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重新安装浏览器，或使用别的浏览器热像设备模数混合电路公共阻抗干扰的研究--《激光与红外》2013年04期
热像设备模数混合电路公共阻抗干扰的研究
【摘要】：随着红外成像技术的发展,大面阵探测器、高集成度处理电路、高帧频红外图像等特点给模拟电路的设计带来了很多困难,其中模数混合电路的干扰问题尤为突出。在建立电路模型的基础上对模拟前级的干扰问题形成原因进行了分析,依据分析结果改进设计模拟前级,经过验证,减小了模拟前级信号受到的干扰。
【作者单位】：
【关键词】：
【分类号】：TN219【正文快照】：
1引言近年来,红外前视成像设备在工业和民用领域越来越广泛。基于面阵红外焦平面(FPA)的凝视型红外成像设备具有光机结构简单、分辨率高、帧频高等优点,是目前红外技术领域的一个重要发展方向[1]。典型的凝视型红外成像设备的信号流程如图1所示。模拟前级是模数混合电路,包含
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模数混合电路电磁兼容性分析方法的研究
随着数字电路向高速度、高密度、低电压的趋势快速发展，高速PCB的板级电磁兼容性问题日益严重；尤其在模数混合的高速PCB中，电磁干扰问题一直是一个难题。高速板级的电磁兼容性问题已经成为电子系统设计成功的关键，所以研究板级电磁兼容性问题有着重要的意义。　　本文利用有限元法对高速PCB板级电磁兼容性问题进行精确的建模和仿真分析，结合全波电磁场方法提取电路端口参数，将“场”和“路”的方法有效的结合起来对板级的电源完整性问题展开详细的研究。为建立良好的供电网络，设计了基于目标阻抗法的电源/地平面输入阻抗，并讨论了电容的选取和放置原则。之后研究了同步开关噪声(SSN)的产生机理，通过仿真讨论了有效的同步开关噪声抑制措施，以最大程度减小其对电源系统的影响，并结合实验测试结果，验证了仿真结果的有效性和准确性。　　其次，为了研究电磁干扰的本质，本文详细研究了模拟电路的受干扰机理。讨论了数字噪声对模拟电路的干扰途径，揭示出电磁干扰对模拟电路的影响，并给出了相应的抑制措施。　　最后，对模数混合PCB地平面分割产生的信号完整性问题进行详细的分析和建模仿真，分析了信号跨地平面分割的危害。讨论了分割地平面之间的干扰机理，并阐述了减小这种影响的措施。　　
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超级电容器储能控制系统的研究
导读：为使超级电容器的电压维持在一个适当的值上，系统也需要检测超级电容器的电压值，以便在DSP中通过相应控制进行调节，系统需采集三相非线性负载电流、补偿电流、电网电压及直流侧电容电压信号，是一种能隔离数字控制电路和主电路的检测元件，DSP控制系统属于弱电控制，通过其PWM模块直接得到的脉冲控制信号较小，保护DSP控制系统，即将DSP产生的控制信号经光耦器件隔离后再作为IPM模块的驱动信号，DSP产生
第３４页 但这种设置的缺点在于，定时器的周期固定，而实际的电网频率有可能在标准的50Hz上下小幅波动，这样就会导致采样周期并非工频周期1/256的情况，影响指令电流的计算精度进而影响滤波器的补偿效果。为克服这一缺点，本文采用锁相环倍频电路产生采样周期信号，如图5-5所示。另外，采样周期也可以利用DSP捕获单元通过软件来设置，即利用软件检测信号的频率，再计算信号周期及采样点数，采用软件的形式启动A/D转换，但这种方法增加了软件的复杂程度。
