使用擴(kuò)頻振蕩器減少消費(fèi)品中的輻射發(fā)射

1975年，美國負(fù)責(zé)監(jiān)管射頻（RF）發(fā)射的政府機(jī)構(gòu)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）頒布了名為FCC Part 15的新法規(guī)。這些不是針對控制無線電和電視發(fā)射機(jī)等設(shè)備，也不是故意輻射高功率射頻能量的飛機(jī)導(dǎo)航和緊急信標(biāo)。相反，這些法規(guī)試圖控制不故意輻射射頻能量的設(shè)備，如電視、汽車和低功耗、不受管制的射頻輻射器，如對講機(jī)和電子遙控器。在 1980 年代和 1990 年代，從微波爐到手機(jī)的電子設(shè)備激增。這些設(shè)備之間的交叉干擾成為一個(gè)問題。解決輻射發(fā)射問題的傳統(tǒng)方法包括屏蔽、仔細(xì)的電路板布局以及濾波以減少不需要的輻射發(fā)射。隨著電子設(shè)備變得越來越小，使用了另一種從通信應(yīng)用中借用的技術(shù)擴(kuò)頻。本文介紹了擴(kuò)頻的背景和歷史，并描述了今天如何將其用作減少消費(fèi)電子設(shè)備中輻射發(fā)射的技術(shù)。

概述

1975年，美國負(fù)責(zé)監(jiān)管射頻（RF）發(fā)射的政府機(jī)構(gòu)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）頒布了名為FCC Part 15的新法規(guī)。這些不是針對控制無線電和電視發(fā)射機(jī)等設(shè)備，也不是故意輻射高功率射頻能量的飛機(jī)導(dǎo)航和緊急信標(biāo)。相反，這些法規(guī)試圖控制不故意輻射射頻能量的設(shè)備，如電視、汽車和低功耗、不受管制的射頻輻射器，如對講機(jī)和電子遙控器。

這些規(guī)定背后的動(dòng)機(jī)的一個(gè)很好的例子發(fā)生在幾年前的達(dá)拉斯/沃斯堡機(jī)場。飛行員在起飛和著陸期間報(bào)告了最近開發(fā)的電子飛行控制系統(tǒng)失控的情況。FCC將原因追溯到周圍郊區(qū)家庭中遙控車庫門開啟器的干擾。Part 15 法規(guī)通過要求在美國銷售的所有電子設(shè)備都經(jīng)過測試和認(rèn)證來解決這個(gè)問題，以確保不會(huì)有可能導(dǎo)致其他電子設(shè)備故障的輻射射頻能量。

在 1980 年代和 1990 年代，從微波爐到手機(jī)的電子設(shè)備激增。這些設(shè)備之間的交叉干擾成為一個(gè)問題。微波爐干擾了心臟起搏器，而電纜調(diào)制解調(diào)器干擾了無繩電話。同樣，計(jì)算機(jī)顯示器輻射出足夠的射頻能量，干擾了附近的大多數(shù)其他電子設(shè)備。

FCC和其他監(jiān)管機(jī)構(gòu)，如歐洲的電磁兼容性（EMC）機(jī)構(gòu)，對所有電子產(chǎn)品中的這些排放進(jìn)行了更嚴(yán)格的監(jiān)管。在美國，F(xiàn)CC 第 68 部分受工業(yè)和商業(yè)電子設(shè)備監(jiān)管。第68部分A類涉及工業(yè)環(huán)境中使用的設(shè)備，而第68部分B類涉及消費(fèi)品。本文將僅重點(diǎn)介紹 B 類電子產(chǎn)品。

減少輻射發(fā)射

輻射發(fā)射發(fā)生在任何具有變化的電信號(hào)輻射發(fā)射的電子產(chǎn)品中。在時(shí)鐘以一定頻率運(yùn)行的PC主板的情況下，它將輻射緊緊圍繞主振蕩器頻率的RF能量。

定義：

輻射敏感性是電子設(shè)備對來自外部射頻能量源接口的靈敏度。

輻射發(fā)射是由一臺(tái)電氣設(shè)備（如 PC 或顯示器）無意中輻射的射頻能量，這可能會(huì)對另一臺(tái)電氣設(shè)備產(chǎn)生一些影響。

EMC（電磁兼容性）：電子設(shè)備成為“良好電磁鄰居”的能力：它既不會(huì)引起電磁干擾，也不會(huì)受到電磁干擾（在適用標(biāo)準(zhǔn)的范圍內(nèi)）。參見：術(shù)語表定義

