EMC設計在運載火箭多路信號測試處理系統中的應用

辛朝軍，姚靜波，解維奇

（裝備指揮技術學院航天裝備系，北京 101416）

EMC設計在運載火箭多路信號測試處理系統中的應用

辛朝軍，姚靜波，解維奇

（裝備指揮技術學院航天裝備系，北京 101416）

針對運載火箭發射場惡劣的電磁環境和航天發射任務對電子設備電磁兼容性的苛刻要求，充分運用各種EMC設計方法，設計了一種運載火箭多路信號測試處理系統。闡述了系統EMC設計的基本原理，重點介紹了系統設計初期從電源供電、信號隔離、PCB設計和濾波等方面所采取的EMC設計措施，對航天電子設備的設計具有一定的實用參考價值。

EMC；航天測試；設計

隨著電子技術的飛速發展和集成電路的廣泛應用，電子設備所處的電磁環境變得日益復雜，電路工作頻率的提高和電磁干擾現象的頻繁發生，使得電磁兼容設計的問題變得尤為重要。運載火箭及其測試系統的電子設備數量多、種類復雜，高功率的執行部件和高速的數字電路共存，整體設備所處的電磁環境非常惡劣。由于運載火箭測試發射的高可靠性要求，傳統的后期試驗考核為核心的電磁兼容設計模式亟需改變［1］，因此，在電子設備的設計初期，就將EMC設計考慮進去。

運載火箭多路信號測試處理系統以運載火箭控制系統被測信號為對象，針對其信號多樣性、復雜性和特殊性的特點，設計了一套集遠程控制、多路并行、實時測試于一體的信息采集處理與分析系統。由于系統在實際工作中所處的電磁環境復雜，因此，在設計過程中，需要從電路設計到軟件設計等各個階段，運用各種電磁兼容設計手段，保證系統具有較強的抗干擾能力。

1 EMC設計原理

電磁兼容（EMC，electromagnetic compatibility）是指電氣及電子設備在共同的電磁環境中能執行各自功能的共存狀態，要求在同一電磁環境中的上述各種設備都能正常工作又互不干擾，達到兼容狀態［2］。EMC的三要素是干擾源、耦合途徑和敏感設備。一般的EMC設計通常是從這三個要素出發，分別采取相應手段，減少電磁干擾對設備性能的影響。

電磁兼容性設計是一項復雜的系統工程，設計中要參照實際電磁環境提出具體要求，進而提出解決的技術措施。運載火箭測試設備所處的發射場，其電磁干擾來源復雜，其中包括各種對火箭進行跟蹤、外測、遙測及安全控制的設備，還有各種電臺、雷達、衛星通信站等。

基于計算機和自動化測試技術的測試系統，影響系統電磁兼容性的因素可表示為

其中：N（ω）為干擾對系統的影響；G（ω）為干擾的強度；C（ω）為干擾傳輸的耦合函數；I（ω）為受干擾系統的抗干擾能力，即敏感度閾值。從式（1）可以看出，提高系統抗干擾能力的主要途徑就是切斷干擾源、減小耦合、提高系統敏感度閾值。因此，在電子測試設備設計初期，需要綜合考慮上述因素，運用多種方法和措施對設備進行了EMC設計。

2 EMC設計

2．1 電源供電設計

設計中，為了防止電源輸入端的干擾信號竄入對系統產生影響，系統對電源供電部分進行了設計，該部分的主要作用有3個：機箱屏蔽、防雷電或高壓脈沖及電源濾波。

機箱屏蔽的措施主要是采用全封閉的金屬機箱，機箱將通過空間進行的電場、磁場或電磁場耦合的部分隔離開來，割斷其空間場的耦合通道［3］，并實現良好的接地。

系統供電電路設計如圖1所示。防雷電設計主要包括3部分，當雷電的高壓脈沖信號進入系統供電電路時，壓敏電阻RP1將會變為低阻，將高壓脈沖釋放掉，此時如果電路中仍然存在高壓脈沖干擾信號，電容CP2，CP3就會將其濾除，作為冗余補充，壓敏電阻RP2在敏感到高壓脈沖后，也會通過氣體放電管將其接地釋放。

圖1 電源供電電路

共模電感LP1，LP2主要起到電源濾波器的作用，考慮到濾波器的安裝方式對系統性能的影響，在安裝中采取了如下措施：1）濾波器輸入線遠離輸出線，避免兩端耦合導致濾波效果變差；2）電源輸入端口與濾波器緊密相連，并實現良好的接地和屏蔽，避免外界電磁干擾進入系統內部，同時也保證內部干擾不會傳出系統機箱。

2．2 信號隔離設計

對于運載火箭測試系統，其輸入信號大多是通過很長距離傳輸而來，由于其工作電磁環境的復雜性，信號輸入電纜難免會與其他線路產生電磁耦合而形成干擾，為了避免噪聲隨著信號一起傳輸進入測量設備內部，在設計時將每路信號的電源和輸入、輸出信號進行了電氣上的完全隔離［4］。

