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DSP系统中噪声和EMI问题的解决方案

本文摘要:在任何高速数字电路设计中,处置噪声和电磁干扰(EMI)都是一个必定的挑战。处置音视频和通信信号的数字信号处理(DSP)系统尤其更容易遭到这些阻碍,设计时应当尽早搞清楚潜在的噪声和干扰源,并尽早采取措施将这些阻碍降至大于。较好的规划将增加调试阶段中的大量时间和工作的重复,从而不会节省总的设计时间和成本。 如今,最慢的DSP的内部时钟速率低约数千兆赫,而升空和接管信号的频率低约几百兆赫。这些高速电源信号将不会产生大量的噪声和阻碍,将影响系统性能并产生电平很高的EMI。

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在任何高速数字电路设计中,处置噪声和电磁干扰(EMI)都是一个必定的挑战。处置音视频和通信信号的数字信号处理(DSP)系统尤其更容易遭到这些阻碍,设计时应当尽早搞清楚潜在的噪声和干扰源,并尽早采取措施将这些阻碍降至大于。较好的规划将增加调试阶段中的大量时间和工作的重复,从而不会节省总的设计时间和成本。

  如今,最慢的DSP的内部时钟速率低约数千兆赫,而升空和接管信号的频率低约几百兆赫。这些高速电源信号将不会产生大量的噪声和阻碍,将影响系统性能并产生电平很高的EMI。

而DSP系统也显得更为简单,比如具备音视频模块、LCD和无线通信功能,以太网和USB控制器、电源、振荡器、驱动掌控以及其他各种电路,所有这些都将产生噪声,也都会受到邻接元器件的影响。音视频系统中尤其更容易产生这些问题,因为噪声不会引发脆弱的仿真性能的上升,而对于线性的数据来说却不显著。  至关重要的就是指设计的一开始就著手解决问题噪声和阻碍问题。

许多设计第一次都没通过联邦通信委员会(FCC)的电磁兼容测试。如果在早期的设计中在低噪声和较低阻碍设计方法上花费一些时间,就不会增加先前阶段的新的设计成本和产品的上市时间的延后。

因此,从设计的一开始,研发工程师就应当侧重:  1.搭配在动态阻抗条件下具备较低电源噪声的电源;  2.将高速信号线间的串扰降至大于;  3.高频和低频弃耦;  4.具备大于传输线效应的优良的信号完整性;  如果构建了这些目标,研发工程师就能有效地防止噪声和EMI方面的缺失。  噪声的影响及掌控  对于高速DSP而言,减少噪声是最重要的设计准则之一。

来自任何噪声源的过大的噪声,都会造成随机逻辑和锁相环(PLL)过热,从而减少可靠性。还不会造成影响FCC证书测试的电磁辐射阻碍。

此外,调试一个噪声相当大的系统是极端困难的;因此,要避免噪声-如果需要彻底消除的话-则拒绝在电路板设计中花费大量的功夫。  在音视频系统中,即便是较为小的阻碍,也不会对最后产品的性能产生明显的影响。例如,音频捕捉和音频系统中,性能将各不相同所用的音频编解码的质量,电源的噪声,PCB布线质量,以及邻接电路间的串扰大小等。而且,取样时钟的稳定度也拒绝十分低,以尽量避免不期望的杂音,如在音频和捕捉过程中的砰砰声和咔嚓声。

  在视频系统中,主要的挑战是避免色彩杂讯,60Hz嗡嗡声以及音频敲击声。这些对高质量视频的系统都是危害的,例如安全监控方面的应用于。

实质上,上述这些问题一般来说都与视频电路板的设计不当有关。明确还包括:电源噪声传遍视频的DAC输入上;音频音频引发电源的瞬变;音频信号耦合到了低电阻的视频电路的信号线上。

  这些典型的视频问题源还包括:实时和像素时钟的过冲和不出冲;影响色彩的编解码和像素时钟的晃动;缺乏端接电阻的图像杂讯;音视频隔绝较好引发的闪光。  音视频应用于更容易产生的噪声阻碍问题,对于所有拒绝具备很低误码率的通信系统来说也是少见的。在通信系统中,电磁辐射某种程度产生EMI问题,还不会堵塞其他的通信信道,从而引发欺诈的信道检测。

