王云光，種曉晨，程海憑

1.上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院(上海，200093) 2.上海健康醫(yī)學(xué)院(上海，200093)

超短波理療儀控制系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)

王云光1，2，種曉晨1，程海憑2

1.上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院(上海，200093) 2.上海健康醫(yī)學(xué)院(上海，200093)

該文針對超短波理療儀控制系統(tǒng)的電源完整性與信號完整性，進(jìn)行了電路結(jié)構(gòu)(和機(jī)器架構(gòu))抗干擾和電磁兼容性設(shè)計(jì)，使之能夠在相對較為惡劣環(huán)境下穩(wěn)定地運(yùn)行。應(yīng)用PCB設(shè)計(jì)中的電磁兼容性設(shè)計(jì)原理和信號線屏蔽技術(shù)，改善了控制系統(tǒng)抗干擾能力，提高系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。

PCB設(shè)計(jì);電源完整性;信號完整性

0 引言

電磁環(huán)境是我們生活環(huán)境的一個(gè)組成部分，為保障設(shè)備及系統(tǒng)穩(wěn)定地工作，需要處理好抗干擾與電磁兼容問題。

電磁兼容性(Electromagnetic Compatibility，EMC)是指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境下能正常工作，并且不對該環(huán)境中的任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力［1］。

電磁干擾是電磁兼容需要解決的問題之一，其三要素，分別是電磁干擾源、耦合途徑和敏感設(shè)備，對其中任一要素處理得當(dāng)，均可改善設(shè)備的電源以及信號傳輸質(zhì)量。根據(jù)電磁兼容性理論和電磁干擾的機(jī)制，在進(jìn)行相關(guān)電磁兼容性設(shè)計(jì)時(shí)為防止干擾可從三方面進(jìn)行考慮:抑制源的發(fā)射、盡可能使耦合途徑無效、使接收機(jī)對發(fā)射不敏感。在實(shí)際情況中，常需要采用多種措施來達(dá)到解決電磁干擾問題。

信號完整性、電源完整性已經(jīng)成為PCB設(shè)計(jì)中需重點(diǎn)考慮的問題［2］，在進(jìn)行控制電路板電磁兼容性設(shè)計(jì)時(shí)，對這兩方面的考慮具有重要意義。正確的電源傳輸處理和信號傳輸處理可減少設(shè)計(jì)成本和調(diào)試階段的工作量。下面對超短波理療儀的控制系統(tǒng)、PCB設(shè)計(jì)、信號傳輸線幾方面分析，采用金屬殼屏蔽、電源退耦等方法處理控制系統(tǒng)的抗干擾問題，并結(jié)合示波器波形說明設(shè)計(jì)效果。

1 超短波理療儀控制系統(tǒng)分析

本超短波理療儀選用40.68 MHz高頻發(fā)生電路作為超短波發(fā)生裝置，由控制系統(tǒng)和人體阻抗自動(dòng)調(diào)諧匹配系統(tǒng)共同工作實(shí)現(xiàn)超短波理療儀的全部功能。

高頻發(fā)生電路采用推挽式自激振蕩電路，產(chǎn)生滿足設(shè)備工作的高頻信號，但也是本次電磁兼容設(shè)計(jì)的主要干擾源。超短波發(fā)生部分可產(chǎn)生40.68 MHz的高頻信號，其干擾信號的傳輸通道，主要有:燈絲供電信號反射、高壓供電電路功率反射、能量發(fā)射線圈電磁輻射。針對發(fā)生裝置干擾源特點(diǎn)，在電路中應(yīng)用電容、電感濾波和金屬外殼屏蔽技術(shù)，金屬外殼進(jìn)行分層，使整個(gè)超短波發(fā)生裝置部分與供電和控制部分隔離屏蔽，降低整個(gè)裝置對控制部分的干擾。

整個(gè)測控系統(tǒng)采用單片機(jī)89S52系列作為微控制單元(Micro Control Unit，MCU)［3］，主要控制供電穩(wěn)壓、治療強(qiáng)度和時(shí)間調(diào)節(jié)、治療輸出匹配調(diào)諧、顯示器和按鍵信息的通訊。人體阻抗自動(dòng)調(diào)諧匹配系統(tǒng)中，采集人體阻抗參數(shù)，采用磁耦合隔離技術(shù)實(shí)現(xiàn)高頻信號的隔離和采集。設(shè)計(jì)了針對高頻信號的檢波電路，以配合步進(jìn)電機(jī)聯(lián)動(dòng)可變電容自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置，完成阻抗匹配與調(diào)諧功能［4-5］。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用光電隔離技術(shù)，提高控制的精確度和抗干擾能力。

