毕业设计（论文）微信号电路设计中电磁兼容影响分析

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1、毕业设计报告（论文）报告（论文）题目：微信号电路设计中 电磁兼容影响分析 作者所在系部： 电子工程系 作者所在专业： 电子信息工程 作者所在班级： 作 者 姓 名 ： 作 者 学 号 ： 指导教师姓名： 完 成 时 间 ： 2012 年 6 月 20 日 北华航天工业学院教务处制北华航天工业学院北华航天工业学院毕业设计（论文）任务书（理工类）毕业设计（论文）任务书（理工类）学生姓名： 王胜果 专 业：电子信息工程 班 级： B08213 学 号：20084021340 指导教师： 曹白杨 职 称： 教授 完成时间： 2012-06 毕业设计（论文）题目：微信号电路设计中电磁兼容影响分析纵向课题

2、（ ）理论研究（）教师科研课 题横向课题（）应用研究（）教师自拟课题（）应用设计（ ）题目来源学生自拟课题（）题目类型其 他（）注：请直接在所属项目括号内打“”总体设计要求及技术要点：对电子产品噪声的产生和传播途径进行了全面的分析，从而为设计、安装、调试和使用电子产品提供了技术支持。基本设计要求：1电场影响分析；2磁场影响分析；3辐射影响分析。较高设计要求： 分析典型案例，提出问题解决方案或方法。工作环境及技术条件：相关设备、计算机、相关仪器； 相关技术标准（如 GBT 4 3 6 519 9 5 等）。工作内容及最终成果：1. 学习相关仪器使用；2. 了解相关试验方法和标准；3. 写论文。时

3、间进度安排：1、第七学期第六周，根据学生选择情况，完成双向选择，下达毕业设计任务书；2、第七学期六十五周，教师指导学生查阅文献，撰写开题报告，准备外文译文、文献综述；3、第七学期第十六周，论证学生的开题报告，确定能否开始毕业设计；4、第八学期一十五周，学生进行毕业设计，完成毕业设计所有文档。答辩委员会验收；5、第八学期第十六周，毕业设计答辩，评定成绩，评选优秀毕业设计(论文)，汇总上报；6、第八学期第十七周，系、教研室进行毕业设计总结，汇总上报教务处；7、第八学期第十八周，毕业设计资料整理归档。指导教师签字： 年 月 日教研室主任意见：教研室主任签字： 年 月 日北华航天工业学院本科生毕业设计

4、（论文）原创性及知识产权声明本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文）微信号电路设计中电磁兼容影响分析是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本设计（论文）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。因本毕业设计（论文）引起的法律结果完全由本人承担。本毕业设计（论文）成果归北华航天工业学院所有。本人遵循北华航天工业学院有关毕业设计（论文）的相关规定，提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本。本人同意北华航天工业学院有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服

5、务；可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以营利为目的的前提下，可以公布非涉密毕业设计（论文）的部分或全部内容。特此声明毕业设计（论文）作者： 指导教师： 年 月 日 年 月 日北华航天工业学院毕业论文I摘 要电磁兼容(EMC)是一个新概念，它是抗干扰概念的扩展和延伸。从最初的设法防止射频频段内的电磁噪声、电磁干扰，发展到防止和对抗各种电磁干扰。进一步在认识上产生了质的飞跃，把主动采取措施抑制电磁干扰贯穿于设备或系统的设计、生产和使用的整个过程中。这样才能保证电子、电气设备和系统实现电磁兼容性。本文从各种电磁兼容产生的机理、危害和防护措施，系统地探究了工程中常遇到的接地、屏蔽以

6、及滤波器设计等技术，并结合 PCB 设计中遇到的各种问题，论述了电磁兼容理论与射频电路PCB 设计。最后，本文对一些国际 EMC 标准的有关内容进行研究，找出它们的异同点，有助于提高我国的电子产品和电气设备在国际上的竞争力，是产品能够顺利地通过 EMC指标测试。关键词 电磁干扰 接地技术 屏蔽技术 滤波技术 PCB 设计 电磁兼容标准北华航天工业学院毕业论文IIAbstractElectromagnetic Compatibility is a new concept, which is an extension of the concept of interference. The firs

7、t 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 initiative to take measures to suppress electromagneti

8、c 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, hazards and protective measures, and systematically explore

9、 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 relevant international EMC standards for the content of

10、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 Interference Grounding Technology Shielding Technology Filter

11、 Technology PCB Design Electromagnetic compatibility standards北华航天工业学院毕业论文III目 录第 1 章 绪论 .1第 2 章 电磁兼容技术概述 .2 22.1 电磁干扰.22.2 电磁兼容的含义.32.3 电磁兼容技术术语.32.4 电磁兼容性的实施与设计方法.82.4.1 电磁兼容性的实施 .82.4.2 电磁兼容性的设计方法 .92.5 小结 .9第 3 章 屏蔽技术 .103.1 屏蔽原理及分类 .103.2 电场屏蔽 .103.2.1 静电屏蔽 .103.2.2 交变电场的屏蔽 .113.3 磁场屏蔽 .113.3.1

12、 低频磁场的屏蔽 .123.3.2 高频磁场的屏蔽 .133.4 电磁屏蔽 .153.5 小结 .16第 4 章 接地技术 .174.1 接地的概念及要求.174.1.1 接地的概念 .174.1.2 接地的要求 .184.2 信号接地 .184.2.1 单点接地 .184.2.2 多点接地 .194.2.3 浮地 .204.2.4 混合接地 .20北华航天工业学院毕业论文IV4.3 小结.20第 5 章 耦合技术 .215.1 传导耦合.215.1.1 电容性耦合 .215.1.2 电感性耦合 .215.1.3 电容性耦合与电感性耦合的综合考虑 .225.2 辐射耦合.225.3 干扰耦合的