EMI（電磁干擾）：來自電磁輻射的有害噪聲。參見：術(shù)語表定義

如果測量來自PC主板的輻射RF能量，則振蕩器中心頻率處存在輻射尖峰（圖1）。FCC 對消費(fèi)品的要求（FCC 第 68 部分，B 類）要求在任何給定頻率下輻射發(fā)射必須低于規(guī)定的最大值。

圖1.典型晶體振蕩器發(fā)射與 FCC 最大值的比較。

具有諷刺意味的是，這些標(biāo)準(zhǔn)并沒有減少輻射的能量總量，只會(huì)減少在任何一個(gè)頻率下可能輻射的峰值能量。

減少輻射發(fā)射的傳統(tǒng)、較老的方法涉及遏制。一臺(tái)個(gè)人電腦使用其接地的鋼柜作為屏蔽來攔截和消散主板輻射的能量。封閉電子設(shè)備中使用的塑料柜通常涂有金屬層并接地以達(dá)到相同的目的。隨著電子產(chǎn)品的激增并變得越來越小，遏制技術(shù)變得更加難以實(shí)現(xiàn)。電子產(chǎn)品的時(shí)鐘速度更高，包括更高的諧波頻率，這迫使設(shè)計(jì)人員使用屏蔽、EMI濾波和仔細(xì)的電路布局等技術(shù)來減少輻射發(fā)射。隨著消費(fèi)電子產(chǎn)品的萎縮，這種方法變得昂貴且更加困難。需要一種新的方法來減少這些峰值輻射發(fā)射。

通過擴(kuò)展或抖動(dòng)系統(tǒng)時(shí)鐘的頻率，輻射發(fā)射可以在窄頻譜上“涂抹”，從而減少任何一個(gè)頻率的峰值輻射發(fā)射。這簡化了設(shè)計(jì)工程師的任務(wù)并降低了制造產(chǎn)品的成本。在過去幾年中，這種使用擴(kuò)頻時(shí)鐘振蕩器來減少峰值輻射發(fā)射的做法在從PC主板到打印機(jī)的所有產(chǎn)品中都得到了普及。

擴(kuò)頻的歷史

在第二次世界大戰(zhàn)期間，美國海軍遇到了無線電控制魚雷的問題，這些魚雷被調(diào)諧到與發(fā)射無線電相同頻率的高強(qiáng)度射頻信號(hào)“干擾”。這是輻射敏感性的一個(gè)例子。11 年 1942 月 2 日，海蒂·凱斯勒·馬基和喬治·安泰爾獲得了解決這一問題的“秘密通信系統(tǒng)”的美國專利號(hào) 292，387，<>。該設(shè)備使用一種機(jī)制在發(fā)射器上的頻率之間快速切換（這種技術(shù)類似于現(xiàn)在所說的跳頻）。魚雷接收器上的類似設(shè)備在相同頻率之間切換并捕獲傳輸信號(hào)?？刂启~雷的信號(hào)從未在任何單個(gè)頻率上停留足夠長的時(shí)間，以至于被單個(gè)頻率的外部RF信號(hào)干擾。半個(gè)世紀(jì)后，這種技術(shù)的更復(fù)雜的版本被用于減少對蜂窩和無繩電話等通信設(shè)備的干擾。

使用擴(kuò)頻技術(shù)減少輻射發(fā)射

雖然術(shù)語擴(kuò)頻用于減少消費(fèi)電子產(chǎn)品中輻射發(fā)射的技術(shù)，但該應(yīng)用與無繩電話等設(shè)備中使用的應(yīng)用不同。在無繩電話中，發(fā)射器和接收器的工作頻率被一致掃過一個(gè)頻帶，從而減少了任何一個(gè)頻率的外部輻射的影響。

在PC等消費(fèi)類產(chǎn)品中，使用擴(kuò)頻技術(shù)來減少無意發(fā)射機(jī)的RF，涉及在頻率頻帶上掃描驅(qū)動(dòng)PC的時(shí)鐘。因此，任何輻射發(fā)射都分布在頻段上，并且只有總能量的一小部分以任何一個(gè)頻率輻射。這會(huì)將該頻率的峰值能量降低到FCC規(guī)定的水平以下。

上述方法使用施加到振蕩器的信號(hào)，該信號(hào)根據(jù)信號(hào)電平移動(dòng)頻率。在最簡單的形式中，三角形信號(hào)施加到振蕩器電路上，振蕩器電路根據(jù)三角形幅度的函數(shù)改變振蕩器的頻率（圖 2）。實(shí)際上，所應(yīng)用信號(hào)的形狀可能與此三角形示例略有不同。

