1 引言

　　自從20世紀(jì)80年代初期第一片數(shù)字信號(hào)處理器芯片（DSP）問世以來,，DSP就以數(shù)字器件特有的穩(wěn)定性、可重復(fù)性,、可大規(guī)模集成,、特別是可編程性和易于實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)處理等特點(diǎn)，給數(shù)字信號(hào)處理的發(fā)展帶來了巨大機(jī)遇,，應(yīng)用領(lǐng)域廣闊,。但由于DSP是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜、種類繁多并有許多分系統(tǒng)的數(shù),、?；旌舷到y(tǒng)，所以來自外部的電磁輻射以及內(nèi)部元器件之間,、分系統(tǒng)之間和各傳輸通道間的竄擾對(duì)DSP及其數(shù)據(jù)信息所產(chǎn)生的干擾,，己嚴(yán)重地威脅著其工作的穩(wěn)定性、可靠性和安全性[1],。據(jù)統(tǒng)計(jì),，干擾引起的DSP事故占其總事故的90%左右。同時(shí)DSP又不可避免地向外輻射電磁波,，對(duì)環(huán)境中的人體,、設(shè)備產(chǎn)生干擾、妨礙或損傷,。并且隨著DSP運(yùn)算速度的提高,，能夠?qū)崟r(shí)處理的信號(hào)帶寬也大大增加，它的研究重點(diǎn)也轉(zhuǎn)到了高速,、實(shí)時(shí)應(yīng)用方面,。但正是這樣，它的電磁兼容性問題也就越來越突出了,，本文在DSP的電磁兼容性問題方面進(jìn)行了一些探討,。

　　2 DSP硬件方面的電磁兼容性

　　電磁兼容性（EMC）包含系統(tǒng)的發(fā)射和敏感度兩方面的問題。假若干擾不能完全消除,，也要使干擾減少到最小,。如果一個(gè)DSP系統(tǒng)符合下面三個(gè)條件，則該系統(tǒng)是電磁兼容的,。(1) 對(duì)其它系統(tǒng)不產(chǎn)生干擾,；(2) 對(duì)其它系統(tǒng)的發(fā)射不敏感；(3) 對(duì)系統(tǒng)本身不產(chǎn)生干擾,。

　　2.1 DSP中的干擾主要來源

　　電磁干擾是通過導(dǎo)體或通過輻射產(chǎn)生的,，很多電磁發(fā)射源,，如光照、繼電器,、DC電機(jī)和日光燈都可引起干擾,。AC電源線、互連電纜,、金屬電纜和子系統(tǒng)的內(nèi)部電路也都可能產(chǎn)生輻射或接收到不希望的信號(hào),。在高速數(shù)字電路中，時(shí)鐘電路通常是寬帶噪聲的最大產(chǎn)生源,。在快速DSP系統(tǒng)中,，這些電路可產(chǎn)生高達(dá)300MHz的諧波失真信號(hào)，在系統(tǒng)中應(yīng)該把它們除掉,。在數(shù)字電路中,，最容易受影響的是復(fù)位線、中斷線和控制線,。

　　2.2 DSP中的傳導(dǎo)性干擾

　　一種最明顯能引起電路噪聲的傳播路徑是經(jīng)過導(dǎo)體,。一條穿過噪聲環(huán)境的導(dǎo)線可撿拾噪聲，并把噪聲送到另外電路而引起干擾,。設(shè)計(jì)人員必須避免導(dǎo)線撿拾噪聲,，如噪聲通過電源線進(jìn)入電路后，若電源本身或連接到電源的其它電路是干擾源,，則在電源線進(jìn)入電路之前必須對(duì)其去耦,。

　　2.3 DSP中的共阻抗耦合問題

　　當(dāng)來自兩個(gè)不同電路的電流流經(jīng)一個(gè)公共阻抗時(shí)就會(huì)產(chǎn)生共阻抗耦合。阻抗上的壓降由兩個(gè)電路決定,。來自兩個(gè)電路的地電流流經(jīng)共地阻抗,，電路 1的地電位被地電流2調(diào)制，噪聲信號(hào)或DC補(bǔ)償經(jīng)共地阻抗從電路2耦合到電路1,。

　　2.4 DSP中的輻射耦合問題

　　經(jīng)輻射產(chǎn)生的耦合通稱串?dāng)_,。串?dāng)_是由電流流經(jīng)導(dǎo)體時(shí)產(chǎn)生的電磁場(chǎng)引起的，電磁場(chǎng)會(huì)在鄰近的導(dǎo)體中感應(yīng)出瞬態(tài)電流,。