13、抑制措施.225.3.1 电容性耦合干扰抑制措施 .225.3.2 电感性耦合干扰抑制措施 .225.4 小结.23第 6 章 线路板设计 .246.1 元器件的选择.246.2 线路板上的电磁骚扰辐射.276.2.1 差模辐射 .276.2.2 共模辐射 .276.3 印制电路板（PCB）的设计.276.3.1 单面板 .286.3.2 双面板 .286.3.3 单面板和双面板几种地线的分析 .286.4 PCB 中的元件布局及走线 .296.5 小结.30第 7 章 结论 .31致 谢 .32参考文献 .33附 录 .34北华航天工业学院毕业论文1微信号电路设计中电磁兼容影响分析第第 1

14、章章 绪论绪论电磁兼容是一门新兴复杂的综合性强的交叉学科，它的内容较为广泛，应用于许多领域。随着科学技术的发展，信息时代的到来以及电气化与自动化水平的不断提高，电磁干扰及电磁防护问题日益突出，世界各发达国家均对此予与广泛的重视，积极开展电磁兼容性的理论和应用研究，并已在军事装备，尖端技术产品和民用产品的研制和生产中获得很大利益。为了使民用和军用设备的性能达到可以接受的程度，必须严控技术，我国的电磁兼容性研究起步较晚，与国外先进水平相比尚有差距，因而更应该加强电磁兼容性技术的研究。电磁环境的不断恶化，引起了世界各工业发达国家的重视，特别是 20 世纪 70 年代以来，进行了大量的理论研究及实验工

15、作。进而提出了如何使电子设备或系统在其所处的电磁环境中，能够正常的运行，而对在该环境中工作的其他设备或系统也引入能承受的电磁干扰的新课题，这就是所谓的电磁兼容。随着现代科学技术的发展和人民生活水平的提高，电气及电子设备的数量及种类不断增加，从而导致空间电磁环境日益复杂。在这种复杂的电磁环境下，怎样减少设备间的电磁干扰，使每个系统能正常运转，是一个迫切需要解决的问题。这正是研究电磁兼容技术的宗旨。目前，电磁兼容已成为电子系统或设备的技术关键，为了保证电子系统的正常工作，必须进行严格的电磁兼容性设计，在系统研制、设计、工艺、生产、试验、使用等各阶段均要采用电磁兼容技术，电磁兼容设计和管理应贯穿于从

16、产品的研制到使用的过程。电磁干扰的传输有传导和辐射两种形式，归纳起来，任何电磁干扰都是由三个基本要素组合而产生的，如图 1-1 所示，它们是电磁干扰源(或发射机)、干扰体(或接受机)、传输通道(耦合机制)。相应地对抑制所有电磁干扰的方法也应由选三要素着手解决。耦合机制（路径） 图 1-1 电磁干扰模型图由于电子设备所处的电磁环境的特殊性，使这些设备在获取信息和传送信息的同时，不可避免地要感受到来自不同渠道的电磁干扰的影响。为了保证电子设备安全可靠地运行，在开发研制电子设备的同时，就要分析其抗电磁干扰的可行性，并通过完善的试验、测试和分析研究来确立相关设备的电磁兼容技术。干扰源（发射机）敏感设备

17、（接收机）北华航天工业学院毕业论文2第 2 章 电磁兼容技术概述2.1 电磁干扰1. 电磁干扰的定义（1）电磁骚扰（EMD，Electromagnetic Disturbance）电磁骚扰是指任何可能引起装置、设备或系统性能降低或者对有生命或无生命物质产生损害作用的电磁现象。它可能是电磁噪声、无用信号或传播媒介自身的变化，它可能引起设备或系统降级或损害，但不一定会形成后果。（2）电磁干扰（EMI，Electromagnetic Interference）电磁干扰是指电磁骚扰引起的设备、传输通道或系统性能的下降。它是由电磁骚扰引起的后果。2. 电磁干扰源的分类电磁干扰的分类可以有很多种分法，例如

18、，按传播途径分，有传导干扰和辐射干扰，其中传导干扰的传输性质有电耦合、磁耦合及电磁耦合；按辐射干扰的传输性质分，有近区场感应耦合和远区场辐射耦合；按频带分，有窄带干扰和宽带干扰；按实施干扰者的主观意向分，可分为有意干扰源和无意干扰源；按干扰源性质分，有自然干扰和人为干扰等等。如图 2-1 所示：核爆炸引起的噪声静电放电噪声外部无用信号引起的噪声各种放电现象引起的噪声太阳辐射引起的噪声来自大气的噪声（空间电）自然噪声人为噪声由感应产生的噪声系统固有的噪声系统内部噪声系统外部噪声噪声图2-1 噪声源的分类北华航天工业学院毕业论文32.2 电磁兼容的含义电磁兼容（EMC, Electromagnet

19、ic Compatibility）一般指电气及电子设备在共同的电磁环境中能执行各自功能的共存状态，即要求在同一电磁环境中的上述各种设备都能正常工作又互不干扰，达到“兼容”状态。换句话说，电磁兼容是指电子线路、设备、系统相互不影响，从电磁角度具有相容性的状态。相容性包括设备内电路模块之间的相容性、设备之间的相容性和系统之间的相容性。电磁兼容是研究在有限的空间，时间和频谱资源等条件下，各种用电设备（广义的还包括生物体）可以共存，并不致引起降级的一门学科。所谓电子设备的电磁兼容性，是指电子设备在预定的电磁环境中，能按一定设计要求正常工作的性能或能力。其能力包括以下三点：1)在给定电磁环境中，电子设备

20、具有抵御预定电磁干扰的能力，并能留有一定安全余量；2)电子设备不能产生超过规定限度的电磁干扰；3)电子设备可按设计的技术要求完成其预定功能使命。电磁兼容性设计要求可用下列不等式来说明：干扰源强度传播衰减因子Rs，此时 Rs 可忽略不计，则式（ 3 ）可简化为 （ 4 ）SSMIIL当频率低时，Ls 30MHz)的采用多点接地式。因为接地引线的感抗与频率和长度成正比, 工作频率高时将增加共地阻抗, 从而将增大共地阻抗产生的电磁干扰,所以要求地线的长度尽量短。采用多点接地时, 尽量找最接近的低阻值接地面接地，如图 4-3 所示。图 4-3 设备多点接地北华航天工业学院毕业论文204.2.3 浮地浮

