EDA技术在激光引信设计中的应用

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本文针对目前激光引信探测系统的实际情况，在充分利用现有的软硬件资源开展型号研制过程中，利用 Mentor Graphics软件进行激光引信电路的设计，使引信设计更加方便、高效和优化，能大大提高设计的可靠性，并缩短设计周期。从激光引信电路的传输特性、串扰耦合路径入手，与引信电路的实际测试相结合，研究发射电路对激光引信的干扰机理并提出改进措施，解决了激光引信电磁干扰的问题，取得了较满意的结果。
       
        1 引言
        随着现代科学技术的发展，电子、电气设备获得了越来越广泛的应用。运行中的电子、电气设备大多都伴随着电磁能量的转换，高密度、宽频谱的电磁信号构成了极其复杂的电磁环境。如何提高电子设备在复杂的电磁环境中的生存能力，以保证达到初始的设计目标，成为人们越来越关注的问题。激光引信电路设计的重要内容之一就是研究控制和消除电磁干扰，使激光引信的各分系统在一起工作时，不引起其它设备或系统的工作性能的恶化或降低。简要的说，就是如何实现一个设备在电磁环境中正常的工作，同时又不能对别的设备产生电磁干扰。
       
        2 应用开发背景
        近年来随着技术的发展，激光引信开始向智能化、多功能和小型化方向发展，尤其是体积的缩小使得大功率、高频电路、激光器、电源等强电磁波发生源与大量对电磁干扰敏感的元器件安装在一起，因此消除激光引信内部干扰变得至关重要。通过EDA技术在激光引信中的应用，在引信电路设计之初就充分考虑系统的噪声抑制，可以有效减少引信内部的干扰，提高电磁兼容性。
       
        在此基础上我们结合激光引信发射电路，应用Mentor Graphics公司的原理图设计、元器件建库、PCB布局布线等，并达到了较好的效果。我们利用Mentor提供的转换接口工具将前版的Protel原理图直接转换为 Dxdesigner格式，然后在此基础上改进原理图。原理图设计是整个硬件设计的前端，它的完成质量将对后面环节起决定作用。
         
        DxDesigner是业界功能最强大的原理图设计输入工具，支持自顶向下以及自底向上的设计方式，支持层次化的设计输入与设计管理，也支持平面方式以及混合方式的原理图输入方式，支持分页设计。Mentor功能强大，但使用并不复杂，很多功能通过菜单或者快捷键、笔画方式可以很快的运行。而且它还提供了各种窗口，如可以在原理图中预览PCB封装、可以直接编辑网络连接关系、多个器件属性的同时编辑等。
         
        Mentor公司的高端PCB设计工具Expedition PCB，从它的界面我们可以看出它完全针对Windows应用环境而开发，用户界面友好，操作方便。Expedition PCB布局布线工具是真正的任意角度布线器，布线方式多种多样，尤其擅长高密度多层板布线；支持自动布线，总线布线和高速布线。功能上完全满足现有及将来高密度互连、高速布线等PCB设计要求。它的自动布线器特别优秀，使我们以前对自动布线器不实用的认识得到了改变。一块中等难度的PCB，采用一定的布线策略可以在几分钟内完成布线。
       
        3 主要应用和研究内容
        3.1激光引信干扰源
       
        典型的脉冲激光引信系统通常由五个部分组成：激光发射模块、接收模块、时刻鉴别单元、高精度时间间隔测量单元和处理模块。激光发射模块在某时刻发射激光脉冲，其中一小部分功率直接进入回波接收单元并触发信号，开始时间间隔测量；其余功率从发射电路向目标发射出去，经距离L到达目标后被反射；接收通道的光电探测器接收到返回激光脉冲，经放大后到达信号的放大及整形单元，产生终止信号，终止时间间隔测量；高精度计数单元把所测得的时间间隔结果t输出到处理控制单元，最后得到距离。因此激光引信发射电路设计中如何提高抗干扰能力以免影响系统正常工作、甚至造成系统虚警乃至失效显得十分重要。实际上，解决激光引信电磁干扰问题效果一直不甚理想，电路测试中能观测到较明显的干扰信号。
       
        图1是在Protel环境下完成的设计后，单板的实际测试结果，由图中可看出，在发射电路发射脉冲的同时，对接收系统产生较大影响，前端毛刺即为发射电路对接收系统的干扰，其干扰阈值超过0.5v。激光引信自身的电磁干扰主要来自于发射模块。发射电路中周期性变化的脉冲时域信号含有丰富的谐波，对应的频谱是离散频谱，使其在脉冲频率的整数倍频率处的频谱强度较非周期性变化的时域信号要高，因此在这些频率处具有较强的干扰辐射。发射电路中的主要干扰形式是传导干扰和近场干扰。印刷线路板的走线通常采用手工布局，具有更大的随意性，这就增加了PCB分布参数的提取和近场干扰预测的难度。
       
        3.2发射电路的串扰分析
        对于激光引信电路，其上的传输线由于传输高频信号，呈现电学长线特性，这些要用传输线的分布参数概念来解释。当高频信号通过传输线时，传输线反映出的分布参数效应有四个：由于电流流过导线使导线发热，这表明导线本身有分布电阻；由于导线间绝缘不完善而存在漏电流，这表明导线间处处有漏电导；由于导线中通过电流时周围有磁场，因而导线上存在分布电感效应；又因为导线间有电压，导线间有电场，故导线间存在电容效应。
       
        当负载阻抗不等于特性阻抗值时，它不能完全吸收到达的电磁能量，有一部分能量将从接受端反射回来，形成反射波。在传输线路中的各点反射波与入射波产生合成波，这种合成波称为驻波。由于一般传输线很难达到匹配状况，所以驻波是最普遍的传输形式。
       
        图2 激光引信原理图访真
       
        在引信电路中，由于器件寄生参数的存在使得波形畸变，甚至造成更加陡峭的电压和电流变化率。一般来说开关电源传导 EMI频谱包含基频(周期为数十毫秒)。由于对电磁兼容(EMC)的描述被定义在频域，所以有必要将时域波形转换到频域。具体转化过程如下:由傅立叶定理可得，任何周期信号都能被表示为正弦和余弦信号的级数形式，其频率是基频的整数倍。然而，因为EMI的频域范围很宽，所以需要花费很长时间和精力对每一个谐波的幅度进行严格的分析。其中电路的正向di导通所用时间，是引起 dt 变化的主要原因。在激光引信电路中，这个电流尖峰的频谱很宽，有很大的变化率，可以带来以下后果:1)在接收回路的电阻上产生很大的电压；2)使接收回路产生振荡；3)变化的电流产生变化的磁场，干扰周围回路的正常工作。
       
        根据以上分析，我们在Mentor环境下重新设计了激光引信发射电路。单板的实际测试结果，由图中可看出，前端毛刺即为发射电路对接收系统的干扰明显低于之前的0.5v，信噪比有明显改善。
       
         
        4 应用效果及效益分析
        在本次设计的过程中应用了仿真技术取得了较好的效果，保证了制板的一次性成功。在实际设计中，EDA技术具有操作交互性好、细节处理好等特点，可以有效帮助我的设计不是盲目任意的，所有的设计内容都是基于我们分析的结果。这样可以提高产品的质量，减少盲目设计带来的反复。基于这个设计思想，Mentor可以在设计的前期就把我们得到的设计规则加到设计中去，从而保证了设计的一致性。
       
        5 总结
        实验表明，借助于 EDA技术可以有效提高激光引信的设计质量，能够对电路中的干扰进行合理的预测、分析。最大程度地减少了重复设计的次数。为今后系统访真设计提供了重要参考。