一种基于晶振频谱的电路模块电磁兼容性设计方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于晶振频谱的电路模块电磁兼容性设计方法，步骤如下：步骤一：确定电路所选用晶振的输出频谱和相关参数；步骤二：通过测试电路模块电源平面输出信号频谱判定干扰来源并验证；步骤三：确定晶振干扰信号耦合路径；步骤四：进行电磁兼容改进设计。本发明从晶振频谱特征入手，研究电路模块电磁兼容性设计的共性技术，解决电磁兼容关键问题，通过对频率源模块的电磁兼容性设计和分析总结，力图为模块电路的电磁兼容性设计提供一种通用技术手段，在提高电磁兼容性设计效率的同时，增强模块电路设计的可靠性，同时具有通用性，成本低的优点。
【专利说明】
一种基于晶振频谱的电路模块电磁兼容性设计方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种电路模块的电磁兼容性设计方法，更特别地说，是指一种基于晶 振输出频谱的电路模块的电磁兼容性设计方法。属于电磁兼容领域。
【背景技术】
[0002] 从电磁能量传播的角度，可以将电磁兼容问题分成三个组成部分，分别是干扰源、 耦合通道以及敏感设备。尽管电磁兼容问题可以分成三个部分，但是由于电子设备、系统组 分复杂，干扰源的种类很难一一理清，电磁能量耦合形式更是多种多样等等客观事实，很难 真正做到全面的分析，导致了电磁兼容性设计的困难。对于传统的电磁兼容分析、设计方法 需要丰富的工程经验，并且对于设备电路结构有较好地了解，这对工程人员提出了较高的 要求;同时在寻找电磁干扰源过程中，往往会花费很大的人力、物力，耗费很长的时间，从而 延长了设计周期，增加了项目成本。这些因素导致了传统的电磁兼容性分析设计方法具有 较大的局限性，不同电磁兼容问题的解决方案可移植性较差。
【发明内容】
[0003] 本发明技术解决问题:克服现有技术的不足，提供一种基于晶振频谱的电路模块 电磁兼容性设计方法，为电路模块的电磁兼容性分析设计节约时间成本，缩短设计周期，大 大提高设计效率;在提高电磁兼容性设计效率的同时，还增强模块电路设计的可靠性，具有 通用性，成本低的优点。
[0004] 本发明技术解决方案:一种基于晶振频谱的电路模块电磁兼容性设计方法，步骤 如下：
[0005] 步骤一:确定电路所选用晶振的输出频谱和相关参数；
[0006] 理想晶振的输出频谱应只有一条谱线，但是由于晶振电路的非线性特性，晶振的 输出频谱为梳状谱，相关参数有谱基频Fo、峰值谱间距仏 18等，为了确定电路模块中的干扰 信号是否来自晶振，首先要确定电路模块所选用晶振的相关参数。所述谱基频Fo是晶振的 工作频率所对应的谱线。所述的峰值谱间距& 18是指晶振输出频谱中每条谱线之间的间距。
[0007] 步骤二:通过测试电路模块电源平面输出信号频谱判定干扰来源并验证。
[0008] 通过电路模块电源平面上预留的测试端口进行测试，得到电路模块电源平面上的 干扰信号，将干扰信号提取出来进行观察，发现干扰信号与步骤一中所得到的晶振频谱十 分类似，都为梳状谱，初步判定电路模块电源平面中的干扰信号来源为电路模块所选用的 晶振;然后对晶振频谱和电路模块电源平面中的干扰信号频谱的相关参数进行对比，如果 发现电路模块电源平面中的干扰噪声的谱基频數、峰值谱间距F dls輔潮^与步骤一中所 得到的FomFdlsISi相等，可以判定电路模块电源平面中的干扰信号来自于晶振。
[0009] 步骤三:确定晶振干扰信号耦合路径；
[0010] 在步骤二中确定了干扰源是晶振后，需要将晶振所产生的干扰信号尽可能抑制 掉，使其不会或者尽量少的耦合至电路模块电源平面，为此可以采取从耦合路径的角度来 对电路模块进行基于晶振频谱的电磁兼容性设计，所以要确定晶振干扰信号耦合路径。
[0011] 具体做法是：
[0012] (1)首先调整晶振外围电路，抑制晶振供电线路的谐波，通过电路模块电源平面测 试端口观察电路模块电源平面输出频谱；