21、地的目的是将电路或设备与公共地或可能引起环流的公共导线隔离开来。浮地的效果取决于是否能做到完全的浮地隔离。实际上，要做到完全的隔离，在许多情况下是很困难的。这种接地方式的缺点是设备不与大地直接相连，容易产生静电积累现象，这样积累起来的电荷达到一定程度后，在设备和大地之间会产生具有强大放电电流的放电击穿现象。这种放电现象是一种破坏性很大的强干扰源。为了解决这个问题，在设备与大地之间接进一个阻值很大的泄放电阻，以消除静电积累的影响。浮地技术主要解决地线环路问题，因为对一些敏感电路，地线环路电流引起的干扰往往会对它的正常工作造成致命的影响。在某些应用场合，单纯的浮地措施并不能达到预期的效果，只有采取

22、适当的浮地隔离措施才能真正切断不同电路的相互干扰。常见的浮地隔离措施有：隔离变压器隔离、光电藕合器隔离和光纤隔离等。4.2.4 混合接地如果电路的工作频带很宽，在低频情况需要采用单点接地，而在高频情况又需要采用多点接地，在这种情况下可以采用混合接地方式。理论和实践都表明，对于工作频 4率低于 1MHz 和公共接地面尺寸小于工作信号波长 1/20 的电路系统，宜采用单点接地方式；对于工作频率高于 10MHz 和公共接地面尺寸大于工作信号波长 1/20 的电路系统，宜采用多点接地方式；而对于频率为 1MHz10MHz 和公共接地面尺寸为工作信号波长1/20 左右的电路系统，一般采用混合接地系统，如

23、图 4-4 所示。图 4-4 混合接地系统4.3 小结 本章主要描述接地的概念、要求及分类。接地的过程实际上也是降低电磁干扰的过程，本课题是电磁兼容的影响分析，任何设备在工作的过程中，各元器件之间存在必然存在干扰，接地就是一种抑制电磁干扰、保障设备或系统电磁兼容性、提高设备或系统可靠性的重要技术措施。北华航天工业学院毕业论文21第 5 章 耦合技术5.1 传导耦合传导耦合包括通过导体间的电容及互感而形成的干扰耦合。5.1.1 电容性耦合由于电容实际是由两个导体构成的，因此两根导线就构成了一个电容，我们称这个电容是导线之间的寄生电容。由于这个电容的存在，一根导线中的能量能够耦合到另一根导线上。这

24、种耦合称为电容性耦合或电场耦合。电容耦合方式是指电位变化在干扰源与干扰对象之间引起的静电感应，又称静电耦合或电场耦合。电路的元件之间、导线之间、导线与元件之间都存在着分布电容。如果某一个导体上的信号电压（或噪声电压）通过分布电容使其他导体上的电位受到影响，那么这就是电容性耦合。电容性耦合主要在射频频率形成骚扰，频率越高，电容性耦合越明显。一般情况下，骚扰源的工作频率、敏感电路对地的电阻、骚扰电压都是预先给定的，因此，抑制电容性耦合的有效方法是减小耦合电容。5.1.2 电感性耦合电感性耦合又称磁耦合，磁场耦合又称电磁感应耦合，示意图如图 5-1 所示。在任何载流导体周围空间中都会产生磁场，若磁场

25、是交变的，则对其周围闭合电路产生感应电势。在设备内部，线圈或变压器的漏磁是一个很大的干扰；在设备外部，当两根导线在很长的区间架设时，也会产生干扰。图 5-1 磁场耦合示意图北华航天工业学院毕业论文225.1.3 电容性耦合与电感性耦合的综合考虑磁场与电场间的干扰有区别。第一，减小受干扰电路的负载阻抗未必能使磁场干扰的情况有所改善；而对于电场干扰的情况，减小受干扰电路的负载阻抗可以改善干扰的情况。第二，磁场干扰中，电感耦合电压串联在被干扰导体中，而电场干扰中，电容耦合电流并联在导体与地之间。利用这一特点，可以分辨干扰是电感耦合还是电容耦合。5.2 辐射耦合电磁场辐射也会造成干扰耦合。当高频电流流

26、过导体时，在该导体周围便产生电力线和磁力线，并发生高频变化，从而形成一种在空间传播的电磁波。处于电磁波中的导体便会感应出相应频率的电动势。电磁场辐射干扰是一种无规则的干扰，这种干扰很容易通过电源线传到系统中去。处于空间中的传输线（输入线、输出线、和控制线） ，既能辐射干扰波又能接收干扰波，这种现象称为天线效应。当传输线的长度大于或等于空间中信号频率的四分之一波长时，天线效应尤其明显。电磁兼容的理论和技术就是围绕干扰源、干扰传播途径（或传输通道）和敏感设备，研究电磁干扰源产生的机理及抑制干扰源的措施，寻找削弱传播干扰能量的方法和提高敏感设备抵抗能力的技术，从而达到控制干扰发生的目的。5.3 干扰

27、耦合的抑制措施5.3.1 电容性耦合干扰的抑制措施1. 两系统的耦合部分的布置应使耦合电容尽量小，使导线尽量短，线间距离尽量大，并尽量避免平行走线；2. 对干扰源和被干扰者进行电屏蔽；3. 如果干扰源和干扰对象的基准点电路上是相互独立的，则可采用平衡措施来消除电容性干扰。5.3.2 电感性耦合干扰的抑制措施1. 两个系统的电感耦合，主要是导线和电缆间磁耦合。使线间距离尽量大，导线尽量短，避免平行走线并设法缩小电流回路所为成的面积使互感尽量的小；2. 被干扰的导线环在干扰场中的放置方位应使它对干扰磁场切割的磁力线最小，因而所耦合的干扰信号也最小；3. 将一个电流的回路线间绕成极性交错的若干局部耦

