一种基于单片机的空间立体电磁干扰仪

摘要：为测试电子产品电磁兼容性，基于MSP430单片机设计一种空间立体电磁干扰仪，提供多角度、多方位、多波段干扰源。设计中在带宽、频率一致性、信号完整性、制作工艺、调试精度等方面进行了深入研究，电路设计尽量采用功能芯片，提高整机的集成度和性能。
关键词：电磁干扰；电磁兼容；系列单片机；定向发射天线

0 引言
    科学技术的发展，不仅促进了对产品的性能要求越来越高，同时也带来了电磁环境的不断恶化，在这种情况下，对电子系统进行环境电磁干扰测试有助于提高产品的工作稳定性，也会为同类系统的开发积累十分宝贵的经验。
    在无线电波中，50～150MHz的调频波对一般的微控制电路的干扰较大，若在产品样品研制期间对其进行模拟测试，就可测出电子产品抗干扰能力，通过对电路的改进等，进一步优化产品性能，寻找成本与实际性能的平衡点，这就是电子设备的电磁兼容性设计。因此本文提出了一种基于单片机的空间立体电磁干扰仪的设计方法，采用MSP430系列单片机F4793芯片作为控制单元，给DDSAD9852发送控制字、对电磁波幅度进行A／D采集和频率采集、对人机交互界面及系统电源进行监视。此设计可以给电子、通信产品开发企业提供一个仿真的电磁干扰环境。

1 设计原理
    本设计是基于MSP430单片机的电磁干扰系统，实际是一种调频电磁波发生及接收装置，该系统包括5大块：电磁收集箱、50～150 MHz电磁波的发射、50～150 MHz电磁波的接收、控制模块及电源。
    电磁波发生装置产生幅度、频率可调的波形，经过定向天线发射；电磁波接收装置经过定向接收天线，电磁波被耦合，经过处理后送给各模块。
    整个系统实现了封闭空间内的电磁波传导，使得外部的、未知的电磁波与测试环境没有任何关联。本设计可实现一种提供多角度、多方位的干扰仪，给产品的抗电磁干扰测试带来很大的便利。此干扰仪可以产生多方向的交替干扰，不需要移动被测物体即可实现全角度的辐射，并且各角度上的干扰波可以被统一和单独控制，而一般的干扰设备只具有单方向性。另外，此干扰仪在有限空间内产生的干扰波基本不会辐射到外围空间，相对于一般的干扰设备具有更好的安全性。其参数如下：
    带宽：频率上限受到AD9852限制，理论上可以达到200 MHz，考虑到线路干扰和衰减，采用阻带滤波器，带宽限制为50～80 MHz(这样可以用普通的调频收音机进行简单的发送测试)。
    频率一致性：取50 MHz，60 MHz，70 MHz及80 MHz四个点，50Ω天线负载，输出增益为-3～-2 dBK间，接收灵敏度大于-7 dB，采用高灵敏度收音机接收模块采集信号，信号质量很好。
    信号完整性：这里指的是发射信号与接收信号的匹配度，由于AD9852可以实现频率调制，故加入调频信息后的信号保真度直接反映被测设备的电磁波吸收及干扰程度。
    制作工艺：整机带宽达到了高频(1～100 MHz)范围，在元件选择和电路设计上考虑因素较多，比如信号的振铃处理，信号线的阻抗匹配计算，系统的布置(是一体化还是拆分为子母板)，操作流程及界面的设计等。
    调试：由于最终采取子母板组合模式，各部件调试互不影响，调试主要包括硬件调试、程序调试及性能校调。