　　2.5 DSP中的輻射現(xiàn)象

　　輻射有兩種基本類型：差分（DM）和共模（CM）兩種模式,。共模輻射或單極天線輻射是由無意的壓降引起的，它使電路中所有的地連接抬高到系統(tǒng)地電位之上,。就電場(chǎng)大小而言,，CM輻射是比DM輻射更為嚴(yán)重的問題。為使CM輻射最小,，必須用切合實(shí)際的設(shè)計(jì)使共模電流降到零,。

　　2.6 影響EMC的因數(shù)

　?。?）電壓：電源電壓越高,，意味著電壓振幅越大而發(fā)射就更多,，而低電源電壓影響敏感度。

　?。?）頻率：高頻信號(hào)與周期性信號(hào)會(huì)產(chǎn)生更多的輻射,。在高頻數(shù)字系統(tǒng)中，當(dāng)器件處于開關(guān)狀態(tài)時(shí)將產(chǎn)生電流尖峰信號(hào),；在模擬系統(tǒng)中,，當(dāng)負(fù)載電流變化時(shí)也將產(chǎn)生電流尖峰信號(hào)。

　?。?）接地：在電路設(shè)計(jì)中,，沒有比采用可靠和完美的地線連接方式更重要的事情了，在所有EMC問題中,，大部分問題是由不適當(dāng)?shù)慕拥匾鸬?。有單點(diǎn)、多點(diǎn)和混合三種信號(hào)接地方法,。在頻率低于1MHz時(shí)可采用單點(diǎn)接地方法,；在高頻應(yīng)用中，最好采用多點(diǎn)接地,；混合接地是低頻用單點(diǎn)接地和高頻用多點(diǎn)接地方法的結(jié)合,。但高頻數(shù)字電路和低電平模擬電路的地回路絕對(duì)不能混合。

　?。?）PCB設(shè)計(jì)：適當(dāng)?shù)挠∷㈦娐钒澹≒CB）布線對(duì)防止電磁干擾至關(guān)重要,。

　　（5）電源去耦：當(dāng)器件開關(guān)時(shí),，在電源線上會(huì)產(chǎn)生瞬態(tài)電流,，必須衰減和濾掉這些瞬態(tài)電流，來自高di /dt源的瞬態(tài)電流導(dǎo)致地和線跡“發(fā)射”電壓,。高d i/dt產(chǎn)生大范圍高頻電流,，激勵(lì)部件和纜線輻射，流經(jīng)導(dǎo)線的電流變化和電感會(huì)導(dǎo)致壓降,，減小電感或電流隨時(shí)間的變化可使該壓降最小,。

　　2.7 DSP的硬件降噪技術(shù)

　　2.7.1 板結(jié)構(gòu)、線路安排方面的降噪技術(shù)

　?。?）采用地和電源平板,；（2）平板面積要大，以便為電源去耦提供低阻抗,；（3）使表面導(dǎo)體最少,；（4）采用窄線條（4到8密耳）以增加高頻阻尼和降低電容耦合；（5）分開數(shù)字,、模擬,、接收器,、發(fā)送器地/電源線；（6）根據(jù)頻率和類型分隔PCB上的電路,；（7）不要切痕PCB,，切痕附近的線跡可能導(dǎo)致不希望的環(huán)路；（8）采用疊層結(jié)構(gòu)是對(duì)大多數(shù)信號(hào)整體性問題和EMC問題的最好防范措施,，它能夠做到對(duì)阻抗的有效控制,，其內(nèi)部的走線可形成易懂和可預(yù)測(cè)的傳輸線結(jié)構(gòu)。且要密封電源和地板層之間的線跡,；（9）保持相鄰激勵(lì)線跡之間的間距大于線跡的寬度以使串?dāng)_最?。唬?0）時(shí)鐘信號(hào)環(huán)路面積應(yīng)盡量??；（11）高速線路和時(shí)鐘信號(hào)線要短且要直接連接；（12）敏感的線跡不要與傳輸高電流快速開關(guān)轉(zhuǎn)換信號(hào)的線跡并行,；（13）不要有浮空數(shù)字輸入,，以防止不必要的開關(guān)轉(zhuǎn)換和噪聲產(chǎn)生；（14）避免在晶振和其它固有噪聲電路下面有供電線跡,；（15）相應(yīng)的電源,、地、信號(hào)和回路線跡要平行布景,，以消除噪聲,；（16）使時(shí)鐘線、總線和片使能端與輸入/輸出線和連接器分隔開來,；（17）使路線時(shí)鐘信號(hào)與I/O信號(hào)處于正交位置,；（18）為使串?dāng)_最小，線跡用直角交叉和散置地線,；（19）保護(hù)關(guān)鍵線跡（用4密耳到8密耳線跡以使電感最小,，路線緊靠地板層，板層之間夾層結(jié)構(gòu),，保護(hù)夾層的每一邊都有地）,。