28、合环，使之沿导线长度方向的符号交变的局部耦合信号彼此相抵消；北华航天工业学院毕业论文234. 对干扰对象或干扰源进行磁屏蔽。5.3.2 辐射干扰耦合的抑制措施1. 对辐射干扰最有效的抑制方法是电磁屏蔽；2. 为了降低平衡双导线上的辐射性异模干扰，可采取如下措施：减小两传输导线之间的距离，以绞线代替平行双导线，在导线上加上单层、双层甚至三层网状屏蔽层；3. 为了降低辐射性共模干扰，应使传输线尽量靠近地面配置，减少回路面积。5.4 小结小结本章主要介绍了耦合技术的耦合类型，并根据各种耦合的技术特点，提出了一系列的耦合干扰抑制措施。北华航天工业学院毕业论文24第 6 章 线路板的设计6.1 元器件的

29、选择元器件的选择元件的选择和电路设计是影响板级电磁兼容性性能的主要因素。每一种电子元件都有它各自的特性，因此，要求在设计时仔细考虑。下面将讨论一些常见的用来减少或抑制电磁兼容性的电子元件和电路设计技术。元件组元件组有两种基本的电子元件组：有引脚的和无引脚的元件。有引脚线元件有寄生效果，尤其在高频时。该引脚形成了一个小电感，大约是 1nH/mm/引脚。引脚的末端也能产生一个小电容性的效应，大约有 4pF。因此，引脚的长度应尽可能的短。与有引脚的元件相比，无引脚且表面贴装的元件的寄生效果要小一些。其典型值为：0.5nH 的寄生电感和约 0.3pF 的终端电容。从电磁兼容性的观点看，表面贴装元件效果

30、最好，其次是放射状引脚元件，最后是轴向平行引脚的元件。（1）电阻电阻由于表面贴装元件具有低寄生参数的特点，因此，表面贴装电阻总是优于有引脚电阻。对于有引脚的电阻，应首选碳膜电阻，其次是金属膜电阻，最后是线绕电阻。由于在相对低的工作频率下（约 MHz 数量级） ，金属膜电阻是主要的寄生元件，因此其适合用于高功率密度或和高准确度的电路中。线绕电阻有很强的电感特性，因此在对频率敏感的应用中不能用它。它最适合用在大功率处理的电路中。在放大器的设计中，电阻的选择非常重要。在高频环境下，电阻的阻抗会因为电阻的电感效应而增加。因此，增益控制电阻的位置应该尽可能的靠近放大器电路以减少电路板的电感。在上拉/下拉

31、电阻的电路中，晶体管或集成电路的快速切换会增加上升时间。为了减小这个影响，所有的偏置电阻必须尽可能靠近有源器件及他的电源和地，从而减少 PCB连线的电感。在稳压（整流）或参考电路中，直流偏置电阻应尽可能地靠近有源器件以减轻去耦效应（即改善瞬态响应时间） 。在 RC 滤波网络中，线绕电阻的寄生电感很容易引起本机振荡，所以必须考虑由电阻引起的电感效应。（2）电容电容由于电容种类繁多，性能各异，选择合适的电容并不容易。但是电容的使用可以解决许多 EMC 问题。接下来的几小节将描述几种最常见的电容类型、性能及使用方法。铝质电解电容通常是在绝缘薄层之间以螺旋状缠绕金属箔而制成，这样可在单位体积内得到较大

32、的电容值，但也使得该部分的内部感抗增加。钽电容由一块带直板和引脚连接点的绝缘体制成，其内部感抗低于铝电解电容。陶质电容的结构是在陶瓷绝缘体中包含多个平行的金属片。其主要寄生为片结构的感抗，并且通常这将在低于 MHz 的区域造成阻抗。绝缘材料的不同频响特性意味着一种类型的电容会比另一种更适合于某种应用北华航天工业学院毕业论文25场合。铝电解电容和钽电解电容适用于低频终端，主要是存储器和低频滤波器领域。在中频范围内（从 KHz 到 MHz） ，陶质电容比较适合，常用于去耦电路和高频滤波。特殊的低损耗（通常价格比较昂贵）陶质电容和云母电容适合于甚高频应用和微波电路。为得到最好的 EMC 特性，电容具

33、有低的 ESR（Equivalent Series Resistance，等效串联电阻） 值是很重要的，因为它会对信号造成大的衰减，特别是在应用频率接近电容谐振频率的场合。a. 旁路电容旁路电容旁路电容的主要功能是产生一个交流分路，从而消去进入易感区的那些不需要的能量。旁路电容一般作为高频旁路器件来减小对电源模块的瞬态电流需求。通常铝电解电容和钽电容比较适合作旁路电容，其电容值取决于 PCB 板上的瞬态电流需求，一般在10 至 470F 范围内。若 PCB 板上有许多集成电路、高速开关电路和具有长引线的电源，则应选择大容量的电容。b. 去耦电容去耦电容有源器件在开关时产生的高频开关噪声将沿着电

34、源线传播。去耦电容的主要功能就是提供一个局部的直流电源给有源器件，以减少开关噪声在板上的传播和将噪声引导到地。实际上，旁路电容和去耦电容都应该尽可能放在靠近电源输入处以帮助滤除高频噪声。去耦电容的取值大约是旁路电容的 1/100 到 1/1000。为了得到更好的 EMC 特性，去耦电容还应尽可能地靠近每个集成块（IC） ，因为布线阻抗将减小去耦电容的效力。陶瓷电容常被用来去耦，其值决定于最快信号的上升时间和下降时间。例如，对一个 33MHz的时钟信号，可使用 4.7nF 到 100nF 的电容；对一个 100MHz 时钟信号，可使用 10nF 的电容。选择去耦电容时，除了考虑电容值外，ESR

