EMC设计在运载火箭多路信号测试处理系统中的应用

辛朝军，姚静波，解维奇

（装备指挥技术学院航天装备系，北京 101416）

EMC设计在运载火箭多路信号测试处理系统中的应用

辛朝军，姚静波，解维奇

（装备指挥技术学院航天装备系，北京 101416）

针对运载火箭发射场恶劣的电磁环境和航天发射任务对电子设备电磁兼容性的苛刻要求，充分运用各种EMC设计方法，设计了一种运载火箭多路信号测试处理系统。阐述了系统EMC设计的基本原理，重点介绍了系统设计初期从电源供电、信号隔离、PCB设计和滤波等方面所采取的EMC设计措施，对航天电子设备的设计具有一定的实用参考价值。

EMC；航天测试；设计

随着电子技术的飞速发展和集成电路的广泛应用，电子设备所处的电磁环境变得日益复杂，电路工作频率的提高和电磁干扰现象的频繁发生，使得电磁兼容设计的问题变得尤为重要。运载火箭及其测试系统的电子设备数量多、种类复杂，高功率的执行部件和高速的数字电路共存，整体设备所处的电磁环境非常恶劣。由于运载火箭测试发射的高可靠性要求，传统的后期试验考核为核心的电磁兼容设计模式亟需改变［1］，因此，在电子设备的设计初期，就将EMC设计考虑进去。

运载火箭多路信号测试处理系统以运载火箭控制系统被测信号为对象，针对其信号多样性、复杂性和特殊性的特点，设计了一套集远程控制、多路并行、实时测试于一体的信息采集处理与分析系统。由于系统在实际工作中所处的电磁环境复杂，因此，在设计过程中，需要从电路设计到软件设计等各个阶段，运用各种电磁兼容设计手段，保证系统具有较强的抗干扰能力。

1 EMC设计原理

电磁兼容（EMC，electromagnetic compatibility）是指电气及电子设备在共同的电磁环境中能执行各自功能的共存状态，要求在同一电磁环境中的上述各种设备都能正常工作又互不干扰，达到兼容状态［2］。EMC的三要素是干扰源、耦合途径和敏感设备。一般的EMC设计通常是从这三个要素出发，分别采取相应手段，减少电磁干扰对设备性能的影响。

电磁兼容性设计是一项复杂的系统工程，设计中要参照实际电磁环境提出具体要求，进而提出解决的技术措施。运载火箭测试设备所处的发射场，其电磁干扰来源复杂，其中包括各种对火箭进行跟踪、外测、遥测及安全控制的设备，还有各种电台、雷达、卫星通信站等。

基于计算机和自动化测试技术的测试系统，影响系统电磁兼容性的因素可表示为

其中：N（ω）为干扰对系统的影响；G（ω）为干扰的强度；C（ω）为干扰传输的耦合函数；I（ω）为受干扰系统的抗干扰能力，即敏感度阈值。从式（1）可以看出，提高系统抗干扰能力的主要途径就是切断干扰源、减小耦合、提高系统敏感度阈值。因此，在电子测试设备设计初期，需要综合考虑上述因素，运用多种方法和措施对设备进行了EMC设计。

2 EMC设计

2．1 电源供电设计

设计中，为了防止电源输入端的干扰信号窜入对系统产生影响，系统对电源供电部分进行了设计，该部分的主要作用有3个：机箱屏蔽、防雷电或高压脉冲及电源滤波。

机箱屏蔽的措施主要是采用全封闭的金属机箱，机箱将通过空间进行的电场、磁场或电磁场耦合的部分隔离开来，割断其空间场的耦合通道［3］，并实现良好的接地。

系统供电电路设计如图1所示。防雷电设计主要包括3部分，当雷电的高压脉冲信号进入系统供电电路时，压敏电阻RP1将会变为低阻，将高压脉冲释放掉，此时如果电路中仍然存在高压脉冲干扰信号，电容CP2，CP3就会将其滤除，作为冗余补充，压敏电阻RP2在敏感到高压脉冲后，也会通过气体放电管将其接地释放。

图1 电源供电电路

共模电感LP1，LP2主要起到电源滤波器的作用，考虑到滤波器的安装方式对系统性能的影响，在安装中采取了如下措施：1）滤波器输入线远离输出线，避免两端耦合导致滤波效果变差；2）电源输入端口与滤波器紧密相连，并实现良好的接地和屏蔽，避免外界电磁干扰进入系统内部，同时也保证内部干扰不会传出系统机箱。

2．2 信号隔离设计

对于运载火箭测试系统，其输入信号大多是通过很长距离传输而来，由于其工作电磁环境的复杂性，信号输入电缆难免会与其他线路产生电磁耦合而形成干扰，为了避免噪声随着信号一起传输进入测量设备内部，在设计时将每路信号的电源和输入、输出信号进行了电气上的完全隔离［4］。

