航天测试产品系统级电磁兼容性设计研究

古莘 · 发表于 2015-6-14 16:35

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1航天测试系统EMC设计要求
      航天发射的特殊性对航天测试类产品的电磁兼容性(EMC，electromagnetic compatibility)设计要求非常严格，它要求测试系统在满足GJB 15．1A—1997《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求》的基础上，EMC设计必须贯穿于系统设计的全部过程，并能够显著提升系统的抗干扰能力。系统的电磁兼容性必须有一定的安全裕度，并必须采取措施避免因自身或外部的电磁环境引起性能异常。同时还要采取措施减少系统工作时的非预期电磁干扰，将自身的电磁能量控制在一定的范围内，使之能够与其他系统兼容工作。此外，系统的EMC设计必须兼顾系统设计的其他技术指标。一般情况下，航天测试产品系统级的EMC设计可分电气设备、机械设备以及软件的EMC设计3个方面内容进行并行设计。
2 电气设备的EMC设计
      干扰源、耦合通道和敏感设备是电磁干扰的3个要素，EMC设计的目的就是要针对上述3个要素，采取各种手段切断干扰源、阻止其耦合通道并提高敏感设备的敏感度阈值。EMC设计的内容主要包括优化信号设计、完善线路设计、合理布局、隔离、对消与限幅、滤波、接地、搭接、屏蔽等[2]。航天测试产品在进行系统级的EMC设计时，必须通盘考虑上述所有因素，以期取得最好的设计效果。
2．1元器件的选择
   电气设备的EMC设计，一个关键步骤在于模拟和逻辑器件的选择，这样既可以降低产品的成本，而且措施简单、方便、易于实施和检测，同时又能提高产品的可靠性，将电磁干扰抑制在萌芽状态。在设计初期对电子元器件的选择过程中，首先必须关注有源器件固有的电磁敏感度特性，选择与系统电磁特性最匹配的有源器件。由于表面贴装元件具有低寄生参数以及不需要PCB板上的安装孔等特点，因此在元器件选择时在满足系统性能要求的情况下，应尽量选择低电压、低功耗的表面贴片元件；在数字电路设计时，应尽量降低系统工作频率，以增加系统的稳定性、降低系统电磁辐射。
2．2 PCB设计
   由于航天测试产品在尺寸上的严格要求，使得系统中PCB上电子元器件和线路的密集度不断增加，不可避免地降低了系统的抗干扰特性。PCB上元器件、信号线、电源线以及地线位置的摆放，必须从EMC设计的角度整体考虑，采取正确的措施，才能既起到抗干扰又抑制电磁发射的作用[3]。
   在进行PCB设计时，首先要根据实际需要，选择合适的印制板类型，一般从EMC的角度考虑选取多层板，因为多层板可以设置专门的电源层和地层。这样，一方面相当于地线变粗，保证了设备中电平的稳定，抗噪声能力得到增强；另一方面也可以使信号线与地线之间形成一个极板间距很小的大容，在提高PCB板抗干扰能力的同时降低了信号回路面积，使差模辐射大幅度减小。
   为了避免器件之间的相互干扰，元器件的布局应按照电源、模拟、数字、高速、低速以及元器件之间的联系进行分类，再依次设计地线、电源线、高速信号线、低速信号线等。信号线的布置最好根据信号的流向按顺序安排，使PCB板上的信号走向流畅，同时尽可能减少元器件之间的走线长度，以进一步降低辐射和干扰。布线时信号线应过渡平滑，尽量避免线宽或走线方向的突变引起的电磁辐射，所有信号的回路面积应尽可能小，以尽量减少差模辐射。同一层上的信号线至少应保持8 mil以上的间距，不同层上的信号线走向应互相垂直，以减少信号线之间的电场和磁场耦合干扰。
2．3滤波与隔离设计
   滤波主要是解决通过传导途径造成的干扰[4]，一般可以通过选择合适的滤波器实现。但由于航天测试产品的特殊性，普通的滤波器难以满足其高可靠性的要求，因此需要对滤波电路，尤其是电源供电电路进行详细设计，防止电源输入端高频信号窜入对系统产生影响。在进行电源供电电路设计时，应充分考虑雷电、电源滤波、屏蔽、接地等多方面因素，以保证良好的EMC效果。
   由于在发射场附近存在着非常多的大功率干扰源，这些设备的启动或停止瞬间，会产生浪涌电压且伴随火花干扰，并可能通过电源线进入设备，这些干扰仅靠电源滤波器或电容是无法完全消除的，因此，系统在包含FPGA的电路中，设计了数字滤波电路。数字滤波电路的基本原理是：设计一个独立的计数器，当有输入信号时，计数器对采样脉冲进行计数，只有在采样时间内连续计数到预定值时，即有效信号持续一定的时间时，视输入信号有效，否则视为伪信号剔除。
   电路的隔离设计需要根据不同的电气信号单独设计，其主要功能是将从信号线窜入的干扰信号隔离在测量电路之前，使之对系统测试精度的影响
降至最小。在模拟电路中，其供电系统的隔离主要采用电源隔离变换器来抑制被测对象和测试系统之间的电磁干扰，而其信号的隔离则采用有源或无源隔离变送器等。数字电路中的隔离器件主要使用光电耦合器件或电磁继电器实现。

