摘要：為測試電子產(chǎn)品電磁兼容性，基于MSP430單片機設計一種空間立體電磁干擾儀，提供多角度、多方位、多波段干擾源。設計中在帶寬、頻率一致性、信號完整性、制作工藝、調(diào)試精度等方面進行了深入研究，電路設計盡量采用功能芯片，提高整機的集成度和性能。
關(guān)鍵詞：電磁干擾；電磁兼容；系列單片機；定向發(fā)射天線

0 引言
    科學技術(shù)的發(fā)展，不僅促進了對產(chǎn)品的性能要求越來越高，同時也帶來了電磁環(huán)境的不斷惡化，在這種情況下，對電子系統(tǒng)進行環(huán)境電磁干擾測試有助于提高產(chǎn)品的工作穩(wěn)定性，也會為同類系統(tǒng)的開發(fā)積累十分寶貴的經(jīng)驗。
    在無線電波中，50～150MHz的調(diào)頻波對一般的微控制電路的干擾較大，若在產(chǎn)品樣品研制期間對其進行模擬測試，就可測出電子產(chǎn)品抗干擾能力，通過對電路的改進等，進一步優(yōu)化產(chǎn)品性能，尋找成本與實際性能的平衡點，這就是電子設備的電磁兼容性設計。因此本文提出了一種基于單片機的空間立體電磁干擾儀的設計方法，采用MSP430系列單片機F4793芯片作為控制單元，給DDSAD9852發(fā)送控制字、對電磁波幅度進行A／D采集和頻率采集、對人機交互界面及系統(tǒng)電源進行監(jiān)視。此設計可以給電子、通信產(chǎn)品開發(fā)企業(yè)提供一個仿真的電磁干擾環(huán)境。

1 設計原理
    本設計是基于MSP430單片機的電磁干擾系統(tǒng)，實際是一種調(diào)頻電磁波發(fā)生及接收裝置，該系統(tǒng)包括5大塊：電磁收集箱、50～150 MHz電磁波的發(fā)射、50～150 MHz電磁波的接收、控制模塊及電源。
    電磁波發(fā)生裝置產(chǎn)生幅度、頻率可調(diào)的波形，經(jīng)過定向天線發(fā)射；電磁波接收裝置經(jīng)過定向接收天線，電磁波被耦合，經(jīng)過處理后送給各模塊。
    整個系統(tǒng)實現(xiàn)了封閉空間內(nèi)的電磁波傳導，使得外部的、未知的電磁波與測試環(huán)境沒有任何關(guān)聯(lián)。本設計可實現(xiàn)一種提供多角度、多方位的干擾儀，給產(chǎn)品的抗電磁干擾測試帶來很大的便利。此干擾儀可以產(chǎn)生多方向的交替干擾，不需要移動被測物體即可實現(xiàn)全角度的輻射，并且各角度上的干擾波可以被統(tǒng)一和單獨控制，而一般的干擾設備只具有單方向性。另外，此干擾儀在有限空間內(nèi)產(chǎn)生的干擾波基本不會輻射到外圍空間，相對于一般的干擾設備具有更好的安全性。其參數(shù)如下：
    帶寬：頻率上限受到AD9852限制，理論上可以達到200 MHz，考慮到線路干擾和衰減，采用阻帶濾波器，帶寬限制為50～80 MHz(這樣可以用普通的調(diào)頻收音機進行簡單的發(fā)送測試)。
    頻率一致性：取50 MHz，60 MHz，70 MHz及80 MHz四個點，50Ω天線負載，輸出增益為-3～-2 dBK間，接收靈敏度大于-7 dB，采用高靈敏度收音機接收模塊采集信號，信號質(zhì)量很好。
    信號完整性：這里指的是發(fā)射信號與接收信號的匹配度，由于AD9852可以實現(xiàn)頻率調(diào)制，故加入調(diào)頻信息后的信號保真度直接反映被測設備的電磁波吸收及干擾程度。
    制作工藝：整機帶寬達到了高頻(1～100 MHz)范圍，在元件選擇和電路設計上考慮因素較多，比如信號的振鈴處理，信號線的阻抗匹配計算，系統(tǒng)的布置(是一體化還是拆分為子母板)，操作流程及界面的設計等。
    調(diào)試：由于最終采取子母板組合模式，各部件調(diào)試互不影響，調(diào)試主要包括硬件調(diào)試、程序調(diào)試及性能校調(diào)。

