數(shù)字AV產品的抗干擾設計

1、數(shù)字AV產品的抗干擾設計1前言XQ5安規(guī)與電磁兼容網 電磁兼容，即EMC（Electromagnetic Compatibility），是指干擾可以在不損害信息的前提下與有用信號共存。隨著數(shù)字化產品的不斷問世，其電磁兼容性的設計越來越引起人們的重視。因為高速數(shù)字電路工作時，會產生大量的高頻干擾信號，處理不好，不僅影響本身性能，而且還會影響周圍環(huán)境。以VCD機為例，VCD機中有高速數(shù)字信號處理電路，存在大量的脈沖干擾，處理不當，將影響音視頻的質量和讀盤糾錯能力。嚴重時高頻干擾脈沖會通過電源或空間發(fā)射出來，影響周圍電子設備的正常工作?，F(xiàn)以VCD機為例討論數(shù)字AV產品的抗干擾設計。XQ5安規(guī)與電磁兼

2、容網2數(shù)字AV產品的特點XQ5安規(guī)與電磁兼容網 目前，數(shù)字AV產品除了廉價大眾化的VCD機外，為了滿足廣大用戶對音視頻產品的品質要求，廠商又不斷地開發(fā)DVD和數(shù)字電視等數(shù)字AV產品。數(shù)字AV產品的核心是DSP（Digital Signal Processor）系統(tǒng)，對音視頻信號進行高速的數(shù)字信號處理，使人們視聽享受達到較完美的境地。同時，由于數(shù)字信號處理的碼率很高，如VCD視盤機MPEG1視頻數(shù)據率和音頻數(shù)據率之和約15 Mbs；DVD MPEG2音視頻可變碼率平均為469 Mbs，最大速率達107 Mbs，可見碼率之高，處理系統(tǒng)又與高速的存儲器配合使用進行數(shù)據的讀寫。隨著碼率的不斷提高，數(shù)字

3、信號處理的速度越來越快，產生與速度成正比的大量干擾脈沖，且頻率越來越高，幅度越來越大，結果對產品的抗干擾設計帶來更大的難度，也是產品品質高低的關鍵所在。XQ5安規(guī)與電磁兼容網  3數(shù)字電路的常見干擾噪聲 XQ5安規(guī)與電磁兼容網     對數(shù)字AV產品這樣一個數(shù)字信號處理系統(tǒng)來說，常見以下幾種噪聲：XQ5安規(guī)與電磁兼容網 （1）電源噪聲：在該數(shù)字系統(tǒng)中，主要由于受DSP電路、CPU、動態(tài)存儲器件和其它數(shù)字邏輯電路在工作過程中邏輯狀態(tài)高速變換造成系統(tǒng)電流和電壓變化產生噪聲，溫度變化時的直流噪聲以及供電電源本身產生的噪聲等等。XQ5安規(guī)與電磁兼容網（

4、2）地線噪聲：在系統(tǒng)內，如果在各部分的地線之間出現(xiàn)電位差或者存在接地阻抗便會引起接地噪聲。XQ5安規(guī)與電磁兼容網（3）反射噪聲：傳輸線路各部分的特性阻抗不同或與負載阻抗不匹配時，所傳輸?shù)男盘栐诮K端（或臨界）部位發(fā)生反射，使信號波形發(fā)生畸變或產生震蕩。XQ5安規(guī)與電磁兼容網（4）串擾噪聲：產生原因是由于扁平電纜或束捆導線等傳輸線之間，印制電路板內平行印制導線之間的電磁感應，以及高速開關電流通過分布電容等寄生參數(shù)把無用信號成分疊加在目的信號上引起的。XQ5安規(guī)與電磁兼容網4電源和地線噪聲的抑制XQ5安規(guī)與電磁兼容網在數(shù)字AV產品中大量地應用了CMOS的數(shù)字器件和數(shù)字模擬混合器件，如DSP芯片、CP

