畢業(yè)設計（論文）微信號電路設計中電磁兼容影響分析

1、畢業(yè)設計報告（論文） 報告（論文）題目：微信號電路設計中 電磁兼容影響分析 作者所在系部： 電子工程系 作者所在專業(yè)： 電子信息工程 作者所在班級： 作 者 姓 名 ： 作 者 學 號 ： 指導教師姓名： 完 成 時 間 ： 2012 年 6 月 20 日 北華航天工業(yè)學院教務處制 北華航天工業(yè)學院北華航天工業(yè)學院 畢業(yè)設計（論文）任務書（理工類）畢業(yè)設計（論文）任務書（理工類） 學生姓名： 王勝果 專 業(yè)：電子信息工程 班 級： b08213 學 號： 20084021340 指導教師： 曹白楊 職 稱： 教授 完成時間： 2012-06 畢業(yè)設計（論文）題目： 微信號電路設計中電磁兼容影響

2、分析 縱向課題（ ） 理論研究（） 教師科研 課 題橫向課題（ ） 應用研究（） 教師自擬課題（）應用設計（ ） 題目來源 學生自擬課題（） 題目類型 其 他（） 注：請直 接在所屬 項目括號 內打 “” 總體設計要求及技術要點： 對電子產品噪聲的產生和傳播途徑進行了全面的分析，從而為設計、安裝、調試 和使用電子產品提供了技術支持。 基本設計要求： 1 電場影響分析； 2 磁場影響分析； 3 輻射影響分析。 較高設計要求： 分析典型案例，提出問題解決方案或方法。 工作環(huán)境及技術條件： 相關設備、計算機、相關儀器； 相關技術標準（如 gbt 4 3 6 519 9 5 等） 。 工作內容及最終成

3、果： 1. 學習相關儀器使用； 2. 了解相關試驗方法和標準； 3. 寫論文。 時間進度安排： 1、第七學期第六周，根據(jù)學生選擇情況，完成雙向選擇，下達畢業(yè)設計任務書； 2、第七學期六十五周，教師指導學生查閱文獻，撰寫開題報告，準備外文譯 文、文獻綜述； 3、第七學期第十六周，論證學生的開題報告，確定能否開始畢業(yè)設計； 4、第八學期一十五周，學生進行畢業(yè)設計，完成畢業(yè)設計所有文檔。答辯委 員會驗收； 5、第八學期第十六周，畢業(yè)設計答辯，評定成績，評選優(yōu)秀畢業(yè)設計(論文)， 匯總上報； 6、第八學期第十七周，系、教研室進行畢業(yè)設計總結，匯總上報教務處； 7、第八學期第十八周，畢業(yè)設計資料整理歸檔

4、。 指導教師簽字： 年 月 日 教研室主任意見： 教研室主任簽字： 年 月 日 北華航天工業(yè)學院 本科生畢業(yè)設計（論文）原創(chuàng)性及知識產權聲明 本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設計（論文） 微信號電路設計中電磁兼容影響分析 是本人在指導教師的指導下，獨立進行研究工作取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內 容外，本設計（論文）不含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品或成果。對本 設計（論文）的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。因本畢 業(yè)設計（論文）引起的法律結果完全由本人承擔。 本畢業(yè)設計（論文）成果歸北華航天工業(yè)學院所有。本人遵循北華航天工業(yè)學院有 關畢業(yè)設計（論文）的相關規(guī)定，

5、提交畢業(yè)設計（論文）的印刷本和電子版本。本人同 意北華航天工業(yè)學院有權保存畢業(yè)設計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與 閱覽服務；可以采用影印、縮印、數(shù)字化或其它復制手段保存論文；在不以營利為目的 的前提下，可以公布非涉密畢業(yè)設計（論文）的部分或全部內容。 特此聲明 畢業(yè)設計（論文）作者： 指導教師： 年 月 日 年 月 日 摘 要 電磁兼容(emc)是一個新概念，它是抗干擾概念的擴展和延伸。從最初的設法防止 射頻頻段內的電磁噪聲、電磁干擾，發(fā)展到防止和對抗各種電磁干擾。進一步在認識上 產生了質的飛躍，把主動采取措施抑制電磁干擾貫穿于設備或系統(tǒng)的設計、生產和使用 的整個過程中。這樣才能保

6、證電子、電氣設備和系統(tǒng)實現(xiàn)電磁兼容性。本文從各種電磁 兼容產生的機理、危害和防護措施，系統(tǒng)地探究了工程中常遇到的接地、屏蔽以及濾波 器設計等技術，并結合 pcb 設計中遇到的各種問題，論述了電磁兼容理論與射頻電路 pcb 設計。最后，本文對一些國際 emc 標準的有關內容進行研究，找出它們的異同點， 有助于提高我國的電子產品和電氣設備在國際上的競爭力，是產品能夠順利地通過 emc 指標測試。 關鍵詞 電磁干擾 接地技術 屏蔽技術 濾波技術 pcb 設計 電磁兼容標準 abstract electromagnetic compatibility is a new concept, which i

7、s an extension of the concept of interference. the first to try to prevent it from within the radio frequency electromagnetic noise, electromagnetic interference, developed to prevent and combat all kinds of electromagnetic interference. further understanding produced a qualitative leap, to take the

8、 initiative to take measures to suppress electromagnetic interference devices or systems throughout the design, production and use of the whole process. so as to ensure that the electronic, electrical equipment and systems to achieve emc. in this paper, the mechanism producing a variety of emc, haza

9、rds and protective measures, and systematically explore the engineering frequently encountered grounding, shielding and filter design technology, combined with pcb problems encountered in the design, discusses the electromagnetic compatibility pcb design and rf circuit theory. finally, some of the r

10、elevant international emc standards for the content of research to identify their similarities and differences, will help improve chinas electronics and electrical equipment in the international competitiveness of the product can be successfully tested by emc targets. key words electromagnetic inter

