基于电磁兼容的电子技术仿真实验

栾江峰，林兆花，肖 军，袁剑锋

（北京师范大学珠海分校 工程技术学院，广东 珠海 519087）

“电子技术”是电子类专业的基础课程，是设计制造各种现代智能设备的基石。传统电子技术课程教学中，大多认为元器件具有理想特性，使用集总参数的方法进行分析。这在低频电路中不会产生问题，但随着现代电子设备信息传输速率不断提高、使用频段日益加宽，元件非理想特性所带来的电磁兼容问题已逐渐不可忽略。在繁杂的电磁环境下，如何保证产品的高可靠性，电磁兼容性能是关键。为更好地实现产教协同，本文对如何将现代电磁兼容技术融入传统电子技术课程教学进行了初步探索，构建了一套基于电磁兼容知识的仿真实验，力求使学生在学习模拟器件功能的同时，也能够了解掌握电磁兼容设计的基础知识，培养学生把电磁兼容问题解决在设计定型之前的意识与能力，从而满足现代电子行业对应用型人才的需求。

1 电磁兼容仿真实验系统构建

现代智能设备的电磁兼容问题在高速电路中尤为突出。但是，相关教学工作的开展困难重重，这是由于一方面此部分理论知识较集总参数理论更加抽象复杂；另一方面高速、高频实验的开展需要借助频谱分析仪、网络分析仪等价格昂贵的仪器，无法在本科教学中大规模推广。随着计算机技术的不断发展，利用仿真软件构建虚拟实验应用于教学已成为现实。在高速高频电路领域，已经有许多学者开发了多种可应用于微波射频电路教学的仿真实验系统[1-3]。然而，在电子电路基础教学中，目前大多仍利用 P S pi c e、Multisim、Matlab 等软件进行理想仿真，并未考虑实际元件所带来的电磁兼容问题[4-7]。学生在后续学习中经常会发现理想仿真实验与实际不一致的情况[8]。本文利用Advanced Design System（ADS）软件设计了一套包含3 个模块、共计10 个实验的电磁兼容虚拟仿真实验系统，各实验项目如表1 所示。在电子技术教学中，利用改进的仿真实验对高速信号的传输变化进行直观展示，既有利于增强学生对知识的理解，又能使学生学习实际元器件建模的方法、局部和系统电路网络仿真的技巧，为其后续专业课程的学习或研究项目的开展奠定良好基础。

表1 基于电磁兼容的电子技术虚拟仿真实验列表

1.1 元件非理想行为模块

传统电子技术课程中，电阻、电感、电容等通常被当作理想器件，但在实际电路中，由于制作工艺的限制，元件都存在寄生参数。当信号频率超过一定值时，寄生效应会使元件特性偏离理想状态：一方面元件在电路中的拓扑结构会发生变化；另一方面元件的阻抗等参数也会发生显著改变，由此可能导致电路性能降低，甚至失效。例如，考虑图1(a)所示的RC 低通滤波电路，取电阻R 的值为22 Ω，电容C 的值为1μF。图1(b)为将元件视为理想状态进行仿真和实际测量得到的输出电压随频率的变化曲线。可以看到，由于受电阻、电解电容寄生参数的影响，当频率升高时，电路实际的滤波性能会下降。

图1 RC 低通滤波电路的理想仿真与实际电路实验

图2 为包含寄生参数的元件阻抗交流仿真实验。该实验使用一个幅度为1 A 的交流恒流源构造阻抗测量电路，通过阻抗随频率的变化反映元件的非理想特性。通过改变图2(a)中的等效串联电阻（ESR）、等效串联电感（ESL）及等效并联电容（EPC）等参数，学生可以对实际电路元件的特性进行仿真预测。图2(b)显示了对理想电容、电感以及同等容量的实际去耦电容器、电感线圈仿真的结果。在理想电容和电感中，ESR、ESL 及EPC 均为零。可以看到，当信号频率超过实际元件的自谐振频率后，元件阻抗将发生很大变化。以电容为例，高频时寄生的感抗将成为阻抗的主要部分，其性能将更加接近电感，无法为信号提供本来的低阻路径，从而可能导致电路的性能与预期不符。

将添加了ESR、ESL 的实际电容模型替换到RC滤波电路中重新进行仿真，结果如图3 所示，此时仿真计算值与实测值较图1 更加吻合。

通过本模块的实验，学生能够对实际电路元件的非理想性能建立更加直观的认识。在根据元件的理想特性进行电路设计时，还要根据信号频率对其非理想行为进行修正，以确保电路功能达到预期设计目标。

1.2 传输线与信号完整性模块

在1.1 节的模块中，假定实验电路在面包板上完成，元件之间通过理想导线进行连接，导线输入端的电压电流与输出端几乎相同。然而，在时钟和数据速率不断提高的今天，电路中互连的导线将大大影响信号的传输。所谓的信号完整性就是要保证传输线入端与出端的信号波形近似相同。在本模块中，学生将学习PCB 板中传输线的延时与反射对信号完整性的影响。下面以PCB 传输线对信号反射的瞬态仿真实验为例，图4(a)为实验原理图。

图2 包含寄生参数的阻抗仿真实验

图3 使用包含寄生参数的电容对RC 滤波电路进行仿真

图4 PCB 传输线对信号反射的仿真实验

实验中学生可以调节传输线的长度、输入方波信号的上升时间（Tr）以及输入端接电阻（R1）的大小。通过这些参数的改变，学生观察20 MHz、1 V 的方波输入信号在输出端的变化，从而验证传输线理论中的相关知识。在仿真时，传输线的物理长度用与电长度相关的参考频率F 表示，如式（1）所示，c 为光速，L为传输线物理长度，Td表示由传输线引起的信号时延。

