基于電磁兼容的電子技術(shù)仿真實驗

劉杰

摘要：“電子技術(shù)”是電子類專業(yè)的基礎(chǔ)課程，是設(shè)計制造各種現(xiàn)代智能設(shè)備的基石。傳統(tǒng)電子技術(shù)課程教學中，大多認為元器件具有理想特性，使用集總參數(shù)的方法進行分析。這在低頻電路中不會產(chǎn)生問題，但隨著現(xiàn)代電子設(shè)備信息傳輸速率不斷提高、使用頻段日益加寬，元件非理想特性所帶來的電磁兼容問題已逐漸不可忽略。在繁雜的電磁環(huán)境下，如何保證產(chǎn)品的高可靠性，電磁兼容性能是關(guān)鍵。為更好地實現(xiàn)產(chǎn)教協(xié)同，本文對如何將現(xiàn)代電磁兼容技術(shù)融入傳統(tǒng)電子技術(shù)課程教學進行了初步探索，構(gòu)建了一套基于電磁兼容知識的仿真實驗，力求使學生在學習模擬器件功能的同時，也能夠了解掌握電磁兼容設(shè)計的基礎(chǔ)知識，培養(yǎng)學生把電磁兼容問題解決在設(shè)計定型之前的意識與能力，從而滿足現(xiàn)代電子行業(yè)對應用型人才的需求。本文基于電磁兼容的電子技術(shù)仿真實驗進行探討。

關(guān)鍵詞：電磁兼容;電子技術(shù);仿真實驗

1電磁兼容仿真實驗系統(tǒng)構(gòu)建

1.1元件非理想行為模塊

傳統(tǒng)電子技術(shù)課程中，電阻、電感、電容等通常被當作理想器件，但在實際電路中，由于制作工藝的限制，元件都存在寄生參數(shù)。當信號頻率超過一定值時，寄生效應會使元件特性偏離理想狀態(tài)：一方面元件在電路中的拓撲結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化;另一方面元件的阻抗等參數(shù)也會發(fā)生顯著改變，由此可能導致電路性能降低，甚至失效。例如，考慮圖1（a）所示的RC低通濾波電路，取電阻R的值為22Ω，電容C的值為1μF。圖1（b）為將元件視為理想狀態(tài)進行仿真和實際測量得到的輸出電壓隨頻率的變化曲線。可以看到，由于受電阻、電解電容寄生參數(shù)的影響，當頻率升高時，電路實際的濾波性能會下降。

圖2為包含寄生參數(shù)的元件阻抗交流仿真實驗。該實驗使用一個幅度為1A的交流恒流源構(gòu)造阻抗測量電路，通過阻抗隨頻率的變化反映元件的非理想特性。通過改變圖2（a）中的等效串聯(lián)電阻（ESR）、等效串聯(lián)電感（ESL）及等效并聯(lián)電容（EPC）等參數(shù)，學生可以對實際電路元件的特性進行仿真預測。圖2（b）顯示了對理想電容、電感以及同等容量的實際去耦電容器、電感線圈仿真的結(jié)果。在理想電容和電感中，ESR、ESL及EPC均為零。可以看到，當信號頻率超過實際元件的自諧振頻率后，元件阻抗將發(fā)生很大變化。以電容為例，高頻時寄生的感抗將成為阻抗的主要部分，其性能將更加接近電感，無法為信號提供本來的低阻路徑，從而可能導致電路的性能與預期不符。將添加了ESR、ESL的實際電容模型替換到RC濾波電路中重新進行仿真，結(jié)果如圖3所示，此時仿真計算值與實測值較圖1更加吻合。通過本模塊的實驗，學生能夠?qū)嶋H電路元件的非理想性能建立更加直觀的認識。在根據(jù)元件的理想特性進行電路設(shè)計時，還要根據(jù)信號頻率對其非理想行為進行修正，以確保電路功能達到預期設(shè)計目標。

1.2傳輸線與信號完整性模塊

在1.1節(jié)的模塊中，假定實驗電路在面包板上完成，元件之間通過理想導線進行連接，導線輸入端的電壓電流與輸出端幾乎相同。然而，在時鐘和數(shù)據(jù)速率不斷提高的今天，電路中互連的導線將大大影響信號的傳輸。所謂的信號完整性就是要保證傳輸線入端與出端的信號波形近似相同。在本模塊中，學生將學習PCB板中傳輸線的延時與反射對信號完整性的影響。

實驗中學生可以調(diào)節(jié)傳輸線的長度、輸入方波信號的上升時間（Tr）以及輸入端接電阻（R1）的大小。通過這些參數(shù)的改變，學生觀察20MHz、1V的方波輸入信號在輸出端的變化，從而驗證傳輸線理論中的相關(guān)知識。在仿真時，傳輸線的物理長度用與電長度相關(guān)的參考頻率F表示，如式（1）所示，c為光速，L為傳輸線物理長度，Td表示由傳輸線引起的信號時延。

信號上升和下降沿變化對輸出信號的影響。為更清楚地觀察結(jié)果，對輸入信號分別添加了1V、0V及–1V的直流偏置。由圖4（b）可見，短傳輸線（線長時延小于信號上升沿的20%，對應圖中的1250MHz）不會帶來嚴重的信號完整性問題。圖4（c）則顯示了傳輸線長度一定時（實驗中f=625MHz），更短的上升時間（通常意味著更高的帶寬）會帶來更嚴重的振鈴噪聲問題。

