辛朝軍，姚靜波，解維奇

（裝備指揮技術(shù)學(xué)院航天裝備系，北京 101416）

EMC設(shè)計(jì)在運(yùn)載火箭多路信號(hào)測(cè)試處理系統(tǒng)中的應(yīng)用

辛朝軍，姚靜波，解維奇

（裝備指揮技術(shù)學(xué)院航天裝備系，北京 101416）

針對(duì)運(yùn)載火箭發(fā)射場(chǎng)惡劣的電磁環(huán)境和航天發(fā)射任務(wù)對(duì)電子設(shè)備電磁兼容性的苛刻要求，充分運(yùn)用各種EMC設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了一種運(yùn)載火箭多路信號(hào)測(cè)試處理系統(tǒng)。闡述了系統(tǒng)EMC設(shè)計(jì)的基本原理，重點(diǎn)介紹了系統(tǒng)設(shè)計(jì)初期從電源供電、信號(hào)隔離、PCB設(shè)計(jì)和濾波等方面所采取的EMC設(shè)計(jì)措施，對(duì)航天電子設(shè)備的設(shè)計(jì)具有一定的實(shí)用參考價(jià)值。

EMC；航天測(cè)試；設(shè)計(jì)

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展和集成電路的廣泛應(yīng)用，電子設(shè)備所處的電磁環(huán)境變得日益復(fù)雜，電路工作頻率的提高和電磁干擾現(xiàn)象的頻繁發(fā)生，使得電磁兼容設(shè)計(jì)的問題變得尤為重要。運(yùn)載火箭及其測(cè)試系統(tǒng)的電子設(shè)備數(shù)量多、種類復(fù)雜，高功率的執(zhí)行部件和高速的數(shù)字電路共存，整體設(shè)備所處的電磁環(huán)境非常惡劣。由于運(yùn)載火箭測(cè)試發(fā)射的高可靠性要求，傳統(tǒng)的后期試驗(yàn)考核為核心的電磁兼容設(shè)計(jì)模式亟需改變［1］，因此，在電子設(shè)備的設(shè)計(jì)初期，就將EMC設(shè)計(jì)考慮進(jìn)去。

運(yùn)載火箭多路信號(hào)測(cè)試處理系統(tǒng)以運(yùn)載火箭控制系統(tǒng)被測(cè)信號(hào)為對(duì)象，針對(duì)其信號(hào)多樣性、復(fù)雜性和特殊性的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套集遠(yuǎn)程控制、多路并行、實(shí)時(shí)測(cè)試于一體的信息采集處理與分析系統(tǒng)。由于系統(tǒng)在實(shí)際工作中所處的電磁環(huán)境復(fù)雜，因此，在設(shè)計(jì)過程中，需要從電路設(shè)計(jì)到軟件設(shè)計(jì)等各個(gè)階段，運(yùn)用各種電磁兼容設(shè)計(jì)手段，保證系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

1 EMC設(shè)計(jì)原理

電磁兼容（EMC，electromagnetic compatibility）是指電氣及電子設(shè)備在共同的電磁環(huán)境中能執(zhí)行各自功能的共存狀態(tài)，要求在同一電磁環(huán)境中的上述各種設(shè)備都能正常工作又互不干擾，達(dá)到兼容狀態(tài)［2］。EMC的三要素是干擾源、耦合途徑和敏感設(shè)備。一般的EMC設(shè)計(jì)通常是從這三個(gè)要素出發(fā)，分別采取相應(yīng)手段，減少電磁干擾對(duì)設(shè)備性能的影響。

電磁兼容性設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，設(shè)計(jì)中要參照實(shí)際電磁環(huán)境提出具體要求，進(jìn)而提出解決的技術(shù)措施。運(yùn)載火箭測(cè)試設(shè)備所處的發(fā)射場(chǎng)，其電磁干擾來源復(fù)雜，其中包括各種對(duì)火箭進(jìn)行跟蹤、外測(cè)、遙測(cè)及安全控制的設(shè)備，還有各種電臺(tái)、雷達(dá)、衛(wèi)星通信站等。

基于計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化測(cè)試技術(shù)的測(cè)試系統(tǒng)，影響系統(tǒng)電磁兼容性的因素可表示為

其中：N（ω）為干擾對(duì)系統(tǒng)的影響；G（ω）為干擾的強(qiáng)度；C（ω）為干擾傳輸?shù)鸟詈虾瘮?shù)；I（ω）為受干擾系統(tǒng)的抗干擾能力，即敏感度閾值。從式（1）可以看出，提高系統(tǒng)抗干擾能力的主要途徑就是切斷干擾源、減小耦合、提高系統(tǒng)敏感度閾值。因此，在電子測(cè)試設(shè)備設(shè)計(jì)初期，需要綜合考慮上述因素，運(yùn)用多種方法和措施對(duì)設(shè)備進(jìn)行了EMC設(shè)計(jì)。