11、ference grounding technology shielding technology filter technology pcb design electromagnetic compatibility standards 目 錄 第 1 章 緒論 .1 第 2 章 電磁兼容技術概述 .2 2 2.1 電磁干擾.2 2.2 電磁兼容的含義.3 2.3 電磁兼容技術術語.3 2.4 電磁兼容性的實施與設計方法.8 2.4.1 電磁兼容性的實施 .8 2.4.2 電磁兼容性的設計方法 .9 2.5 小結 .9 第 3 章 屏蔽技術 .10 3.1 屏蔽原理及分類 .10 3.2 電場

12、屏蔽 .10 3.2.1 靜電屏蔽 .10 3.2.2 交變電場的屏蔽 .11 3.3 磁場屏蔽 .11 3.3.1 低頻磁場的屏蔽 .12 3.3.2 高頻磁場的屏蔽 .13 3.4 電磁屏蔽 .15 3.5 小結 .16 第 4 章 接地技術 .17 4.1 接地的概念及要求.17 4.1.1 接地的概念 .17 4.1.2 接地的要求 .18 4.2 信號接地 .18 4.2.1 單點接地 .18 4.2.2 多點接地 .19 4.2.3 浮地 .20 4.2.4 混合接地 .20 4.3 小結.20 第 5 章 耦合技術 .21 5.1 傳導耦合.21 5.1.1 電容性耦合 .21

13、5.1.2 電感性耦合 .21 5.1.3 電容性耦合與電感性耦合的綜合考慮 .22 5.2 輻射耦合.22 5.3 干擾耦合的抑制措施.22 5.3.1 電容性耦合干擾抑制措施 .22 5.3.2 電感性耦合干擾抑制措施 .22 5.4 小結.23 第 6 章 線路板設計 .24 6.1 元器件的選擇.24 6.2 線路板上的電磁騷擾輻射.27 6.2.1 差模輻射 .27 6.2.2 共模輻射 .27 6.3 印制電路板（pcb）的設計.27 6.3.1 單面板 .28 6.3.2 雙面板 .28 6.3.3 單面板和雙面板幾種地線的分析 .28 6.4 pcb 中的元件布局及走線 .29

14、 6.5 小結.30 第 7 章 結論 .31 致 謝 .32 參考文獻 .33 附 錄 .34 微信號電路設計中電磁兼容影響分析 第第 1 章章 緒論緒論 電磁兼容是一門新興復雜的綜合性強的交叉學科，它的內容較為廣泛，應用于許多 領域。隨著科學技術的發(fā)展，信息時代的到來以及電氣化與自動化水平的不斷提高，電 磁干擾及電磁防護問題日益突出，世界各發(fā)達國家均對此予與廣泛的重視，積極開展電 磁兼容性的理論和應用研究，并已在軍事裝備，尖端技術產品和民用產品的研制和生產 中獲得很大利益。為了使民用和軍用設備的性能達到可以接受的程度，必須嚴控技術， 我國的電磁兼容性研究起步較晚，與國外先進水平相比尚有差距

15、，因而更應該加強電磁 兼容性技術的研究。 電磁環(huán)境的不斷惡化，引起了世界各工業(yè)發(fā)達國家的重視，特別是 20 世紀 70 年代 以來，進行了大量的理論研究及實驗工作。進而提出了如何使電子設備或系統(tǒng)在其所處 的電磁環(huán)境中，能夠正常的運行，而對在該環(huán)境中工作的其他設備或系統(tǒng)也引入能承受 的電磁干擾的新課題，這就是所謂的電磁兼容。 隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展和人民生活水平的提高，電氣及電子設備的數(shù)量及種類不 斷增加，從而導致空間電磁環(huán)境日益復雜。在這種復雜的電磁環(huán)境下，怎樣減少設備間 的電磁干擾，使每個系統(tǒng)能正常運轉，是一個迫切需要解決的問題。這正是研究電磁兼 容技術的宗旨。目前，電磁兼容已成為電子系統(tǒng)或

16、設備的技術關鍵，為了保證電子系統(tǒng) 的正常工作，必須進行嚴格的電磁兼容性設計，在系統(tǒng)研制、設計、工藝、生產、試驗、 使用等各階段均要采用電磁兼容技術，電磁兼容設計和管理應貫穿于從產品的研制到使 用的過程。 電磁干擾的傳輸有傳導和輻射兩種形式，歸納起來，任何電磁干擾都是由三個基本 要素組合而產生的，如圖 1-1 所示，它們是電磁干擾源(或發(fā)射機)、干擾體(或接受機)、 傳輸通道(耦合機制)。相應地對抑制所有電磁干擾的方法也應由選三要素著手解決。 耦合機制 （路徑） 圖 1-1 電磁干擾模型圖 由于電子設備所處的電磁環(huán)境的特殊性，使這些設備在獲取信息和傳送信息的同時， 不可避免地要感受到來自不同渠道

17、的電磁干擾的影響。為了保證電子設備安全可靠地運 行，在開發(fā)研制電子設備的同時，就要分析其抗電磁干擾的可行性，并通過完善的試驗、 測試和分析研究來確立相關設備的電磁兼容技術。 干擾源 （發(fā)射機） 敏感設備 （接收機） 第 2 章 電磁兼容技術概述 2.1 電磁干擾 1. 電磁干擾的定義 （1）電磁騷擾（emd，electromagnetic disturbance） 電磁騷擾是指任何可能引起裝置、設備或系統(tǒng)性能降低或者對有生命或無生命物質 產生損害作用的電磁現(xiàn)象。它可能是電磁噪聲、無用信號或傳播媒介自身的變化，它可 能引起設備或系統(tǒng)降級或損害，但不一定會形成后果。 （2）電磁干擾（emi，ele