[0013] (2)然后将晶振与电路模块中和晶振相连芯片之间的连接路径断开，且保持芯片 正常供电，通过测试端口观察电路模块电源平面输出频谱；
[0014] (3)最后重新将晶振与电路模块中和晶振相连芯片连接起来，通过电路模块电源 平面测试端口观察电路模块电源平面输出频谱。
[0015] 如步骤①调整结束之后，电路模块电源平面输出频谱并没有发生较大的变化;步 骤②调整结束后，发现电路模块电源平面输出频谱中干扰信号几乎完全消失;步骤③调整 结束后，电路模块电源平面输出频谱又出现干扰信号，则说明晶振干扰信号的耦合路径是 晶振与电路模块中和晶振相连芯片之间的连接线路，因此这部分连接电路是电磁兼容设计 的关键。
[0016] 步骤四：进行电磁兼容改进设计。
[0017] 通过步骤一、步骤二基于晶振频谱找出干扰源为电路模块上所选用的晶振，通过 步骤三找出晶振干扰信号的耦合路径是晶振与电路模块中和晶振相连芯片之间的连接线 路。步骤四将基于前三步对电路模块进行基于晶振频谱的电磁兼容性设计。
[0018] 具体的做法是：
[0019] 在晶振和电路模块中和晶振相连芯片之间的连接线路上添加滤波器来抑制晶振 输出的干扰信号直接传导至电路其它部分。
[0020] 将晶振电源平面与电路模块电源平面进行分割并在两平面之间添加磁珠来抑制 晶振输出的干扰信号通过电源平面耦合到电路的其他部分。
[0021 ]由于现阶段电路模块的小型化与集成化，电路模块多采用多层印制板设计，其中 一至多层为电源平面。
[0022]所述的电路模块电源平面是指电路模块中输出端口所对应的电源平面。电路模块 电源平面中的干扰信号可能通过空间耦合影响整个电路模块的输出结果。
[0023]所述的晶振电源平面是指电路模块中晶振所对应的电源平面。
[0024] 本发明与现有技术相比的优点在于：
[0025] (1)本发明从干扰信号频谱出发，分析干扰信号频谱特性并与电路模块中关键器 件的频谱相对比，从而确定干扰源。并不需要知道很多的电路细节也能开展电磁兼容性的 分析和设计。
[0026] (2)本发明通过观察输出频谱可以很快地定位出电磁干扰的源头，为电路模块的 电磁兼容性分析设计节约时间成本，缩短设计周期，大大提高设计效率。
[0027] (3)本发明不需要具体电路细节因此具有通用性。
【附图说明】
[0028] 图1为本发明基于晶振频谱的电路模块的电磁兼容性设计方法流程图；
[0029]图2为本发明中晶振输出频谱图；
[0030]图3为本发明中频率源模块电源平面干扰信号频谱；
[0031] 图4为本发明中步骤三步骤②结束后频率源模块电源平面输出频谱；
[0032] 图5为本发明中频率源模块的结构组成简图；
[0033] 图6为本发明中电磁兼容改进前晶振进入频率合成芯片频谱；
[0034] 图7为本发明中电磁兼容改进后晶振进入频率合成芯片频谱；
[0035] 图8为本发明中电磁兼容改进后频率源模块电源平面干扰信号频谱。
【具体实施方式】
[0036]下面将结合附图和实施例即频率源模块对本发明做进一步的说明。
[0037]如图1所示，本发明具体实现步骤如下：
[0038]步骤一:确定频率源模块所选用晶振的输出频谱和相关参数；
[0039] 理想晶振的输出频谱只有一个峰，这个峰对应的频点是晶振的工作频点，而实际 上由于晶振电路的非线性特性，实际晶振输出频谱中会有很多谐波，在频谱图上类似一个 梳子，因此将晶振的输出频谱称为梳状谱，如图2所示。
[0040] 对于晶振输出频谱可以选择以下参数来描述:谱基频Fo、峰值谱间距Fdis等。
[0041] 图2中的晶振输出频谱的参数如表1所示。
[0042]表1晶振输出频谱参数
[0044] 步骤二:通过测试频率源模块电源平面输出信号频谱判定干扰来源并验证：