針對設(shè)備特點(diǎn)和系統(tǒng)需求，對超短波理療儀進(jìn)行可行的電磁兼容性設(shè)計(jì)能夠保障設(shè)備的正常工作以及系統(tǒng)的正常運(yùn)行。分析本設(shè)備和系統(tǒng)的電磁干擾主要來自自然干擾和人為干擾兩部分。自然干擾源主要是指自然界的電磁現(xiàn)象引發(fā)的電磁輻射［6］，在一般設(shè)備的頻率范圍內(nèi)，有平坦的功率譜密度，這一特性也簡化了對其干擾源的處理。人為干擾中能量發(fā)射頻率40.68 MHz和MCU工作頻率12 MHz都需要考慮進(jìn)行抗干擾屏蔽處理，其次還有外界電子設(shè)備工作時(shí)產(chǎn)生的干擾源。結(jié)合電磁兼容性理論與技術(shù)，本文針對控制系統(tǒng)PCB板設(shè)計(jì)中的電源和接地以及信號傳輸線進(jìn)行了抗干擾和電磁兼容性設(shè)計(jì)，以提高系統(tǒng)的電源完整性和信號完整性［7］。

2 控制系統(tǒng)抗干擾和電磁兼容性設(shè)計(jì)

針對本次設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)采用C51內(nèi)核單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的工作控制和調(diào)節(jié)，整個(gè)系統(tǒng)的控制部分的電源與信號傳輸主要置于PCB板中。另外，還使用數(shù)據(jù)線傳輸，完成板與板通信。根據(jù)電磁兼容性原理，在PCB設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)線選擇有針對性的電磁兼容性設(shè)計(jì)［8-9］。

2.1 PCB設(shè)計(jì)中電源完整性設(shè)計(jì)

控制部分電路板置于屏蔽金屬盒內(nèi)，降低超短波發(fā)生部分干擾源的干擾。PCB設(shè)計(jì)中對電源的處理介紹于后。

根據(jù)超短波理療儀控制部分設(shè)計(jì)，電源層分割為5 V和18 V兩片區(qū)域，分別進(jìn)行電源布線。加大電源層相對地層內(nèi)縮的距離，抑制邊緣輻射效應(yīng)［10］。5 V電源為控制部分芯片工作電壓，電路設(shè)計(jì)如圖1所示，輸出為直流波形。

圖1 芯片工作5 V直流電源電路Fig.1 5 V DC power supp ly circuit of chip working

5 V電源電路部分經(jīng)整流橋堆進(jìn)行全波整流，電容濾波，穩(wěn)壓芯片LM7805輸出相對穩(wěn)定的5 V直流電壓。因?yàn)榉€(wěn)壓電源芯片本身輸出會有紋波并不恒定，另穩(wěn)壓電源可能無法實(shí)時(shí)響應(yīng)負(fù)載對于電流需求的快速變化，負(fù)載瞬態(tài)電流在電源路徑阻抗和地路徑阻抗上也會產(chǎn)生的壓降，所以電源系統(tǒng)會產(chǎn)生電源噪聲［11］。電源噪聲會對芯片正常工作產(chǎn)生影響，還有可能影響控制電路板其他部分的工作，因此我們需要對電源噪聲進(jìn)行處理，其中電容退耦是解決電源噪聲常用的方法［12］。

電源與它供電的模塊之間路徑的長度若是太長會形成很大的環(huán)路面積，影響模塊功能的實(shí)現(xiàn)。為了消除這種電源和其供電模塊之間的潛在的大環(huán)路面積效應(yīng)需要進(jìn)行電源退耦--在電源和接地管腳之間接退耦電容。電源退耦可防止前后電路電流變化時(shí)，在電源電路中所形成的電壓波動(dòng)對其他電路的影響。用于PCB設(shè)計(jì)中的退耦電容，小型陶瓷電容較為典型。多個(gè)陶瓷電容并聯(lián)的方法在增大電容量的同時(shí)也可濾除高頻寄生電容［13-14］。本控制部分PCB設(shè)計(jì)中選用貼片式陶瓷電容，直接焊在電路板上，實(shí)際沒有引線長度，減小連線之間的環(huán)路面積。本設(shè)計(jì)中由于控制部分電源紋波系數(shù)較小，且電源輸出功率不大，因此將兩個(gè)電容并聯(lián)，這樣可以在更寬的頻譜范圍降低電源網(wǎng)絡(luò)中的噪聲。退耦電容連接電路如圖2所示:

圖2 退耦電容連接電路Fig.2 Decoup ling capacitor circuit

退耦電容的選取與電源輸出功率、紋波系數(shù)、電源電壓等參數(shù)有關(guān)。一般一個(gè)容值的電容對應(yīng)一個(gè)退耦頻段，實(shí)際應(yīng)用中，并非越大越好。如果電容較大，它的諧振頻率就很低，這時(shí)電容提供的電流通路在在低頻下會變得很差，因此為了保證退耦電容提供高頻電流通路的能力，其容值不宜過大。一般在能達(dá)到電流補(bǔ)償?shù)那闆r下，容值越小越好。退耦電容容值計(jì)算如下:

式中ΔI為器件導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)下電源電流差值; Δt為器件輸出脈沖跳變沿時(shí)間;ΔV為芯片工作時(shí)允許的電源電壓波動(dòng)值。

一個(gè)電解電容容值為0.1～1μF，多個(gè)瓷片電容為1～10 nF之間，一般情況兩電容容值相差兩個(gè)數(shù)量級為最佳。

2.2 采集信號線屏蔽

調(diào)諧模塊中的阻抗采集電路本身置于強(qiáng)電磁輻射區(qū)域，將采集線圈與傳輸線相連，傳輸線圈所采集的信號。理想情況下，采集線圈收集功率發(fā)射電路附近的電磁場變化，而不希望傳輸線受到電磁場的影響。實(shí)際點(diǎn)傳輸線有較多的不確定因素，比如置于磁場中的相對位置和傳輸線間的距離。

在進(jìn)行采集電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)，曾遇到較強(qiáng)的電磁干擾，導(dǎo)致輸入檢波電路的信號干擾，影響檢波信號。實(shí)驗(yàn)初始采用了非屏蔽雙絞線，但干擾信號并非來自傳輸線間的串?dāng)_，所以仍不能有效避免?，F(xiàn)采用2芯屏蔽雙絞線傳輸?shù)姆椒?，屏蔽?qiáng)電場產(chǎn)生的電磁干擾，同時(shí)可減小傳輸線線間的信號串?dāng)_［15］。屏蔽線與信號線連接如圖3所示:檢波電路中的接地端和屏蔽層的接地端分開接地，檢波電路中的接地為系統(tǒng)的相對零勢點(diǎn)，而屏蔽層是與大地或機(jī)殼相連，將干擾電場產(chǎn)生的靜電感應(yīng)傳至地面;屏蔽線采取雙端接地方式，一端接機(jī)殼，另一端接控制電路板屏蔽罩。兩端接地可以減小容性耦合和感性耦合，很好的抑制高頻干擾［16］。

圖3 屏蔽線連接圖Fig.3 Shielded cable connection diagram

采集電路進(jìn)行信號采集輸出波形如圖4所示，波形包絡(luò)較好的保留了信號的幅值特點(diǎn)，其中所采集到信號使高頻信號頻率特性保存完整，由示波器采集的波形分析，信號線采用屏蔽信號線能夠使采集電路抗干擾能力增強(qiáng)，電磁兼容性提高。

圖4 采集信號波形Fig.4 Signal collection wave

3 結(jié)語

本文所介紹的抗干擾與電磁兼容性設(shè)計(jì)是針對文中所提到超短波理療儀的控制系統(tǒng)部分進(jìn)行的。經(jīng)過設(shè)計(jì)和實(shí)際效果分析，利用金屬機(jī)殼對超短波發(fā)生裝置進(jìn)行屏蔽，降低了干擾源對控制部分的干擾;控制電路板安裝在金屬屏蔽盒中，提高了控制部分的抗干擾能力;PCB板設(shè)計(jì)進(jìn)行電源退耦處理，采集信號線選用屏蔽線，提高控制電路板電源完整性和信號完整性。采用以上方法對超短波控制系統(tǒng)進(jìn)行抗干擾設(shè)計(jì)，提高了整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾能力和電磁兼容性。

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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)

種曉晨，E-mail:ttfighting77@163.com