18、ctromagnetic interference） 電磁干擾是指電磁騷擾引起的設備、傳輸通道或系統(tǒng)性能的下降。它是由電磁騷擾 引起的后果。 2. 電磁干擾源的分類 電磁干擾的分類可以有很多種分法，例如，按傳播途徑分，有傳導干擾和輻射干擾， 其中傳導干擾的傳輸性質有電耦合、磁耦合及電磁耦合；按輻射干擾的傳輸性質分，有 近區(qū)場感應耦合和遠區(qū)場輻射耦合；按頻帶分，有窄帶干擾和寬帶干擾；按實施干擾者 的主觀意向分，可分為有意干擾源和無意干擾源；按干擾源性質分，有自然干擾和人為 干擾等等。如圖 2-1 所示： 核爆炸引起的噪聲 靜電放電噪聲 外部無用信號引起的噪聲 各種放電現(xiàn)象引起的噪聲 太陽輻射引起

19、的噪聲 來自大氣的噪聲（空間電） 自然噪聲 人為噪聲 由感應產生的噪聲 系統(tǒng)固有的噪聲 系統(tǒng)內 部噪聲 系統(tǒng)外 部噪聲 噪聲 圖2-1 噪聲源的分類 2.2 電磁兼容的含義 電磁兼容（emc, electromagnetic compatibility）一般指電氣及電子設備在共同的電 磁環(huán)境中能執(zhí)行各自功能的共存狀態(tài)，即要求在同一電磁環(huán)境中的上述各種設備都能正 常工作又互不干擾，達到“兼容”狀態(tài)。換句話說，電磁兼容是指電子線路、設備、系 統(tǒng)相互不影響，從電磁角度具有相容性的狀態(tài)。相容性包括設備內電路模塊之間的相容 性、設備之間的相容性和系統(tǒng)之間的相容性。 電磁兼容是研究在有限的空間，時間和頻譜

20、資源等條件下，各種用電設備（廣義的 還包括生物體）可以共存，并不致引起降級的一門學科。所謂電子設備的電磁兼容性， 是指電子設備在預定的電磁環(huán)境中，能按一定設計要求正常工作的性能或能力。其能力 包括以下三點：1)在給定電磁環(huán)境中，電子設備具有抵御預定電磁干擾的能力，并能留 有一定安全余量；2)電子設備不能產生超過規(guī)定限度的電磁干擾；3)電子設備可按設計 的技術要求完成其預定功能使命。 電磁兼容性設計要求可用下列不等式來說明： 干擾源強度傳播衰減因子rs，此時 rs 可忽略不計，則式（ 3 ）可簡化為 （ 4 ） ss mi il 當頻率低時，ls 30mhz)的采用多點接 地式。因為接地引線的感

21、抗與頻率和長度成正比, 工作頻率高時將增加共地阻抗, 從而將 增大共地阻抗產生的電磁干擾,所以要求地線的長度盡量短。采用多點接地時, 盡量找最 接近的低阻值接地面接地，如圖 4-3 所示。 圖 4-3 設備多點接地 4.2.3 浮地 浮地的目的是將電路或設備與公共地或可能引起環(huán)流的公共導線隔離開來。浮地的 效果取決于是否能做到完全的浮地隔離。實際上，要做到完全的隔離，在許多情況下是 很困難的。這種接地方式的缺點是設備不與大地直接相連，容易產生靜電積累現(xiàn)象，這 樣積累起來的電荷達到一定程度后，在設備和大地之間會產生具有強大放電電流的放電 擊穿現(xiàn)象。這種放電現(xiàn)象是一種破壞性很大的強干擾源。為了解決

22、這個問題，在設備與 大地之間接進一個阻值很大的泄放電阻，以消除靜電積累的影響。 浮地技術主要解決地線環(huán)路問題，因為對一些敏感電路，地線環(huán)路電流引起的干擾 往往會對它的正常工作造成致命的影響。在某些應用場合，單純的浮地措施并不能達到 預期的效果，只有采取適當?shù)母〉馗綦x措施才能真正切斷不同電路的相互干擾。常見的 浮地隔離措施有：隔離變壓器隔離、光電藕合器隔離和光纖隔離等。 4.2.4 混合接地 如果電路的工作頻帶很寬，在低頻情況需要采用單點接地，而在高頻情況又需要采 用多點接地，在這種情況下可以采用混合接地方式。理論和實踐都表明，對于工作頻 4 率低于 1mhz 和公共接地面尺寸小于工作信號波長

23、1/20 的電路系統(tǒng)，宜采用單點接地方 式；對于工作頻率高于 10mhz 和公共接地面尺寸大于工作信號波長 1/20 的電路系統(tǒng)， 宜采用多點接地方式；而對于頻率為 1mhz10mhz 和公共接地面尺寸為工作信號波長 1/20 左右的電路系統(tǒng)，一般采用混合接地系統(tǒng)，如圖 4-4 所示。 圖 4-4 混合接地系統(tǒng) 4.3 小結 本章主要描述接地的概念、要求及分類。接地的過程實際上也是降低電磁干擾的過 程，本課題是電磁兼容的影響分析，任何設備在工作的過程中，各元器件之間存在必然 存在干擾，接地就是一種抑制電磁干擾、保障設備或系統(tǒng)電磁兼容性、提高設備或系統(tǒng) 可靠性的重要技術措施。 第 5 章 耦合技

24、術 5.1 傳導耦合 傳導耦合包括通過導體間的電容及互感而形成的干擾耦合。 5.1.1 電容性耦合 由于電容實際是由兩個導體構成的，因此兩根導線就構成了一個電容，我們稱這個 電容是導線之間的寄生電容。由于這個電容的存在，一根導線中的能量能夠耦合到另一 根導線上。這種耦合稱為電容性耦合或電場耦合。 電容耦合方式是指電位變化在干擾源與干擾對象之間引起的靜電感應，又稱靜電耦 合或電場耦合。電路的元件之間、導線之間、導線與元件之間都存在著分布電容。如果 某一個導體上的信號電壓（或噪聲電壓）通過分布電容使其他導體上的電位受到影響， 那么這就是電容性耦合。 電容性耦合主要在射頻頻率形成騷擾，頻率越高，電容