2 电路设计
    调频电磁波发生及接收装置电路如图1所示。

2．1 电磁波产生电路
2．1．1 信号源
    直接数字频率合成(DDS)是一种新的频率合成技术，它将先进的数字处理理论与方法引入频率合成领域，全数字化结构便于实现程控。采用全数字的频率合成器，频率切换速度快，便于控制，而且易于实现，也能产生线性度高的线性调频信号，实现线性调频信号的输出。通过AD9852芯片实现的可调频率达0～300 MHz。
    DDS技术具有广泛的应用，它可实现多点、高相噪的点频和频率步进输出，可用来实现MFSK，QPSK等通信方式，在扩频通信中能实现跳频模式。
    目前，QIALCOMM公司的DDS芯片系列有Q2220，Q2230等，内部没有集成D／A；ANALOG公司的DDS芯片有AD9850，AD9851，AD9852等，内部集成了高度D／A，应用更方便。
    由于本系统要求产生的信号形式有单频连续波、单频脉冲波、线性调频连续波、线性调频脉冲等波形，以AD9850为基本DDS的结构，不支持线性调频波形的输出，而AD9852能输出高信噪比的点频信号，支持线性调频波形的输出和多种工作模式，支持并行和串行接口操作，数据寄存器和控制寄存器统一编址，控制方便。因此，本项目采用AD9852。
2．1．2 高频小信号的放大
    由于高频功放对信号的输入有功率下限要求，故在小信号放大阶段，必须达到一定的输出功率，这里取30 mW。芯片选择TI的THS3112及THS4021电流反馈型高频运放。
2．1．3 高频信号驱动功放
    采用带宽为1．8～175 MHz MC7210，该模块对输入功率要求较低，为7 mW，且频率增益曲线较为平坦，在30 MHz时增益为25 dB，假设输出功率为1 W，通过Gp=10log(Po／Pi)的换算，得输入功率仅为3．1mW。对较专业的高频模块来说，MC7210性价比较高。
2．1．4 定向发射天线
    对于50～150 MHz的发射系统来说，若采用长直导线，则天线将变得很长，故参考一般收音机的天线设计，将3 m长的油浸导线缠绕在低感磁棒上，依次做3根，将同名端导线串接起来，这样三组构成了一个磁棒天线阵列，定向发射的指向性较好。
2．2 电磁波接收电路
    定向接收天线制作参考定向发射天线。
2．2．1 高频小信号的放大及滤波
    天线采集到的信号十分微弱且夹杂噪音(由被测件产生)，故要对其进行放大和滤波处理，由于要驱动两路(一路幅度采样，一路频率采样)输出，故应加入一级电压跟随器。
2．2．2 信号的幅度检波
    这部分主要对电磁波的峰峰值采样，该值对应于定向接收天线采样到的电磁波的最大值与最小值，由于处于调频范围，故采用“加强型德生PL-600”收音机的检波电路的后级处理模块，使得输出达到±2 V，足够送给A／D采样模块。
2．2．3 信号的频率采集
    频率采集使用CPLD测频方法：使输入的信号作为时钟信号，经过内部1／K(K可调)的分频，出来的周期已经十分缓慢，这时再用单片机对其测周期，得出的值将十分接近精确。由于CPLD的时钟一般为方波，故这里要将经过高频小信号的放大及滤波后信号进行施密特变换，然后再送给CPLD。
    采用幅度与频率分开测量的好处就是节约了整体成本，若采用DSP加高速A／D采集的方案，成本将翻好几番，且调试难度增大。
2．3 电磁收集箱
    电磁收集箱主要对电磁波进行空间屏蔽，使得外部与内部的电磁波隔离。电磁波由发射天线经过被测件传递至接收天线完成电磁波的传递回路。
2．4 控制模块
    这里采用MSP430系列单片机F4793芯片作为控制单元，主要给DDS AD9852发送控制字、对电磁波幅度进行A／D采集和频率采集，对人机交互界面及系统电源进行监视。
2．5 电源监视
    单片机4793通过A／D采集监视系统各电源。
    由于本系统要求的核心技术是产生信号形式为单频连续波、单频脉冲波、线性调频连续波、线性调频脉冲等波形，以AD9850为基本DDS的结构，不支持线性调频波形的输出。因此本系统运用AD9852能输出高信噪比的点频信号，支持线性调频波形的输出和多种工作模式，支持并行和串行接口操作，数据寄存器和控制寄存器统一编址，具有控制方便的特点，实现了上述信号的特征和要求。

3 结论
    本设计提供了一种电磁仿真环境，其电路设计先进，集成度高，具有空间立体特征。由于采用了单片机控制，在多波段、多方位、多角度、频率一致性、信号完整性、功率控制等方面具有明显优势。在现代电磁环境越发恶劣的情况下，为电子产品的抗干扰试验，即电磁兼容性设计提供了很好的技术支撑。