【摘　要】　計算機的高速化、高靈敏化、高密度集成化，使計算機電磁兼容性問題更加突出。高速化帶來寬帶噪聲，高靈敏度使原可略去的弱小噪聲不可忽略，高密度集成化增加了內(nèi)部的耦合干擾，系統(tǒng)化使干擾問題更為惡化。因此，掌握電磁兼容技術(shù)，使產(chǎn)品具有良好的電磁兼容性，已經(jīng)成為現(xiàn)代電子工程師所面臨的重大挑戰(zhàn)。
　　關(guān)鍵詞：電磁兼容性，串模干擾，共模干擾

　　數(shù)字計算機是一個復雜的電子系統(tǒng)，它含有多種元器件和分系統(tǒng)。外來電磁輻射以及內(nèi)部器件之間、分系統(tǒng)之間、各傳送通道間的相互串擾對計算機及其數(shù)據(jù)信息所產(chǎn)生的干擾與破壞，嚴重地威脅著計算機工作的穩(wěn)定性、可靠性和安全性。同時，計算機作為高速運行的電子設備，又不可避免地向外輻射電磁，對環(huán)境中的人體、設備產(chǎn)生干擾、妨礙或損傷。因此，研究計算機與電磁環(huán)境的兼容性是電磁兼容性領域里的重要方面。
1　計算機電磁兼容性問題的特殊性
　　數(shù)字計算機以高速運行及傳送數(shù)字邏輯信號為兩大特征，因而在電磁兼容性問題的研究中與其它電子設備相比，具有許多特殊性。數(shù)字計算機中以數(shù)字電路為主，隨著集成電路進入了0．18μm及更微細深亞微米工藝，CPU的工作頻率不斷提升，功耗要求更低，加上數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)的高速化、寬帶化、海量化，以及大容量可編程專用器件的廣泛運用等，這一切使得計算機系統(tǒng)以低電平傳送信號時，在電磁環(huán)境中更易受內(nèi)部及外部干擾，成為干擾信號的敏感接收裝置。
　　干擾對數(shù)字電路與模擬電路的影響有本質(zhì)上的不同：對模擬電路的影響是連續(xù)的，隨干擾強度的增大而加大，干擾消失后可恢復原狀態(tài)；而數(shù)字電路是邏輯工作方式，存在閾值電平及與之相對應的干擾容限（又稱噪聲容限），只有超過這一容限的干擾信號才有危害，比模擬電路有利。數(shù)字計算機有存儲功能、判斷功能及高速運算功能，這為抗電磁干擾的設計提供了有利條件。但是也可能帶來嚴重的弊端，如在模擬電路中，瞬時干擾消失后系統(tǒng)可恢復正常工作，而在存儲記憶功能的數(shù)字電路系統(tǒng)中，瞬時干擾信號會產(chǎn)生誤碼和數(shù)據(jù)丟包甚至死機。
　　數(shù)字計算機傳送的是脈沖信號，同時也易對脈沖敏感。以開關(guān)模式工作的開關(guān)及開關(guān)電源，其變化頻率高達幾十萬赫，容易在內(nèi)外產(chǎn)生脈沖干擾。因此，脈沖干擾是研究的重點。
　　數(shù)字計算機系統(tǒng)工作頻率范圍很寬（150kHz～500MHz），包含了中波、短波、超短波及微波前端，正好與各種通信、電視、醫(yī)療、軍用儀器同頻段，電磁環(huán)境復雜，被干擾的可能性極大，當其電磁輻射空間場強超過126dB時，將對計算機構(gòu)成嚴重干擾，計算機受害的程度取決于干擾的頻率、場強及計算機自身的電磁敏感度，為了安全可靠，計算機系統(tǒng)應按要求的最小帶寬設計。
　　計算機是個低電平系統(tǒng)，但是卻能產(chǎn)生上千、上萬伏的瞬時電壓，RAM正常工作時耗電電流很小，但是在瞬間的高低電平轉(zhuǎn)換時，一片RAM能有幾十mA的電流，若變化時間僅有數(shù)個ns，則由于di／dt太大，那么對于大型和巨型的電源系統(tǒng)就有上百安培的動態(tài)變化量。發(fā)現(xiàn)和尋找計算機干擾源的辦法是尋找產(chǎn)生高頻及電流電壓發(fā)生瞬時變化（di／dt，du／dt值大）的部位。通常計算機產(chǎn)生出有威脅的干擾部位是時鐘發(fā)生器。
2　計算機系統(tǒng)的電磁干擾形式和抑制方法
　　干擾侵入計算機的主要途徑有電源系統(tǒng)、傳導通路、對空間電磁波的感應三方面（包括內(nèi)部空間的靜電場、磁場的感應），如圖1所示。

