使用扩频振荡器减少消费品中的辐射发射

1975年，美国负责监管射频（RF）发射的政府机构联邦通信委员会（FCC）颁布了名为FCC Part 15的新法规。这些不是针对控制无线电和电视发射机等设备，也不是故意辐射高功率射频能量的飞机导航和紧急信标。相反，这些法规试图控制不故意辐射射频能量的设备，如电视、汽车和低功耗、不受管制的射频辐射器，如对讲机和电子遥控器。在 1980 年代和 1990 年代，从微波炉到手机的电子设备激增。这些设备之间的交叉干扰成为一个问题。解决辐射发射问题的传统方法包括屏蔽、仔细的电路板布局以及滤波以减少不需要的辐射发射。随着电子设备变得越来越小，使用了另一种从通信应用中借用的技术扩频。本文介绍了扩频的背景和历史，并描述了今天如何将其用作减少消费电子设备中辐射发射的技术。

概述

1975年，美国负责监管射频（RF）发射的政府机构联邦通信委员会（FCC）颁布了名为FCC Part 15的新法规。这些不是针对控制无线电和电视发射机等设备，也不是故意辐射高功率射频能量的飞机导航和紧急信标。相反，这些法规试图控制不故意辐射射频能量的设备，如电视、汽车和低功耗、不受管制的射频辐射器，如对讲机和电子遥控器。

这些规定背后的动机的一个很好的例子发生在几年前的达拉斯/沃斯堡机场。飞行员在起飞和着陆期间报告了最近开发的电子飞行控制系统失控的情况。FCC将原因追溯到周围郊区家庭中遥控车库门开启器的干扰。Part 15 法规通过要求在美国销售的所有电子设备都经过测试和认证来解决这个问题，以确保不会有可能导致其他电子设备故障的辐射射频能量。

在 1980 年代和 1990 年代，从微波炉到手机的电子设备激增。这些设备之间的交叉干扰成为一个问题。微波炉干扰了心脏起搏器，而电缆调制解调器干扰了无绳电话。同样，计算机显示器辐射出足够的射频能量，干扰了附近的大多数其他电子设备。

FCC和其他监管机构，如欧洲的电磁兼容性（EMC）机构，对所有电子产品中的这些排放进行了更严格的监管。在美国，FCC 第 68 部分受工业和商业电子设备监管。第68部分A类涉及工业环境中使用的设备，而第68部分B类涉及消费品。本文将仅重点介绍 B 类电子产品。

减少辐射发射

辐射发射发生在任何具有变化的电信号辐射发射的电子产品中。在时钟以一定频率运行的PC主板的情况下，它将辐射紧紧围绕主振荡器频率的RF能量。

定义：

辐射敏感性是电子设备对来自外部射频能量源接口的灵敏度。

辐射发射是由一台电气设备（如 PC 或显示器）无意中辐射的射频能量，这可能会对另一台电气设备产生一些影响。

EMC（电磁兼容性）：电子设备成为“良好电磁邻居”的能力：它既不会引起电磁干扰，也不会受到电磁干扰（在适用标准的范围内）。参见：术语表定义

EMI（电磁干扰）：来自电磁辐射的有害噪声。参见：术语表定义

如果测量来自PC主板的辐射RF能量，则振荡器中心频率处存在辐射尖峰（图1）。FCC 对消费品的要求（FCC 第 68 部分，B 类）要求在任何给定频率下辐射发射必须低于规定的最大值。

图1.典型晶体振荡器发射与 FCC 最大值的比较。

具有讽刺意味的是，这些标准并没有减少辐射的能量总量，只会减少在任何一个频率下可能辐射的峰值能量。

减少辐射发射的传统、较老的方法涉及遏制。一台个人电脑使用其接地的钢柜作为屏蔽来拦截和消散主板辐射的能量。封闭电子设备中使用的塑料柜通常涂有金属层并接地以达到相同的目的。随着电子产品的激增并变得越来越小，遏制技术变得更加难以实现。电子产品的时钟速度更高，包括更高的谐波频率，这迫使设计人员使用屏蔽、EMI滤波和仔细的电路布局等技术来减少辐射发射。随着消费电子产品的萎缩，这种方法变得昂贵且更加困难。需要一种新的方法来减少这些峰值辐射发射。

通过扩展或抖动系统时钟的频率，辐射发射可以在窄频谱上“涂抹”，从而减少任何一个频率的峰值辐射发射。这简化了设计工程师的任务并降低了制造产品的成本。在过去几年中，这种使用扩频时钟振荡器来减少峰值辐射发射的做法在从PC主板到打印机的所有产品中都得到了普及。

