EMC信號(hào)完整性落地實(shí)測(cè)1---走出玄學(xué)

無論我們從51單片機(jī)，STM32電路，運(yùn)放，傳感器，ADC采集還是可控硅晶閘管等等電源電路跨入到電子工程師的行業(yè)，我們通常會(huì)長時(shí)間處于低頻的電子電路設(shè)計(jì)調(diào)試階段，通常我們處理的是幾百Hz或者幾KHz的信號(hào)通路。偶爾會(huì)有RS232,RS485，IIC，SPI或者CAN總線之類的通訊讓我們的PCB經(jīng)歷幾百KHz的信號(hào)。這些其實(shí)涵蓋了大部分的電子應(yīng)用場(chǎng)景，我們?cè)谶@個(gè)階段更多的關(guān)注電路功能的實(shí)現(xiàn)，并沒有也不太需要考慮信號(hào)完整性或者EMC的問題。

總有一天我們會(huì)在新的項(xiàng)目中發(fā)現(xiàn)我們遇到了一些瓶頸。有時(shí)候通訊會(huì)莫名其妙的通訊錯(cuò)誤，有些PCB板子會(huì)莫名其妙的有很大的干擾，達(dá)到M級(jí)信號(hào)的板子按以前的布線習(xí)慣變得不再穩(wěn)定可靠。這時(shí)，阻礙電子工程師進(jìn)階的EMC和信號(hào)完整性問題擺在了我們面前。如果你遇到了類似的問題，那么恭喜，說明你已經(jīng)到了另一個(gè)新臺(tái)階了。

EMC和信號(hào)完整性是獨(dú)立于電子電路功能設(shè)計(jì)的另一門學(xué)問了，我們可以找到很多這方面的資料，大部分會(huì)告訴我們理論知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則。比如，在高速信號(hào)的情況下，電容電阻都不再單純的看做是電容和電阻了，甚至連路徑上的過孔也會(huì)有影響。PCB布線不再是布通就可以了，還需要考慮信號(hào)流動(dòng)的路徑；布線和布線之間的間距以及下方是否鋪地也要考慮了，甚至關(guān)鍵的信號(hào)布線長度都需要考慮等等。這些對(duì)于射頻工程師來說都是需要掌握的基本技巧，對(duì)于其他領(lǐng)域的廣大電子工程師來說，這些就是高手和普通選手之間的進(jìn)階知識(shí)了。

對(duì)于大多數(shù)工程師來說，EMC和信號(hào)完整性的一些經(jīng)驗(yàn)法則，近乎玄學(xué)，我們知道要按照這條法則去做，但是并不直觀的知道這樣做和不這樣做差別多大，沒有直觀的感受。因?yàn)檫@些法則的總結(jié)是靠非常昂貴的專業(yè)設(shè)備，在不計(jì)成本的實(shí)驗(yàn)中總結(jié)的，我們普通大眾電子工程師是沒有機(jī)會(huì)去做實(shí)驗(yàn)感受和吸收的，只能被動(dòng)接受這樣的理論指導(dǎo)，完全沒有其他電子電路知識(shí)那樣的體驗(yàn)。

我們通過LOTO虛擬示波器和它的EMC測(cè)試模塊，對(duì)一些重要的EMC和信號(hào)完整性經(jīng)驗(yàn)法則進(jìn)行直觀的落地實(shí)測(cè)，方便大家直觀看到，這些法則的效果，打破玄學(xué)，加深理解。

我們動(dòng)手的第一條法則：信號(hào)發(fā)射出去的驅(qū)動(dòng)路徑和回流到地構(gòu)成的返回路徑，圍繞出來的環(huán)路面積越小越好。環(huán)路面積越大，造成的噪聲耦合和EMI電磁干擾越嚴(yán)重。

如下圖所示：

為了落地實(shí)測(cè)，我們簡(jiǎn)單做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)板，原理圖和PCB如下所示，有需要的同學(xué)可以直接跟我要源文件：

板子使用USB供電或者外接5V電源供電，一個(gè)電源開關(guān)，放了4個(gè)3.3V的有源運(yùn)放，分別是80M，48M,11M，3.68M。當(dāng)然你可以放自己想要觀測(cè)的頻率的晶振。這些晶振通過跳線選擇一個(gè)晶振頻率輸出，沿著A出發(fā)，經(jīng)過2號(hào)區(qū)域，到3號(hào)區(qū)域，然后經(jīng)過4號(hào)區(qū)域返回到5號(hào)區(qū)域。在PCB右側(cè)的跳線可以選擇這個(gè)晶振信號(hào)的負(fù)載電阻是多大，從1M到200歐可以選擇一個(gè)。這樣我們可以直觀看到，一個(gè)高速信號(hào)，頻率是跳線選擇的晶振頻率，在PCB上驅(qū)動(dòng)了一個(gè)跳線選擇的負(fù)載電阻，形成了PCB絲印上的A->C的環(huán)路。我們也可以在兩個(gè)跳線上通過跳線把沿著信號(hào)布線下面的一條地線連接通，那么信號(hào)的環(huán)路變成了A->B，比原來的A->C小了環(huán)路面積小了很多。我們看下實(shí)物：

我們選擇48M晶振，然后使用負(fù)載100K,使用A->C環(huán)路，LOTO虛擬示波器OSCH02，以及E01模塊，我們實(shí)測(cè)1區(qū)域的EMC信號(hào)完整性的情況，搭建場(chǎng)景如下：

我們?cè)跍y(cè)試板的1號(hào)區(qū)域，測(cè)得EMI的頻譜如下所示，可以看到有一個(gè)幅值非常大的48MHz的電磁輻射，幅值超過了0.15V:

我們可以以48M為中心頻率，查看細(xì)節(jié)：

我們保持其他不變，通過接地跳線把信號(hào)的地回路改為A->B，同樣在測(cè)試板的1號(hào)區(qū)域，測(cè)得EMI的頻譜如下所示，可以看到48MHz的電磁輻射明顯減小，幅值變?yōu)?.073V:

同理，我們測(cè)下3.68M晶振的也是類似的情況，如下圖所示，規(guī)律也是環(huán)路面積大，EMI電磁干擾強(qiáng)度就大，不同的是，3.68M晶振的頻譜圖里會(huì)看到很多諧波分量，這是由于我們這個(gè)窗口的監(jiān)測(cè)范圍是125M，在這個(gè)范圍內(nèi)，可以顯示3.68M的多次諧波。晶振本身是近似方波的信號(hào)，所以會(huì)有很多次諧波，只是之前測(cè)的48M的多次諧波超出了窗口觀測(cè)范圍沒有看到而已。高次諧波并不是客觀存在的，他是FFT的數(shù)學(xué)表達(dá)，我們?cè)谟^測(cè)EMC的頻譜時(shí)要注意這一點(diǎn)。

我們很直觀的看到，同一個(gè)高頻信號(hào)，在PCB電路板上不同的路徑造成不同的環(huán)路面積的情況下，截然不同的EMI電磁干擾強(qiáng)度。我們不僅僅驗(yàn)證信號(hào)完整性布線準(zhǔn)則的最小環(huán)路面積要求，也可以用LOTO示波器+E01電磁兼容擴(kuò)展檢測(cè)模塊來直接測(cè)試我們已有的電路板的電磁兼容EMC問題。