圖2.振蕩器抖動(dòng)。

圖3.時(shí)鐘頻譜抖動(dòng)比較。

圖3顯示了抖動(dòng)DS1086振蕩器的輻射發(fā)射輸出與前面所示晶體振蕩器的輻射發(fā)射輸出。圖中顯示DS1086的抖動(dòng)輸出為0%，抖動(dòng)輸出為4%。該圖顯示了振蕩器頻率的“擴(kuò)散”如何將任何特定頻率的峰值輻射發(fā)射降低到FCC規(guī)定的水平以下。選擇抖動(dòng)信號(hào)的頻率，使其遠(yuǎn)低于其抖動(dòng)的振蕩器的頻率。因此，由振蕩器驅(qū)動(dòng)的電子設(shè)備不受快速頻率變化的影響。它還被選擇在頻率的可聽范圍以上，以便電路中的無功元件（例如電容器和電感器）不會(huì)產(chǎn)生可聽噪聲。上圖顯示了晶體振蕩器的輻射能量頻譜，在經(jīng)濟(jì)振蕩器上呈“0%”擴(kuò)散，在經(jīng)濟(jì)振蕩器?上呈4%的擴(kuò)散。2%的點(diǎn)差可用，但未顯示。“0%”點(diǎn)差實(shí)際上大約是1/<>%到<>%的點(diǎn)差，這是由于經(jīng)濟(jì)振蕩器架構(gòu)固有的抖動(dòng)特性。

The DS1086

DS1086是一款經(jīng)濟(jì)振蕩器，設(shè)計(jì)用于在振蕩器輸出端產(chǎn)生抖動(dòng)，減少從打印機(jī)到游戲機(jī)等系統(tǒng)中的輻射發(fā)射。該器件由一個(gè)可編程的 66MHz 至 133MHz 時(shí)鐘頻率發(fā)生器組成，可通過一個(gè) 10 線接口以 2kHz 的增量進(jìn)行調(diào)諧。這與將主振蕩器頻率除以 2 的預(yù)分頻器結(jié)合使用X（其中 x = 0 至 8），提供從 260kHz 到 133MHz 的廣泛頻率選擇。輸入引腳提供控制，用于對時(shí)鐘輸出進(jìn)行選通、打開和關(guān)閉抖動(dòng)以及禁用主振蕩器?？蛇x擇三個(gè)抖動(dòng)選項(xiàng)：“0%”、“2%”和 4%。與其他制造商的低EMI振蕩器不同，DS1086無需外部晶振或時(shí)鐘基準(zhǔn)即可工作，使其成為目前尺寸最小的低EMI時(shí)鐘（圖4）。該器件采用 8 引腳 SO 封裝。

圖4.DS1086擴(kuò)頻經(jīng)濟(jì)振蕩器。

與其他經(jīng)濟(jì)振蕩器一樣，DS1086使用精確控制的數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）和校準(zhǔn)的壓控振蕩器（VCO）來產(chǎn)生中心頻率輸出。通過將三角波電壓信號(hào)相加到VCO輸入中，將頻率抖動(dòng)注入輸出頻率。三角波的幅度決定了輸出時(shí)鐘中的百分比抖動(dòng)。這可以設(shè)置為 0%、2% 或 4%，具體取決于應(yīng)用程序。請注意，0% 抖動(dòng)選擇具有大約 1% 的抖動(dòng)，這是所有經(jīng)濟(jì)振蕩器架構(gòu)所固有的。與晶體振蕩器相比，即使是具有此特性的標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)濟(jì)振蕩器，輻射頻譜也減少了10dBm，而無需任何額外的電路。

總結(jié)

消費(fèi)電子產(chǎn)品的FCC輻射發(fā)射合規(guī)標(biāo)準(zhǔn)使電路設(shè)計(jì)人員的工程工作變得越來越困難。更快的時(shí)鐘速度包括更高的諧波頻率，迫使設(shè)計(jì)人員使用屏蔽、EMI濾波和仔細(xì)的電路板布局來減少輻射發(fā)射。通過在系統(tǒng)時(shí)鐘的中心頻率上添加頻率調(diào)制（FM）或“抖動(dòng)”，輻射發(fā)射可以分布在窄頻譜上，從而減少任何一個(gè)頻率的峰值輻射發(fā)射，滿足FCC要求。

這簡化了設(shè)計(jì)人員的工程任務(wù)，并可以大大降低成品的成本。在過去幾年中，擴(kuò)頻時(shí)鐘振蕩器的使用越來越受歡迎。時(shí)鐘的特點(diǎn)是頻率的相對精確的短期穩(wěn)定性，通常在200ppm到300ppm的數(shù)量級(jí)。長期頻率穩(wěn)定性在振蕩器中心頻率的 4/<>% 至 <>% 的頻率值范圍內(nèi)掃描。

審核編輯：郭婷