25、性耦合越明顯。一般情況下， 騷擾源的工作頻率、敏感電路對地的電阻、騷擾電壓都是預先給定的，因此，抑制電容 性耦合的有效方法是減小耦合電容。 5.1.2 電感性耦合 電感性耦合又稱磁耦合，磁場耦合又稱電磁感應耦合，示意圖如圖 5-1 所示。在任 何載流導體周圍空間中都會產生磁場，若磁場是交變的，則對其周圍閉合電路產生感應 電勢。在設備內部，線圈或變壓器的漏磁是一個很大的干擾；在設備外部，當兩根導線 在很長的區(qū)間架設時，也會產生干擾。 圖 5-1 磁場耦合示意圖 5.1.3 電容性耦合與電感性耦合的綜合考慮 磁場與電場間的干擾有區(qū)別。第一，減小受干擾電路的負載阻抗未必能使磁場干擾 的情況有所改善；

26、而對于電場干擾的情況，減小受干擾電路的負載阻抗可以改善干擾的 情況。第二，磁場干擾中，電感耦合電壓串聯(lián)在被干擾導體中，而電場干擾中，電容耦 合電流并聯(lián)在導體與地之間。利用這一特點，可以分辨干擾是電感耦合還是電容耦合。 5.2 輻射耦合 電磁場輻射也會造成干擾耦合。當高頻電流流過導體時，在該導體周圍便產生電力 線和磁力線，并發(fā)生高頻變化，從而形成一種在空間傳播的電磁波。處于電磁波中的導 體便會感應出相應頻率的電動勢。 電磁場輻射干擾是一種無規(guī)則的干擾，這種干擾很容易通過電源線傳到系統(tǒng)中去。 處于空間中的傳輸線（輸入線、輸出線、和控制線） ，既能輻射干擾波又能接收干擾波， 這種現(xiàn)象稱為天線效應。當

27、傳輸線的長度大于或等于空間中信號頻率的四分之一波長時， 天線效應尤其明顯。 電磁兼容的理論和技術就是圍繞干擾源、干擾傳播途徑（或傳輸通道）和敏感設備， 研究電磁干擾源產生的機理及抑制干擾源的措施，尋找削弱傳播干擾能量的方法和提高 敏感設備抵抗能力的技術，從而達到控制干擾發(fā)生的目的。 5.3 干擾耦合的抑制措施 5.3.1 電容性耦合干擾的抑制措施 1. 兩系統(tǒng)的耦合部分的布置應使耦合電容盡量小，使導線盡量短，線間距離盡量大， 并盡量避免平行走線； 2. 對干擾源和被干擾者進行電屏蔽； 3. 如果干擾源和干擾對象的基準點電路上是相互獨立的，則可采用平衡措施來消除 電容性干擾。 5.3.2 電感性

28、耦合干擾的抑制措施 1. 兩個系統(tǒng)的電感耦合，主要是導線和電纜間磁耦合。使線間距離盡量大，導線盡 量短，避免平行走線并設法縮小電流回路所為成的面積使互感盡量的??； 2. 被干擾的導線環(huán)在干擾場中的放置方位應使它對干擾磁場切割的磁力線最小，因 而所耦合的干擾信號也最??； 3. 將一個電流的回路線間繞成極性交錯的若干局部耦合環(huán)，使之沿導線長度方向的 符號交變的局部耦合信號彼此相抵消； 4. 對干擾對象或干擾源進行磁屏蔽。 5.3.2 輻射干擾耦合的抑制措施 1. 對輻射干擾最有效的抑制方法是電磁屏蔽； 2. 為了降低平衡雙導線上的輻射性異模干擾，可采取如下措施：減小兩傳輸導線之 間的距離，以絞線代

29、替平行雙導線，在導線上加上單層、雙層甚至三層網(wǎng)狀屏蔽 層； 3. 為了降低輻射性共模干擾，應使傳輸線盡量靠近地面配置，減少回路面積。 5.4 小結小結 本章主要介紹了耦合技術的耦合類型，并根據(jù)各種耦合的技術特點，提出了一系列 的耦合干擾抑制措施。 第 6 章 線路板的設計 6.1 元器件的選擇元器件的選擇 元件的選擇和電路設計是影響板級電磁兼容性性能的主要因素。每一種電子元件都 有它各自的特性，因此，要求在設計時仔細考慮。下面將討論一些常見的用來減少或抑 制電磁兼容性的電子元件和電路設計技術。 元件組元件組 有兩種基本的電子元件組：有引腳的和無引腳的元件。有引腳線元件有寄生效果， 尤其在高頻時

30、。該引腳形成了一個小電感，大約是 1nh/mm/引腳。引腳的末端也能產生 一個小電容性的效應，大約有 4pf。因此，引腳的長度 應盡可能的短。與有引腳的元件相比，無引腳且表面貼裝的元件的寄生效果要小一 些。其典型值為：0.5nh 的寄生電感和約 0.3pf 的終端電容。從電磁兼容性的觀點看， 表面貼裝元件效果最好，其次是放射狀引腳元件，最后是軸向平行引腳的元件。 （1）電阻電阻 由于表面貼裝元件具有低寄生參數(shù)的特點，因此，表面貼裝電阻總是優(yōu)于有引腳電 阻。對于有引腳的電阻，應首選碳膜電阻，其次是金屬膜電阻，最后是線繞電阻。 由于在相對低的工作頻率下（約 mhz 數(shù)量級） ，金屬膜電阻是主要的寄

31、生元件，因 此其適合用于高功率密度或和高準確度的電路中。線繞電阻有很強的電感特性，因此在 對頻率敏感的應用中不能用它。它最適合用在大功率處理的電路中。 在放大器的設計中，電阻的選擇非常重要。在高頻環(huán)境下，電阻的阻抗會因為電阻 的電感效應而增加。因此，增益控制電阻的位置應該盡可能的靠近放大器電路以減少電 路板的電感。 在上拉/下拉電阻的電路中，晶體管或集成電路的快速切換會增加上升時間。為了減 小這個影響，所有的偏置電阻必須盡可能靠近有源器件及他的電源和地，從而減少 pcb 連線的電感。在穩(wěn)壓（整流）或參考電路中，直流偏置電阻應盡可能地靠近有源器件以 減輕去耦效應（即改善瞬態(tài)響應時間） 。 在 r