1.3傳導噪聲抑制模塊

通過1.1節(jié)和1.2節(jié)兩個模塊的實驗，學生對電子電路中電磁兼容問題的起因及表現(xiàn)應建立了初步的認識。在實際設(shè)計中，有時受到成本、產(chǎn)品體積等因素的影響，無法通過PCB布線等方式規(guī)避所有的電磁兼容問題。因此，本模塊的主要內(nèi)容為用于抑制電路中傳導電磁干擾、提高電子設(shè)備傳導抗擾度的濾波器設(shè)計仿真。模塊首先針對傳統(tǒng)定K型低通濾波器的設(shè)計編制了仿真實驗。其次，基于歸一化巴特沃斯型濾波器的數(shù)據(jù)，設(shè)計了不同階數(shù)、不同拓撲結(jié)構(gòu)的EMI濾波器仿真實驗。教師給定截止頻率、目標頻率及期望損耗，要求學生設(shè)計出能夠滿足要求的EMI濾波器，并對濾波器的性能進行仿真驗證。最后，貫徹緊密聯(lián)系行業(yè)實際應用的理念，將業(yè)內(nèi)主流元件產(chǎn)品的EDA模型引入仿真實驗系統(tǒng)。學生使用這些真實元件搭建電路，可以方便地觀察學習實際電路與理想電路的差別，在虛擬仿真中增強實戰(zhàn)經(jīng)驗。例如，在使用電容器進行抑噪時，如果電容不足或者目標插入損耗由于高ESL和ESR難以實現(xiàn)，可能需要并聯(lián)多個電容器。圖5顯示了并聯(lián)電容抑噪仿真實驗。Vout1為使用1nF和1μF的理想電容進行仿真時的輸出;Vout2為使用村田公司（muRata）同等電容量的電容模型進行仿真時的輸出，產(chǎn)品型號分別為GRM033R61E102KA01（1nF）和GRM033R60J105MEA2（1μF）。

由圖5（b）可看到，由于兩個實際電容器存在不同的自諧振頻率，在其中一個的感性阻抗區(qū)和另一個的容性阻抗區(qū)會產(chǎn)生并聯(lián)反諧振，造成該區(qū)域插入損耗變小、電壓增大。這會在更高頻位置帶來潛在的輻射噪聲問題，可能導致電路無法通過EMC測試。如果使用理想元件，由于未計入ESR和ESL效應，則不會產(chǎn)生這樣的現(xiàn)象。通過本模塊的實驗，學生能夠?qū)κ褂脼V波器抑制傳導噪聲建立更直觀、深刻的認識。同時，本模塊建立的實際產(chǎn)品元件庫也可作為學生今后專業(yè)學習的一個工具，在設(shè)計過程中對電路性能實現(xiàn)更加精準的預測。

2電磁兼容仿真實驗系統(tǒng)應用

目前電子類相關(guān)專業(yè)的教學中，涉及電磁兼容相關(guān)理論的課程大部分開設(shè)在高年級，且多以項目實踐、畢業(yè)設(shè)計等形式開展。作為一門迅速發(fā)展的交叉學科，電磁兼容涉及的基礎(chǔ)學科廣，又與工程實際聯(lián)系緊密，理論性和實踐性均較強。高年級的教學要取得較好的效果，需要在低年級基礎(chǔ)課程中滲透培養(yǎng)學生電磁兼容的意識，使其在進行電路設(shè)計時能夠?qū)⒁种齐姶旁肼暦诺脚c實現(xiàn)功能同等重要的地位來考慮。在教學應用中，本套仿真實驗系統(tǒng)可作為電子技術(shù)類課程實踐教學的一部分，在傳統(tǒng)集總參數(shù)理論講授完成后開展。在學生充分掌握理想元件相關(guān)知識后，引入實際電路與理想情況的區(qū)別。若條件允許，教師還可依據(jù)仿真項目配合搭建若干實際電路，在學生完成仿真后對結(jié)果進行一致性驗證，從而激發(fā)學生進行后續(xù)實驗的興趣。此外，在開設(shè)有小學期的院校，也可利用本套實驗開設(shè)專門的小學期實踐課程，銜接于電子技術(shù)課程所在的長學期之后，以達到更好的教學效果。

結(jié)束語

本文設(shè)計的仿真實驗通過引入真實產(chǎn)品元件模型貼近了實際，提升了仿真實驗結(jié)果的準確性，解決了傳統(tǒng)仿真過于理想化的問題。今后將在仿真實驗操作界面、項目內(nèi)容與數(shù)量等方面深入研究，一方面提升系統(tǒng)的易用性，另一方面將仿真實驗與先修、后續(xù)課程內(nèi)容更緊密結(jié)合，形成統(tǒng)一的教學體系，更好地服務于應用型人才培養(yǎng)。

參考文獻

[1]楊威，耿健.電子模擬仿真實驗室的研究與開發(fā)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2018，41（11）：105–109.

[2]仲文君.模擬電子技術(shù)虛擬實驗設(shè)計及應用研究[J].自動化應用，2018（3）：76–78.