　　其中，靜電場、磁場的感應在計算機內(nèi)普遍存在，靜電是MOS電路的大敵。由于機器內(nèi)有大量的磁媒體，同時計算機工作于低電壓大電流方式（3．3V、5V、幾百安），電源線、輸入輸出線構(gòu)成高速大電流回路，故有較強的磁感應。
　　由于高速性、高密集性和邏輯工作狀態(tài)，使得計算機中使用的傳輸線常需注意按具有分布參數(shù)特性的長線的理論去考慮，長線有延時、波形畸變、受外界干擾等三方面問題，因此應采取屏蔽與匹配措施，甚至于印制電路板上的走線也要按下面公式驗證后再決定是否按長線處置：
　　Lc＝Tr／2Tp
式中，Lc—臨界長度；Tr—上升時間；Tp—延遲時間。
　　當線長大于Lc時，按長線處理，Lc的數(shù)值實質(zhì)上是頻率和波行的函數(shù)。
　　計算機中的串模與共模是干擾信號的兩種形態(tài)，在計算機中常用此來表征干擾作用的存在。如圖2所示。
　　串模干擾是指串聯(lián)于信號回路中的干擾，產(chǎn)生于傳輸線的互感，和頻率有關(guān)，常用濾波和改善采樣頻率來減少。共模干擾是干擾電壓同時加到兩條信號線上出現(xiàn)的干擾，因此線路傳輸結(jié)構(gòu)保持平衡能很好地抑制共模干擾。另外，消除地電流，也能消除共模干擾。消除地電流的辦法是一點接地或浮空隔離（脈沖變壓器、扼流圈或光耦合器截斷地電流）。共模干擾要變成串模干擾才能對電路起作用。
　　影響計算機電磁兼容性的因素見下式：　　