2 電路設計
    調(diào)頻電磁波發(fā)生及接收裝置電路如圖1所示。

2．1 電磁波產(chǎn)生電路
2．1．1 信號源
    直接數(shù)字頻率合成(DDS)是一種新的頻率合成技術(shù)，它將先進的數(shù)字處理理論與方法引入頻率合成領(lǐng)域，全數(shù)字化結(jié)構(gòu)便于實現(xiàn)程控。采用全數(shù)字的頻率合成器，頻率切換速度快，便于控制，而且易于實現(xiàn)，也能產(chǎn)生線性度高的線性調(diào)頻信號，實現(xiàn)線性調(diào)頻信號的輸出。通過AD9852芯片實現(xiàn)的可調(diào)頻率達0～300 MHz。
    DDS技術(shù)具有廣泛的應用，它可實現(xiàn)多點、高相噪的點頻和頻率步進輸出，可用來實現(xiàn)MFSK，QPSK等通信方式，在擴頻通信中能實現(xiàn)跳頻模式。
    目前，QIALCOMM公司的DDS芯片系列有Q2220，Q2230等，內(nèi)部沒有集成D／A；ANALOG公司的DDS芯片有AD9850，AD9851，AD9852等，內(nèi)部集成了高度D／A，應用更方便。
    由于本系統(tǒng)要求產(chǎn)生的信號形式有單頻連續(xù)波、單頻脈沖波、線性調(diào)頻連續(xù)波、線性調(diào)頻脈沖等波形，以AD9850為基本DDS的結(jié)構(gòu)，不支持線性調(diào)頻波形的輸出，而AD9852能輸出高信噪比的點頻信號，支持線性調(diào)頻波形的輸出和多種工作模式，支持并行和串行接口操作，數(shù)據(jù)寄存器和控制寄存器統(tǒng)一編址，控制方便。因此，本項目采用AD9852。
2．1．2 高頻小信號的放大
    由于高頻功放對信號的輸入有功率下限要求，故在小信號放大階段，必須達到一定的輸出功率，這里取30 mW。芯片選擇TI的THS3112及THS4021電流反饋型高頻運放。
2．1．3 高頻信號驅(qū)動功放
    采用帶寬為1．8～175 MHz MC7210，該模塊對輸入功率要求較低，為7 mW，且頻率增益曲線較為平坦，在30 MHz時增益為25 dB，假設輸出功率為1 W，通過Gp=10log(Po／Pi)的換算，得輸入功率僅為3．1mW。對較專業(yè)的高頻模塊來說，MC7210性價比較高。
2．1．4 定向發(fā)射天線
    對于50～150 MHz的發(fā)射系統(tǒng)來說，若采用長直導線，則天線將變得很長，故參考一般收音機的天線設計，將3 m長的油浸導線纏繞在低感磁棒上，依次做3根，將同名端導線串接起來，這樣三組構(gòu)成了一個磁棒天線陣列，定向發(fā)射的指向性較好。
2．2 電磁波接收電路
    定向接收天線制作參考定向發(fā)射天線。
2．2．1 高頻小信號的放大及濾波
    天線采集到的信號十分微弱且夾雜噪音(由被測件產(chǎn)生)，故要對其進行放大和濾波處理，由于要驅(qū)動兩路(一路幅度采樣，一路頻率采樣)輸出，故應加入一級電壓跟隨器。
2．2．2 信號的幅度檢波
    這部分主要對電磁波的峰峰值采樣，該值對應于定向接收天線采樣到的電磁波的最大值與最小值，由于處于調(diào)頻范圍，故采用“加強型德生PL-600”收音機的檢波電路的后級處理模塊，使得輸出達到±2 V，足夠送給A／D采樣模塊。
2．2．3 信號的頻率采集
    頻率采集使用CPLD測頻方法：使輸入的信號作為時鐘信號，經(jīng)過內(nèi)部1／K(K可調(diào))的分頻，出來的周期已經(jīng)十分緩慢，這時再用單片機對其測周期，得出的值將十分接近精確。由于CPLD的時鐘一般為方波，故這里要將經(jīng)過高頻小信號的放大及濾波后信號進行施密特變換，然后再送給CPLD。
    采用幅度與頻率分開測量的好處就是節(jié)約了整體成本，若采用DSP加高速A／D采集的方案，成本將翻好幾番，且調(diào)試難度增大。
2．3 電磁收集箱
    電磁收集箱主要對電磁波進行空間屏蔽，使得外部與內(nèi)部的電磁波隔離。電磁波由發(fā)射天線經(jīng)過被測件傳遞至接收天線完成電磁波的傳遞回路。
2．4 控制模塊
    這里采用MSP430系列單片機F4793芯片作為控制單元，主要給DDS AD9852發(fā)送控制字、對電磁波幅度進行A／D采集和頻率采集，對人機交互界面及系統(tǒng)電源進行監(jiān)視。
2．5 電源監(jiān)視
    單片機4793通過A／D采集監(jiān)視系統(tǒng)各電源。
    由于本系統(tǒng)要求的核心技術(shù)是產(chǎn)生信號形式為單頻連續(xù)波、單頻脈沖波、線性調(diào)頻連續(xù)波、線性調(diào)頻脈沖等波形，以AD9850為基本DDS的結(jié)構(gòu)，不支持線性調(diào)頻波形的輸出。因此本系統(tǒng)運用AD9852能輸出高信噪比的點頻信號，支持線性調(diào)頻波形的輸出和多種工作模式，支持并行和串行接口操作，數(shù)據(jù)寄存器和控制寄存器統(tǒng)一編址，具有控制方便的特點，實現(xiàn)了上述信號的特征和要求。

3 結(jié)論
    本設計提供了一種電磁仿真環(huán)境，其電路設計先進，集成度高，具有空間立體特征。由于采用了單片機控制，在多波段、多方位、多角度、頻率一致性、信號完整性、功率控制等方面具有明顯優(yōu)勢。在現(xiàn)代電磁環(huán)境越發(fā)惡劣的情況下，為電子產(chǎn)品的抗干擾試驗，即電磁兼容性設計提供了很好的技術(shù)支撐。