基于電磁兼容的電子技術(shù)仿真實(shí)驗(yàn)

劉杰

摘要：“電子技術(shù)”是電子類專業(yè)的基礎(chǔ)課程，是設(shè)計制造各種現(xiàn)代智能設(shè)備的基石。傳統(tǒng)電子技術(shù)課程教學(xué)中，大多認(rèn)為元器件具有理想特性，使用集總參數(shù)的方法進(jìn)行分析。這在低頻電路中不會產(chǎn)生問題，但隨著現(xiàn)代電子設(shè)備信息傳輸速率不斷提高、使用頻段日益加寬，元件非理想特性所帶來的電磁兼容問題已逐漸不可忽略。在繁雜的電磁環(huán)境下，如何保證產(chǎn)品的高可靠性，電磁兼容性能是關(guān)鍵。為更好地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)教協(xié)同，本文對如何將現(xiàn)代電磁兼容技術(shù)融入傳統(tǒng)電子技術(shù)課程教學(xué)進(jìn)行了初步探索，構(gòu)建了一套基于電磁兼容知識的仿真實(shí)驗(yàn)，力求使學(xué)生在學(xué)習(xí)模擬器件功能的同時，也能夠了解掌握電磁兼容設(shè)計的基礎(chǔ)知識，培養(yǎng)學(xué)生把電磁兼容問題解決在設(shè)計定型之前的意識與能力，從而滿足現(xiàn)代電子行業(yè)對應(yīng)用型人才的需求。本文基于電磁兼容的電子技術(shù)仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：電磁兼容;電子技術(shù);仿真實(shí)驗(yàn)

1電磁兼容仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建

1.1元件非理想行為模塊

傳統(tǒng)電子技術(shù)課程中，電阻、電感、電容等通常被當(dāng)作理想器件，但在實(shí)際電路中，由于制作工藝的限制，元件都存在寄生參數(shù)。當(dāng)信號頻率超過一定值時，寄生效應(yīng)會使元件特性偏離理想狀態(tài)：一方面元件在電路中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會發(fā)生變化;另一方面元件的阻抗等參數(shù)也會發(fā)生顯著改變，由此可能導(dǎo)致電路性能降低，甚至失效。例如，考慮圖1（a）所示的RC低通濾波電路，取電阻R的值為22Ω，電容C的值為1μF。圖1（b）為將元件視為理想狀態(tài)進(jìn)行仿真和實(shí)際測量得到的輸出電壓隨頻率的變化曲線?？梢钥吹剑捎谑茈娮?、電解電容寄生參數(shù)的影響，當(dāng)頻率升高時，電路實(shí)際的濾波性能會下降。

圖2為包含寄生參數(shù)的元件阻抗交流仿真實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)使用一個幅度為1A的交流恒流源構(gòu)造阻抗測量電路，通過阻抗隨頻率的變化反映元件的非理想特性。通過改變圖2（a）中的等效串聯(lián)電阻（ESR）、等效串聯(lián)電感（ESL）及等效并聯(lián)電容（EPC）等參數(shù)，學(xué)生可以對實(shí)際電路元件的特性進(jìn)行仿真預(yù)測。圖2（b）顯示了對理想電容、電感以及同等容量的實(shí)際去耦電容器、電感線圈仿真的結(jié)果。在理想電容和電感中，ESR、ESL及EPC均為零?？梢钥吹剑?dāng)信號頻率超過實(shí)際元件的自諧振頻率后，元件阻抗將發(fā)生很大變化。以電容為例，高頻時寄生的感抗將成為阻抗的主要部分，其性能將更加接近電感，無法為信號提供本來的低阻路徑，從而可能導(dǎo)致電路的性能與預(yù)期不符。將添加了ESR、ESL的實(shí)際電容模型替換到RC濾波電路中重新進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖3所示，此時仿真計算值與實(shí)測值較圖1更加吻合。通過本模塊的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能夠?qū)?shí)際電路元件的非理想性能建立更加直觀的認(rèn)識。在根據(jù)元件的理想特性進(jìn)行電路設(shè)計時，還要根據(jù)信號頻率對其非理想行為進(jìn)行修正，以確保電路功能達(dá)到預(yù)期設(shè)計目標(biāo)。

1.2傳輸線與信號完整性模塊

在1.1節(jié)的模塊中，假定實(shí)驗(yàn)電路在面包板上完成，元件之間通過理想導(dǎo)線進(jìn)行連接，導(dǎo)線輸入端的電壓電流與輸出端幾乎相同。然而，在時鐘和數(shù)據(jù)速率不斷提高的今天，電路中互連的導(dǎo)線將大大影響信號的傳輸。所謂的信號完整性就是要保證傳輸線入端與出端的信號波形近似相同。在本模塊中，學(xué)生將學(xué)習(xí)PCB板中傳輸線的延時與反射對信號完整性的影響。

實(shí)驗(yàn)中學(xué)生可以調(diào)節(jié)傳輸線的長度、輸入方波信號的上升時間（Tr）以及輸入端接電阻（R1）的大小。通過這些參數(shù)的改變，學(xué)生觀察20MHz、1V的方波輸入信號在輸出端的變化，從而驗(yàn)證傳輸線理論中的相關(guān)知識。在仿真時，傳輸線的物理長度用與電長度相關(guān)的參考頻率F表示，如式（1）所示，c為光速，L為傳輸線物理長度，Td表示由傳輸線引起的信號時延。

信號上升和下降沿變化對輸出信號的影響。為更清楚地觀察結(jié)果，對輸入信號分別添加了1V、0V及–1V的直流偏置。由圖4（b）可見，短傳輸線（線長時延小于信號上升沿的20%，對應(yīng)圖中的1250MHz）不會帶來嚴(yán)重的信號完整性問題。圖4（c）則顯示了傳輸線長度一定時（實(shí)驗(yàn)中f=625MHz），更短的上升時間（通常意味著更高的帶寬）會帶來更嚴(yán)重的振鈴噪聲問題。