使用必要的电路板设计技术、屏蔽技术以及RF和混合的仿真/数字信号的隔绝等技术,就可以解决问题这些挑战。  在高速DSP系统中有许多潜在的电源噪声源,还包括:信号线间的串扰;传输线效应引发的光线;弃耦电容不适合所引发的电压减少;低电感的电源线,振荡器和锁相环电路;开关电源;线形调整器不稳定性所引发的大容性阻抗;磁盘驱动器。

  这些问题由电耦合和磁耦合联合产生。电耦合的产生是由于邻接信号和电路的寄生电容和互感所引发,而磁耦合的构成是由于邻接的信号线构成电磁辐射天线所造成。如果电磁辐射阻碍充足强劲的话,将不会造成需要毁坏其他系统的EMI问题。

  当高速DSP系统中的噪声无法显然避免时,则应当将其降到大于。电子元器件内部都有噪声,故细心地自由选择器件特性,并搭配必要的器件是至关重要的。除了器件的准确自由选择外,还有两种标准化的技术,即PCB布线和电路弃耦可以协助控制系统噪声。

一个杰出的PCB布线将减少噪声地下通道产生的可能性。另外,还增大了需要传播到印制线和电流返路上的电磁辐射,弃耦防止邻接电路产生的噪声影响。最差的方法就是指源头上杂讯噪声,不过也可以使邻接的电路对噪声不脆弱或者避免噪声的耦合地下通道。

  现在我们辩论几种可以解决问题由系统噪声和EMI引发的许多常见问题的技术。  维持电流电路最较短  短距离信号电流沿电阻大于,即最短的路径回到源端。而高速信号则是沿电感大于的路径回到:这样的大于的电路面积坐落于信号线的下面,如图1右图。    图1:高速信号与短距离信号电流的较为。

  因此,高速信号设计的目标之一就是为信号电流获取大于的电感电路。这可以利用电源平面和地平面来构建。电源平面通过构成大自然的高频弃耦电容将宿主电感降至大于。

而地平面构成一个屏蔽面,即众所周知的镜像平面,需要获取最短的电流电路。  一种有效地的PCB布线方法就是将电源平面和地平面靠在一起。

这样构成了高平板电容和较低电阻,不利于减少噪声和电磁辐射。为了屏蔽,最差的自由选择是:关键信号最差布到附近地平面一旁,而其余的则不应附近电源平面一侧。  在高速视频系统中,维持电路较短的目的意味著视频地无法被隔绝。

而必需被隔绝的音频地,绝不在数据输出点处较短收到数字地上,如图2右图。    图2:音频地隔绝。  电源隔绝和锁相环  如何构建最佳供电是掌控噪声和电磁辐射的仅次于挑战。

动态阻抗电源环境很简单,还包括的因素有:转入和解散较低功率模式;由总线竞用和电容器电池所引发的相当大的瞬态电流;由于弃耦和布线不合理引发较小的电压上升;振荡器使线性调节器输入短路。  图3得出了一个设计电流电路的实例,其中利用了电源线弃耦。该例中的弃耦电容尽量附近DSP。如果没弃耦,动态电流电路将较小,这将增大电源电压的降幅,从而产生电磁辐射。

    图3:电源弃耦。  为PLL供电时,电源隔绝是十分最重要的,因为PLL对噪声十分脆弱,并且对于平稳系统来说,拒绝晃动非常低。你还必须自由选择仿真的还是数字的PLL,仿真PLL对噪声的敏感度比数字PLL要较低。    图4:PLL电源隔绝。

  如图4右图的具备较低截至频率的型滤波器常常被用来将PLL与系统中的其他高速电路隔离开。一个较好的办法是利用一个高压劣(LDO)电压调整器来独立国家产生PLL的电源电压,如图5右图。该方法虽减少了成本,但保证了低噪声和出色的PLL性能。

    图5:利用LDO构建PLL电源的隔绝。  串扰及传输线效应  信号间的阻碍,即串扰,可以通过电磁辐射在印制线间传播。

这也有可能由电源和地平面上的多余信号以电气的形式产生。串扰与印制线间距的平方成反比。因此,为了将串扰降到大于,单端信号的布线间距不应最少是印制线宽度的2倍。对于像以太网和USB这类的差分信号,印制线间距必须与印制线宽度完全相同,目的是需要与差分电阻相匹配。