電源的隔離采用DC／DC電源模塊進行隔離，而測試信號的隔離則需要根據不同的信號類型設計相應的信號隔離電路。運載火箭控制系統涵蓋了脈沖信號、時序信號、模擬信號等多種類型，為了實現信號的隔離，筆者設計了兩種不同的信號隔離電路。

對于脈沖信號和時序信號，在每個信號的輸入、輸出通道中使用光耦合器TLP114A，如圖2所示，從而使脈沖信號和時序信號的輸入與系統的測量信號隔離，避免了電磁干擾對測試系統的影響，同時，該電路也實現了對輸入信號的電壓調理功能。

對于模擬信號，在電路設計中使用低功耗的隔離放大器ISO124作為隔離器件，將系統輸入信號與輸出信號相隔離，電路設計如圖3所示。

2．3 PCB設計

印刷電路板作為電子設備的基礎部件，在使用中同樣存在著EMC設計問題。在進行PCB設計時，系統PCB設計中著重從元器件布局和走線布局兩方面進行了EMC設計。

圖2 脈沖、時序信號隔離電路

圖3 模擬信號隔離電路

在進行元器件布局時，首要考慮的因素是將相互有關系的元器件靠近布局，以減少元器件之間的連線，從而降低輻射和干擾；其次，需要將工作頻率較高的器件靠近信號輸入端布局；再次，在每個芯片的電源與地之間跨接一個0．1μF的電容，起到去耦作用，以消除數字信號產生的脈沖干擾。此外，在PCB板的電源入口處，分別配以22μF低頻濾波電容和0．1μF高頻去耦電容。

布線是否合理對減少信號之間的交叉干擾尤其重要，為了降低芯片各管腳與走線之間的相互影響，系統在PCB板設計時均采用四層板進行布線，部分芯片密集的PCB板采用八層板進行布線，以盡量降低分布參數對信號的影響。PCB板中設置專門的電源層和地層，同時將兩個層布置在相鄰的位置，這種布局除了減少差模輻射外［5］，還可以起到另外兩個作用，一是降低了供電線路的特性阻抗，同時由于地線專門分層，相當于地線變粗，地線層中接地電位不會隨著電流的變化而變化，保證了設備中電平穩定，抗噪聲能力增強；二是由于電源層和地層放置在相鄰的層中，從而在整個電路板上產生一個大的PCB電容消除噪聲。

2．4 信號濾波設計

電磁干擾傳播的途徑可分為傳導和輻射兩種，濾波是一種濾除不同頻帶騷擾頻譜的重要方法，主要解決通過傳導途徑造成的干擾［6］。本系統主要是利用數字濾波技術對信號受到的干擾進行濾除，這樣可以在不增加設備的情況下方便靈活地對信號進行濾波。

在本系統中，需要對脈寬小于1 ms的偽信號進行濾波處理，為了節省計算機資源，設計中使用VHDL硬件編程語言對系統中的FPGA器件編程構建數字濾波器，數字濾波原理如圖4所示。

圖4 數字濾波原理圖

圖4中，5個D觸發器作為輸入緩沖使用，系統clk信號為周期0．2 ms的方波，因此，5個D觸發器可將1 ms內輸入的5個信號進行比較，當5個信號相同時，則將該信號視為有效信號輸出，當5個信號不相同時，表示在該1 ms中出現了周期小于要求的偽信號，該信號則不被輸出。信號的比較由一個5輸入的同或器件實現，在信號輸出端口處的D觸發器主要用于信號的鎖存。通過上述設計，可以使系統很好地實現干擾信號濾除功能，能有效提高系統的抗干擾能力。

3 結 語

電磁兼容性設計及其指標是衡量電子產品質量的重要標志，在電磁環境復雜的火箭發射場，電子測試設備的EMC特性更是關系到航天發射任務的成敗，因此，必須針對航天電子測試產品的特殊要求，在設計階段對其進行有效地環境保護及電磁兼容性設計，才能保證系統的高可靠性及抗惡劣環境能力。本文的設計已經在某型號火箭測試產品中得到實際應用，效果良好，可以為此類航天測試產品的設計提供良好的設計思路和借鑒。

［1］ 蔡遠文，王 華，彭明偉．測試發射技術及其在軍事航天中的應用與發展［J］．航天控制，2003（1）：59－63．

［2］ 朱 靜，尹 妍．電磁兼容設計在機動式指揮系統方艙中的應用［J］．電子機械工程，2010，26（2）：5－8．

［3］ 王宇翔．電子產品的電磁兼容性設計與實用經驗［J］．電子產品可靠性與環境試驗，2010，28（4）：52－55．

［4］ 孫 友．一種通用的信號調理板卡的設計［J］．航天控制，2006，24（1）：70－74．

［5］ 滕 旭，胡志昂．電子系統抗干擾實用技術［M］．北京：國防工業出版社，2004．

［6］ 高社生，張玲霞．可靠性理論與工程應用［M］．北京：國防工業出版社，2002．

TN911．7

A

1008－1542（2011）07－0076－03

2011－06－25；責任編輯：陳書欣

辛朝軍（1980－），男，陜西鳳翔人，講師，主要從事檢測技術與自動化裝置方面的研究。