1.3傳導(dǎo)噪聲抑制模塊

通過1.1節(jié)和1.2節(jié)兩個模塊的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生對電子電路中電磁兼容問題的起因及表現(xiàn)應(yīng)建立了初步的認(rèn)識。在實(shí)際設(shè)計中，有時受到成本、產(chǎn)品體積等因素的影響，無法通過PCB布線等方式規(guī)避所有的電磁兼容問題。因此，本模塊的主要內(nèi)容為用于抑制電路中傳導(dǎo)電磁干擾、提高電子設(shè)備傳導(dǎo)抗擾度的濾波器設(shè)計仿真。模塊首先針對傳統(tǒng)定K型低通濾波器的設(shè)計編制了仿真實(shí)驗(yàn)。其次，基于歸一化巴特沃斯型濾波器的數(shù)據(jù)，設(shè)計了不同階數(shù)、不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的EMI濾波器仿真實(shí)驗(yàn)。教師給定截止頻率、目標(biāo)頻率及期望損耗，要求學(xué)生設(shè)計出能夠滿足要求的EMI濾波器，并對濾波器的性能進(jìn)行仿真驗(yàn)證。最后，貫徹緊密聯(lián)系行業(yè)實(shí)際應(yīng)用的理念，將業(yè)內(nèi)主流元件產(chǎn)品的EDA模型引入仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。學(xué)生使用這些真實(shí)元件搭建電路，可以方便地觀察學(xué)習(xí)實(shí)際電路與理想電路的差別，在虛擬仿真中增強(qiáng)實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)。例如，在使用電容器進(jìn)行抑噪時，如果電容不足或者目標(biāo)插入損耗由于高ESL和ESR難以實(shí)現(xiàn)，可能需要并聯(lián)多個電容器。圖5顯示了并聯(lián)電容抑噪仿真實(shí)驗(yàn)。Vout1為使用1nF和1μF的理想電容進(jìn)行仿真時的輸出;Vout2為使用村田公司（muRata）同等電容量的電容模型進(jìn)行仿真時的輸出，產(chǎn)品型號分別為GRM033R61E102KA01（1nF）和GRM033R60J105MEA2（1μF）。

由圖5（b）可看到，由于兩個實(shí)際電容器存在不同的自諧振頻率，在其中一個的感性阻抗區(qū)和另一個的容性阻抗區(qū)會產(chǎn)生并聯(lián)反諧振，造成該區(qū)域插入損耗變小、電壓增大。這會在更高頻位置帶來潛在的輻射噪聲問題，可能導(dǎo)致電路無法通過EMC測試。如果使用理想元件，由于未計入ESR和ESL效應(yīng)，則不會產(chǎn)生這樣的現(xiàn)象。通過本模塊的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能夠?qū)κ褂脼V波器抑制傳導(dǎo)噪聲建立更直觀、深刻的認(rèn)識。同時，本模塊建立的實(shí)際產(chǎn)品元件庫也可作為學(xué)生今后專業(yè)學(xué)習(xí)的一個工具，在設(shè)計過程中對電路性能實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)的預(yù)測。

2電磁兼容仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用

目前電子類相關(guān)專業(yè)的教學(xué)中，涉及電磁兼容相關(guān)理論的課程大部分開設(shè)在高年級，且多以項(xiàng)目實(shí)踐、畢業(yè)設(shè)計等形式開展。作為一門迅速發(fā)展的交叉學(xué)科，電磁兼容涉及的基礎(chǔ)學(xué)科廣，又與工程實(shí)際聯(lián)系緊密，理論性和實(shí)踐性均較強(qiáng)。高年級的教學(xué)要取得較好的效果，需要在低年級基礎(chǔ)課程中滲透培養(yǎng)學(xué)生電磁兼容的意識，使其在進(jìn)行電路設(shè)計時能夠?qū)⒁种齐姶旁肼暦诺脚c實(shí)現(xiàn)功能同等重要的地位來考慮。在教學(xué)應(yīng)用中，本套仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可作為電子技術(shù)類課程實(shí)踐教學(xué)的一部分，在傳統(tǒng)集總參數(shù)理論講授完成后開展。在學(xué)生充分掌握理想元件相關(guān)知識后，引入實(shí)際電路與理想情況的區(qū)別。若條件允許，教師還可依據(jù)仿真項(xiàng)目配合搭建若干實(shí)際電路，在學(xué)生完成仿真后對結(jié)果進(jìn)行一致性驗(yàn)證，從而激發(fā)學(xué)生進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)的興趣。此外，在開設(shè)有小學(xué)期的院校，也可利用本套實(shí)驗(yàn)開設(shè)專門的小學(xué)期實(shí)踐課程，銜接于電子技術(shù)課程所在的長學(xué)期之后，以達(dá)到更好的教學(xué)效果。

結(jié)束語

本文設(shè)計的仿真實(shí)驗(yàn)通過引入真實(shí)產(chǎn)品元件模型貼近了實(shí)際，提升了仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，解決了傳統(tǒng)仿真過于理想化的問題。今后將在仿真實(shí)驗(yàn)操作界面、項(xiàng)目內(nèi)容與數(shù)量等方面深入研究，一方面提升系統(tǒng)的易用性，另一方面將仿真實(shí)驗(yàn)與先修、后續(xù)課程內(nèi)容更緊密結(jié)合，形成統(tǒng)一的教學(xué)體系，更好地服務(wù)于應(yīng)用型人才培養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)

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