻射發(fā)射、傳導(dǎo)敏感度和輻射敏感度。對(duì)于機(jī)載數(shù)字式控制器的電磁兼容設(shè)計(jì)必須根據(jù)機(jī)載環(huán)境、干擾源的特點(diǎn)以及傳播途徑，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、濾波器設(shè)計(jì)和接地設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行。
2、系統(tǒng)構(gòu)型及電磁干擾源
該數(shù)字式控制器的主要功能是采集、記錄、處理各種傳感器信號(hào)和輸入的數(shù)字信號(hào)，根據(jù)設(shè)置好的控制率，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的輸出控制。某數(shù)字式控制器系統(tǒng)架構(gòu)圖及電磁干擾傳播路徑如圖1所示。
圖1：數(shù)字式控制器系統(tǒng)架構(gòu)圖
該控制器的CPU是主處理模塊，CPU模塊內(nèi)主要電磁干擾源有兩個(gè)，如圖1所示，20 MHz的晶振是CPU模塊中的主處理器工作時(shí)鐘，同時(shí)也是底板總線(xiàn)的時(shí)鐘;3.686 4 MHz的晶振是CPU模塊中RS-422A總線(xiàn)通訊的時(shí)間基準(zhǔn)。AIO模塊中2.4 kHz的交流激勵(lì)電壓用于LVDT傳感器的激勵(lì)電源。DIO模塊主要用于離散量的調(diào)理和功率輸出等，這里并無(wú)明顯的頻率干擾源，基本是54系列的門(mén)電路。PS模塊將飛機(jī)上的27 V電源轉(zhuǎn)換為控制器內(nèi)使用的二次電源。
3、電磁干擾源分析
圖1顯示了該數(shù)字式控制器內(nèi)的主要干擾源及傳播途徑，即20 MHz、3.686 4 MHz的晶振和2.4 kHz的交流激勵(lì)電壓。通常干擾源對(duì)外部的干擾有兩種傳播途徑：一是通過(guò)為干擾源器件供電電源線(xiàn)傳播出機(jī)箱導(dǎo)致的傳導(dǎo)發(fā)射超標(biāo);另一種是通過(guò)空間輻射傳播出機(jī)箱導(dǎo)致的輻射發(fā)射超標(biāo)。因此，對(duì)電磁干擾的抑制措施也主要通過(guò)這兩個(gè)途徑進(jìn)行。
傳導(dǎo)發(fā)射超標(biāo)就是干擾信號(hào)沿著電源線(xiàn)或信號(hào)線(xiàn)傳播到機(jī)箱外部，干擾信號(hào)沿電源線(xiàn)的傳導(dǎo)又分為干擾源直接通過(guò)電源線(xiàn)傳播和干擾輻射到空間被電源線(xiàn)接收后再傳播兩種方式。當(dāng)機(jī)載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)不能滿(mǎn)足有關(guān)電磁干擾的限制要求時(shí)，尤其是不能通過(guò)GJB151A標(biāo)準(zhǔn)中的CE102時(shí)，最大可能的原因是電源線(xiàn)的濾波和防輻射措施不到位。
數(shù)字式控制器的機(jī)箱上有孔縫及連接器和電纜，而孔縫和電纜是效率較高的電磁波發(fā)射與接收天線(xiàn)，空間的電磁干擾通常首先被電纜接收，然后傳入到計(jì)算機(jī)中，造成電路的誤動(dòng)作。當(dāng)機(jī)載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)不能滿(mǎn)足有關(guān)電磁干擾的限制要求時(shí)，尤其是不能通過(guò)GJB151A標(biāo)準(zhǔn)中的RE102時(shí)，最大可能的原因是孔縫和電纜的電磁干擾泄露。
4、電磁兼容性設(shè)計(jì)
4.1 整機(jī)系統(tǒng)電磁兼容性設(shè)計(jì)
在對(duì)數(shù)字式控制器進(jìn)行系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、模塊功能分配、機(jī)箱模塊配置以及連接器信號(hào)定義時(shí)，進(jìn)行了電磁兼容性設(shè)計(jì)。
數(shù)字式控制器的20 MHz和3.686 4 MHz兩個(gè)時(shí)鐘晶振，是電磁兼容設(shè)計(jì)控制的重點(diǎn)對(duì)象，為了減小其在空間的輻射，在印制板布局時(shí)，將20 MHz晶振布在距離處理器芯片的時(shí)鐘管腳最近處，而3.686 4 MHz晶振布在距離RS-422A通訊協(xié)議芯片時(shí)鐘管腳最近處;走線(xiàn)時(shí)，將其走在印制板的內(nèi)層，并處于兩層地之間，在時(shí)鐘線(xiàn)周?chē)拥鼐€(xiàn)包裹;為減少電源線(xiàn)上的傳導(dǎo)干擾，在兩個(gè)晶振的+5 V供電電源入口處加磁珠，在28 V電源線(xiàn)入口處增加電源濾波器。
