EDA技術(shù)在激光引信設(shè)計中的應(yīng)用

本文針對目前激光引信探測系統(tǒng)的實際情況，在充分利用現(xiàn)有的軟硬件資源開展型號研制過程中，利用 Mentor Graphics軟件進(jìn)行激光引信電路的設(shè)計，使引信設(shè)計更加方便、高效和優(yōu)化，能大大提高設(shè)計的可靠性，并縮短設(shè)計周期。從激光引信電路的傳輸特性、串?dāng)_耦合路徑入手，與引信電路的實際測試相結(jié)合，研究發(fā)射電路對激光引信的干擾機(jī)理并提出改進(jìn)措施，解決了激光引信電磁干擾的問題，取得了較滿意的結(jié)果。

1 引言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子、電氣設(shè)備獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。運(yùn)行中的電子、電氣設(shè)備大多都伴隨著電磁能量的轉(zhuǎn)換，高密度、寬頻譜的電磁信號構(gòu)成了極其復(fù)雜的電磁環(huán)境。如何提高電子設(shè)備在復(fù)雜的電磁環(huán)境中的生存能力，以保證達(dá)到初始的設(shè)計目標(biāo)，成為人們越來越關(guān)注的問題。激光引信電路設(shè)計的重要內(nèi)容之一就是研究控制和消除電磁干擾，使激光引信的各分系統(tǒng)在一起工作時，不引起其它設(shè)備或系統(tǒng)的工作性能的惡化或降低。簡要的說，就是如何實現(xiàn)一個設(shè)備在電磁環(huán)境中正常的工作，同時又不能對別的設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾。

2 應(yīng)用開發(fā)背景

近年來隨著技術(shù)的發(fā)展，激光引信開始向智能化、多功能和小型化方向發(fā)展，尤其是體積的縮小使得大功率、高頻電路、激光器、電源等強(qiáng)電磁波發(fā)生源與大量對電磁干擾敏感的元器件安裝在一起，因此消除激光引信內(nèi)部干擾變得至關(guān)重要。通過EDA技術(shù)在激光引信中的應(yīng)用，在引信電路設(shè)計之初就充分考慮系統(tǒng)的噪聲抑制，可以有效減少引信內(nèi)部的干擾，提高電磁兼容性。

在此基礎(chǔ)上我們結(jié)合激光引信發(fā)射電路，應(yīng)用Mentor Graphics公司的原理圖設(shè)計、元器件建庫、PCB布局布線等，并達(dá)到了較好的效果。我們利用Mentor提供的轉(zhuǎn)換接口工具將前版的Protel原理圖直接轉(zhuǎn)換為 Dxdesigner格式，然后在此基礎(chǔ)上改進(jìn)原理圖。原理圖設(shè)計是整個硬件設(shè)計的前端，它的完成質(zhì)量將對后面環(huán)節(jié)起決定作用。

DxDesigner是業(yè)界功能最強(qiáng)大的原理圖設(shè)計輸入工具，支持自頂向下以及自底向上的設(shè)計方式，支持層次化的設(shè)計輸入與設(shè)計管理，也支持平面方式以及混合方式的原理圖輸入方式，支持分頁設(shè)計。Mentor功能強(qiáng)大，但使用并不復(fù)雜，很多功能通過菜單或者快捷鍵、筆畫方式可以很快的運(yùn)行。而且它還提供了各種窗口，如可以在原理圖中預(yù)覽PCB封裝、可以直接編輯網(wǎng)絡(luò)連接關(guān)系、多個器件屬性的同時編輯等。

Mentor公司的高端PCB設(shè)計工具Expedition PCB，從它的界面我們可以看出它完全針對Windows應(yīng)用環(huán)境而開發(fā)，用戶界面友好，操作方便。Expedition PCB布局布線工具是真正的任意角度布線器，布線方式多種多樣，尤其擅長高密度多層板布線；支持自動布線，總線布線和高速布線。功能上完全滿足現(xiàn)有及將來高密度互連、高速布線等PCB設(shè)計要求。它的自動布線器特別優(yōu)秀，使我們以前對自動布線器不實用的認(rèn)識得到了改變。一塊中等難度的PCB，采用一定的布線策略可以在幾分鐘內(nèi)完成布線。

3 主要應(yīng)用和研究內(nèi)容

3.1激光引信干擾源

典型的脈沖激光引信系統(tǒng)通常由五個部分組成：激光發(fā)射模塊、接收模塊、時刻鑒別單元、高精度時間間隔測量單元和處理模塊。激光發(fā)射模塊在某時刻發(fā)射激光脈沖，其中一小部分功率直接進(jìn)入回波接收單元并觸發(fā)信號，開始時間間隔測量；其余功率從發(fā)射電路向目標(biāo)發(fā)射出去，經(jīng)距離L到達(dá)目標(biāo)后被反射；接收通道的光電探測器接收到返回激光脈沖，經(jīng)放大后到達(dá)信號的放大及整形單元，產(chǎn)生終止信號，終止時間間隔測量；高精度計數(shù)單元把所測得的時間間隔結(jié)果t輸出到處理控制單元，最后得到距離。因此激光引信發(fā)射電路設(shè)計中如何提高抗干擾能力以免影響系統(tǒng)正常工作、甚至造成系統(tǒng)虛警乃至失效顯得十分重要。實際上，解決激光引信電磁干擾問題效果一直不甚理想，電路測試中能觀測到較明顯的干擾信號。