35、值也会影响去耦能力。为了去耦，应该选择 ESR 值低于 1 欧姆的电容。（3）电感电感电感是一种可以将磁场和电场联系起来的元件，其固有的、可以与磁场互相作用的能力使其潜在地比其他元件更为敏感。和电容类似，聪明地使用电感也能解决许多 EMC问题。下面是两种基本类型的电感：开环和闭环。它们的不同在于内部的磁场环。在开环设计中，磁场通过空气闭合；而闭环设计中，磁场通过磁芯完成磁路。如图 6-1 所示：图 6-1 电感中的磁场北华航天工业学院毕业论文26电感比起电容和电阻而言的一个优点是它没有寄生感抗，因此其表面贴装类型和引线类型没有什么差别。开环电感的磁场穿过空气，这将引起辐射并带来电磁干扰（EMI

36、）问题。在选择开环电感时，绕轴式比棒式或螺线管式更好，因为这样磁场将被控制在磁芯（即磁体内的局部磁场） 。对闭环电感来说，磁场被完全控制在磁心，因此在电路设计中这种类型的电感更理想，当然它们也比较昂贵。螺旋环状的闭环电感的一个优点是：它不仅将磁环控制在磁心，还可以自行消除所有外来的附带场辐射。电感的磁芯材料主要有两种类型：铁和铁氧体。铁磁芯电感用于低频场合（几十 KHz） ，而铁氧体磁芯电感用于高频场合（到MHz） 。因此铁氧体磁芯电感更适合于 EMC 应用。在 EMC 应用中特别使用了两种特殊的电感类型：铁氧体磁珠和铁氧体磁夹。铁和铁氧体可作电感磁芯骨架。铁芯电感常应用于低频场合（几十 KH

37、z） ，而铁氧体芯电感常应用于高频场合（MHz） 。所以铁氧芯感应体更适合于 EMC 应用。在 EMC的特殊应用中，有两类特殊的电感：铁氧体磁珠和铁氧体夹。铁氧体磁珠是单环电感，通常单股导线穿过铁氧体型材而形成单环。这种器件在高频范围的衰减为 10dB，而直流的衰减量很小。类似铁氧体磁珠，铁氧体夹在高达 MHz 的频率范围内的共模（CM）和差模（DM）的衰减均可达到 10dB 至 20dB。在 DC/DC 变换中，电感必须能够承受高饱和电流，并且辐射小。线轴式电感具有满足该应用要求的特性。在低阻抗的电源和高阻抗的数字电路之间，需要 LC 滤波器，以保证电源电路的阻抗匹配。如图 6-2 所示：图

38、 6-2 LC 滤波器（4）二极管二极管二极管是最简单的半导体器件。由于其独特的特性，某些二极管有助于解决并防止与 EMC 相关的一些问题。许多电路为感性负载，在高速开关电流的作用下，系统中产生瞬态尖峰电流。二极管是抑制尖峰电压噪声源的最有效的器件之一。下面举例说明用二极管实现尖峰抑制。图 6-3 继电器瞬时尖峰抑制北华航天工业学院毕业论文27如图 6-3 所示，控制终端开/关线圈，线圈中的开关尖峰脉冲将耦合并辐射到电路的其它部分。二极管 D1 能嵌位电压的波动。6.2 线路板上的电磁骚扰辐射线路板上的电磁骚扰辐射线路板的辐射主要产生于两个源：一个是 PCB 走线，另一个是 I/O 电缆。电缆

39、辐射往往是更主要的辐射源。因为电缆是效率很高的辐射天线。有些电缆尽管传输的信号频率很低，但由于 PCB 上的高频信号会耦合到电缆上，也会产生较强的高频辐射。线路板上的辐射以共模和差模的方式辐射。6.2.1 差模辐射1. 差模辐射场差模电流流过电路中的导线环路时，将引起差模辐射，这种环路相当于小环天线，能向空间辐射电、磁场，或接受电、磁场。2. 脉冲信号差模辐射的频谱脉冲信号差模辐射的频谱是脉冲信号的频谱与差模信号的频谱的乘积。有的时候尽管电路的时钟信号不高，但却能产生频率很高的电磁辐射，就是因为差模辐射的频谱一直延伸到脉冲信号的全频段。3. 减小差模辐射额方法（1）降低电路的工作频率；（2）减

40、小信号环路的面积；（3）减小信号电流的强度。6.2.2 共模辐射1. 共模辐射场共模辐射主要是由于接地电路中存在电压降，某些部位具有高电位的共模电压，当外接电缆与这些部位连接时，就会在共模电压激励下产生共模电流，成为辐射电场的天线。2. 脉冲信号共模辐射的频谱与差模辐射的不同点在于，共模辐射的幅度超过一定值后开始下降，而不是保持不变。3. 减小共模辐射额方法（1）尽量减小激励此天线的源电压，即地电位；（2）提供与电缆串联的高共模阻抗，即加共模扼流圈；（3）将共模电流旁路到地；（4）电缆屏蔽层与屏蔽壳体作 360端接。北华航天工业学院毕业论文286.3 印制电路板（印制电路板（PCB）的设计）的

41、设计由于 PCB 上的电子器件和线路的密集度不断增加，而信号的频率也不断提高，不可避免地会引入电磁兼容问题。PCB 电磁兼容设计不仅是使电路板上各部分单元电路之间、同一系统的不同 PCB 之间没有相互干扰，而且要求 PCB 尽量减小对外界的电磁发射，从而使整机达到有关标准的要求。在设计印制电路板时，首先要根据实际需要，选择合适的印制板类型（板材和板层），然后是确定元器件在板上的位置，再依次布局地线、电源线、高速信号线和低速信号线。印制电路板有单面、双面和多层板之分。单面和双面板一般用于低、中密度布线的电路和集成度较低的电路。多层板适用于高密度布线、高集成度芯片的高速数字电路。从电磁兼容的角度来