古莘 · 发表于 2015-6-14 16:38

3机械设备结构的EMC设计
      测试系统机械设备结构的设计甚至个别器件安装位置的设计，对系统的电磁兼容特性也有非常重要的影响，在机械设备结构的EMC设计方面，需要重点关注的是系统的接地设计和屏蔽设计。
3．1接地设计
接地是为了向系统提供一个等电位的面，好的接地设计必须保证接地系统具有很低的公共阻抗，使系统中各路接地电路通过公共阻抗产生的直接传导噪声电压最小。接地方式分为单点接地、多点接地、混合接地和浮地等。在本系统的设计中，低于1 MHz的模拟信号和数字信号采用单点接地方式，10MHz以上的信号采用多点接地方式，频率在两者之间的信号采用混合接地的方式。数字地线、模拟地线和高频信号地线分别采用专用电缆独立设计，3类地线最终汇接到系统机壳接地点，通过该点接入大地。为了减小地线阻抗，机箱内部的地线均选用了AF-1．0以上线径的导线，机壳接至大地的地线选用的是宽厚比为6：1的编织铜带。
3．2屏蔽设计
      屏蔽是对两个空间区域之间进行金属的隔离，以控制电场、磁场和电磁波由一个区域对另外一个区域的感应和辐射。系统的屏蔽设计主要从两点考虑，一是屏蔽材料的选择，二是屏蔽体的电连续性设计。系统机箱的箱体作为系统的屏蔽体，材料类型和厚度对各类信号屏蔽所起的作用各不相同。铝合金材质的机箱具有较高的导电、导磁特性，是一种较高效能的屏蔽体，可满足测试系统设计要求，因此本系统选用铝合金材质的全封闭机箱作为屏蔽体。在进行机箱的设计制作和安装时，应尽量减小各接口处的缝隙，焊接焊缝必须平滑连续，可拆卸式接缝处应采用间距适宜的螺钉紧固，在通风孔处应安装截止波导通风板，所有安装连接处必须加导电衬垫以实现系统良好的导电连续性。
4软件的EMC设计
      由于航天发射场电磁环境复杂多变，仅靠硬件措施不能完全消除电磁干扰的影响，当外界的干扰窜人系统并破坏程序的正常运行时，就有可能导致程序跑飞、紊乱、死锁、甚至死机等故障的发生。软件EMC设计的目的就是在保证系统在无干扰信号时正常工作，系统受到干扰发生故障时，软件能及时返回正常状态。在进行程序设计时，首先应该构架工程化、模块化的程序结构体系，这种类型的程序结构对于发现故障、定位诊断故障有着良好的帮助效果。软件设计中“看门狗”技术的应用，可以将陷入死循环的失控程序恢复到正常状态，尤其是当系统受到严重干扰导致中断方式控制字被破坏，使硬件中断关闭的情况发生时，软件实现的“看门狗”技术可以体现出更好的优势。在本系统的设计中，软件设计使用了“心跳”探测技术，即当系统采集到的数据每次发生变化时，系统会将数据及时上传，而当系统较长时间无数据交互时，系统仍然定时送出一组特定数据，以确认系统处于正常工作状态，类似于人的心跳特性。如较长时间无“心跳”信号，则认为系统故障，自动跳入系统出错处理模块。
   此外，在程序设计中还可以利用软件灵活方便的特点，充分利用信息冗余技术、设置软件陷阱等方法，设计防抖动、防跑飞、延时确认等功能，以有效提高系统的抗干扰能力。

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