32、c 濾波網(wǎng)絡中，線繞電阻的寄生電感很容易引起本機振蕩，所以必須考慮由電 阻引起的電感效應。 （2）電容電容 由于電容種類繁多，性能各異，選擇合適的電容并不容易。但是電容的使用可以解 決許多 emc 問題。接下來的幾小節(jié)將描述幾種最常見的電容類型、性能及使用方法。 鋁質電解電容通常是在絕緣薄層之間以螺旋狀纏繞金屬箔而制成，這樣可在單位體積內 得到較大的電容值，但也使得該部分的內部感抗增加。鉭電容由一塊帶直板和引腳連接 點的絕緣體制成，其內部感抗低于鋁電解電容。陶質電容的結構是在陶瓷絕緣體中包含 多個平行的金屬片。其主要寄生為片結構的感抗，并且通常這將在低于 mhz 的區(qū)域造 成阻抗。絕緣材料的不

33、同頻響特性意味著一種類型的電容會比另一種更適合于某種應用 場合。鋁電解電容和鉭電解電容適用于低頻終端，主要是存儲器和低頻濾波器領域。在 中頻范圍內（從 khz 到 mhz） ，陶質電容比較適合，常用于去耦電路和高頻濾波。特殊 的低損耗（通常價格比較昂貴）陶質電容和云母電容適合于甚高頻應用和微波電路。為 得到最好的 emc 特性，電容具有低的 esr（equivalent series resistance，等效串聯(lián)電 阻） 值是很重要的，因為它會對信號造成大的衰減，特別是在應用頻率接近電容諧振頻 率的場合。 a. 旁路電容旁路電容 旁路電容的主要功能是產生一個交流分路，從而消去進入易感區(qū)的那些

34、不需要的能 量。旁路電容一般作為高頻旁路器件來減小對電源模塊的瞬態(tài)電流需求。通常鋁電解電 容和鉭電容比較適合作旁路電容，其電容值取決于 pcb 板上的瞬態(tài)電流需求，一般在 10 至 470f 范圍內。若 pcb 板上有許多集成電路、高速開關電路和具有長引線的電源， 則應選擇大容量的電容。 b. 去耦電容去耦電容 有源器件在開關時產生的高頻開關噪聲將沿著電源線傳播。去耦電容的主要功能就 是提供一個局部的直流電源給有源器件，以減少開關噪聲在板上的傳播和將噪聲引導到 地。實際上，旁路電容和去耦電容都應該盡可能放在靠近電源輸入處以幫助濾除高頻噪 聲。去耦電容的取值大約是旁路電容的 1/100 到 1/

35、1000。為了得到更好的 emc 特性，去 耦電容還應盡可能地靠近每個集成塊（ic） ，因為布線阻抗將減小去耦電容的效力。陶瓷 電容常被用來去耦，其值決定于最快信號的上升時間和下降時間。例如，對一個 33mhz 的時鐘信號，可使用 4.7nf 到 100nf 的電容；對一個 100mhz 時鐘信號，可使用 10nf 的 電容。選擇去耦電容時，除了考慮電容值外，esr 值也會影響去耦能力。為了去耦，應 該選擇 esr 值低于 1 歐姆的電容。 （3）電感電感 電感是一種可以將磁場和電場聯(lián)系起來的元件，其固有的、可以與磁場互相作用的 能力使其潛在地比其他元件更為敏感。和電容類似，聰明地使用電感也能

36、解決許多 emc 問題。下面是兩種基本類型的電感：開環(huán)和閉環(huán)。它們的不同在于內部的磁場環(huán)。在開 環(huán)設計中，磁場通過空氣閉合；而閉環(huán)設計中，磁場通過磁芯完成磁路。如圖 6-1 所示： 圖 6-1 電感中的磁場 電感比起電容和電阻而言的一個優(yōu)點是它沒有寄生感抗，因此其表面貼裝類型和引 線類型沒有什么差別。開環(huán)電感的磁場穿過空氣，這將引起輻射并帶來電磁干擾 （emi）問題。在選擇開環(huán)電感時，繞軸式比棒式或螺線管式更好，因為這樣磁場將被 控制在磁芯（即磁體內的局部磁場） 。 對閉環(huán)電感來說，磁場被完全控制在磁心，因此在電路設計中這種類型的電感更理 想，當然它們也比較昂貴。螺旋環(huán)狀的閉環(huán)電感的一個優(yōu)點是

37、：它不僅將磁環(huán)控制在磁 心，還可以自行消除所有外來的附帶場輻射。電感的磁芯材料主要有兩種類型：鐵和鐵 氧體。鐵磁芯電感用于低頻場合（幾十 khz） ，而鐵氧體磁芯電感用于高頻場合（到 mhz） 。因此鐵氧體磁芯電感更適合于 emc 應用。 在 emc 應用中特別使用了兩種特殊的電感類型：鐵氧體磁珠和鐵氧體磁夾。 鐵和鐵氧體可作電感磁芯骨架。鐵芯電感常應用于低頻場合（幾十 khz） ，而鐵氧 體芯電感常應用于高頻場合（mhz） 。所以鐵氧芯感應體更適合于 emc 應用。在 emc 的特殊應用中，有兩類特殊的電感：鐵氧體磁珠和鐵氧體夾。鐵氧體磁珠是單環(huán)電感， 通常單股導線穿過鐵氧體型材而形成單環(huán)。