42、说，多层板可以减小线路板的电磁辐射并提高线路板的抗干扰能力。因为在多层板中，可以设置专门的电源层和地层，使信号线与地线之间的距离仅为印制线路板的层间距离。这样，板上所有信号的回路面积就可以降至最，从而有效减小差模辐射。6.3.1 单面板单面板制造简单，装配方便，适用于一般电路要求，不适用于要求高的组装密度或复杂的电路场合。如果 PCB 的布局设计合理，可以实现电磁兼容性。当进行单面或双面板的布线时，最快的方法是先人工布好地线，然后将关键信号，如高速时钟信号或敏感电路，靠近它们的地回路布置，最后对其他电路进行布线。为了使布线从一开始就有一个明确的目标，在电路图上应给出尽量多的信息，包括：不同功能

43、模块在线路板上的位置要求；敏感器件和 I/O 接口的位置要求；线路图上应标明不同的地线，以及对关键连线的要求；标明在哪些地方不同的地线可以连接起来，哪些地方不允许；哪些信号线必须靠近地线。6.3.2 双面板双面板适用于只要求中等组装密度的场合，安装在这类板上的元器件易于维修或更换。在高速数字电路中，应该把印制迹线作为传输线处理。常用的 PCB 传输线是微带线和带状线。微带线是一种用电介质将导线与接地面隔开的传输线，印制迹线的厚度、宽度和迹线与接地面间介质的厚度，以及电介质的介电常数，决定微带线特性阻抗的大小。因此，使用双面板将有利于实现电磁兼容性设计。北华航天工业学院毕业论文296.3.3 单

44、面板和双面板几种地线的分析1. 地线网络平行地线概念的延伸是地线网络，这使信号可以回流的平行地线数目大幅度地增加，从而使地线电感对任何信号而言都保持最小。这种地线结构特别适用于数字电路。在进行线路板布线时，应首先将地线网格布好，然后再进行信号线和电源线的布线。当进行双面板布线时，如果过孔的阻抗可以忽略，可以在线路板的一面走横线，另一面走竖线。地线网格的间距也不能太大，因为地线的一个主要作用是提供信号回流路径，若地线网格的间距过大，会形成较大的信号环路面积，大环路面积会引起辐射和敏感度问题。2. 地线面地线网格的极端形式是平行的导线无限多，构成了一个连续的导体平面，这个平面称为地线面。这在多层板

45、中很容易实现，它能提供最小的电感，还能有效地控制串扰。它能使辐射的环路最小，这保证了 PCB 的最小差模辐射和对外界骚扰的敏感度。3. 地线布线规则由于对所有的信号线都实现最佳地线分布是不可能的，在设计时应重点考虑最重要的部分。从 EMI 的角度考虑，最重要的信号是高电流变化率信号，如时钟线、数据线、大功率方波震荡器等。从敏感度的角度考虑，最重要的信号是前后沿触发输入电路、时钟系统、小信号模拟放大器等。6.4 PCB 中的元件布局及走线在 PCB 上有许多情况可以引起 EMI，这是因为元件在特定情况下都有各自的特性。比如在高频段里，一个电阻器相当于一个电感串联上一个电阻与电结构；一个电容相当于

46、一个电感，电阻和电容器的串联；一个电感相当阻串上一个电感与电容的并联结构。认识到元件的高频寄生特 PCB 设计阶段采取措施解决此类电磁兼容问题非常重要。当 PCB 上的走线很长，并且频率很高，这时走线可能具有天线效应的引线和 PCB上走线一样都有寄生电容和电感，这些寄生电容和电感影的阻抗并且对频率敏感。根据其寄生电感电容值和走线长度，可能会产生发射天线。一般设备的天线都设计成工作在固定频率，对应于波长的 1/4 或 1/2，以成为有效的发射器，对走线来说要特别避免这种情况的发生。实际应要求小于特定频率波长的 1/20，避免形成无意的发射源。在纯数字电路中，电阻主要是限流作用和确定电平。寄生电容

47、存在两端，它对极高频设计有很大的破坏，尤其在 GHz 的范围。电容器通常用于电源总线去耦，旁路和储能作用。当电路上频率自谐振频率时，会出现电感特性。电容器引脚上的寄生电感将使电容器谐振频率以上时表现为电感特性而失去原有的功能。在 PCB 中，电感用于对电磁干扰的控制。电感阻抗随着频率的增加加，当频率很高北华航天工业学院毕业论文30时，高频信号的传递就会受到影响。在解决高频时的电题时常使用铁氧体，铁氧体在抑制高频干扰时等效于一个纯电感和一个联，除了具有电感的作用外，还可以吸收消耗掉一部分高频能量，所以电感更好的抑制效果。6.5 小结小结本章主要分析了在设计线路板时的电磁兼容问题，因为元器件在工作

48、时会产生一定的干扰，所以我们对各个元器件的选择也是有一定要求的。我们要做的就是尽量把线路板上的骚扰辐射降到最低。PCB 是所有精密电路设计中往往容易被忽略的一种部件。由于很少把 PCB 的电特性设计到电路中去，所以整个效应对电路功能可能是有害的。如果印刷电路板设计得当，它将具有减少骚扰和提高抗扰度的优点。反之，将使印刷电路板发生电磁兼容性问题。在设计印刷电路板时，设计的目的是控制下述指标： 来自 PCB 电路的辐射； PCB 电路与设备中的其他电路间的耦合； PCB 电路对外部干扰的灵敏度； PCB 上各种电路间的耦合。总之，应使板上各部分电路之间不发生干扰，都能正常工作，对外辐射发射和传导发

49、射尽可能低，外来骚扰对板上电路不发生影响。北华航天工业学院毕业论文31第 7 章 结论为了营造一个良好的电磁环境，目前有关国际组织和许多国家已经对电子、电器产品规定了质量标准，不满足电磁兼容要求的产品不许进入市场，所以一个产品为了长久发展必须对电磁兼容设计予以充分的重视。电磁兼容技术的发展是人类社会科技发展之必然。本文从电磁干扰的产生入手，着重研究了接地技术、屏蔽技术，并且在总结实践经验的基础上，探究了在 PCB 的设计过程中应注意的问题，分析了元器件的选择、布局及走线。本文还列出了电磁兼容技术国际标准，为我国电磁兼容技术的发展奠定基础。北华航天工业学院毕业论文32致 谢本文研究工作是在我的导