图5-5 采样周期信号产生电路 采样周期信号产生电路主要有芯片CD4040和CD4046组成。CD4040是一个12位的二进制串行计数器；CD4046是一种低频多功能单片数字锁相环集成电路。经上图电路产生倍频后的脉冲，将其作为启动ADC模块、实现数据采集和A/D转换的信号。 5.3.3.4 信号采集电路和调理电路 为使超级电容器的电压维持在一个适当的值上，系统也需要检测超级电容器的电压值，以便在DSP中通过相应控制进行调节。所以，系统需采集三相非线性负载电流、补偿电流、电网电压及直流侧电容电压信号。 本设计采用霍尔传感器实现对上述各个电流和电压信号的采集。霍尔传感器是电子测量领域中应用最多的传感器件之一，具有较优越的电性能，是一种能隔离数字控制电路和主电路的检测元件，可替代传统的互感器和分流器。其特点主要包括：可测量任意波形的电流和电压，也可测量瞬态峰值参数；可靠性和精度较高；动态性能好，跟踪速度快；工作频带宽，过载能力强；损耗低、温度范围宽、安装方便。 DSP本身设置了能够将外部模拟信号转化为数字信号的ADC模块，因此硬件电路中可以不再单独设计模数转换电路，这样也就简化了外部硬件电路的设计。由于DSP内的ADC模块参考电压为3.3V，并且只能处理正的模拟信号，而经霍尔传感器采集后的信号有正有负，所以模拟信号在被送入DSP之前必须做相应的处理以便能达到DSP的要求。信号处理的过程通过调理电路完成。信号调理电路，主要负责电流、电压等模拟信号的转换等处理。 交流电流及电压信号的调理电路如图5-6所示。通过霍尔传感器采集到的电压或电流信号经电阻的采样后转化为与原信号成比例的电压信号，然后将其送入到低通滤波器滤除
第３５页 高频成分，再经过电平偏移电路将双极性信号转化为单极性信号，通过二级管的限幅作用确保信号电压符合DSP的要求，最终将其送入DSP的ADC模块。
图5-6信号采集电路和调理电路 将霍尔电压传感器采集到的直流电压信号通过电阻分压处理，处理后的信号通过电压跟随器，其输出的信号被送入DSP的A/D口。分压电阻可根据直流侧电压的实际情况灵活选择，但必需保证分压后的电压信号能满足DSP对输入信号的要求。而采用电压跟随器主要是为防止高压电路的冲击和干扰。 5.3.4驱动电路设计 要想使IPM正常工作还要设计其驱动电路。一方面，DSP控制系统属于弱电控制，通过其PWM模块直接得到的脉冲控制信号较小，无法直接驱动IPM模块工作，必须经过一定的处理。另一方面，IPM模块直接与电网相连接，其电压和电流相对弱电部分来说都是很大的，为避免弱电信号和强电信号之间的相互干扰，保护DSP控制系统，要求在两者之间实施隔离。常用的隔离方法是对弱电和强电进行光电隔离，即将DSP产生的控制信号经光耦器件隔离后再作为IPM模块的驱动信号。这样就使两者之间既能保持信号上的联系，又可以隔离电气上的联系。 本设计选用的隔离器件为TLP250芯片。TLP250内部是一个光电耦合电路，输入输出之间没有电和磁的联系，有较好的隔离作用。IPM模块的驱动隔离电路如图5-7所示。
图5-7 IPM模块驱动隔离电路 上图电路可以将0~3.3V的脉冲信号转换成0~15V的驱动信号。DSP产生的控制信号由
第３６页 芯片的3脚输入，其输出经过电阻连到IGBT的栅极。 5.3.5 DSP控制系统的抗干扰设计 由于系统工作环境恶劣，干扰和不可靠因素很多。同时，DSP电路的工作频率较高，管脚也越来越密集，电路中还包括各种模拟器件和数字电路，所以应充分考虑系统的抗干扰性。在分析系统干扰来源的基础上，采用了一些硬件抗干扰措施: (l)DSP系统供电电源的设计 系统要正常工作，必须提供稳定可靠的电源。电源在向系统提供能源的同时，也将其噪声加到所供电的系统中。系统中的复位、中断以及其他一些控制信号易受外界噪声的干扰，所以在每个芯片的电源引脚附近放置旁路滤波电容，并且尽可能的接近该器件，引脚尽量短，这样能有效滤除电源与地之间较宽频带的杂波，提高了抗干扰能力。 (2)模数混合电路 由于本系统是由数字电路和模拟电路混合构成的。因此在布线时就需要考虑它们之间互相干扰问题，特别是地线上的噪音干扰。数字电路的频率高，模拟电路的敏感度强，特别对于信号线，高频的信号线尽可能远离对噪声敏感的模拟电路器件，对地线来说，整个电路板对外界只有一个结点，所以必须在电路板内部进行处理数、模转换连接的问题。而在板内部数字地和模拟地实际上是分开的，保证它们之间互不相连。 (3)印制板防干扰 印制板设计的优劣是保证电子线路正常工作的关键因素之一，好的印制板布局、布线可以有效的防止干扰。