38、這種器件在高頻范圍的衰減為 10db，而直流 的衰減量很小。類似鐵氧體磁珠，鐵氧體夾在高達 mhz 的頻率范圍內的共模（cm）和 差模（dm）的衰減均可達到 10db 至 20db。 在 dc/dc 變換中，電感必須能夠承受高飽和電流，并且輻射小。線軸式電感具有 滿足該應用要求的特性。在低阻抗的電源和高阻抗的數(shù)字電路之間，需要 lc 濾波器， 以保證電源電路的阻抗匹配。如圖 6-2 所示： 圖 6-2 lc 濾波器 （4）二極管二極管 二極管是最簡單的半導體器件。由于其獨特的特性，某些二極管有助于解決并防止 與 emc 相關的一些問題。 許多電路為感性負載，在高速開關電流的作用下，系統(tǒng)中產生瞬

39、態(tài)尖峰電流。二極 管是抑制尖峰電壓噪聲源的最有效的器件之一。下面舉例說明用二極管實現(xiàn)尖峰抑制。 圖 6-3 繼電器瞬時尖峰抑制 如圖 6-3 所示，控制終端開/關線圈，線圈中的開關尖峰脈沖將耦合并輻射到電路的 其它部分。二極管 d1 能嵌位電壓的波動。 6.2 線路板上的電磁騷擾輻射線路板上的電磁騷擾輻射 線路板的輻射主要產生于兩個源：一個是 pcb 走線，另一個是 i/o 電纜。電纜輻射 往往是更主要的輻射源。因為電纜是效率很高的輻射天線。有些電纜盡管傳輸?shù)男盘栴l 率很低，但由于 pcb 上的高頻信號會耦合到電纜上，也會產生較強的高頻輻射。 線路板上的輻射以共模和差模的方式輻射。 6.2.1

40、 差模輻射 1. 差模輻射場 差模電流流過電路中的導線環(huán)路時，將引起差模輻射，這種環(huán)路相當于小環(huán)天線， 能向空間輻射電、磁場，或接受電、磁場。 2. 脈沖信號差模輻射的頻譜 脈沖信號差模輻射的頻譜是脈沖信號的頻譜與差模信號的頻譜的乘積。 有的時候盡管電路的時鐘信號不高，但卻能產生頻率很高的電磁輻射，就是因為差 模輻射的頻譜一直延伸到脈沖信號的全頻段。 3. 減小差模輻射額方法 （1）降低電路的工作頻率； （2）減小信號環(huán)路的面積； （3）減小信號電流的強度。 6.2.2 共模輻射 1. 共模輻射場 共模輻射主要是由于接地電路中存在電壓降，某些部位具有高電位的共模電壓，當 外接電纜與這些部位連接

41、時，就會在共模電壓激勵下產生共模電流，成為輻射電場的天 線。 2. 脈沖信號共模輻射的頻譜 與差模輻射的不同點在于，共模輻射的幅度超過一定值后開始下降，而不是保持不 變。 3. 減小共模輻射額方法 （1）盡量減小激勵此天線的源電壓，即地電位； （2）提供與電纜串聯(lián)的高共模阻抗，即加共模扼流圈； （3）將共模電流旁路到地； （4）電纜屏蔽層與屏蔽殼體作 360端接。 6.3 印制電路板（印制電路板（pcb）的設計）的設計 由于 pcb 上的電子器件和線路的密集度不斷增加，而信號的頻率也不斷提高，不可 避免地會引入電磁兼容問題。pcb 電磁兼容設計不僅是使電路板上各部分單元電路之間、 同一系統(tǒng)的不

42、同 pcb 之間沒有相互干擾，而且要求 pcb 盡量減小對外界的電磁發(fā)射， 從而使整機達到有關標準的要求。 在設計印制電路板時，首先要根據(jù)實際需要，選擇合適的印制板類型（板材和板層） ，然后是確定元器件在板上的位置，再依次布局地線、電源線、高速信號線和低速信號 線。 印制電路板有單面、雙面和多層板之分。單面和雙面板一般用于低、中密度布線的 電路和集成度較低的電路。多層板適用于高密度布線、高集成度芯片的高速數(shù)字電路。 從電磁兼容的角度來說，多層板可以減小線路板的電磁輻射并提高線路板的抗干擾 能力。因為在多層板中，可以設置專門的電源層和地層，使信號線與地線之間的距離僅 為印制線路板的層間距離。這樣

43、，板上所有信號的回路面積就可以降至最，從而有效減 小差模輻射。 6.3.1 單面板 單面板制造簡單，裝配方便，適用于一般電路要求，不適用于要求高的組裝密度或 復雜的電路場合。如果 pcb 的布局設計合理，可以實現(xiàn)電磁兼容性。 當進行單面或雙面板的布線時，最快的方法是先人工布好地線，然后將關鍵信號， 如高速時鐘信號或敏感電路，靠近它們的地回路布置，最后對其他電路進行布線。為了 使布線從一開始就有一個明確的目標，在電路圖上應給出盡量多的信息，包括： 不同功能模塊在線路板上的位置要求； 敏感器件和 i/o 接口的位置要求； 線路圖上應標明不同的地線，以及對關鍵連線的要求； 標明在哪些地方不同的地線可

44、以連接起來，哪些地方不允許； 哪些信號線必須靠近地線。 6.3.2 雙面板 雙面板適用于只要求中等組裝密度的場合，安裝在這類板上的元器件易于維修或更 換。在高速數(shù)字電路中，應該把印制跡線作為傳輸線處理。常用的 pcb 傳輸線是微帶線 和帶狀線。微帶線是一種用電介質將導線與接地面隔開的傳輸線，印制跡線的厚度、寬 度和跡線與接地面間介質的厚度，以及電介質的介電常數(shù)，決定微帶線特性阻抗的大小。 因此，使用雙面板將有利于實現(xiàn)電磁兼容性設計。 6.3.3 單面板和雙面板幾種地線的分析 1. 地線網(wǎng)絡 平行地線概念的延伸是地線網(wǎng)絡，這使信號可以回流的平行地線數(shù)目大幅度地增加， 從而使地線電感對任何信號而言