[0045] 观察频率源模块电源平面的输出频谱，测量到了干扰信号的电磁频谱分量，如图3 所示，这些频谱分量之间是等间距的，Fdis?麵細=100MHz = Fdis晶振，结合电路选用的器件，初 步判定出现的干扰信号来自于频率源模块中采用的IOOMHz的晶振。为了进一步验证基于频 谱认识的电磁干扰源分析定位是否合理正确，对晶振输出频谱和频率源模块电源平面出现 的干扰信号进行对比，如表2所示。通过比较可以看出，频率源模块电源平面干扰信号来自 于晶振，晶振输出的谐波通过某种耦合途径，被电源线路拾取耦合进去。基于晶振频谱认识 来快速定位干扰源具有其便利性以及高效性。
[0046] 表2晶振输出频谱和频率源模块电源平面干扰信号频谱对比
[0048] 步骤三:确定晶振干扰信号耦合路径
[0049] 在确定了干扰源是晶振后，需要对电路进行电磁兼容改进。通常晶振都具有良好 的金属外壳，内部电路都做了良好的封装，因此想从干扰源入手进行电磁兼容改进具有难 度；由于其他模块电路不确定，从敏感设备的角度来进行电磁兼容性设计也难以开展，因此 最终从耦合路径的角度来进行电磁兼容改进。
[0050] 为了尽快将干扰路径确定，可以采取以下的步骤：
[0051] ①调整晶振外围电路，抑制晶振供电线路的谐波，通过频率源模块电源平面测试 端口观察频率源模块电源输出频谱；
[0052] ②将晶振与频率源模块中与晶振相连的芯片即频率合成芯片的连接路径断开，且 保持芯片正常供电，通过测试端口观察频率源模块电源平面输出频谱；
[0053]③重新将晶振与频率合成芯片连接起来，通过频率源模块电源平面测试端口观察 频率源模块电源平面输出频谱。
[0054] 步骤①调整结束之后，频率源模块电源平面输出频谱并没有发生较大的变化;步 骤②调整结束后，发现频率源模块电源平面输出频谱干扰信号几乎完全消失;步骤③调整 结束后，频率源模块电源平面输出频谱又出现很多干扰信号。
[0055] 其中步骤②调整结束后，频率源模块电源平面输出频谱如图4所示。
[0056] 基于以上的分析，可以确定晶振输出频谱的耦合路径，是晶振与频率合成芯片之 间的连接线路。
[0057]步骤四：进行电磁兼容改进设计
[0058] 由于晶振都具有良好的封装，其内部电路不便改动，晶振谐波的抑制很难从晶振 内部电路设计入手，比较方便的措施是通过调整耦合路径电路参数来抑制谐波信号。频率 源模块的结构组成简图如图5所示，其中虚箭头为频率源模块晶振谐波耦合路径。根据频率 源模块的电路特性，在晶振和频率源模块频率合成芯片之间的连接线路上添加滤波器来抑 制晶振输出的干扰信号直接传导至电路其它部分。将晶振电源平面与电路模块电源平面进 行分割并在两平面之间添加磁珠来抑制晶振输出的干扰信号通过电源平面耦合到电路的 其他部分。调整前后晶振进入频率合成芯片的频谱，如图6和图7所示，从图6可以发现在调 整前，晶振进入频率合成芯片的频谱不但包括正常的IOOMHz信号，还在IOOMHz到2000MHz左 右的范围内分布着许多谐波干扰信号;从图7可以发现在调整后，晶振进入频率合成芯片的 频谱的谐波干扰信号的分布范围从I OOMHz到2000MHz左右缩小到了 I OOOMHz左右，且干扰信 号的幅度有了明显的减小。比较发现调整前后晶振进入频率合成芯片的干扰信号被较大程 度的抑制。图8为电磁兼容改进后频率源模块电源平面输出频谱，从图8可以看出电磁兼容 改进后，频率源模块电源平面输出频谱中的干扰信号的幅度相对于图3即电磁兼容改进前 明显降低且分布范围变窄。电磁兼容改进后，晶振对频率源模块电源平面的干扰已经有很 大程度的抑制，达到了电磁兼容性设计的目标。
[0059] 提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本 发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修 改，均应涵盖在本发明的范围之内。
【主权项】