2 EMC設(shè)計(jì)

2．1 電源供電設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中，為了防止電源輸入端的干擾信號(hào)竄入對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，系統(tǒng)對(duì)電源供電部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)，該部分的主要作用有3個(gè)：機(jī)箱屏蔽、防雷電或高壓脈沖及電源濾波。

機(jī)箱屏蔽的措施主要是采用全封閉的金屬機(jī)箱，機(jī)箱將通過空間進(jìn)行的電場(chǎng)、磁場(chǎng)或電磁場(chǎng)耦合的部分隔離開來，割斷其空間場(chǎng)的耦合通道［3］，并實(shí)現(xiàn)良好的接地。

系統(tǒng)供電電路設(shè)計(jì)如圖1所示。防雷電設(shè)計(jì)主要包括3部分，當(dāng)雷電的高壓脈沖信號(hào)進(jìn)入系統(tǒng)供電電路時(shí)，壓敏電阻RP1將會(huì)變?yōu)榈妥?，將高壓脈沖釋放掉，此時(shí)如果電路中仍然存在高壓脈沖干擾信號(hào)，電容CP2，CP3就會(huì)將其濾除，作為冗余補(bǔ)充，壓敏電阻RP2在敏感到高壓脈沖后，也會(huì)通過氣體放電管將其接地釋放。

圖1 電源供電電路

共模電感LP1，LP2主要起到電源濾波器的作用，考慮到濾波器的安裝方式對(duì)系統(tǒng)性能的影響，在安裝中采取了如下措施：1）濾波器輸入線遠(yuǎn)離輸出線，避免兩端耦合導(dǎo)致濾波效果變差；2）電源輸入端口與濾波器緊密相連，并實(shí)現(xiàn)良好的接地和屏蔽，避免外界電磁干擾進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)部，同時(shí)也保證內(nèi)部干擾不會(huì)傳出系統(tǒng)機(jī)箱。

2．2 信號(hào)隔離設(shè)計(jì)

對(duì)于運(yùn)載火箭測(cè)試系統(tǒng)，其輸入信號(hào)大多是通過很長(zhǎng)距離傳輸而來，由于其工作電磁環(huán)境的復(fù)雜性，信號(hào)輸入電纜難免會(huì)與其他線路產(chǎn)生電磁耦合而形成干擾，為了避免噪聲隨著信號(hào)一起傳輸進(jìn)入測(cè)量設(shè)備內(nèi)部，在設(shè)計(jì)時(shí)將每路信號(hào)的電源和輸入、輸出信號(hào)進(jìn)行了電氣上的完全隔離［4］。

電源的隔離采用DC／DC電源模塊進(jìn)行隔離，而測(cè)試信號(hào)的隔離則需要根據(jù)不同的信號(hào)類型設(shè)計(jì)相應(yīng)的信號(hào)隔離電路。運(yùn)載火箭控制系統(tǒng)涵蓋了脈沖信號(hào)、時(shí)序信號(hào)、模擬信號(hào)等多種類型，為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)的隔離，筆者設(shè)計(jì)了兩種不同的信號(hào)隔離電路。

對(duì)于脈沖信號(hào)和時(shí)序信號(hào)，在每個(gè)信號(hào)的輸入、輸出通道中使用光耦合器TLP114A，如圖2所示，從而使脈沖信號(hào)和時(shí)序信號(hào)的輸入與系統(tǒng)的測(cè)量信號(hào)隔離，避免了電磁干擾對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的影響，同時(shí)，該電路也實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸入信號(hào)的電壓調(diào)理功能。

對(duì)于模擬信號(hào)，在電路設(shè)計(jì)中使用低功耗的隔離放大器ISO124作為隔離器件，將系統(tǒng)輸入信號(hào)與輸出信號(hào)相隔離，電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

2．3 PCB設(shè)計(jì)

印刷電路板作為電子設(shè)備的基礎(chǔ)部件，在使用中同樣存在著EMC設(shè)計(jì)問題。在進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)時(shí)，系統(tǒng)PCB設(shè)計(jì)中著重從元器件布局和走線布局兩方面進(jìn)行了EMC設(shè)計(jì)。

圖2 脈沖、時(shí)序信號(hào)隔離電路

圖3 模擬信號(hào)隔離電路

在進(jìn)行元器件布局時(shí)，首要考慮的因素是將相互有關(guān)系的元器件靠近布局，以減少元器件之間的連線，從而降低輻射和干擾；其次，需要將工作頻率較高的器件靠近信號(hào)輸入端布局；再次，在每個(gè)芯片的電源與地之間跨接一個(gè)0．1μF的電容，起到去耦作用，以消除數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生的脈沖干擾。此外，在PCB板的電源入口處，分別配以22μF低頻濾波電容和0．1μF高頻去耦電容。