5、U、動態(tài)RAM、DA變換器和其它數(shù)字邏輯器件，當設備工作時這些器件同時工作會使電路板內的電源電壓和地電平波動，導致信號波形產生尖峰過沖或衰減震蕩，造成數(shù)字IC電路的噪聲容限下降，而引起誤動作，其原因是數(shù)字IC的開關電流I和電源線、地線的電阻R所造成的電壓降eRIR與印條和元器件引腳的分布電感L所造成的感應電壓降eLL（dIdt）兩者一起作用。XQ5安規(guī)與電磁兼容網由圖1的模型可以進一步說明，假如線路中的電流從50 A變成2 mA，上升沿為10HHns，則電阻引起的壓降為：eRIR2×20004，單位是mV，電感引起的壓降是：eLL（dIdt）400 ×（2005）1078，

6、單位也是mV。XQ5安規(guī)與電磁兼容網    可見由分布電感引起的電壓降相當大。由于數(shù)字AV產品中有好多條高頻數(shù)字信號線，因此，電源和地線的干擾是相當嚴重的。XQ5安規(guī)與電磁兼容網 其次，由于一部分CMOS電路是數(shù)字模擬混合器件，如DA轉換器件，根據CMOS的基本理論，數(shù)字模擬二部分電路形成在同一個N型的芯片上，假如只有數(shù)字部分電源VDD供電，盡管模擬電源未接，VDD的電能會轉換到模擬部分N上去，VDD電壓依然會出現(xiàn)于模擬電源VCC腳上。同樣，VDD上存在的噪聲亦會出現(xiàn)在VCC上，由于VDD和VCC上的噪聲作用造成數(shù)?；旌想娐?，如音頻DA PCM1710的THDN和

7、動態(tài)范圍下降，影響整機的性能。)'aHtK3安規(guī)與電磁兼容網XQ5安規(guī)與電磁兼容網為了抑制電源和地線噪聲，在數(shù)字AV產品設計中可以采取以下措施：XQ5安規(guī)與電磁兼容網 （1）選用貼片元件和盡可能縮短元件的引腳長度，以減小元件分布電感的影響；選用噪聲容限大的數(shù)字IC。XQ5安規(guī)與電磁兼容網 （2）在VDD及VCC電源端盡可能靠近器件接入濾波電容，以縮短開關電流的流通途徑，用10 F鋁電解和01F獨石電容并聯(lián)接在電源腳上。對于MPEG板主電源輸入端和MPEG解碼芯片以及DRAM，SDRAM等高速數(shù)字IC的電源端可以用鉭電解電容代替鋁電解，因為鉭電解的對地阻抗比鋁電解小得多。XQ5安規(guī)與電磁

8、兼容網 （3）印制板布局時，要將模擬電路區(qū)和數(shù)字電路區(qū)合理地分開，電源和地線單獨引出，電源供給處匯集到一點；PCB布線時，高頻數(shù)字信號線要用短線，主要信號線最好集中在PCB板中心，時鐘發(fā)生電路應在板中心附近，時鐘扇出應采用菊鏈式或并聯(lián)布線，同時電源線盡可能遠離高頻數(shù)字信號線或用地線隔開。XQ5安規(guī)與電磁兼容網 （4）印制板的電源線和地線印制條盡可能寬，以減小線電阻，從而減小公共阻抗引起的干擾噪聲。XQ5安規(guī)與電磁兼容網 （5）對數(shù)?；旌想娐?，VDD與VCC應該聯(lián)到模擬電源VCC，AGND與DGND接到模擬地AGND，如圖2所示，根據BB，PHILIPS，東芝公司實驗結果，建議把DA器件視為模擬