DSP芯片管脚密集，采用自动布局、布线的效果不是很理想，因此整个电路板完全采用手工布局和布线，花费了大量的时间。在印制板设计过程中，注意了以下问题: ①印制板合理布局，相关的器件尽量靠近。元器件的布局不仅直接影响电路板的布通率，也是影响系统系能的关键因素。如果器件很分散，器件之间的传输线可能会很长，阻抗增加，抗噪能力下降，成本也会增加；反之，若器件分布过于集中，则散热不好，邻近线路易受耦合、串扰。因此应该根据电路功能单元的特点对电路进行合理的布局。在布局时同时还要考虑电磁兼容、热分布、敏感器件和非敏感器件、I/O接口、复位电路、时钟系统等因素。 ②电源线和地线要尽可能的宽，以减少环路电阻。大量的电磁干扰是在两个系统用导线连接在一起时发生的。而有用信号的耦合，必须要通过导线来连接，并且要提供公共的参考点位来正确的表达信号。接地是在解决连通信号和提供参考电位过程中的一个基本问题。为了提供一个公共的参考电位，一般是把所有需要参考电位的点用导线相连，称为地线。除了为电路提供参考电位，电路的接地方式与位置、地线的走向与宽度直接影响到整个系统的误差和工作可靠性。本系统中对电源线和地线尽量加粗，降低了电路板的耦合噪声，减小电源线和地线的阻抗。但同时也要将数字电路和模拟电路尽量分开以减少相互干扰。 ③印刷版布线合理，线宽不要突变，导线不要突然拐角；信号线应尽量靠近地线，布线时线应尽量离开不相连的元器件，以免短路。本系统不仅包括高速的DSP控制电路(数字电路)，还包括了对精度要求很高的模拟电路，在布线过程中既要保证与外界数字信号干扰的隔离，还要满足系统电磁兼容的要求来保证测量精度。为减小信号线上的分布电阻、电容和电感，应尽量缩短导线长度和增大导线之间的距离。
第３７页 5.4 PI控制器设计 5.4.1 PI控制器原理 电压调节的设计对整个系统的调节性能起着决定性得作用。由于三相逆变器系统不要求动态响应太快，但对控制精度要求高，所以这里采用PI调节器。本系统采用PI型调节器，原理如图5-4所示：
图5-8PI调节器原理图 根据上图PI控制器原理图可知，其输出量u(t)与输入量e(t)及其积分?e(t)dt成正0t比，即：
u(t)?Kp{e(t)? 式中KP一比例系数 1Ti?e(t)dt}?u0t0
（5-1） TI―积分系数。 u0―开始进行PI控制时的原始值
比例调节器的作用是对偏差瞬间作出快速反应。偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，使控制量向减少偏差的方向变化。控制作用的强弱取决于比例系数，比例系数越大，控制越强，但过大会导致系统振荡，破坏系统的稳定性。 积分调节的作用是消除静态误差，但它也会降低系统的响应速度，增加系统的超调量。 采用TMS320LF2407 DSP芯片对逆变器进行控制时，使用的是数字PI调节器，而不是模拟PI调节器，也就是说用程序取代PI模拟电路，用软件取代硬件。 将上式离散化处理就可以得到数字PI调节器的算法： ?T
u(k)?KP?e??kTI?进一步整理得： ??e?j??u0
（5-2） j?0?kk
u(k)?KPek?TKI?ej?u0
（5-3） j?0式中k=0,1,2,3……；
uk一一第k次采样时刻的输出值；
ek一一第k次采样时刻输入的偏差值；
KI一一积分系数，KI?KP/TI；
u0一一开始进行PI控制时的原始值； T一一采样周期。
引入积分环节的目的主要是为了消除静态误差，提高控制精度。但当急增负载、急减负载或大幅度增减设定值时，短时间内系统会产生很大的输入偏差，这会使PI运算的积分积累很大，引起输出的控制量增大，这一控制量很容易超出执行机构的极限控制量，从而引起强烈的积分饱和效应。这将会造成系统振荡、调节时间延长等不利结果。 为了消除积分饱和效应带来的不利影响，在空间矢量PWM三相逆变器闭环系统中使用防积分饱和PI调节器。其算法如下：
us?KPek?Ik?1
（5-4） ?umax?
uk??umin?u?sus?umaxus?umin
（5-5） 其它
Ik?Ik?1?KITek?KC??uk?us?