布線是否合理對(duì)減少信號(hào)之間的交叉干擾尤其重要，為了降低芯片各管腳與走線之間的相互影響，系統(tǒng)在PCB板設(shè)計(jì)時(shí)均采用四層板進(jìn)行布線，部分芯片密集的PCB板采用八層板進(jìn)行布線，以盡量降低分布參數(shù)對(duì)信號(hào)的影響。PCB板中設(shè)置專門的電源層和地層，同時(shí)將兩個(gè)層布置在相鄰的位置，這種布局除了減少差模輻射外［5］，還可以起到另外兩個(gè)作用，一是降低了供電線路的特性阻抗，同時(shí)由于地線專門分層，相當(dāng)于地線變粗，地線層中接地電位不會(huì)隨著電流的變化而變化，保證了設(shè)備中電平穩(wěn)定，抗噪聲能力增強(qiáng)；二是由于電源層和地層放置在相鄰的層中，從而在整個(gè)電路板上產(chǎn)生一個(gè)大的PCB電容消除噪聲。

2．4 信號(hào)濾波設(shè)計(jì)

電磁干擾傳播的途徑可分為傳導(dǎo)和輻射兩種，濾波是一種濾除不同頻帶騷擾頻譜的重要方法，主要解決通過傳導(dǎo)途徑造成的干擾［6］。本系統(tǒng)主要是利用數(shù)字濾波技術(shù)對(duì)信號(hào)受到的干擾進(jìn)行濾除，這樣可以在不增加設(shè)備的情況下方便靈活地對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波。

在本系統(tǒng)中，需要對(duì)脈寬小于1 ms的偽信號(hào)進(jìn)行濾波處理，為了節(jié)省計(jì)算機(jī)資源，設(shè)計(jì)中使用VHDL硬件編程語言對(duì)系統(tǒng)中的FPGA器件編程構(gòu)建數(shù)字濾波器，數(shù)字濾波原理如圖4所示。

圖4 數(shù)字濾波原理圖

圖4中，5個(gè)D觸發(fā)器作為輸入緩沖使用，系統(tǒng)clk信號(hào)為周期0．2 ms的方波，因此，5個(gè)D觸發(fā)器可將1 ms內(nèi)輸入的5個(gè)信號(hào)進(jìn)行比較，當(dāng)5個(gè)信號(hào)相同時(shí)，則將該信號(hào)視為有效信號(hào)輸出，當(dāng)5個(gè)信號(hào)不相同時(shí)，表示在該1 ms中出現(xiàn)了周期小于要求的偽信號(hào)，該信號(hào)則不被輸出。信號(hào)的比較由一個(gè)5輸入的同或器件實(shí)現(xiàn)，在信號(hào)輸出端口處的D觸發(fā)器主要用于信號(hào)的鎖存。通過上述設(shè)計(jì)，可以使系統(tǒng)很好地實(shí)現(xiàn)干擾信號(hào)濾除功能，能有效提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

3 結(jié) 語

電磁兼容性設(shè)計(jì)及其指標(biāo)是衡量電子產(chǎn)品質(zhì)量的重要標(biāo)志，在電磁環(huán)境復(fù)雜的火箭發(fā)射場(chǎng)，電子測(cè)試設(shè)備的EMC特性更是關(guān)系到航天發(fā)射任務(wù)的成敗，因此，必須針對(duì)航天電子測(cè)試產(chǎn)品的特殊要求，在設(shè)計(jì)階段對(duì)其進(jìn)行有效地環(huán)境保護(hù)及電磁兼容性設(shè)計(jì)，才能保證系統(tǒng)的高可靠性及抗惡劣環(huán)境能力。本文的設(shè)計(jì)已經(jīng)在某型號(hào)火箭測(cè)試產(chǎn)品中得到實(shí)際應(yīng)用，效果良好，可以為此類航天測(cè)試產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供良好的設(shè)計(jì)思路和借鑒。

［1］ 蔡遠(yuǎn)文，王 華，彭明偉．測(cè)試發(fā)射技術(shù)及其在軍事航天中的應(yīng)用與發(fā)展［J］．航天控制，2003（1）：59－63．

［2］ 朱 靜，尹 妍．電磁兼容設(shè)計(jì)在機(jī)動(dòng)式指揮系統(tǒng)方艙中的應(yīng)用［J］．電子機(jī)械工程，2010，26（2）：5－8．

［3］ 王宇翔．電子產(chǎn)品的電磁兼容性設(shè)計(jì)與實(shí)用經(jīng)驗(yàn)［J］．電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)，2010，28（4）：52－55．

［4］ 孫 友．一種通用的信號(hào)調(diào)理板卡的設(shè)計(jì)［J］．航天控制，2006，24（1）：70－74．

［5］ 滕 旭，胡志昂．電子系統(tǒng)抗干擾實(shí)用技術(shù)［M］．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2004．

［6］ 高社生，張玲霞．可靠性理論與工程應(yīng)用［M］．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2002．

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A

1008－1542（2011）07－0076－03

2011－06－25；責(zé)任編輯：陳書欣

辛朝軍（1980－），男，陜西鳳翔人，講師，主要從事檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置方面的研究。