超短波理疗仪控制系统抗干扰设计

王云光，种晓晨，程海凭

1.上海理工大学医疗器械与食品学院(上海，200093) 2.上海健康医学院(上海，200093)

超短波理疗仪控制系统抗干扰设计

王云光1，2，种晓晨1，程海凭2

1.上海理工大学医疗器械与食品学院(上海，200093) 2.上海健康医学院(上海，200093)

该文针对超短波理疗仪控制系统的电源完整性与信号完整性，进行了电路结构(和机器架构)抗干扰和电磁兼容性设计，使之能够在相对较为恶劣环境下稳定地运行。应用PCB设计中的电磁兼容性设计原理和信号线屏蔽技术，改善了控制系统抗干扰能力，提高系统工作的稳定性。

PCB设计;电源完整性;信号完整性

0 引言

电磁环境是我们生活环境的一个组成部分，为保障设备及系统稳定地工作，需要处理好抗干扰与电磁兼容问题。

电磁兼容性(Electromagnetic Compatibility，EMC)是指设备或系统在其电磁环境下能正常工作，并且不对该环境中的任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力［1］。

电磁干扰是电磁兼容需要解决的问题之一，其三要素，分别是电磁干扰源、耦合途径和敏感设备，对其中任一要素处理得当，均可改善设备的电源以及信号传输质量。根据电磁兼容性理论和电磁干扰的机制，在进行相关电磁兼容性设计时为防止干扰可从三方面进行考虑:抑制源的发射、尽可能使耦合途径无效、使接收机对发射不敏感。在实际情况中，常需要采用多种措施来达到解决电磁干扰问题。

信号完整性、电源完整性已经成为PCB设计中需重点考虑的问题［2］，在进行控制电路板电磁兼容性设计时，对这两方面的考虑具有重要意义。正确的电源传输处理和信号传输处理可减少设计成本和调试阶段的工作量。下面对超短波理疗仪的控制系统、PCB设计、信号传输线几方面分析，采用金属壳屏蔽、电源退耦等方法处理控制系统的抗干扰问题，并结合示波器波形说明设计效果。

1 超短波理疗仪控制系统分析

本超短波理疗仪选用40.68 MHz高频发生电路作为超短波发生装置，由控制系统和人体阻抗自动调谐匹配系统共同工作实现超短波理疗仪的全部功能。

高频发生电路采用推挽式自激振荡电路，产生满足设备工作的高频信号，但也是本次电磁兼容设计的主要干扰源。超短波发生部分可产生40.68 MHz的高频信号，其干扰信号的传输通道，主要有:灯丝供电信号反射、高压供电电路功率反射、能量发射线圈电磁辐射。针对发生装置干扰源特点，在电路中应用电容、电感滤波和金属外壳屏蔽技术，金属外壳进行分层，使整个超短波发生装置部分与供电和控制部分隔离屏蔽，降低整个装置对控制部分的干扰。

整个测控系统采用单片机89S52系列作为微控制单元(Micro Control Unit，MCU)［3］，主要控制供电稳压、治疗强度和时间调节、治疗输出匹配调谐、显示器和按键信息的通讯。人体阻抗自动调谐匹配系统中，采集人体阻抗参数，采用磁耦合隔离技术实现高频信号的隔离和采集。设计了针对高频信号的检波电路，以配合步进电机联动可变电容自动调节装置，完成阻抗匹配与调谐功能［4-5］。步进电机驱动模块采用光电隔离技术，提高控制的精确度和抗干扰能力。

针对设备特点和系统需求，对超短波理疗仪进行可行的电磁兼容性设计能够保障设备的正常工作以及系统的正常运行。分析本设备和系统的电磁干扰主要来自自然干扰和人为干扰两部分。自然干扰源主要是指自然界的电磁现象引发的电磁辐射［6］，在一般设备的频率范围内，有平坦的功率谱密度，这一特性也简化了对其干扰源的处理。人为干扰中能量发射频率40.68 MHz和MCU工作频率12 MHz都需要考虑进行抗干扰屏蔽处理，其次还有外界电子设备工作时产生的干扰源。结合电磁兼容性理论与技术，本文针对控制系统PCB板设计中的电源和接地以及信号传输线进行了抗干扰和电磁兼容性设计，以提高系统的电源完整性和信号完整性［7］。

2 控制系统抗干扰和电磁兼容性设计

针对本次设计，控制系统采用C51内核单片机，实现对设备的工作控制和调节，整个系统的控制部分的电源与信号传输主要置于PCB板中。另外，还使用数据线传输，完成板与板通信。根据电磁兼容性原理，在PCB设计和数据线选择有针对性的电磁兼容性设计［8-9］。

2.1 PCB设计中电源完整性设计

控制部分电路板置于屏蔽金属盒内，降低超短波发生部分干扰源的干扰。PCB设计中对电源的处理介绍于后。

根据超短波理疗仪控制部分设计，电源层分割为5 V和18 V两片区域，分别进行电源布线。加大电源层相对地层内缩的距离，抑制边缘辐射效应［10］。5 V电源为控制部分芯片工作电压，电路设计如图1所示，输出为直流波形。