連接器的信號(hào)定義也是電磁兼容性設(shè)計(jì)的重要方面。在該實(shí)例中，對(duì)數(shù)字式控制器的信號(hào)進(jìn)行分類(lèi)，將抗干擾能力弱的模擬信號(hào)和抗干擾能力強(qiáng)的28 V電源及功率離散量信號(hào)、通訊信號(hào)和調(diào)試接口均定義在一個(gè)連接器內(nèi)，這樣就在制作電纜時(shí)，將功率信號(hào)、電源、模擬信號(hào)、調(diào)試信號(hào)相互分開(kāi)，降低了高頻對(duì)模擬信號(hào)的干擾。
4.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)電磁兼容性設(shè)計(jì)
對(duì)數(shù)字式控制器而言，設(shè)計(jì)制作具有良好屏蔽效能的機(jī)箱和模塊殼體，是實(shí)現(xiàn)電磁屏蔽的關(guān)鍵。機(jī)箱屏蔽效能不僅取決于屏蔽體材料，還取決于屏蔽體結(jié)構(gòu)，所有機(jī)箱表面均有孔縫。因此，必須仔細(xì)處理孔縫，防止通過(guò)孔縫泄露電磁干擾信號(hào)。該控制器在機(jī)箱蓋板和箱體之間加共模壓導(dǎo)電橡膠，機(jī)箱蓋板螺釘之間的距離設(shè)置入/2。對(duì)于連接器和機(jī)箱之間的縫隙，采用對(duì)高頻具有良好導(dǎo)電性的橡膠條實(shí)現(xiàn)密封。
開(kāi)關(guān)電源模塊內(nèi)的控制器的頻率最大有十幾kHz，但由于其控制的MOS管和變壓器通過(guò)的電流較大，因此，也會(huì)產(chǎn)生較大的干擾，需通過(guò)給開(kāi)關(guān)電源模塊單獨(dú)增加殼體實(shí)現(xiàn)雙層屏蔽，以達(dá)到較好的屏蔽效果。此外，需注意的是，所有屏蔽效果的實(shí)現(xiàn)均依賴(lài)于屏蔽體的良好接地，因此，必須仔細(xì)處理機(jī)箱的接地，測(cè)試機(jī)箱的接地電阻是否符合機(jī)載設(shè)備的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。
另外一種結(jié)構(gòu)電磁兼容性設(shè)計(jì)的方法是對(duì)電纜的電磁屏蔽。在進(jìn)行該控制器的電纜設(shè)計(jì)制作時(shí)，將電源線(xiàn)、模擬量信號(hào)和通訊信號(hào)分別單獨(dú)做電纜且雙絞屏蔽。為了減小電路對(duì)外的電磁輻射強(qiáng)度，將電源線(xiàn)和對(duì)應(yīng)的地線(xiàn)在磁環(huán)上繞砸，或?qū)⒉罘中盘?hào)的兩根線(xiàn)在磁環(huán)上繞砸。而一組通訊接口中的發(fā)送和接收也分別做了屏蔽，還對(duì)每個(gè)差分電路的兩根線(xiàn)分別進(jìn)行雙絞屏蔽。電纜屏蔽層的接地是通過(guò)屏蔽層與金屬連接器外殼可靠接地。
4.3 電源濾波器設(shè)計(jì)
該數(shù)字式控制器的電源濾波器由電感、電容、共模電感元件構(gòu)成低通濾波器，其基本電路如圖2所示。
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圖2：電源濾波器基本電路圖
圖2：電源濾波器基本電路圖
由于控制器的濾波器在安裝過(guò)程中不規(guī)范，出現(xiàn)了CE102超標(biāo)的問(wèn)題，其頻譜曲線(xiàn)如圖3所示。經(jīng)仔細(xì)分析和排查，發(fā)現(xiàn)濾波器的輸入輸出線(xiàn)距離較近，將濾波器“短路掉”，根據(jù)這一原因，進(jìn)行更改后，CE102頻譜掃描完全在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，其頻譜曲線(xiàn)如圖4所示。
圖3：輸入輸出線(xiàn)耦合頻譜曲線(xiàn)
圖4：更改后的平鋪曲線(xiàn)
4.4 接地設(shè)計(jì)
該數(shù)字式控制器中的地包括28 V供電電源地、28V離散量信號(hào)地、數(shù)字電路地、模擬電路地和機(jī)箱搭鐵地。28 V供電電源的地線(xiàn)必須單獨(dú)引線(xiàn)，不能用機(jī)箱搭鐵作為地線(xiàn)，在處理時(shí)也是單獨(dú)引一根地線(xiàn)，不與機(jī)箱連接。數(shù)字電路地是機(jī)載計(jì)算機(jī)的二次電源地，因此，其地線(xiàn)中有大量的高頻電流，為了抑制數(shù)字電路對(duì)模擬電路所帶來(lái)的干擾，將數(shù)字電路與模擬電路分開(kāi)布線(xiàn)、鋪設(shè)地層，并減少相互影響。模擬電路地也是機(jī)載計(jì)算機(jī)的二次電源地，通常會(huì)有混合電路芯片如A/D轉(zhuǎn)換器是既有模擬電源，又有數(shù)字電源供電，且只有兩種電源共地后，芯片才能正常工作。將芯片的數(shù)字地和模擬地管腳通過(guò)一根最短的印制板走線(xiàn)相連，即單點(diǎn)接地，以免形成地環(huán)路。
為保證整個(gè)控制器的參考地穩(wěn)定，也為了確保控制器和其他機(jī)載設(shè)備電氣互聯(lián)具有統(tǒng)一的參考，將整個(gè)系統(tǒng)的地與機(jī)箱通過(guò)單點(diǎn)接地，而機(jī)箱通過(guò)搭鐵線(xiàn)與飛機(jī)機(jī)體或大地可靠連接。
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