（5-6） 式中的积分饱和修正系数 KC?KIT?KP/TI?TT?? KPKPTI5.4.2 PI调节器的参数整定 有实践经验的技术人员都会体会到调节器参数的整定是一项非常繁琐而且费时的工作。虽然，可用工程设计方法来求出调节器的参数，但是这种方法本身基于一些假设和简化处理，而且参数计算依赖于具体负载，实际应用时，依然需要现场的大量调试工作，针对这种情况，近年来国内外在数字PI调节器参数的工程整定方面做了不少研究工作，提出了不少模仿模拟调节器参数整定的方法，如扩充临界比例度法、扩充响应曲线法、经验法、衰减曲线法等，都得到了一定的应用。在这里采用了一种简易的整定方法：归一参数整定法。 由离散后的PI调节器算法可知，PI调节器的参数整定，就是要确定T 、KP、TI三个参数，为了减少在线整定参数的数目，根据大量实际经验的总结，人为假设约束的条件，以减少独立变量的个数，整定步骤如下： （1）选择合适的采样周期T，调节器作纯比例KP控制。 （2）逐渐加大比例控制KP，使控制系统出现临界振荡。由临界振荡过程求得相应的临界振荡周期Tb。 （3）根据一定的约束条件，例如取T = 0.1Tb，TI= 0.5Tb。 这样式中就简化成了对一个参数KP的整定，使问题明显地简化了。应用约束条件减包含总结汇报、高中教育、出国留学、表格模板、自然科学、教学研究、初中教育、人文社科、计划方案、行业论文以及超级电容器储能控制系统的研究等内容。本文共10页
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模数混合电路电磁兼容性分析方法的研究
【摘要】：
随着数字电路向高速度、高密度、低电压的趋势快速发展,高速PCB的板级电磁兼容性问题日益严重;尤其在模数混合的高速PCB中,电磁干扰问题一直是一个难题。高速板级的电磁兼容性问题已经成为电子系统设计成功的关键,所以研究板级电磁兼容性问题有着重要的意义。
本文利用有限元法对高速PCB板级电磁兼容性问题进行精确的建模和仿真分析,结合全波电磁场方法提取电路端口参数,将“场”和“路”的方法有效的结合起来对板级的电源完整性问题展开详细的研究。为建立良好的供电网络,设计了基于目标阻抗法的电源/地平面输入阻抗,并讨论了电容的选取和放置原则。之后研究了同步开关噪声(SSN)的产生机理,通过仿真讨论了有效的同步开关噪声抑制措施,以最大程度减小其对电源系统的影响,并结合实验测试结果,验证了仿真结果的有效性和准确性。
其次,为了研究电磁干扰的本质,本文详细研究了模拟电路的受干扰机理。讨论了数字噪声对模拟电路的干扰途径,揭示出电磁干扰对模拟电路的影响,并给出了相应的抑制措施。
最后,对模数混合PCB地平面分割产生的信号完整性问题进行详细的分析和建模仿真,分析了信号跨地平面分割的危害。讨论了分割地平面之间的干扰机理,并阐述了减小这种影响的措施。
【关键词】：
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2010【分类号】：TN41【目录】：
Abstract4-7
第1章 绪论7-14
1.1 高速模数混合电路中的EMC 问题7-8
1.1.1 高速数字电路的主要问题7-8
1.1.2 模数混合电路的问题8
1.2 课题的国内外研究现状8-10
1.2.1 信号完整性8-9
1.2.2 电磁干扰9
1.2.3 电源完整性9-10
1.2.4 地平面分割10
1.3 PCB 电磁兼容分析方法和工具10-12
1.3.1 分析方法10-11
1.3.2 仿真工具11-12
1.3.3 仿真模型12
1.4 本文主要研究内容12-14
第2章 电源分配系统阻抗设计14-27
2.1 PCB 电源分配系统14-15
2.2 电源/地平面网络及其谐振模式15-19
2.2.1 电源/地平面网络特性15-16
2.2.2 电源/地平面对输入阻抗16
2.2.3 电源/地平面对谐振模式16-19
2.3 目标阻抗法19-21
2.4 设计实例21-26
2.5 本章小结26-27
第3章 同步开关噪声分析及抑制27-39
3.1 同步开关噪声27-31
3.1.1 芯片内部开关噪声28-29
3.1.2 芯片外部开关噪声29-31
3.2 同步开关噪声的仿真分析31-37
3.2.1 S 参数31
3.2.2 实例仿真分析31-37
3.3 SSN 实验测试37-38
3.4 本章小结38-39
第4章 数字电路对模拟电路干扰仿真及实验分析39-50
4.1 引言39
4.2 传导耦合干扰39-41
4.3 共地阻抗耦合干扰41-46
4.4 数字信号线对模拟信号线的串扰46-49
4.5 本章小结49-50
第5章 模数混合PCB 地平面分割问题50-57
5.1 引言50-51
5.2 信号线跨分割地平面问题51-52
5.3 仿真分析52-55
5.4 模数混合PCB 地平面设计策略55-56
5.5 本章小结56-57
参考文献58-62
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