圖1是在Protel環(huán)境下完成的設(shè)計后，單板的實際測試結(jié)果，由圖中可看出，在發(fā)射電路發(fā)射脈沖的同時，對接收系統(tǒng)產(chǎn)生較大影響，前端毛刺即為發(fā)射電路對接收系統(tǒng)的干擾，其干擾閾值超過0.5v。激光引信自身的電磁干擾主要來自于發(fā)射模塊。發(fā)射電路中周期性變化的脈沖時域信號含有豐富的諧波，對應(yīng)的頻譜是離散頻譜，使其在脈沖頻率的整數(shù)倍頻率處的頻譜強(qiáng)度較非周期性變化的時域信號要高，因此在這些頻率處具有較強(qiáng)的干擾輻射。發(fā)射電路中的主要干擾形式是傳導(dǎo)干擾和近場干擾。印刷線路板的走線通常采用手工布局，具有更大的隨意性，這就增加了PCB分布參數(shù)的提取和近場干擾預(yù)測的難度。

3.2發(fā)射電路的串?dāng)_分析

對于激光引信電路，其上的傳輸線由于傳輸高頻信號，呈現(xiàn)電學(xué)長線特性，這些要用傳輸線的分布參數(shù)概念來解釋。當(dāng)高頻信號通過傳輸線時，傳輸線反映出的分布參數(shù)效應(yīng)有四個：由于電流流過導(dǎo)線使導(dǎo)線發(fā)熱，這表明導(dǎo)線本身有分布電阻；由于導(dǎo)線間絕緣不完善而存在漏電流，這表明導(dǎo)線間處處有漏電導(dǎo)；由于導(dǎo)線中通過電流時周圍有磁場，因而導(dǎo)線上存在分布電感效應(yīng)；又因為導(dǎo)線間有電壓，導(dǎo)線間有電場，故導(dǎo)線間存在電容效應(yīng)。

當(dāng)負(fù)載阻抗不等于特性阻抗值時，它不能完全吸收到達(dá)的電磁能量，有一部分能量將從接受端反射回來，形成反射波。在傳輸線路中的各點(diǎn)反射波與入射波產(chǎn)生合成波，這種合成波稱為駐波。由于一般傳輸線很難達(dá)到匹配狀況，所以駐波是最普遍的傳輸形式。

圖2 激光引信原理圖訪真

在引信電路中，由于器件寄生參數(shù)的存在使得波形畸變，甚至造成更加陡峭的電壓和電流變化率。一般來說開關(guān)電源傳導(dǎo) EMI頻譜包含基頻(周期為數(shù)十毫秒)。由于對電磁兼容(EMC)的描述被定義在頻域，所以有必要將時域波形轉(zhuǎn)換到頻域。具體轉(zhuǎn)化過程如下:由傅立葉定理可得，任何周期信號都能被表示為正弦和余弦信號的級數(shù)形式，其頻率是基頻的整數(shù)倍。然而，因為EMI的頻域范圍很寬，所以需要花費(fèi)很長時間和精力對每一個諧波的幅度進(jìn)行嚴(yán)格的分析。其中電路的正向di導(dǎo)通所用時間，是引起 dt 變化的主要原因。在激光引信電路中，這個電流尖峰的頻譜很寬，有很大的變化率，可以帶來以下后果:1)在接收回路的電阻上產(chǎn)生很大的電壓；2)使接收回路產(chǎn)生振蕩；3)變化的電流產(chǎn)生變化的磁場，干擾周圍回路的正常工作。

根據(jù)以上分析，我們在Mentor環(huán)境下重新設(shè)計了激光引信發(fā)射電路。單板的實際測試結(jié)果，由圖中可看出，前端毛刺即為發(fā)射電路對接收系統(tǒng)的干擾明顯低于之前的0.5v，信噪比有明顯改善。

4 應(yīng)用效果及效益分析

在本次設(shè)計的過程中應(yīng)用了仿真技術(shù)取得了較好的效果，保證了制板的一次性成功。在實際設(shè)計中，EDA技術(shù)具有操作交互性好、細(xì)節(jié)處理好等特點(diǎn)，可以有效幫助我的設(shè)計不是盲目任意的，所有的設(shè)計內(nèi)容都是基于我們分析的結(jié)果。這樣可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量，減少盲目設(shè)計帶來的反復(fù)。基于這個設(shè)計思想，Mentor可以在設(shè)計的前期就把我們得到的設(shè)計規(guī)則加到設(shè)計中去，從而保證了設(shè)計的一致性。

5 總結(jié)

實驗表明，借助于 EDA技術(shù)可以有效提高激光引信的設(shè)計質(zhì)量，能夠?qū)﹄娐分械母蓴_進(jìn)行合理的預(yù)測、分析。最大程度地減少了重復(fù)設(shè)計的次數(shù)。為今后系統(tǒng)訪真設(shè)計提供了重要參考。