50、师曹白杨教授的精心指导和悉心关怀下完成的，从开题伊始到论文结束，我所取得的每一个进步、编写的每一段程序都无不倾注着导师辛勤的汗水和心血。导师严谨的治学态度、渊博的知识技术、无私的奉献精神使我深受启迪，从尊敬的导师身上，我不仅学到了扎实、宽广的专业知识，也学到了做人的道理。在今后的学习工作中，我将铭记恩师对我的教诲和鼓励，尽自己最大的努力取得更好的成绩。在此我要向我的导师曹白杨教授致以最衷心的感谢和深深的敬意！在四年的大学学习期间，电子信息工程教研室的每位老师对我的学习、生活和工作都给予了热情的关心和帮助，使我的水平得到了很大的提高，取得了长足的进步。在此，向所有关心和帮助过我的老师、同学和朋友

51、表示由衷的谢意！衷心感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位专家、教授。北华航天工业学院毕业论文33参考文献1 杨克俊 电磁兼容原理与设计技术北京：人民邮电出版社，2011.62 曹白杨，王晓 电子产品设计原理与应用北京：电子工业出版社，2010.13 钱照明，陈玮，谌平平 功率变流器 EMI 建模和印刷电路板(PCB)布置的优化设计科学技术与工程出版社，2004，4(7)：5845954 李旭，俞集辉 地面附近电磁脉冲孔缝耦合效应的数值仿真系统仿真学报，20075 赵治华，马伟明 钢板地阻抗的频率特性中国电机工程学报，2003，23(8)6 袁义生，钱照明 分析传导 EMI 的功率 MOSFE

52、T 建模浙江大学学报(工学版)，20037 8 王庆斌，剂萍，尤利文，等电磁干扰与电磁兼容技术M. 北京：机械工业出版社.1999185190.9 10 Bob GilbertStep By Step SMT Soldering : Reducing Soldering DefectsLoctite CorporationAugust 200111 MARK. Printed circuit board design techniques for signal integrity and EMC compliance .Piscataway NJ IEEE Press，1998.12 Lin

53、Ang Tek，et a1Application of fuzzy logic in EMC constraint PCB designCIn：Procof IEEE EMC99，1999：572575北华航天工业学院毕业论文34附附 录录附录 1基于 ETHERNET/IP 的 CONTROLLOGIX 系列 PLC 的接口凯瑟米尔，L.R.戴勒丝，美国摘要由美国 A-B 公司生产的 ControlLogix 系列可编程序逻辑控制器(PLC)提供了多种接口类型：如以太网、ControlNet、DeviceNet、RS-232 等等。ControlLogix 以太网连接模块“1756-ENET

54、”使用了 EtherNet/IP、ControlNet 等协议，并采用了专业的服务代码封装于以太网协议包中。针对“实验性物理和工业控制系统”(EPICS)开发的驱动程序使用了 EtherNet/IP 协议，从而使得控制器可以运行 vxWorks RTOS、Win32 和 Unix/Linux的测试程序。现在来分析一下这个接口的特点和使用场合。1 引言散裂中子源项目(SNS)的几个子系统使用了 A-B 公司的 ControlLogix 系列 PLC。通过集成这些 EPICS 加速器控制系统和输入输出控制器(IOC)，系统可以直接进行读取和写入 PLC 数据。有了输入输出控制器(IOC)，Unix

55、 或 Win32 系统的计算机和所有装有以太网连接口的个人计算机都可以对 PLC 进行编程，但它同时要求必须使用相同的技术来传输 PLC 数据。在现有的综合布线、网络硬件、配置和维护等技术知识的支持下，该产品完全可以使用。2 ETHERNET/IPControlNet 是一种确定性的串行通信系统，它的协议模型同七层的 ISO OSI 模型相似，采用了从物理层到应用层分层方式。ControlNet2.0 版本引入了数据包的 TCP/IP 封装，而代替了基于以太网（IP/UDP/TCP）的物理层和数据链路层，最终形成“基于以太网的 ControlNet” ，称为 EtherNet/IP。默认地，使

56、用 TCP/IP 的端口 0 xAF12 连接到EtherNet/IP 目标之后，遵循封装协议建立一个身份 ID，就可以直接进行信息交换了。他们定义了目标对象控制和信息协议(CIP)，此协议被列为 ControlNet 协议的一部分。对于 ControlNet 传送层，协议区别“无关联”和“关联”CIP 信息。虽然他们封装方式北华航天工业学院毕业论文35不同，但都可以通过默认的 TCP 协议进行连接。3 CONTROLLOGIX 的以太网接口ControlLogix 系列 PLC 使用 ControlNet 总线来联接本地 I/O 板卡作为平台，1756-ENET 以太网模块支持 EtherN

57、et/IP。只要遵循 EtherNet/IP 协议，我们就可以使用SendRRData 等封装命令，发送 CIP 消息即可：Service：Get_Attribute_Single(0 x0E)Path：Identity Object(class 0 x01，instance 1)，Product Name(attrib.7)作为回复，接口送回如下信息：Service：Get_Attribute_Single-Reply(0 x8E)Response：length=12， “1756-ENET/A”CIP 对象模型同样包括“模拟输入点”(0 x0A)和“离散输入组”(0 x1D)对象，但是到目

58、前为止，我们一切试图使用它们来访问 ControlLogix 模拟或数字输入模块的行为都失败了。原因是没有一个标准的 CIP 对象可以用来访问 PLC 的标签名称。与此同时，A-B 公司针对 ControlLogix 推出了新的 CIP 服务编码，包括使用 CIP 路径来命名梯形图逻辑标签、单独使用读写的服务代码以及结合了传输二进制数据格式而使用的一些传输协议。使用 SendRRData 封装命令来发送 CIP 数据到 PLC，必须通过连接管理器对象 1756-ENET 模块来寻址，见下例：Service：CM_Unconnected_Send(0 x52)Path：Connection Ma