　　2.7.2 采用濾波技術(shù)降噪方法

　　（1）對(duì)電源線和所有進(jìn)入PCB的信號(hào)進(jìn)行濾波,，在IC的每一個(gè)點(diǎn)引腳處用高頻低電感陶瓷電容（14MHz用0.1 mF,，超過15MHz用0.01mF）進(jìn)行去耦；（2）旁路模擬電路的所有電源供電和基準(zhǔn)電壓引腳,；（3）旁路快速開關(guān)器件,；（4）在器件引線處對(duì)電源/地去耦；（5）用多級(jí)濾波來衰減多頻段電源噪聲；（6）把晶振安裝嵌入到板上并且接地,；（7）在適當(dāng)?shù)牡胤郊悠帘?；?）安排鄰近地線緊靠信號(hào)線，以便更有效地阻止出現(xiàn)新的電場(chǎng),；（9）把去耦線驅(qū)動(dòng)器和接收器適當(dāng)?shù)胤胖迷诰o靠實(shí)際的I/O接口處，這可降低PCB與其它電路的耦合,，并使輻射和敏感度降低,；（10）對(duì)有干擾的引線進(jìn)行屏蔽和絞在一起，以消除PCB上的相互耦合,；（11）在感性負(fù)載上加箝位二極管,。

　　3 DSP軟件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采取的措施

　　軟件方面的干擾主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）不正確的算法產(chǎn)生錯(cuò)誤的結(jié)果，最主要的原因是由于計(jì)算機(jī)處理器中的程序指數(shù)運(yùn)算是近似計(jì)算,，產(chǎn)生的結(jié)果有時(shí)有較大的誤差,，容易產(chǎn)生誤動(dòng)作；（2）由于計(jì)算機(jī)的精度不高,，而加減法運(yùn)算時(shí)要對(duì)階,，大數(shù)“吃掉”了小數(shù) ，產(chǎn)生了誤差積累,，導(dǎo)致下溢的出現(xiàn),，也是噪聲的來源之一；（3）由于硬件方面的干擾引起的計(jì)算機(jī)出現(xiàn)的諸如：程序計(jì)數(shù)器PC值變化,、數(shù)據(jù)采集誤差增大,、控制狀態(tài)失靈、RAM數(shù)據(jù)受干擾發(fā)生變化以及系統(tǒng)出現(xiàn)“死鎖”等現(xiàn)象,。

　　3.1 采用攔截失控程序的方法

　?。?）在程序設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)多采用單字節(jié)指令，并在關(guān)鍵處插入一些空操作指令,，或?qū)⒂行巫止?jié)指令重復(fù)幾次,，這樣可保護(hù)其后的指令不被拆散，使程序運(yùn)行走上正軌,；（2）加入軟件陷阱：當(dāng)PC值失控使程序失控后,，CPU進(jìn)入非程序區(qū)，這時(shí)可用一條引導(dǎo)指令,，強(qiáng)迫程序進(jìn)入初始入口狀態(tài),，進(jìn)入程序區(qū)，可每隔一段設(shè)置一個(gè)陷阱,；（3）軟件復(fù)位：當(dāng)程序“走飛”時(shí),，運(yùn)行監(jiān)視系統(tǒng)，使系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位而重新初始化,。

　　3.2 設(shè)立標(biāo)志判斷

　　定義某單元為標(biāo)志,，在模塊主程序中把該單元的值設(shè)為某個(gè)特征值,，然后在主程序的最后判斷該單元的值是否不變，若不同了則說明有誤,，程序就轉(zhuǎn)入錯(cuò)誤處理子程序,。

　　3.3 增加數(shù)據(jù)安全備份

　　重要的數(shù)據(jù)用兩個(gè)以上的存儲(chǔ)區(qū)存放，還可以用大容量的外部RAM,，將數(shù)據(jù)作備份,。永久性數(shù)據(jù)制成表格固化在EPROM中，這樣既能防止數(shù)據(jù)和表格遭破壞,，又能保證程序邏輯混亂時(shí)不將數(shù)據(jù)當(dāng)指令去運(yùn)行,。