电源的隔离采用DC／DC电源模块进行隔离，而测试信号的隔离则需要根据不同的信号类型设计相应的信号隔离电路。运载火箭控制系统涵盖了脉冲信号、时序信号、模拟信号等多种类型，为了实现信号的隔离，笔者设计了两种不同的信号隔离电路。

对于脉冲信号和时序信号，在每个信号的输入、输出通道中使用光耦合器TLP114A，如图2所示，从而使脉冲信号和时序信号的输入与系统的测量信号隔离，避免了电磁干扰对测试系统的影响，同时，该电路也实现了对输入信号的电压调理功能。

对于模拟信号，在电路设计中使用低功耗的隔离放大器ISO124作为隔离器件，将系统输入信号与输出信号相隔离，电路设计如图3所示。

2．3 PCB设计

印刷电路板作为电子设备的基础部件，在使用中同样存在着EMC设计问题。在进行PCB设计时，系统PCB设计中着重从元器件布局和走线布局两方面进行了EMC设计。

图2 脉冲、时序信号隔离电路

图3 模拟信号隔离电路

在进行元器件布局时，首要考虑的因素是将相互有关系的元器件靠近布局，以减少元器件之间的连线，从而降低辐射和干扰；其次，需要将工作频率较高的器件靠近信号输入端布局；再次，在每个芯片的电源与地之间跨接一个0．1μF的电容，起到去耦作用，以消除数字信号产生的脉冲干扰。此外，在PCB板的电源入口处，分别配以22μF低频滤波电容和0．1μF高频去耦电容。

布线是否合理对减少信号之间的交叉干扰尤其重要，为了降低芯片各管脚与走线之间的相互影响，系统在PCB板设计时均采用四层板进行布线，部分芯片密集的PCB板采用八层板进行布线，以尽量降低分布参数对信号的影响。PCB板中设置专门的电源层和地层，同时将两个层布置在相邻的位置，这种布局除了减少差模辐射外［5］，还可以起到另外两个作用，一是降低了供电线路的特性阻抗，同时由于地线专门分层，相当于地线变粗，地线层中接地电位不会随着电流的变化而变化，保证了设备中电平稳定，抗噪声能力增强；二是由于电源层和地层放置在相邻的层中，从而在整个电路板上产生一个大的PCB电容消除噪声。

2．4 信号滤波设计

电磁干扰传播的途径可分为传导和辐射两种，滤波是一种滤除不同频带骚扰频谱的重要方法，主要解决通过传导途径造成的干扰［6］。本系统主要是利用数字滤波技术对信号受到的干扰进行滤除，这样可以在不增加设备的情况下方便灵活地对信号进行滤波。

在本系统中，需要对脉宽小于1 ms的伪信号进行滤波处理，为了节省计算机资源，设计中使用VHDL硬件编程语言对系统中的FPGA器件编程构建数字滤波器，数字滤波原理如图4所示。

图4 数字滤波原理图

图4中，5个D触发器作为输入缓冲使用，系统clk信号为周期0．2 ms的方波，因此，5个D触发器可将1 ms内输入的5个信号进行比较，当5个信号相同时，则将该信号视为有效信号输出，当5个信号不相同时，表示在该1 ms中出现了周期小于要求的伪信号，该信号则不被输出。信号的比较由一个5输入的同或器件实现，在信号输出端口处的D触发器主要用于信号的锁存。通过上述设计，可以使系统很好地实现干扰信号滤除功能，能有效提高系统的抗干扰能力。

3 结 语

电磁兼容性设计及其指标是衡量电子产品质量的重要标志，在电磁环境复杂的火箭发射场，电子测试设备的EMC特性更是关系到航天发射任务的成败，因此，必须针对航天电子测试产品的特殊要求，在设计阶段对其进行有效地环境保护及电磁兼容性设计，才能保证系统的高可靠性及抗恶劣环境能力。本文的设计已经在某型号火箭测试产品中得到实际应用，效果良好，可以为此类航天测试产品的设计提供良好的设计思路和借鉴。

［1］ 蔡远文，王 华，彭明伟．测试发射技术及其在军事航天中的应用与发展［J］．航天控制，2003（1）：59－63．

［2］ 朱 静，尹 妍．电磁兼容设计在机动式指挥系统方舱中的应用［J］．电子机械工程，2010，26（2）：5－8．

［3］ 王宇翔．电子产品的电磁兼容性设计与实用经验［J］．电子产品可靠性与环境试验，2010，28（4）：52－55．

［4］ 孙 友．一种通用的信号调理板卡的设计［J］．航天控制，2006，24（1）：70－74．

［5］ 滕 旭，胡志昂．电子系统抗干扰实用技术［M］．北京：国防工业出版社，2004．

［6］ 高社生，张玲霞．可靠性理论与工程应用［M］．北京：国防工业出版社，2002．

TN911．7

A

1008－1542（2011）07－0076－03

2011－06－25；责任编辑：陈书欣

辛朝军（1980－），男，陕西凤翔人，讲师，主要从事检测技术与自动化装置方面的研究。