59、nager(class 0 x06，instance 1)，Path：Port1(back plane)，Link # (slot # of PLC)。这则消息是读取一个标签TEST：Service：CIP_Read_Data(0 x4C)Path：TEST(ANSI extended symbol segment)Elements：UINT1当从 PLC 的回复显示端口连接成功则连接管理器开始传输：Service：CIP_Read_Data-Reply(0 xCC)Response：CA 00 00 80 38 3B=REAL 0.002815CIP_Write_Data 服务(0 x53)

60、 允许在 PLC 上通过相似嵌入修改标签。与其它通信协议相比，它对梯形逻辑图的要求并没有改变！CIP 读写服务能够访问所有控制器标签而不需要预先在 PLC 编程的软件标记他们为“生产”或“消费”类型，北华航天工业学院毕业论文36这包括对 I/O 模块的接入：模拟输入模块可利用在槽 1 上的第一通道，即“Local:1:I.Ch0Data” 。这种类型的传输称为明确无关联传输，因为标签名被明确地提出，各个协议包是单独寻址。对于连接信息， 在 PLC 上的消息路由器被要求打开连接：Service：CM_Forward_Open(0 x54)Path：Connection Manager(class

61、 0 x06，instance 1)Connection Path： Port1，Link0(back plane，PLC slot)， Message Router(class 0 x02，instance 1)回复信息中提供一个号码。CIP_Read_Data 请求能够按照 SendUnitData 封装命令的连接消息立即发送， 同时在信息前加上一个顺序编号，发送 CM_Unconnected_Send 消息则并不需要嵌入这些。4 设计的方案因为 ControlNet 连接信息的优势不能在 EtherNet/IP 上体现，这时就可以使用无关联信息：以太网不预留带宽；通过 TCP 协议来保证

62、传输。对于 CIP_Read_Data 请求，比起关联信息，无关联信息有效地压缩了信息，并且在传输中提高了 3%的速率。而缺点是，客户端应用程序必须在建立更新连接时发送请求，或者更快。以太网的延迟将导致 PLC断开连接。ControlLogix 多请求服务(0 x0A)是用作合并 CIP_Read/Write_Data 请求，即当总请求或期望的请求值的大小到达 PLC 的缓冲极限（大约 500 字节）的时候使用。5 EPICS 技术支持的实施根据请求的更新率，vxWorks 驱动代码针对各个 PLC 在扫瞄列表中都安排了标签名。一周期内每个 PLC 将处理所有读写请求。EPICS 设备的输入和

63、输出驱动支持：模拟量、二进制数和多位记录类型。当使用单个数组元素或结构体元素，以及并非数组或结构体的全部时，标签名就必须使用标量值。可以处理的 PLC 数据类型包括 BOOL、SINT、INT、DINT 和 REAL。也可以在运行时改变记录的配置，这些是不需要重新起动输入输出控制器(IOC)的，即所涉及的标签名记录能实时替换。当发生通信错误或超时，驱动将默认断开 PLC 连接并尝试再连接。数组元素进入数组时，驱动默认要求传输顺序是从第一个元素到请求最高的元素。这样就决定了传送时间会大量减少，但可能会产生其他作用：每当输出改变的记录超过一个元素时，输入输出控制器(IOC)总将重写整个数组。因为持

64、续传输，同样的 PLC 数组被其它数据来源也修改了(由 PanelView 显示)，输入输出控制器(IOC)对这些变动忽略北华航天工业学院毕业论文37而重写他们。数组传输同样是受到上述 PLC 缓冲极限和大小限制的。针对这些情况，记录配置允许个别的数组元素传输到工作区。对于输出记录， 每当记录被处理时，驱动都将发送一个 CIP_Write_Data 消息。否则它将周期性地从 PLC 上读取标签，并且当记录内容不同时，在 PLC 上将不断更新输出记录值。驱动为各扫瞄列表保留统计信息(错误计数，最新/最小/最大传送时间)。模拟输入记录能够得到这些值。这样会出现一个问题，以 BOOL 数组为例，他们

65、会被作为 DINT 值传输。对于一个模拟值记录，标签“TEST5”会被作为第 5 个元素标记“TEST” 。同样地当在 BOOL 数组中，结果会是标记第 5 个 DINT，160-191 位。所以对于二进制记录，所有数组被作为BOOL 数组进行连通，并且“TEST5”会在对 DINT0（第 5 位）请求时传输。以上情况在 PPC 和奔腾输入输出控制器(IOC)68K 上都作了测试。更底层的驱动层会依次处理其他的字节。另外，一条简单的命令行编程是可以在 Unix 和 Win32 上使用的，它允许作为一种对 PLC 标签读写的调试工具。6 成果请看下面，使用 MVME2100 CPU 与 100b

66、aseT 网络接口通过一个双倍速集线器连接到一个 10baseT PLC。其它办公室个人计算机和 Linux 文件服务器连接到同样的集线器上。网络使用率一般在 2%以下。若是传输标量 REAL、BOOL 或 DINT，以及一组 15 个 REAL 或352 个 BOOL 值，速度是平均 11 毫秒传输一个单个的标签。从 EPICS 驱动合并多个请求是由 PLC 决定并受缓冲极限限制的，大约 15 个标签，每个以 15 个字符命名，当单独的传输要求超过 160ms 时，合并后可能只需大约 20ms。而当使用普通设置时，输入输出控制器(IOC)配置了 352 个二进制的输入记录，以10Hz 扫描一个 BOOL 数组的元素。而 120 个模拟输入记录，以 2Hz 扫描的三个元素为 40个 REAL 的数组。因为以太网的不确定性，由于网络拥挤这些传输的比例会随时间而变化，造成的传送时间如下面直方图。北华航天工业学院毕业论文38图 1：3 天内的传送时间。整个 BOOL 数组传输时间平均是在 15ms 内，所有 REAL 的数组传输了 25ms，以便于记录能更容易地在选定的扫瞄速率上更新。对于这