图4(b)和4(c)分别展示了传输线长度变化、输入信号上升和下降沿变化对输出信号的影响。为更清楚地观察结果，对输入信号分别添加了1 V、0 V 及-1 V的直流偏置。由图4(b)可见，短传输线（线长时延小于信号上升沿的20%，对应图中的1 250 MHz）不会带来严重的信号完整性问题。图4(c)则显示了传输线长 度一定时（实验中f = 625 MHz），更短的上升时间（通常意味着更高的带宽）会带来更严重的振铃噪声问题。

1.3 传导噪声抑制模块

通过1.1 节和1.2 节两个模块的实验，学生对电子电路中电磁兼容问题的起因及表现应建立了初步的认识。在实际设计中，有时受到成本、产品体积等因素的影响，无法通过PCB 布线等方式规避所有的电磁兼容问题。因此，本模块的主要内容为用于抑制电路中传导电磁干扰、提高电子设备传导抗扰度的滤波器设计仿真。模块首先针对传统定K 型低通滤波器的设计编制了仿真实验。其次，基于归一化巴特沃斯型滤波器的数据，设计了不同阶数、不同拓扑结构的EMI滤波器仿真实验。教师给定截止频率、目标频率及期望损耗，要求学生设计出能够满足要求的EMI 滤波器，并对滤波器的性能进行仿真验证。最后，贯彻紧密联系行业实际应用的理念，将业内主流元件产品的EDA 模型引入仿真实验系统。学生使用这些真实元件搭建电路，可以方便地观察学习实际电路与理想电路的差别，在虚拟仿真中增强实战经验。例如，在使用电容器进行抑噪时，如果电容不足或者目标插入损耗由于高ESL 和ESR 难以实现，可能需要并联多个电容器。图5 显示了并联电容抑噪仿真实验。Vout1为使用1 nF 和1 μF 的理想电容进行仿真时的输出；Vout2为使用村田公司（muRata）同等电容量的电容模型进行仿真时的输出，产品型号分别为GRM033R61E102KA01（1 nF）和GRM033R60J105MEA2（1 μF）。

图5 使用理想与真实元件的并联电容抑噪仿真实验

由图5(b)可看到，由于两个实际电容器存在不同的自谐振频率，在其中一个的感性阻抗区和另一个的容性阻抗区会产生并联反谐振，造成该区域插入损耗变小、电压增大。这会在更高频位置带来潜在的辐射噪声问题，可能导致电路无法通过EMC 测试。如果使用理想元件，由于未计入ESR 和ESL 效应，则不会产生这样的现象。通过本模块的实验，学生能够对使用滤波器抑制传导噪声建立更直观、深刻的认识。同时，本模块建立的实际产品元件库也可作为学生今后专业学习的一个工具，在设计过程中对电路性能实现更加精准的预测。

2 电磁兼容仿真实验系统应用

目前电子类相关专业的教学中，涉及电磁兼容相关理论的课程大部分开设在高年级，且多以项目实践、毕业设计等形式开展[9-11]。作为一门迅速发展的交叉学科，电磁兼容涉及的基础学科广，又与工程实际联系紧密，理论性和实践性均较强[12]。高年级的教学要取得较好的效果，需要在低年级基础课程中渗透培养学生电磁兼容的意识，使其在进行电路设计时能够将抑制电磁噪声放到与实现功能同等重要的地位来考虑。在教学应用中，本套仿真实验系统可作为电子技术类课程实践教学的一部分，在传统集总参数理论讲授完成后开展。在学生充分掌握理想元件相关知识后，引入实际电路与理想情况的区别。若条件允许，教师还可依据仿真项目配合搭建若干实际电路，在学生完成仿真后对结果进行一致性验证，从而激发学生进行后续实验的兴趣。此外，在开设有小学期的院校，也可利用本套实验开设专门的小学期实践课程，衔接于电子技术课程所在的长学期之后，以达到更好的教学效果。

本套实验已应用于笔者所在学院的“电气工程及其自动化”“测控技术与仪器”两个专业的教学实践中。反馈结果表明，此套仿真实验在一定程度上充当了电子基础课程与后续电磁兼容专业课程的桥梁，在学生接触专业电磁兼容知识之前起到了较好的铺垫作用，降低了学生学习后续专业课的难度。通过1.3 节模块中使用真实器件模型进行设计性实验，学生解决真实电子电气设计问题的能力也得到了很好的培养。近两年来，依托学院“广东省高校电磁兼容工程技术开发中心”的实验条件，采用仿真设计与实验室测试结合的方式，这两个专业的学生已完成“智能路灯监控系统研发”“96 孔板智能判读仪研发”“多节点无线温控系统设计”等多项大学生创新创业项目，表明此教学方法在提升人才培养质量方面有积极的作用。

3 结语

为顺应电磁兼容问题在电子产品设计开发过程中日渐重要的趋势，提升应用型人才培养质量，利用ADS 软件设计了基于电磁兼容的虚拟实验，并应用于电子技术课程实践教学，使用软件仿真解决了理论教学缺乏感性认识、实验教学受限于条件难以开展的矛盾。本文设计的仿真实验通过引入真实产品元件模型贴近了实际，提升了仿真实验结果的准确性，解决了传统仿真过于理想化的问题。今后将在仿真实验操作界面、项目内容与数量等方面深入研究，一方面提升系统的易用性，另一方面将仿真实验与先修、后续课程内容更紧密结合，形成统一的教学体系，更好地服务于应用型人才培养。