9、器件，MPEG電路與DA器件連接如圖3，DA器件必須置于AGND上，同時要提供一條數(shù)字回路供這些數(shù)字噪聲能量反饋回信號源，以減小數(shù)字器件的噪聲對模擬電路的影響，使DA器件的動態(tài)特性提高。XQ5安規(guī)與電磁兼容網     實測VCD機MPEG解壓板數(shù)字電源VDD與模擬電源VCC的噪聲電平如圖4所示，由波形可知，電源上疊加的噪聲電平已相當小，VDD噪聲電平與VCC噪聲電平波形基本一致，且數(shù)字電源噪聲電平明顯大于模擬電源的噪聲電平，這說明這些干擾脈沖主要由數(shù)字信號產生的。  5反射干擾噪聲的抑制XQ5安規(guī)與電磁兼容網 在數(shù)字信號處理系統(tǒng)中，要進行很多時

10、鐘信號和數(shù)字信號的傳輸，因其傳輸線路始端和終端阻抗不匹配，所傳輸?shù)男盘枙谧杩共贿B續(xù)處發(fā)生反射，使傳輸?shù)男盘柌ㄐ纬霈F(xiàn)上沖、下降和振蕩。反射還會降低器件噪聲容限，加大延遲時間，而且如傳輸線傳輸時間與所傳輸?shù)难舆t時間大致相同，反射會帶來嚴重的后果，有的使傳輸?shù)男畔a生錯誤，有的使電壓超過電路的極限值影響電路的正常工作。tK3安規(guī)與電磁兼容網XQ5安規(guī)與電磁兼容網 傳輸線上阻抗不匹配，即特性阻抗為Z0的傳輸線與阻抗不等于Z0的信號源、負載電路、負載元件或者特性阻抗不等于Z0的線路連接。通常情況下，傳輸線是無損耗線，單位長度傳輸線的傳輸時間和特性阻抗，式中C，L為單位長度傳輸?shù)姆植茧娙莺头植茧姼?。bV

11、atK3安規(guī)與電磁兼容網XQ5安規(guī)與電磁兼容網傳輸線最大匹配線長度lmaxtrvktK3安規(guī)與電磁兼容網XQ5安規(guī)與電磁兼容網    tK3安規(guī)與電磁兼容網XQ5安規(guī)與電磁兼容網    式中：lmax單位mbtK3安規(guī)與電磁兼容網XQ5安規(guī)與電磁兼容網    tr傳輸信號的前沿時間（s）  tK3安規(guī)與電磁兼容網XQ5安規(guī)與電磁兼容網      v電磁波速度，14×10814×108 mstK3安規(guī)與電磁兼容網XQ5安規(guī)與電磁

12、兼容網      k經驗常數(shù)，一般取k45XQ5安規(guī)與電磁兼容網 如果傳輸線的長度超過lmax，應在其始端和終端進行阻抗匹配。tK3安規(guī)與電磁兼容網XQ5安規(guī)與電磁兼容網 現(xiàn)在對信號在傳輸線上的傳輸過程做一分析：信號從始端出發(fā)，經傳輸線向終端負載，由于阻抗不匹配就會造成信號嚴重畸變。下面以VCD機機芯DSP信號輸出端至MPEG板之間傳輸線為例進一步加以說明。用長10cm束捆線和長60cm扁平電纜作傳輸線進行對比實驗。先用束捆線作實驗，用泰克TDS520A數(shù)字示波器測得DSP輸出端和MPEG板輸入端的波形基本一致，以如圖5所示BCK波形為例。XQ

13、5安規(guī)與電磁兼容網 由圖5可見，BCK的上升沿時間Tr10 ns，其lmax50 cm，因此束捆線長度l10 cmlmax，因是短線，傳輸時間很短不必進行阻抗匹配。然而如把束捆線換成長60 cm的扁平電纜，BCK的波形如圖6所示。XQ5安規(guī)與電磁兼容網由BCK波形知，換成扁平電纜后，波形畸變明顯變大，主要是上升沿變差，上升時間tr變大和波形的波峰谷比變大。其原因是扁平電纜的長度l60  cmlmax50cm，傳輸電纜要作長線處理，其阻抗必須進行匹配，DSP輸入端的上升時間變長是由于反射至DSP輸出端反射波的反射系數(shù)有正有負而形成波峰和波谷使上升時間tr變長，DATA，LRCK波形也有