扩频的历史

在第二次世界大战期间，美国海军遇到了无线电控制鱼雷的问题，这些鱼雷被调谐到与发射无线电相同频率的高强度射频信号“干扰”。这是辐射敏感性的一个例子。11 年 1942 月 2 日，海蒂·凯斯勒·马基和乔治·安泰尔获得了解决这一问题的“秘密通信系统”的美国专利号 292，387，<>。该设备使用一种机制在发射器上的频率之间快速切换（这种技术类似于现在所说的跳频）。鱼雷接收器上的类似设备在相同频率之间切换并捕获传输信号。控制鱼雷的信号从未在任何单个频率上停留足够长的时间，以至于被单个频率的外部RF信号干扰。半个世纪后，这种技术的更复杂的版本被用于减少对蜂窝和无绳电话等通信设备的干扰。

使用扩频技术减少辐射发射

虽然术语扩频用于减少消费电子产品中辐射发射的技术，但该应用与无绳电话等设备中使用的应用不同。在无绳电话中，发射器和接收器的工作频率被一致扫过一个频带，从而减少了任何一个频率的外部辐射的影响。

在PC等消费类产品中，使用扩频技术来减少无意发射机的RF，涉及在频率频带上扫描驱动PC的时钟。因此，任何辐射发射都分布在频段上，并且只有总能量的一小部分以任何一个频率辐射。这会将该频率的峰值能量降低到FCC规定的水平以下。

上述方法使用施加到振荡器的信号，该信号根据信号电平移动频率。在最简单的形式中，三角形信号施加到振荡器电路上，振荡器电路根据三角形幅度的函数改变振荡器的频率（图 2）。实际上，所应用信号的形状可能与此三角形示例略有不同。

图2.振荡器抖动。

图3.时钟频谱抖动比较。

图3显示了抖动DS1086振荡器的辐射发射输出与前面所示晶体振荡器的辐射发射输出。图中显示DS1086的抖动输出为0%，抖动输出为4%。该图显示了振荡器频率的“扩散”如何将任何特定频率的峰值辐射发射降低到FCC规定的水平以下。选择抖动信号的频率，使其远低于其抖动的振荡器的频率。因此，由振荡器驱动的电子设备不受快速频率变化的影响。它还被选择在频率的可听范围以上，以便电路中的无功元件（例如电容器和电感器）不会产生可听噪声。上图显示了晶体振荡器的辐射能量频谱，在经济振荡器上呈“0%”扩散，在经济振荡器™上呈4%的扩散。2%的点差可用，但未显示。“0%”点差实际上大约是1/<>%到<>%的点差，这是由于经济振荡器架构固有的抖动特性。

The DS1086

DS1086是一款经济振荡器，设计用于在振荡器输出端产生抖动，减少从打印机到游戏机等系统中的辐射发射。该器件由一个可编程的 66MHz 至 133MHz 时钟频率发生器组成，可通过一个 10 线接口以 2kHz 的增量进行调谐。这与将主振荡器频率除以 2 的预分频器结合使用X（其中 x = 0 至 8），提供从 260kHz 到 133MHz 的广泛频率选择。输入引脚提供控制，用于对时钟输出进行选通、打开和关闭抖动以及禁用主振荡器。可选择三个抖动选项：“0%”、“2%”和 4%。与其他制造商的低EMI振荡器不同，DS1086无需外部晶振或时钟基准即可工作，使其成为目前尺寸最小的低EMI时钟（图4）。该器件采用 8 引脚 SO 封装。

图4.DS1086扩频经济振荡器。

与其他经济振荡器一样，DS1086使用精确控制的数模转换器（DAC）和校准的压控振荡器（VCO）来产生中心频率输出。通过将三角波电压信号相加到VCO输入中，将频率抖动注入输出频率。三角波的幅度决定了输出时钟中的百分比抖动。这可以设置为 0%、2% 或 4%，具体取决于应用程序。请注意，0% 抖动选择具有大约 1% 的抖动，这是所有经济振荡器架构所固有的。与晶体振荡器相比，即使是具有此特性的标准经济振荡器，辐射频谱也减少了10dBm，而无需任何额外的电路。

总结

消费电子产品的FCC辐射发射合规标准使电路设计人员的工程工作变得越来越困难。更快的时钟速度包括更高的谐波频率，迫使设计人员使用屏蔽、EMI滤波和仔细的电路板布局来减少辐射发射。通过在系统时钟的中心频率上添加频率调制（FM）或“抖动”，辐射发射可以分布在窄频谱上，从而减少任何一个频率的峰值辐射发射，满足FCC要求。

这简化了设计人员的工程任务，并可以大大降低成品的成本。在过去几年中，扩频时钟振荡器的使用越来越受欢迎。时钟的特点是频率的相对精确的短期稳定性，通常在200ppm到300ppm的数量级。长期频率稳定性在振荡器中心频率的 4/<>% 至 <>% 的频率值范围内扫描。

审核编辑：郭婷