图1 芯片工作5 V直流电源电路Fig.1 5 V DC power supp ly circuit of chip working

5 V电源电路部分经整流桥堆进行全波整流，电容滤波，稳压芯片LM7805输出相对稳定的5 V直流电压。因为稳压电源芯片本身输出会有纹波并不恒定，另稳压电源可能无法实时响应负载对于电流需求的快速变化，负载瞬态电流在电源路径阻抗和地路径阻抗上也会产生的压降，所以电源系统会产生电源噪声［11］。电源噪声会对芯片正常工作产生影响，还有可能影响控制电路板其他部分的工作，因此我们需要对电源噪声进行处理，其中电容退耦是解决电源噪声常用的方法［12］。

电源与它供电的模块之间路径的长度若是太长会形成很大的环路面积，影响模块功能的实现。为了消除这种电源和其供电模块之间的潜在的大环路面积效应需要进行电源退耦--在电源和接地管脚之间接退耦电容。电源退耦可防止前后电路电流变化时，在电源电路中所形成的电压波动对其他电路的影响。用于PCB设计中的退耦电容，小型陶瓷电容较为典型。多个陶瓷电容并联的方法在增大电容量的同时也可滤除高频寄生电容［13-14］。本控制部分PCB设计中选用贴片式陶瓷电容，直接焊在电路板上，实际没有引线长度，减小连线之间的环路面积。本设计中由于控制部分电源纹波系数较小，且电源输出功率不大，因此将两个电容并联，这样可以在更宽的频谱范围降低电源网络中的噪声。退耦电容连接电路如图2所示:

图2 退耦电容连接电路Fig.2 Decoup ling capacitor circuit

退耦电容的选取与电源输出功率、纹波系数、电源电压等参数有关。一般一个容值的电容对应一个退耦频段，实际应用中，并非越大越好。如果电容较大，它的谐振频率就很低，这时电容提供的电流通路在在低频下会变得很差，因此为了保证退耦电容提供高频电流通路的能力，其容值不宜过大。一般在能达到电流补偿的情况下，容值越小越好。退耦电容容值计算如下:

式中ΔI为器件导通和截止状态下电源电流差值; Δt为器件输出脉冲跳变沿时间;ΔV为芯片工作时允许的电源电压波动值。

一个电解电容容值为0.1～1μF，多个瓷片电容为1～10 nF之间，一般情况两电容容值相差两个数量级为最佳。

2.2 采集信号线屏蔽

调谐模块中的阻抗采集电路本身置于强电磁辐射区域，将采集线圈与传输线相连，传输线圈所采集的信号。理想情况下，采集线圈收集功率发射电路附近的电磁场变化，而不希望传输线受到电磁场的影响。实际点传输线有较多的不确定因素，比如置于磁场中的相对位置和传输线间的距离。

在进行采集电路设计实验时，曾遇到较强的电磁干扰，导致输入检波电路的信号干扰，影响检波信号。实验初始采用了非屏蔽双绞线，但干扰信号并非来自传输线间的串扰，所以仍不能有效避免。现采用2芯屏蔽双绞线传输的方法，屏蔽强电场产生的电磁干扰，同时可减小传输线线间的信号串扰［15］。屏蔽线与信号线连接如图3所示:检波电路中的接地端和屏蔽层的接地端分开接地，检波电路中的接地为系统的相对零势点，而屏蔽层是与大地或机壳相连，将干扰电场产生的静电感应传至地面;屏蔽线采取双端接地方式，一端接机壳，另一端接控制电路板屏蔽罩。两端接地可以减小容性耦合和感性耦合，很好的抑制高频干扰［16］。

图3 屏蔽线连接图Fig.3 Shielded cable connection diagram

采集电路进行信号采集输出波形如图4所示，波形包络较好的保留了信号的幅值特点，其中所采集到信号使高频信号频率特性保存完整，由示波器采集的波形分析，信号线采用屏蔽信号线能够使采集电路抗干扰能力增强，电磁兼容性提高。

图4 采集信号波形Fig.4 Signal collection wave

3 结语

本文所介绍的抗干扰与电磁兼容性设计是针对文中所提到超短波理疗仪的控制系统部分进行的。经过设计和实际效果分析，利用金属机壳对超短波发生装置进行屏蔽，降低了干扰源对控制部分的干扰;控制电路板安装在金属屏蔽盒中，提高了控制部分的抗干扰能力;PCB板设计进行电源退耦处理，采集信号线选用屏蔽线，提高控制电路板电源完整性和信号完整性。采用以上方法对超短波控制系统进行抗干扰设计，提高了整个系统的抗干扰能力和电磁兼容性。

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A Design of Anti Interference and Electromagnetic Com patibility in Control System of Ultrashort W ave Treatment Equipment

WANG Yunguang1，2，CHONG Xiaochen1，CHENG Haiping2
1.School of Medical Instrument and Food Engineering，University of Shanghai for Science and Technology(Shanghai，200093)
2.Shanghai University of Medicine＆Health Sciences(Shanghai，200093)

This paper is a design of anti-interference and electromagnetic compatibility to improve the power integrity and signal integrity of the control system of ultrashortwave treatment equipment operate normally.It bases on electromagnetic compatibility in the design of PCB board and shielding signal lines.Combined with the actual situation，the design can play a certain role in anti-interference and improve the stability of system operation.

design of PCB，power integrity，signal integrity

1674-1242(2015)03-0150-04

10.3969/j.issn.1674-1242.2015.03.006

2015-05-21)

种晓晨，E-mail:ttfighting77@163.com