14、類似情況。XQ5安規(guī)與電磁兼容網  通過上述比較實驗，要抑制反射干擾，要設法使發(fā)送端和終端的阻抗匹配，或者把傳輸線的長度盡可能縮短，即llmax，由于是民用產品，還要考慮到生產成本及生產加工過程方便等原因。XQ5安規(guī)與電磁兼容網在數(shù)字AV產品中，采取的措施為：tK3安規(guī)與電磁兼容網XQ5安規(guī)與電磁兼容網 （1）DSP輸出端加適當電阻使之與束捆線和扁平電纜的特性阻抗基本相一致，發(fā)送端的阻抗基本匹配，抵消了數(shù)字信號脈沖上升下降的過沖。XQ5安規(guī)與電磁兼容網 （2）把束捆線的長度縮短為llmax，因線很短，波形畸變輕微。實際結果使DSP的波形明顯改善，實際電路如圖7所示。XQ5安規(guī)與電磁兼

15、容網（3）用終端二極管取代匹配電阻，此法已廣泛應用于數(shù)字IC的芯片制作中，作為輸入輸出端的匹配和保護網絡，如圖8。這種匹配方法有以下優(yōu)點：能改善終端波形；對發(fā)送端的電平高低沒有影響；補設方便，同機有多個負載時達到最佳匹配；具有保護作用，有效抑制過沖脈沖。 （4）加整形電路可減小連接線不匹配引起干擾噪聲的影響，整形電路通常加在輸入端前且要注意不能產生信號新的相位變化。如圖9是PHILIPS  3碟VCD機芯與MPEG板進行時鐘傳輸時在MPEG板時鐘輸入端加接的一個整形電路。XQ5安規(guī)與電磁兼容網6 數(shù)字信號的串擾抑制XQ5安規(guī)與電磁兼容網所謂串擾是指信號傳輸線在傳輸信號的過程中，在其相

16、鄰信號線上引起嚴重的干擾噪聲，大多發(fā)生在扁平電纜、束捆導線或印制板電路上平行的印制導線之間。串擾的強弱與相鄰兩信號線之間的互阻抗和信號本身的阻抗有關。下面討論扁平電纜的串擾問題。XQ5安規(guī)與電磁兼容網 現(xiàn)代數(shù)字AV產品中，廣泛使用扁平電纜做連接導線，雖有很多優(yōu)點，然而若使用不當，很易發(fā)生串擾，引起意相不到的問題，影響數(shù)字產品的正常工作。扁平電纜的各導線之間均有分布電容，如圖10所示。XQ5安規(guī)與電磁兼容網經實際測量，每10 cm長的相鄰導線間的分布電容約3 pF。頻率為100 MHz時，1 pF電容的阻抗為16 k，10cm傳輸?shù)鸟詈献杩箖H為05 k，而且扁平電纜導線的分布電容與其長度成正比，

17、布線較長時串擾更為嚴重。以VCD機為例，信號為數(shù)百千赫茲、數(shù)兆赫茲的方波和1020 MHz的時鐘信號，其含有的幾十倍的高次諧波，信號頻譜最高近數(shù)百兆赫茲，這種高頻分量極易通過扁平電纜各導線之間的分布電容相互串擾。在VCD機試制時，筆者做過對比實驗，分別用60 cm長扁平電纜和10 cm長的束捆線連接DSP與MPEG板，其波形如圖11所示。XQ5安規(guī)與電磁兼容網由圖11可見，60 cm扁平電纜上的干擾明顯比10cm長束捆線上的干擾大的多，說明扁平電纜分布電容與長度成正比，干擾又與分布電容成正比。如把DSP輸出端的BCK時鐘斷開，60cm扁平電纜的LRCK波形如圖12所示。由圖12可以看出，LRC