式中，N（w）—干擾對設備的影響；G（w）—干擾源的強弱；C（w）—干擾傳輸?shù)鸟詈弦蛩?；I（w）—受干擾設備的抗干擾能力，即敏感度閾值。
　　上式說明影響計算機受干擾程度的因素有三個方面，它們都是頻率的函數(shù)。公式提示了提高抗干擾能力的原理是：（1）切斷干擾源，即減少G（w）；（2）減小耦合，即減小C（w）；（3）提高受干擾設備的敏感度閾值，即加大I（w）。在實際情況中，往往是三個因素綜合考慮，并按（1）（2）（3）的順序去采取措施，以獲得最佳的效果。
　　硬件法、軟件法、軟硬件結(jié)合法是計算機電磁兼容性設計的三種方法，其中軟件法和軟硬件結(jié)合法是計算機突出的特點和獨到之處。這兩個方法應用的前提是硬件不被破壞、程序不受干擾和RAM中的重要數(shù)據(jù)未被破壞。因為軟件存在于ROM、RAM中，抗干擾的軟件需要靠硬件去控制執(zhí)行。
　　巨型、大型計算機定型后，存在的電磁兼容性問題便主要是機房屏蔽、接地和因運行速度提高后帶來的一系列電磁兼容性問題。研究計算機系統(tǒng)電磁兼容性問題應研究計算機本身（含電源）、總線、接口、A／D（D／A）及傳輸線的干擾、抗干擾。采用光纖電路抗電磁脈沖干擾是最理想的途徑。光束傳輸信號和處理信號利用了光技術(shù)所具有的高密集度傳送信息，不受電磁感應噪聲影響。導體上感應的以電流或電壓形式出現(xiàn)的脈沖都不能通過光學纖維進行傳輸，光信號的頻率與電磁脈沖的頻率相隔很遠，互相不會發(fā)生干擾，能確保信號的完整性。
3　數(shù)字工程師應正確理解和處理高速數(shù)字電路設計中的EMC問題
　　對于數(shù)字工程師來說，理解和處理EMC問題確實存在一定的困難，而更糟糕的是一些數(shù)字工程師根本不相信EMC。在最近的西雅圖IEEE電磁兼容性（EMC）年會上就討論了五種數(shù)字工程師容易誤解的觀點。正確認識這五種觀點有助于理解計算機系統(tǒng)的電磁兼容性設計。
　?。?）數(shù)字工程師不相信電流是循環(huán)的。從數(shù)字簡圖上可以看出，邏輯網(wǎng)上的數(shù)字信號是在門之間傳遞的，這些信號是以電子流的形式實現(xiàn)傳遞的，而電子流也總是循環(huán)流動的，但是在簡圖中并沒有示意返回信號流的路徑。

　　許多數(shù)字工程師都相信返回的路徑是不相干的。如果邏輯驅(qū)動器充當電壓源，而輸入充當電壓接收器，他們則推論出擔心電流的原因。
　?。?）數(shù)字工程師不相信H場。現(xiàn)在的高速數(shù)字系統(tǒng)電路是低阻抗的，接近50歐姆，大大低于377歐姆的自由空間阻抗，而數(shù)字電路周圍的大多數(shù)近場能量則處于磁場狀態(tài)，并非電子場狀態(tài)，因此高速數(shù)字系統(tǒng)中的交叉干擾、接地逆跳和干擾問題涉及電流、磁場和電感的循環(huán)。在EMC世界中，數(shù)字電路板周圍的近場能量大多數(shù)是磁性的。
　?。?）數(shù)字工程師不相信門是差動放大器。典型的產(chǎn)品數(shù)據(jù)單中是采用絕對伏特單位對輸入電壓的靈敏度進行評定的，但是就門僅僅對應于輸入引腳電壓和指定的參考引腳電壓之間的區(qū)別而言，沒有作出明確的說明，另外，也不明確哪一個是指定的參考引腳。（對于TTL來說，指陰極電源干線；對ECL來說，指陽極線。）
　　這種概念的不明確使許多工程師認為門可以感知“絕對零”伏特，就好象具有魔力的電線從芯片中引出，連接到地球的中心，從而找出“真正的”接地參考電壓。因而，他們無法理解系統(tǒng)中的兩點接地電壓不相等時所產(chǎn)生的問題。
　　大多數(shù)的數(shù)字工程師都沒有花時間去考慮系統(tǒng)中不同的接地電壓的存在，以及對性能產(chǎn)生的效應，或者實現(xiàn)接地移動的機制。
　?。?）數(shù)字工程師不相信電磁波。盡管在工作中會遇到大量的有關(guān)電磁場的實例，但許多的數(shù)字工程師仍不相信數(shù)字系統(tǒng)中產(chǎn)生過這種效應，其根源在于波動不存在于Spice設備中。一代電路設計者相信基于Spice的軟件仿真世界是真實條件下運作的真實電路的表現(xiàn)，但他們不理解這是有限制性的。
　?。?）數(shù)字工程師不相信理解EMC有助于自身的事業(yè)發(fā)展。

1　沙　斐．信息技術(shù)設備的電磁輻射及其抑制．安全與電子兼容，2000（3）