wersja mobilna
Online: 358 Niedziela, 2016.12.11

Technika

Redukcja interferencji elektromagnetycznych

czwartek, 21 stycznia 2010 10:25

Problem interferencji elektromagnetycznych staje się coraz bardziej istotny wraz ze wzrostem częstotliwości zegarowych w niemal wszystkich urządzeniach elektronicznych. To cena, jaką płacimy za coraz większą moc obliczeniową, funkcjonalność i wygodą obsługi. Jeśli dodatkowo wziąć pod uwagę liczbę otaczających nas urządzeń, staje się jasne, że zagadnienie interferencji to stało się obiektem badać międzynarodowych organizacji standaryzujących, takich jak FCC czy EEC.

Spis treści » Źródła interferencji
» Podstawy analizy spektralnej
» Metody zmniejszania poziomu interferencji
» Rozpraszanie sygnału zegarowego
» Przykłady aplikacji
» Podsumowanie
» Pokaż wszystko

Obowiązujące normy precyzyjnie definiują wielkość promieniowania dopuszczalną dla danych typów urządzeń, a spełnienie tych wymagań jest często zadaniem trudnym i kosztownym.

Źródła interferencji

Wszystkie możliwe drogi propagacji sygnału są potencjalnymi źródłami pola elektromagnetycznego. Każda z nich, od układu scalonego po kabel koncentryczny, inaczej wypromieniowuje pole elektromagnetyczne. Ograniczanie poziomu interferencji zaczyna się zatem już na etapie doboru komponentów, a kończy na konstrukcji obudowy.

Pole elektromagnetyczne generowane w urządzeniach elektronicznych jest wynikiem impulsów prądowych propagowanych wzdłuż długich ścieżek lub pętli. Każdy impuls rozchodzący się wzdłuż linii wytwarza pole magnetyczne prostopadłe do kierunku propagacji prądu. Spadek napięcia wynikający z przepływu prądu jest z kolei źródłem pola elektrycznego. Oddziaływanie tych pól z innymi sygnałami nazywamy interferencjami elektromagnetycznymi.

Na poziom interferencji oprócz właściwości linii prądowych (np. długości, ekranowania) wpływ mają również parametry propagowanego sygnału, takie jak częstotliwość, współczynnik wypełnienia, szybkość narastania zboczy oraz amplituda. Rolę odgrywaną przez te parametry najlepiej widzimy rozpatrując transmitowany sygnał w dziedzinie częstotliwości.

Podstawy analizy spektralnej

Rys.1. Sygnał prostokątny i jego harmoniczne

Sygnały zegarowe są wszechobecne w urządzeniach elektronicznych. To one stanowią główne źródło niepożądanego promieniowania. Idealny sygnał zegarowy ma postać przebiegu prostokątnego o stałej częstotliwości. Może być zgodnie z twierdzeniem Fouriera przedstawiony w postaci nieskończonej sumy sinusów:

U(t) = U0 + sin(ωt) + (1/3)sin(3∙ωt) + (1/5)sin(5∙ωt) +…+ (1/(2n+1))∙sin((2n+1)∙ωt),

gdzie ω = 2πf, a f to częstotliwość.

Na rysunku 1 widoczny jest przebieg prostokątny i kilka jego harmonicznych. W tym przykładzie U0 jest wartością średnią sygnału (DC). Im więcej częstotliwości harmonicznych sumujemy, tym lepiej odwzorowywany jest przebieg prostokątny. Widmo sygnału w dziedzinie częstotliwości na podstawie jego przebiegu czasowego można również oszacować w inny sposób. Tę metodę pokazano na rysunku 2, gdzie widoczny jest sygnał okresowy o przebiegu trapezowym, reprezentujący zegar systemu cyfrowego.


Rys.2. Szacowanie zawartości harmonicznych na podstawie przebiegu czasowego sygnału

Najważniejszą informacją z punktu widzenia analizy widmowej są wartości częstotliwości granicznych charakterystyki amplitudowej. Pierwszym punktem charakterystycznym jest punkt f0, odpowiadający częstotliwości podstawowej sygnału. Poziom generowanych interferencji jest z reguły największy na częstotliwości podstawowej. Drugim punktem charakterystycznym jest punkt f1 (pierwsze załamanie charakterystyki amplitudowej). Wartość f1 jest odwrotnie proporcjonalna do czasu trwania stanu wysokiego przebiegu czasowego. Począwszy od tej częstotliwości, amplituda promieniowania jest tłumiona ze współczynnikiem 20dB na dekadę.

Trzecia częstotliwość charakterystyczna (drugie załamanie charakterystyki amplitudowej) jest odwrotnie proporcjonalna do czasu narastania lub opadania (krótszego z nich) przebiegu w dziedzinie czasu. Poczynając od tej częstotliwości, amplituda promieniowania tłumiona jest ze współczynnikiem 40dB na dekadę.

Zmniejszenie współczynnika wypełnienia lub czasu narastania sygnału zwiększa szerokość pasma emitowanych interferencji; wartości f1 i f2 zwiększają się.

Widmo prostokątnego sygnału zegarowego oprócz silnego prążka na częstotliwości podstawowej ma prążki na częstotliwościach harmonicznych. Gdy wypełnienie przebiegu wynosi 50%, prążki występują tylko na częstotliwościach będących nieparzystymi harmonicznymi częstotliwości podstawowej (3, 5, 7,...). W ogólnym przypadku liczba harmonicznych jest nieskończona, a ich energię w stosunku do energii sygnału na częstotliwości podstawowej można oszacować. W praktyce liczba istotnych harmonicznych jest ograniczona ze względu na dolnoprzepustowy charakter systemów elektronicznych.