18、K干擾點明顯減少和干擾脈沖幅度下降。由此說明干擾大部分來自BCK方波信號，導線間保持一定距離可降干擾。XQ5安規(guī)與電磁兼容網 在松下130330DVD機中，機芯數(shù)據輸出為并口方式，與MPEG板之間用軟性印制電纜連接，由于DVDMPEG2的碼率是VCD機的幾倍，且主時鐘的頻率比VCD高，所以，每根數(shù)據時鐘線之間用地線隔開，連接電纜表面涂覆一層導電層加以屏蔽，可以減小線間的分布電容，從而減小線間的相互串擾和高頻脈沖向外輻射。XQ5安規(guī)與電磁兼容網 在數(shù)字AV產品中采取了以下措施：tK3安規(guī)與電磁兼容網XQ5安規(guī)與電磁兼容網 （1）盡可能縮短信號線的傳輸長度。tK3安規(guī)與電磁兼容網XQ5安規(guī)與電磁兼

19、容網 （2）在多種電平的信號傳輸時，應盡量把前后沿時間相近的同級電平信號劃為一組傳輸。就VCD來說，DATA，BCK，LRCK信號與主時鐘之間用一根地線相互隔離。必要時用屏蔽線代替束捆線來傳輸MCLK和BCK時鐘，減小串擾和輻射。tK3安規(guī)與電磁兼容網XQ5安規(guī)與電磁兼容網（3）若條件允許，在雙面印制板布線時，正面?zhèn)鬏敻哳l數(shù)字信號和時鐘信號，在其傳輸印制電路背面盡可能加大接地面積，這樣由于平行導線間的分布電容在導線接近地平面時會變小的緣故，信號線之間串音干擾會減??；在MPEG芯片、DRAM、SDRAM及其它高速數(shù)字器件印制板布線時，其背面布上大片地線，地線可以吸收屏蔽器件產生的高頻脈沖噪聲。

20、XQ5安規(guī)與電磁兼容網XQ5安規(guī)與電磁兼容網7數(shù)字信號處理系統(tǒng)的抗干擾設計XQ5安規(guī)與電磁兼容網 實際上，電源線電流變化產生的感應壓降、數(shù)字信號傳輸?shù)姆瓷涓蓴_和數(shù)字信號間的串擾相互之間有著密切聯(lián)系且密不可分的。反映在數(shù)字信號處理系統(tǒng)中，其危害性最大的是高頻脈沖噪聲。所以，抑制高頻脈沖噪聲是數(shù)字AV產品電磁兼容性設計的重要組成部分。XQ5安規(guī)與電磁兼容網 在VCD設計過程中，整機調試時，遇到整機工作時功能出錯，通過內置檢測程序檢測到CPU和MPEG芯片CL680A1連接如圖13，用示波器觀察HRDY和HCK上高頻毛刺較大，采用在HRDY上并聯(lián)一個51pF電容，而HCK考慮到并聯(lián)電容會影響其上升和

21、下降時間，采用觸發(fā)器對HCK進行整形如圖14，此處MCLK時鐘頻率遠大于HCK頻率。通過采取以上措施后，用內置檢測程序檢測數(shù)據通信的準確率大，達到100，整機工作完全正常。XQ5安規(guī)與電磁兼容網為了提高系統(tǒng)的抗干擾性能，在數(shù)字AV產品中可采用如下措施："*atK3安規(guī)與電磁兼容網XQ5安規(guī)與電磁兼容網 （1）增加總線的抗干擾能力。#u4tK3安規(guī)與電磁兼容網XQ5安規(guī)與電磁兼容網 采用三態(tài)門方式總線結構，總線加上拉電阻使總線在瞬間處于穩(wěn)定的高電平而消除總線處于電壓不穩(wěn)定的懸浮狀態(tài)，總線須加緩沖器。pg>+ltK3安規(guī)與電磁兼容網XQ5安規(guī)與電磁兼容網 （2）用軟件消除干擾。tK