45、都保持最小。這種地線結構特別適用于數(shù)字電路。 在進行線路板布線時，應首先將地線網(wǎng)格布好，然后再進行信號線和電源線的布線。 當進行雙面板布線時，如果過孔的阻抗可以忽略，可以在線路板的一面走橫線，另一面 走豎線。地線網(wǎng)格的間距也不能太大，因為地線的一個主要作用是提供信號回流路徑， 若地線網(wǎng)格的間距過大，會形成較大的信號環(huán)路面積，大環(huán)路面積會引起輻射和敏感度 問題。 2. 地線面 地線網(wǎng)格的極端形式是平行的導線無限多，構成了一個連續(xù)的導體平面，這個平面 稱為地線面。這在多層板中很容易實現(xiàn)，它能提供最小的電感，還能有效地控制串擾。 它能使輻射的環(huán)路最小，這保證了 pcb 的最小差模輻射和對外界騷擾的敏

46、感度。 3. 地線布線規(guī)則 由于對所有的信號線都實現(xiàn)最佳地線分布是不可能的，在設計時應重點考慮最重要 的部分。從 emi 的角度考慮，最重要的信號是高電流變化率信號，如時鐘線、數(shù)據(jù)線、 大功率方波震蕩器等。從敏感度的角度考慮，最重要的信號是前后沿觸發(fā)輸入電路、時 鐘系統(tǒng)、小信號模擬放大器等。 6.4 pcb 中的元件布局及走線 在 pcb 上有許多情況可以引起 emi，這是因為元件在特定情況下都有各自的特性。 比如在高頻段里，一個電阻器相當于一個電感串聯(lián)上一個電阻與電結構；一個電容相當 于一個電感，電阻和電容器的串聯(lián)；一個電感相當阻串上一個電感與電容的并聯(lián)結構。 認識到元件的高頻寄生特 pcb

47、 設計階段采取措施解決此類電磁兼容問題非常重要。 當 pcb 上的走線很長，并且頻率很高，這時走線可能具有天線效應的引線和 pcb 上走線一樣都有寄生電容和電感，這些寄生電容和電感影的阻抗并且對頻率敏感。根據(jù) 其寄生電感電容值和走線長度，可能會產生發(fā)射天線。一般設備的天線都設計成工作在 固定頻率，對應于波長的 1/4 或 1/2，以成為有效的發(fā)射器，對走線來說要特別避免這種 情況的發(fā)生。實際應要求小于特定頻率波長的 1/20，避免形成無意的發(fā)射源。 在純數(shù)字電路中，電阻主要是限流作用和確定電平。寄生電容存在兩端，它對極高 頻設計有很大的破壞，尤其在 ghz 的范圍。 電容器通常用于電源總線去耦

48、，旁路和儲能作用。當電路上頻率自諧振頻率時，會 出現(xiàn)電感特性。電容器引腳上的寄生電感將使電容器諧振頻率以上時表現(xiàn)為電感特性而 失去原有的功能。 在 pcb 中，電感用于對電磁干擾的控制。電感阻抗隨著頻率的增加加，當頻率很高 時，高頻信號的傳遞就會受到影響。在解決高頻時的電題時常使用鐵氧體，鐵氧體在抑 制高頻干擾時等效于一個純電感和一個聯(lián)，除了具有電感的作用外，還可以吸收消耗掉 一部分高頻能量，所以電感更好的抑制效果。 6.5 小結小結 本章主要分析了在設計線路板時的電磁兼容問題，因為元器件在工作時會產生一定 的干擾，所以我們對各個元器件的選擇也是有一定要求的。我們要做的就是盡量把線路 板上的騷

49、擾輻射降到最低。 pcb 是所有精密電路設計中往往容易被忽略的一種部件。由于很少把 pcb 的電特 性設計到電路中去，所以整個效應對電路功能可能是有害的。如果印刷電路板設計得當， 它將具有減少騷擾和提高抗擾度的優(yōu)點。反之，將使印刷電路板發(fā)生電磁兼容性問題。 在設計印刷電路板時，設計的目的是控制下述指標： 來自 pcb 電路的輻射； pcb 電路與設備中的其他電路間的耦合； pcb 電路對外部干擾的靈敏度； pcb 上各種電路間的耦合。 總之，應使板上各部分電路之間不發(fā)生干擾，都能正常工作，對外輻射發(fā)射和傳導 發(fā)射盡可能低，外來騷擾對板上電路不發(fā)生影響。 第 7 章 結論 為了營造一個良好的電磁

50、環(huán)境，目前有關國際組織和許多國家已經(jīng)對電子、電器產 品規(guī)定了質量標準，不滿足電磁兼容要求的產品不許進入市場，所以一個產品為了長久 發(fā)展必須對電磁兼容設計予以充分的重視。電磁兼容技術的發(fā)展是人類社會科技發(fā)展之 必然。本文從電磁干擾的產生入手，著重研究了接地技術、屏蔽技術，并且在總結實踐 經(jīng)驗的基礎上，探究了在 pcb 的設計過程中應注意的問題，分析了元器件的選擇、布局 及走線。本文還列出了電磁兼容技術國際標準，為我國電磁兼容技術的發(fā)展奠定基礎。 致 謝 本文研究工作是在我的導師曹白楊教授的精心指導和悉心關懷下完成的，從開題伊 始到論文結束，我所取得的每一個進步、編寫的每一段程序都無不傾注著導師辛

51、勤的汗 水和心血。導師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度、淵博的知識技術、無私的奉獻精神使我深受啟迪，從 尊敬的導師身上，我不僅學到了扎實、寬廣的專業(yè)知識，也學到了做人的道理。在今后 的學習工作中，我將銘記恩師對我的教誨和鼓勵，盡自己最大的努力取得更好的成績。 在此我要向我的導師曹白楊教授致以最衷心的感謝和深深的敬意！ 在四年的大學學習期間，電子信息工程教研室的每位老師對我的學習、生活和工作 都給予了熱情的關心和幫助，使我的水平得到了很大的提高，取得了長足的進步。 在此，向所有關心和幫助過我的老師、同學和朋友表示由衷的謝意！ 衷心感謝在百忙之中評閱論文和參加答辯的各位專家、教授。 參考文獻 1 楊克俊 電磁兼容原