　　4 利用EDA工具設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的幾個(gè)關(guān)鍵因素

　　高速數(shù)字電路的設(shè)計(jì)一方面需要設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)，另一方面需要優(yōu)秀的EDA工具的支持,，EDA軟件己走向了多功能,、智能化。隨著球柵陣列封裝的高密度單芯片,、高密度連接器,、微孔內(nèi)建技術(shù)以及3D板在印刷電路板設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，布局和布線已越來越一體化了,，并成為了設(shè)計(jì)過程的重要組成部分,。自動(dòng)布局和自由角度布線等軟件技術(shù)已漸漸成為解決這類高度一體化問題的重要方法，利用此類軟件能在規(guī)定時(shí)間范圍內(nèi)設(shè)計(jì)出可制造的電路板,。在目前,，由于產(chǎn)品上市時(shí)間越來越短，手動(dòng)布線極為耗時(shí),，己不能適應(yīng)要求,。因此，現(xiàn)在要求布局布線工具具有自動(dòng)布線功能,，以快速響應(yīng)市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)提出的更高要求,。

　　4.1 自動(dòng)布線技術(shù)

　　由于要考慮電磁兼容(EMC)及電磁干擾、串?dāng)_,、信號(hào)延遲和差分對(duì)布線等高密度設(shè)計(jì)因素,，布局布線的約束條件每年都在增加。在幾年前,，一般的電路板僅需6個(gè)差分對(duì)來進(jìn)行布線,，而現(xiàn)在則需600對(duì)。在一定時(shí)間內(nèi)僅依賴手動(dòng)布線來實(shí)現(xiàn)這600對(duì)布線是不可能的,，因此自動(dòng)布線工具是必不可少的,。盡管與幾年前相比，當(dāng)今設(shè)計(jì)中的節(jié)點(diǎn)(net)數(shù)目沒有大的改變，只是硅片復(fù)雜性有所增加,，但是設(shè)計(jì)中重要節(jié)點(diǎn)的比例大大增加了,。當(dāng)然，對(duì)于某些特別重要的節(jié)點(diǎn),，要求布局布線工具能夠加以區(qū)分,，但無需對(duì)每個(gè)管腳或節(jié)點(diǎn)都加以限制。

　　4.2 采用自由角度布線技術(shù)應(yīng)注意的方法

　　隨著單片器件上集成功能的增加,，其輸出管腳數(shù)目也大大增加了,，但其封裝尺寸并沒隨之?dāng)U大，再加上管腳間距和阻抗因素的限制,，這類器件必須采用更細(xì)的線寬。同時(shí),，由于產(chǎn)品尺寸的總體減小,，意味著用于布局布線的空間也大大減小了。在某些DSP產(chǎn)品中,，底板的大小與其上的器件大小相差無幾,，元器件占據(jù)的板面積高達(dá)80%。某些高密度元器件管腳交錯(cuò),，即使采用具45°布線功能的工具也無法進(jìn)行自動(dòng)布線,。而自由角度布線工具具有大的靈活性，能最大限度地提高布線密度,；它的拉緊(pull-tight)功能使每個(gè)節(jié)點(diǎn)在布線后自動(dòng)縮短,，以適應(yīng)空間要求；它能大大降低信號(hào)延遲,，同時(shí)降低平行路徑數(shù),，有助于避免串?dāng)_的產(chǎn)生。利用自由角度布線技術(shù)能使設(shè)計(jì)具有可制造性,，并且設(shè)計(jì)的電路性能良好,。

　　4.3 對(duì)高密度器件應(yīng)采用的技術(shù)

　　最新的高密度系統(tǒng)級(jí)芯片采用BGA或COB封裝，管腳間距日益減小,，球間距已低至1mm,，并且還會(huì)繼續(xù)降低。這樣就導(dǎo)致封裝件信號(hào)線不可能采用傳統(tǒng)布線工具來引出,。目前有兩種方法可解決這個(gè)問題：（1）通過球下面的孔,，將信號(hào)線從下層引出；（2）采用極細(xì)布線和自由角度布線,，在球柵陣列中找出一條引線通道,。對(duì)高密度器件而言，采用寬度和空間極小的布線方式是唯一可行的方法，因?yàn)橹挥羞@樣,，才能保證較高的成品率?，F(xiàn)代的布線技術(shù)也要求能自動(dòng)地應(yīng)用這些約束條件。自由布線方法可減少布線層數(shù),，降低產(chǎn)品成本,。同時(shí)也意味著在成本不變的情況下，可以增加一些接地層和電源層來提高信號(hào)的完整性和EMC性能,。

　　4.4 采用其它新的電路板設(shè)計(jì),、制作技術(shù)