关键信号可以用地和电源平面展开屏蔽,或者在改为板时减少与信号分段的地线。  有些信号还产生引发串扰的高频谐波。由于电磁辐射的能量正比于信号的下降和下降时间,较快的下降或下降时间引发的阻碍将较小。图6表明出有视频阻碍的实例,这些阻碍有可能由内部时钟的电磁辐射所引发。

在北美地区第二频道中,18.432MHz的音频时钟的三次谐波,将产生如图中左侧右图的阻碍。通过在音频时钟印制线上减少一个串联电阻来减慢时钟的下降和下降时间,增大了阻碍,其结果如图6中的右侧右图。不过,设计师必须理解定点裕度,以便于将下降和上升沿减少到系统所容许的限度内。

    图6:解决问题音视频串扰。  与串扰涉及的是传输线效应,这种效应在高速印制线变为产生电磁辐射阻碍的发射器时产生。一般来说,当信号的上升时间大于传播延后的2倍时,印制线才升空信号。

这就似乎出有了一个经验,即为了增大传播延后,印制线的长度不应尽量较短。另一个是合理的信号端接将减缓信号的上升时间,从而将光线引发的过冲和不出冲减到大于。图7表明了如何利用分段端接来校正电平并将传输线效应减半到大于。

    图7:利用端接将传输线效应减半到大于。  设计师可能会批评,既然芯片内部早已构建了电阻,在外部端接负载电阻否还有其重要性。实质上,除了掌控传输线效应外,外部电阻还可以构建信号完整性的仪器调整。DSP无法与电路板电阻几乎给定,因此端接阻抗可以增大源电流,以及下降和下降时间。

  与外部端接负载电阻一样,外部的上拉和下拉电阻也是最重要的。对于无相连的插槽来说,虽然内部的上拉和下拉电阻是充足的,但高速电源噪声需要传过来,并会误启动时连接端上的内部逻辑。  掌控EMI  需要电磁辐射到系统外的电磁辐射被指出是EMI,这有可能使设计无法通过FCC证书。有两种有可能的电磁辐射:一种是升空源是一条直线型的信号印制线,或者电缆的共模电磁辐射,另一种是其信号和电路包含一个大电流环路的差分模式电磁辐射。

共模电磁辐射随着频率的增高而减少,而差分模式电磁辐射则随着频率的增高而强化,直到其饱和点。这两种模式的电磁辐射如图8和9右图。    图8:共模电磁辐射。

    图9:差模电磁辐射。  如何处置EMI各不相同辐射源。

对于共模电磁辐射,当EMI来自外部电缆时(例如图8右图的情况),可以在电缆上加一个扼流圈。如果造成EMI的是内部传输线,则一般来说用端接阻抗的方式,不过在信号印制线间重新加入一条地线也有助增大电磁辐射。另一种有可能的方案是将信号的印制线长度减短至大于信号波长(或信号频率的倒数)的1/20。

例如,为了防止传输电磁辐射,500MHz的印制线应当较短于1.18英寸。  对于差分模式电磁辐射,所电磁辐射的能量是电流、环路面积和频率的函数。

增大电磁辐射的方法还包括:端接阻抗来减少源电流,用适合的电流地下通道来获取可以增大电路面积的电路,或者减少频率。  在计算出来弃耦电阻时,还不应考虑到动态电流。

高速电流有可能随时变化,这种瞬变也不会引发电磁辐射。此外,转变电容器的值时要避免自谐振容许频率范围。PCB分层是一个好方案,因为电源层对高频构成大自然的弃耦,而地层则获取最短的电路。

把高速信号隔绝一起,并使其靠近其他信号。如果有可能的话,不要把地层分隔。

尽管噪声和电磁辐射是由系统设计中的简单的多余功能引发的,但通过上述的一些非常简单方法还是可以掌控的。  本文小结  高速的DSP视频系统中有许多潜在的噪声和辐射源,它们可以妨碍系统的工作,或者使设计通不过FCC的证书。所幸的是,对噪声和电磁辐射的规划和掌控可以协助系统设计师将这些问题减半到大于。

早期的希望将节省大量的调试工作和后期的困难。PCB布局和电路弃耦是设计师可以容许系统噪声和EMI的两种常用技术。

不具备了这些技术,DSP视频设计师就能有效地解决问题系统的噪声和电磁辐射。


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