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顺利通过EMC试验（二十二）文字版

深讲电磁兼容

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预习思考题

你在实际工程中，采用了那些措施来降低时钟信号的辐射发射？

前面，我们从天线辐射的角度介绍了很多控制辐射的方法。在实际工程中，这些方法主要用在时钟信号上，或者更广泛的说，用在周期性信号上。

例如，前面我们花了较大的篇幅介绍地线面上裂缝的影响和处理方法。实际上，不是所有的信号都需要保持地线的连续，用短路线或者电容来伴随的信号线仅限于时钟信号线，或者，从敏感性的角度考虑，仅限于复位信号线、微弱模拟信号线这些场合。

本节我们从时钟信号本身采取的措施。

要降低时钟信号的辐射发射，首先需要清楚时钟称为“骚扰最强”的信号的原因。时钟信号之所以称为强骚扰信号，是由于图中所列的三个原因。

首先，最大原因就是他的周期性。由于周期性，它的能量在频谱分布上十分集中，集中在基波频率和高次谐波频率上。

其次，时钟信号的频率是系统中频率最高的信号，我们知道，天线的辐射效率与频率关系密切。

另外，时钟信号往往是非常漂亮的脉冲波形，这意味着它包含了丰富的高次谐波成分。

首先，我们看看针对时钟信号的周期性，有什么可以破解的方法。

实际上，人们早就开始动这个脑筋，大约在20年前，就有人提出了扩谱时钟的概念，并且早就有产品出现。我隐约记得（没有去考证），当时三菱公司，依靠扩谱时钟产品，使半导体业务的经营业绩实现了明显的提高。

但是由于当时我国对电子产品的电磁兼容性要求不严，这个产品在国内还是鲜为人知。近年来，随着对电子产品的电磁兼容性日益重视，这项技术也开始受到关注。

具体说，就是让时钟信号的频率发生抖动。我们知道，时钟信号之所以成为最强的骚扰源，就是因为它是周期信号。当频率发生抖动时，他就不再是一个周期信号，因此辐射强度可以降低。

从图中可以看出，随着时钟脉冲频率的抖动，频谱由一根细高的谱线变成了较宽、较低的频谱。

频率抖动越大，扩谱效果越明显。也就是，辐射降低得越明显。因此，这是一种有利于设备通过辐射发射试验的技术途径。

这项技术不仅应用在数字电路中，在开关电源中也有应用，使开关电源的开关频率发生抖动，降低传导发射和辐射发射。

在使用扩谱技术时，需要论证是否会对系统性能产生影响。例如，会降低A/D变换的精度。

前面我们从扩散频谱能量的角度提出了一个降低时钟信号辐射的方法。

现在我们从削减高频成分的角度考虑。

图中所示的是一个脉冲时钟信号从正弦波叠加而成的过程。首先，需要一个基波，顾名思义，基波就是脉冲信号的基础部分，他决定了脉冲信号的脉冲重复频率和幅度。

基波右面的一个图是叠加了三次谐波的情况。随后的几张图，是逐渐叠加高次谐波的情况。可以看到，脉冲波形逐渐形成的过程。高次谐波越多，脉冲波形的上升沿、下降沿越陡。从脉冲波形的角度评价，波形越漂亮。但是这种漂亮的脉冲波形是华而不实的，甚至是华而有害的。

我们知道，高次谐波是最容易导致电磁干扰问题的，他们增强了近场的耦合，导致内部电路的电磁兼容问题。他们增强了辐射，导致设备不容易通过试验。

实际上，对于大部分数字电路而言，1-5次谐波所形成的脉冲波形已经可以满足电路工作的需要。因此，更高次的谐波是没用的，他们只是加重了电路的电磁骚扰。我们可以通过滤波的方法去除这些没用的高次谐波成分。

大家可能会存在一个疑问，为什么我们仅考虑了奇数次的谐波叠加，而没有考虑偶数次的谐波。这是因为，当时钟信号为50%占空比时，仅需要奇数次谐波。这并不影响我们的分析结果。

控制时钟信号高次谐波的方法是在时钟信号的输出端设置滤波电路。理想的滤波电路是将5次谐波以下的频率成分完整的保留下来，6次以上的谐波频率全部清除。但这是不现实的，因为任何滤波电路的通带和阻带之间都有过渡带。

左上角的图是一个时钟信号的波形，左下图是与他对应的辐射频谱。

右上图正确滤波后的波形和辐射频谱，可以看到，脉冲波形仍然保持漂亮的形状，但是高频的辐射明显降低。

右下图不正确滤波后的波形和辐射频谱，可以看到，虽然高频的辐射也明显降低，但是脉冲波形的形状已经不适合数字电路的要求。

这里的问题出在滤波电路的过渡带上。正确的场合，滤波电路的过渡带很短，在滤除不需要的频率成分的同时，保留了需要的频率成分。

不正确的场合，滤波电路的过渡带很长，在滤除了不需要的频率成分的同时，需要的频率成分也损失很大。这从图中可以看出，除了基波以外，所有高次谐波都受到了衰减。

不正确的滤波电路仅由一个电容构成，正确的滤波电路是一个p形滤波电路。

控制时钟高次谐波频率的意义十分重要，他不仅可以控制时钟信号负载回路的差模辐射，而且，由于地线上少了很多高次谐波电流，因此，地线上的高频噪声电压也降低，这对于降低共模辐射十分重要。

我们通过实验帮助大家理解这个含义。

图中所示的实验包括包括三种情况。

第一种情况，如左上图所示，在一块单层PCB上，上面有两条轨线，一条作为信号线，宽度1mm，另一根作为地线使用，宽度3mm.，两根轨线的长度为50mm.。在这对线的一侧施加一个20MHz脉冲信号，在另一侧用一个50W的电阻作为负载。这时的辐射情况如左下图所示。

第二种情况，在一种情况的基础上，在地线的两端连接两根20cm的导体，如中上图所示。对应的辐射如中下图所示。可见，辐射明显增强。增强部分就是外接导体产生的共模辐射。可以看到，差模辐射的部分远远小于共模辐射的部分。共模辐射的原因是，由于地线的阻抗过高，20MHz的脉冲信号电流在地线上产生了较大的电压，这个电压成为偶极天线的激励。这里的偶极天线就是两根外接导体。

第三种情况，在信号源与PCB之间安装了一个低通滤波器，如右上图所示，对应的辐射是右下图。可以看到，辐射强度明显降低，这是滤波器滤除了时钟信号中的高次谐波，不仅减少了信号回路的差模辐射，还降低了地线上的噪声电压，减小了外拖电缆的共模辐射。