　　微孔等離子蝕刻技術(shù)在DSP中的多層板工藝制作中的應(yīng)用，大大提高了布局,、布線工具的性能,。應(yīng)用等離子蝕刻法在路徑寬度內(nèi)添加一個(gè)新孔，不會(huì)導(dǎo)致底板本身及制造成本的增加,，因?yàn)?，采用等離子蝕刻法制作一千個(gè)孔的成本與制作一個(gè)孔的成本一樣低廉。這就要求布線工具具有更大的靈活性,，它必須能夠應(yīng)用不同的約束條件,，適應(yīng)不同的微孔和構(gòu)建技術(shù)的要求。元器件密度的不斷增加也對(duì)布局設(shè)計(jì)產(chǎn)生了影響,，布局布線工具總是假設(shè)板上有足夠的空間讓元器件釋放機(jī)來釋放表面,，以便安裝新的元器件，且不會(huì)對(duì)板上已有元器件產(chǎn)生影響,。但是元器件順序放置會(huì)產(chǎn)生這樣一個(gè)問題,，即每當(dāng)放置一個(gè)新的元器件后，板上每個(gè)元器件的最佳位置都會(huì)發(fā)生改變,。這就是布局設(shè)計(jì)過程的自動(dòng)化程度低而人工干預(yù)程度高的原因,。盡管目前的布局工具對(duì)依次布局的元器件數(shù)沒什么限制，但是某些技術(shù)人員認(rèn)為布局工具用于依次布局時(shí)實(shí)際上是受到限制的,，這個(gè)限制大約為500個(gè)元器件,。還有一些技術(shù)人員認(rèn)為當(dāng)在一個(gè)板上放置的元器件多達(dá) 4000個(gè)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的問題,。同順序算法技術(shù)相比,，并行布局技術(shù)能實(shí)現(xiàn)更好的自動(dòng)布局效果。

　　4.5 三維布局工具

　　3D工具主要用于目前應(yīng)用日益廣泛的異形和定形板的布局,、布線工作,。如 Zuken的Freedom最新工具，它先采用三維底板模型來進(jìn)行元件的空間布局,，再進(jìn)行二維布線,。布線過程還能告知該板是否具備可制造性,。布線工具還必須能處理在兩個(gè)不同層上采用陰影差分對(duì)的設(shè)計(jì)方法，因?yàn)檫@種設(shè)計(jì)方法己變得日益重要了,。隨著信號(hào)頻率的繼續(xù)提高,，目前己出現(xiàn)了將布局、布線工具同用于虛擬原型的高級(jí)仿真工具集成起來的工具,，如Zuken的 Hot Stage工具,。所以即使在虛擬原型階段也能對(duì)布線問題進(jìn)行考慮。我們相信,，自由角度布線,、自動(dòng)布局和3D布局等新型軟件技術(shù)也會(huì)同自動(dòng)布線技術(shù)一樣成為底板設(shè)計(jì)人員的常用設(shè)計(jì)工具，設(shè)計(jì)人員可用這些新工具來解決微孔和單片高密度集成系統(tǒng)中的電磁兼容等新型技術(shù)問題,。

　　5 結(jié)束語

　　電磁兼容技術(shù)涉及的頻率范圍寬達(dá)0～400GHz,，研究對(duì)象除傳統(tǒng)設(shè)施外，涉及從芯片級(jí),，到各型艦船,、航天飛機(jī)、洲際導(dǎo)彈,，甚至整個(gè)地球的電磁環(huán)境,。電磁兼容技術(shù)也是DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)所要考慮的重要問題,，應(yīng)采用適當(dāng)?shù)慕翟爰夹g(shù)使DSP系統(tǒng)符合EMC標(biāo)準(zhǔn),，它的電磁兼容性是作為重點(diǎn)研究并且有鮮明特點(diǎn)的領(lǐng)域。許多國(guó)家不僅各自加強(qiáng)這方面的研究,，還成立了國(guó)際性的機(jī)構(gòu),，以便交流和統(tǒng)一規(guī)范。我國(guó)已加入WTO,，如果電磁兼容指標(biāo)達(dá)不到國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的要求,，生產(chǎn)的產(chǎn)品就沒有競(jìng)爭(zhēng)力，不能打入國(guó)際市場(chǎng),，在國(guó)內(nèi)也沒有銷路,。因此，在己進(jìn)入了21世紀(jì)的今天,，解決好電氣,、電子產(chǎn)品（包括DSP系統(tǒng)）的電磁兼容問題，有效地提高產(chǎn)品質(zhì)量,，使其成為“綠色產(chǎn)品”,，已刻不容緩。