1. 一种基于晶振频谱的电路模块电磁兼容性设计方法，其特征在于实现步骤如下： 步骤一:确定电路模块所选用晶振的输出频谱和相关参数； 所述晶振的输出频谱为梳状谱;相关参数为谱基频Fo和峰值谱间距Fdls;所述谱基频Fo 是晶振的工作频率所对应的谱线；峰值谱间距Fdls是指晶振输出频谱中每条谱线之间的间 距； 步骤二:通过测试电路模块电源平面输出信号频谱判定干扰来源并验证； 通过电路模块电源平面上预留的测试端口进行测试，如果干扰信号与晶振频谱相似， 且干扰信号的谱基频、峰值谱间距与步骤一中确定的谱基频Fo和峰值谱间距Fdl4S等或按 近，则认为得到电路模块电源平面上的干扰信号来自于晶振； 步骤三:确定晶振干扰信号耦合路径； 在步骤二中确定了干扰源是晶振后，需要确定晶振干扰信号耦合路径，通过调整晶振 外围电路，然后将晶振与电路模块中和晶振相连芯片之间的连接路径断开，此时电路模块 电源平面输出频谱干扰信号消失，再将晶振与电路模块中和晶振相连芯片之间的连接路径 连接起来，此时电路模块电源平面输出频谱又出现干扰信号，则说明晶振干扰信号的耦合 路径是晶振与电路模块中和晶振相连芯片之间的连接线路； 步骤四：进行电磁兼容改进设计； 在晶振与电路模块中和晶振相连芯片之间的连接线路中通过添加滤波器和在电路模 块电源平面和晶振电源平面之间添加磁珠的方式来抑制干扰信号，实现电磁兼容改进设 计，从而达到基于晶振频谱的电磁兼容性设计的目的。2. 根据权利要求1所述的基于晶振频谱的电路模块电磁兼容性设计方法，其特征在于： 所述步骤二中通过电路模块电源平面上预留的测试端口进行测试，得到电路模块电源平面 上的干扰信号来自于晶振的过程为:将干扰信号提取出来进行观察，发现干扰信号与步骤 一中所得到的晶振频谱十分类似，均为梳状谱，初步判定电路模块电源平面中的干扰信号 来自于电路模块所选用的晶振;进而对晶振频谱和电路模块电源平面中的干扰信号频谱的 相关参数进行对比，如果发现电路模块电源平面中干扰噪声的谱基频F(*m數、峰值谱间距 Fdlsi?數与步骤一中确定的谱基频Fo和峰值谱间距Fdls相等，则判定电路模块电源平面中的 干扰信号来自于晶振;所述谱基频Foim數是电路模块电源平面干扰信号频谱中峰值较高、 频率最低的谱线；峰值谱间距 Fdlsim數是指电路模块电源平面干扰信号频谱中每条谱线之 间的间距。3. 根据权利要求1所述的基于晶振频谱的电路模块电磁兼容性设计方法，其特征在于： 所述步骤三确定晶振干扰信号耦合路径为： (1) 首先调整晶振外围电路，抑制晶振供电线路的谐波，通过电路模块电源平面测试端 口观察电路模块电源平面输出频谱； (2) 然后将晶振与电路模块中和晶振相连芯片之间的连接路径断开，且保持电路模块 中和晶振相连芯片正常供电，通过测试端口观察电路模块电源平面输出频谱； (3) 最后重新将晶振与电路模块中和晶振相连芯片连接起来，通过电路模块电源平面 测试端口观察电路模块电源平面输出频谱； 如果步骤（1)调整结束之后，电路模块电源平面输出频谱并没有发生较大的变化;步骤 (2)调整结束后，发现电路模块电源平面输出频谱中干扰信号几乎完全消失;步骤(3)调整 结束后，电路模块电源平面输出频谱又出现干扰信号，则说明晶振干扰信号的耦合路径是 晶振与电路模块中和晶振相连芯片之间的连接线路，这部分连接线路是电磁兼容设计的关 键。4.根据权利要求1所述的基于晶振频谱的电路模块电磁兼容性设计方法，其特征在于： 所述步骤四具体实现过程为： (1) 在晶振和电路模块中与晶振相连芯片之间的连接线路上添加滤波器来抑制晶振输 出的干扰信号直接传导至电路其它部分； (2) 将晶振电源平面与电路模块电源平面进行分割并在两平面之间添加磁珠来抑制晶 振输出的干扰信号通过电源平面耦合到电路的其他部分。
【文档编号】G06F17/50GK106055750SQ201610344254
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年5月23日
【发明人】陈爱新, 赵越, 苏东林, 应小俊, 吴文斌
【申请人】北京航空航天大学