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EMC信號完整性落地實(shí)測1---走出玄學(xué) 無(wú)論我們從51單片機，STM32電路，運放，傳感器，ADC采集還是可控硅晶閘管等等電源電路跨入到電子工程師的行業(yè)，我們通常會(huì )長(cháng)時(shí)間處于低頻的電子電路設計調試階段，通常我們處理的是幾百Hz或者幾K Hz的信號通路。偶爾會(huì )有RS232,RS485，IIC，SPI或者CAN總線(xiàn)之類(lèi)的通訊讓我們的PCB經(jīng)歷幾百K Hz的信號。這些其實(shí)涵蓋了大部分的電子應用場(chǎng)景，我們在這個(gè)階段更多的關(guān)注電路功能的實(shí)現，并沒(méi)有也不太需要考慮信號完整性或者EMC的問(wèn)題。 總有一天我們會(huì )在新的項目中發(fā)現我們遇到了一些瓶頸。有時(shí)候通訊會(huì )莫名其妙的通訊錯誤，有些PCB板子會(huì )莫名其妙的有很大的干擾，達到M級信號的板子按以前的布線(xiàn)習慣變得不再穩定可靠。這時(shí)，阻礙電子工程師進(jìn)階的EMC和信號完整性問(wèn)題擺在了我們面前。如果你遇到了類(lèi)似的問(wèn)題，那么恭喜，說(shuō)明你已經(jīng)到了另一個(gè)新臺階了。 EMC和信號完整性是獨立于電子電路功能設計的另一門(mén)學(xué)問(wèn)了，我們可以找到很多這方面的資料，大部分會(huì )告訴我們理論知識和經(jīng)驗準則。比如，在高速信號的情況下，電容電阻都不再單純的看做是電容和電阻了，甚至連路徑上的過(guò)孔也會(huì )有影響。PCB布線(xiàn)不再是布通就可以了，還需要考慮信號流動(dòng)的路徑；布線(xiàn)和布線(xiàn)之間的間距以及下方是否鋪地也要考慮了，甚至關(guān)鍵的信號布線(xiàn)長(cháng)度都需要考慮等等。這些對于射頻工程師來(lái)說(shuō)都是需要掌握的基本技巧，對于其他領(lǐng)域的廣大電子工程師來(lái)說(shuō)，這些就是高手和普通選手之間的進(jìn)階知識了。 對于大多數工程師來(lái)說(shuō)，EMC和信號完整性的一些經(jīng)驗法則，近乎玄學(xué)，我們知道要按照這條法則去做，但是并不直觀(guān)的知道這樣做和不這樣做差別多大，沒(méi)有直觀(guān)的感受。因為這些法則的總結是靠非常昂貴的專(zhuān)業(yè)設備，在不計成本的實(shí)驗中總結的，我們普通大眾電子工程師是沒(méi)有機會(huì )去做實(shí)驗感受和吸收的，只能被動(dòng)接受這樣的理論指導，完全沒(méi)有其他電子電路知識那樣的體驗。 我們通過(guò)LOTO虛擬示波器和它的EMC測試模塊，對一些重要的EMC和信號完整性經(jīng)驗法則進(jìn)行直觀(guān)的落地實(shí)測，方便大家直觀(guān)看到，這些法則的效果，打破玄學(xué)，加深理解。 我們動(dòng)手的第一條法則：信號發(fā)射出去的驅動(dòng)路徑和回流到地構成的返回路徑，圍繞出來(lái)的環(huán)路面積越小越好。環(huán)路面積越大，造成的噪聲耦合和EMI電磁干擾越嚴重。 如下圖所示： 
為了落地實(shí)測，我們簡(jiǎn)單做了一個(gè)實(shí)驗板，原理圖和PCB如下所示，有需要的同學(xué)可以直接跟我要源文件：
板子使用USB供電或者外接5V電源供電，一個(gè)電源開(kāi)關(guān)，放了4個(gè)3.3V的有源運放，分別是80M，48M,11M，3.68M。當然你可以放自己想要觀(guān)測的頻率的晶振。這些晶振通過(guò)跳線(xiàn)選擇一個(gè)晶振頻率輸出，沿著(zhù)A出發(fā)，經(jīng)過(guò)2號區域，到3號區域，然后經(jīng)過(guò)4號區域返回到5號區域。在PCB右側的跳線(xiàn)可以選擇這個(gè)晶振信號的負載電阻是多大，從1M到200歐可以選擇一個(gè)。這樣我們可以直觀(guān)看到，一個(gè)高速信號，頻率是跳線(xiàn)選擇的晶振頻率，在PCB上驅動(dòng)了一個(gè)跳線(xiàn)選擇的負載電阻，形成了PCB絲印上的A->C的環(huán)路。我們也可以在兩個(gè)跳線(xiàn)上通過(guò)跳線(xiàn)把沿著(zhù)信號布線(xiàn)下面的一條地線(xiàn)連接通，那么信號的環(huán)路變成了A->B，比原來(lái)的A->C小了環(huán)路面積小了很多。我們看下實(shí)物：
我們選擇48M晶振，然后使用負載100K,使用A->C環(huán)路，LOTO虛擬示波器OSCH02，以及E01模塊，我們實(shí)測1區域的EMC信號完整性的情況，搭建場(chǎng)景如下：
我們在測試板的1號區域，測得EMI的頻譜如下所示，可以看到有一個(gè)幅值非常大的48MHz的電磁輻射，幅值超過(guò)了0.15V:
我們可以以48M為中心頻率，查看細節：
我們保持其他不變，通過(guò)接地跳線(xiàn)把信號的地回路改為A->B，同樣在測試板的1號區域，測得EMI的頻譜如下所示，可以看到48MHz的電磁輻射明顯減小，幅值變?yōu)?.073V:
同理，我們測下3.68M晶振的也是類(lèi)似的情況，如下圖所示，規律也是環(huán)路面積大，EMI電磁干擾強度就大，不同的是，3.68M晶振的頻譜圖里會(huì )看到很多諧波分量，這是由于我們這個(gè)窗口的監測范圍是125M，在這個(gè)范圍內，可以顯示3.68M的多次諧波。晶振本身是近似方波的信號，所以會(huì )有很多次諧波，只是之前測的48M的多次諧波超出了窗口觀(guān)測范圍沒(méi)有看到而已。高次諧波并不是客觀(guān)存在的，他是FFT的數學(xué)表達，我們在觀(guān)測EMC的頻譜時(shí)要注意這一點(diǎn)。
我們很直觀(guān)的看到，同一個(gè)高頻信號，在PCB電路板上不同的路徑造成不同的環(huán)路面積的情況下，截然不同的EMI電磁干擾強度。我們不僅僅驗證信號完整性布線(xiàn)準則的最小環(huán)路面積要求，也可以用LOTO示波器+E01電磁兼容擴展檢測模塊來(lái)直接測試我們已有的電路板的電磁兼容EMC問(wèn)題。 |