22、3安規(guī)與電磁兼容網XQ5安規(guī)與電磁兼容網 在系統(tǒng)設計時，雖在硬件上作了種種改進，但抗干擾效果并不顯著，如出現(xiàn)系統(tǒng)的“死機”和數(shù)據傳輸錯誤等等，從軟件著手可加以改進：（A）使用監(jiān)控計時器（WatchDogTimer）來檢測系統(tǒng)是否受干擾，一旦系統(tǒng)受到干擾立即采取系統(tǒng)中斷使系統(tǒng)重新進行初始化后再啟動，以消除干擾影響；（B）采用軟件容錯技術就是承認故障和錯誤是客觀事實，并考慮采取措施來消除、抑制、減小其造成的影響。tK3安規(guī)與電磁兼容網XQ5安規(guī)與電磁兼容網 （3）提高系統(tǒng)控制信號抗干擾能力。tK3安規(guī)與電磁兼容網XQ5安規(guī)與電磁兼容網在系統(tǒng)中通常有RESET，STB等控制線，CPU與其控制器件的傳

23、輸距離較遠且控制線阻抗較高，易受脈沖噪聲干擾，對等控制信號在被控器件的輸入端并接一個20pF電容能消除干擾，而對RESET等控制信號并接001H-3F電容，干擾問題也可解決。對控制線加緩沖驅動器，使控制線的阻抗變低，也具有抑制干擾的作用。tK3安規(guī)與電磁兼容網XQ5安規(guī)與電磁兼容網 （4）IC不用端子的處理。tK3安規(guī)與電磁兼容網XQ5安規(guī)與電磁兼容網 對于這些空著不用的端子一定要妥善處理，否則噪聲很容易通過分布電容而進入這些端子。對電路造成干擾。如TTL，CMOS電路不用的輸入端加110k的上拉電阻，觸發(fā)器不用的輸出端并一個小容量的陶瓷電容等等。 XQ5安規(guī)與電磁兼容網8電源電路的抗干擾措施

24、XQ5安規(guī)與電磁兼容網實驗研究表明，電源電路的抗干擾措施完善了，電子線路的抗干擾問題就解決了一大半。如果不注意這一點，在復雜的電子線路內部到處加抗干擾措施，最終也并不一定能有很好的效果。另外，電源本身也是一個干擾源，如電源紋波、自激振蕩、開關電源產生的尖峰脈沖噪聲，都是對電子線路造成干擾的重要原因。對于數(shù)字AV產品來說，提高電源電路的抗干擾能力尤為重要。tK3安規(guī)與電磁兼容網XQ5安規(guī)與電磁兼容網 以VCD設計為例，所用的電源經歷了從線性電源、高壓開關電源和低壓開關電源的過程。早期產品使用線性電源存在如下問題：ul)XqdtK3安規(guī)與電磁兼容網XQ5安規(guī)與電磁兼容網 （1）電磁兼容性能不好，電

25、源端注入干擾和整機的輻射干擾很難達到國家標準。tK3安規(guī)與電磁兼容網XQ5安規(guī)與電磁兼容網（2）整機的音視頻的性能指標達不到國家優(yōu)等品標準。tK3安規(guī)與電磁兼容網XQ5安規(guī)與電磁兼容網（3）由于整機具有AC電源10和20的穩(wěn)壓性能要求，主電源5V穩(wěn)壓塊的功耗很大，造成穩(wěn)壓塊有過熱現(xiàn)象，產生熱噪聲，紋波抑制能力下降，穩(wěn)壓器件過熱影響整機可靠性；同時，由于散熱器的加大，穩(wěn)壓塊的分布電容變大，這是造成電源端注入干擾大的原因。 針對上述問題，在電源變壓器的前端加裝電源濾波器，如圖15，這種電源濾波器具有良好抑制共模噪聲和串模噪聲的能力，來隔離外部和內部脈沖噪聲的干擾。在電源端注入干擾測試時，在0530MHz頻率范圍內，對大于10 MHz干擾脈沖噪聲作用不大，這是由于5V電源穩(wěn)壓塊、電源變壓器和電源濾波器電感線圈的分布電容較大造成的。而對整機音視頻性能指標和輻射干擾改善很小。通過加強MPEG板電源濾波去