52、理與設計技術北京：人民郵電出版社，2011.6 2 曹白楊，王曉 電子產品設計原理與應用北京：電子工業(yè)出版社，2010.1 3 錢照明，陳瑋，諶平平 功率變流器 emi 建模和印刷電路板(pcb)布置的優(yōu)化設計 科學技術與工程出版社，2004，4(7)：584595 4 李旭，俞集輝 地面附近電磁脈沖孔縫耦合效應的數(shù)值仿真系統(tǒng)仿真學報，2007 5 趙治華，馬偉明 鋼板地阻抗的頻率特性中國電機工程學報，2003，23(8) 6 袁義生，錢照明 分析傳導 emi 的功率 mosfet 建模浙江大學學報(工學版)， 2003 7 8 王慶斌，劑萍，尤利文，等電磁干擾與電磁兼容技術m. 北京：機械工

53、業(yè)出版 社.1999185190. 9 10 bob gilbertstep by step smt soldering : reducing soldering defectsloctite corporationaugust 2001 11 mark. printed circuit board design techniques for signal integrity and emc compliance .piscataway nj ieee press，1998. 12 lin ang tek，et a1application of fuzzy logic in emc const

54、raint pcb designcin：procof ieee emc99，1999：572575 附附 錄錄 附錄 1 基于 ethernet/ip 的 controllogix 系列 plc 的接口 凱瑟米爾，l.r.戴勒絲，美國 摘要 由美國 a-b 公司生產的 controllogix 系列可編程序邏輯控制器(plc)提供了多種接 口類型：如以太網(wǎng)、controlnet、devicenet、rs-232 等等。controllogix 以太網(wǎng)連接 模塊“1756-enet”使用了 ethernet/ip、controlnet 等協(xié)議，并采用了專業(yè)的服務代碼 封裝于以太網(wǎng)協(xié)議包中。針對“

55、實驗性物理和工業(yè)控制系統(tǒng)”(epics)開發(fā)的驅動程序使 用了 ethernet/ip 協(xié)議，從而使得控制器可以運行 vxworks rtos、win32 和 unix/linux 的測試程序。現(xiàn)在來分析一下這個接口的特點和使用場合。 1 引言 散裂中子源項目(sns)的幾個子系統(tǒng)使用了 a-b 公司的 controllogix 系列 plc。通 過集成這些 epics 加速器控制系統(tǒng)和輸入輸出控制器(ioc)，系統(tǒng)可以直接進行讀取和寫 入 plc 數(shù)據(jù)。有了輸入輸出控制器(ioc)，unix 或 win32 系統(tǒng)的計算機和所有裝有以太 網(wǎng)連接口的個人計算機都可以對 plc 進行編程，但它同時

56、要求必須使用相同的技術來傳 輸 plc 數(shù)據(jù)。在現(xiàn)有的綜合布線、網(wǎng)絡硬件、配置和維護等技術知識的支持下，該產品 完全可以使用。 2 ethernet/ip controlnet 是一種確定性的串行通信系統(tǒng)，它的協(xié)議模型同七層的 iso osi 模型相 似，采用了從物理層到應用層分層方式。controlnet2.0 版本引入了數(shù)據(jù)包的 tcp/ip 封 裝，而代替了基于以太網(wǎng)（ip/udp/tcp）的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，最終形成“基于以太 網(wǎng)的 controlnet” ，稱為 ethernet/ip。默認地，使用 tcp/ip 的端口 0 xaf12 連接到 ethernet/ip 目標之后，遵

57、循封裝協(xié)議建立一個身份 id，就可以直接進行信息交換了。 他們定義了目標對象控制和信息協(xié)議(cip)，此協(xié)議被列為 controlnet 協(xié)議的一部分。 對于 controlnet 傳送層，協(xié)議區(qū)別“無關聯(lián)”和“關聯(lián)”cip 信息。雖然他們封裝方式 不同，但都可以通過默認的 tcp 協(xié)議進行連接。 3 controllogix 的以太網(wǎng)接口 controllogix 系列 plc 使用 controlnet 總線來聯(lián)接本地 i/o 板卡作為平臺，1756- enet 以太網(wǎng)模塊支持 ethernet/ip。只要遵循 ethernet/ip 協(xié)議，我們就可以使用 sendrrdata 等封裝命令

58、，發(fā)送 cip 消息即可： service：get_attribute_single(0 x0e) path：identity object(class 0 x01，instance 1)， product name(attrib.7) 作為回復，接口送回如下信息： service：get_attribute_single-reply(0 x8e) response：length=12， “1756-enet/a” cip 對象模型同樣包括“模擬輸入點”(0 x0a)和“離散輸入組”(0 x1d)對象，但是 到目前為止，我們一切試圖使用它們來訪問 controllogix 模擬或數(shù)字輸入模塊的

59、行為都 失敗了。原因是沒有一個標準的 cip 對象可以用來訪問 plc 的標簽名稱。 與此同時，a-b 公司針對 controllogix 推出了新的 cip 服務編碼，包括使用 cip 路 徑來命名梯形圖邏輯標簽、單獨使用讀寫的服務代碼以及結合了傳輸二進制數(shù)據(jù)格式而 使用的一些傳輸協(xié)議。 使用 sendrrdata 封裝命令來發(fā)送 cip 數(shù)據(jù)到 plc，必須通過連接管理器對象 1756- enet 模塊來尋址，見下例： service：cm_unconnected_send(0 x52) path：connection manager(class 0 x06，instance 1) ， p

60、ath：port1(back plane)，link # (slot # of plc)。 這則消息是讀取一個標簽test： service：cip_read_data(0 x4c) path：test(ansi extended symbol segment) elements：uint1 當從 plc 的回復顯示端口連接成功則連接管理器開始傳輸： service：cip_read_data-reply(0 xcc) response：ca 00 00 80 38 3b=real 0.002815 cip_write_data 服務(0 x53) 允許在 plc 上通過相似嵌入修改標簽。 與