节点地震仪电路设计中减小对授时模块干扰的方法＊

陈 洁 赵圣麟 关作金 黄艳妮 李 丽

1) 珠海市泰德企业有限公司，广东珠海 519082

2) 中国地震局地球物理研究所，北京 100081

0 引言

地震观测对时间服务准确度的要求一般在毫秒级。目前多数地震仪均采用GNSS 模块为地震记录信号提供时间服务。杨金梁等[1]研究了物探设备中GNSS 授时原理并对授时精度进行了分析，结果表明，GNSS 授时精度主要受卫星轨道径向精度、卫星钟差和伪距测量精度3 方面的影响。相对于双频GNSS 接收机，GPS 与Galileo 授时精度最高，实验数据中总体小于5 ns，BDS 二代在卫星轨道径向和伪距精度比GPS 略差，但BDS 二代卫星钟差太大，导致授时精度在30 ns 左右，GLONASS 授时精度小于30 ns。单频GNSS 接收机的授时精度会在双频接收机授时精度的基础上降低50 ns 左右。不论单频还是双频，基于卫星导航系统的授时基本都能满足地震监测对授时准确度的要求。

卫星定位导航系统中卫星距地2 万多km，位于地球表面的天线端所接收到的信号非常微弱，识别这类信号大概相当于分辨1 万km 之外一只功率为25 W 的灯泡发出的亮光。刘宏华等[2]分析认为，卫星定位导航系统的授时信号极易受到射频干扰，因此压制射频干扰也就成为地震仪获得高准确度授时的重要前提条件。

对卫星定位导航系统授时信号产生干扰的射频干扰源很多，可能来自接收系统外部的大环境，也可能来自接收系统本身。本文仅讨论压制来自仪器本身的射频干扰的方法。

随着井下地震观测、便携流动地震观测的日益普及，地震仪快速走向集成化和小型化。印刷电路板（Printed Circuit Board，PCB）对授时模块的电磁干扰会直接影响信号接收灵敏度，进而影响地震仪授时精度。汪汉新等 [3-9]的研究表明，优化电路设计、用好电容、做好功能模块布局是对抗干扰、消除电流感应的有效手段，因此也是地震仪降低授时模块受到射频干扰的最直接、最有效途径。

1 授时干扰的主要来源和压制方法

来自PCB 内部的对授时模块的射频干扰，主要是因为邻近电路之间的寄生耦合及内部组件的场耦合，导致信号沿着传输路径有串扰。例如，在地震数据器PCB 板上的电容器，一般都会产生等效电感和阻抗，电容都有自谐振频率，在自谐振频率下，电容器呈现容性。在高于自谐振频率时，电容呈现感性，阻抗随着频率的增高而增大。

当高速数字信号线路、开关电路或大功率的控制电路等在极短的时间内产生急速电压电流，或是含有电感和电容的电路频繁通断时，射频干扰就会比较明显。因此，在进行井下地震仪器、一体化地震仪等紧凑型地震仪PCB 线路设计时，应更加关注如下干扰（图1）：

图1 地震仪授时干扰源及解决方法示意图Fig.1 Time service interference source of seismograph and its solution

（1）高频器件的干扰。当电路中存在高频时钟处理器芯片时，或者系统总线的工作周期非常快时，高速电路PCB 板中会产生多倍于时钟频率的干扰噪声，从而向外辐射，影响整体集成电路的其他电路模块。例如工作频率32.768 MHz 的地震仪系统，由于MCU 内置倍频造成多次谐波，可能影响授时模块在L1载波1575.42（±3） MHz 频点的射频信号接收。

（2）电源的噪声干扰。高频噪声敏感的电路尤其容易受到来自电源的干扰。系统电源在给电路供能时，会把电源寄生的干扰噪声附加到供电电路上。一些高速逻辑电路工作时的高速转换，也会使电源线上产生高频成分丰富的压降。温度变化时的直流干扰是产生电源噪声另外一大原因。

（3）信号传输线之间的干扰。当各传输线路的特性阻抗不同或与负载阻抗不匹配时，所传输的高频信号在临界或终端部位会发生反射造成的畸变或震荡。同时，各信号传输线的走向、宽度和线间的间距等直接影响高频信号的传输。传输线的不合理设计不但会产生线间信号的叠加问题，还会导致信号的附加延时。

（4）地线的噪声干扰。整体系统中各部分地线的不平衡，会导致地线之间的电位差和接地阻抗，形成环路电流，这些电磁干扰会引起电路的误操作并造成传导和辐射。

为了减少电路中产生的电磁干扰，在地震仪的PCB 板设计中会重点采用电磁兼容设计。对于易出现电磁干扰的部位也会刻意避免电磁干扰的产生。在地震仪PCB 线路的设计中，可以采用如下方式降低甚至避免射频噪声的干扰（图1）：

（1）采用最低频率电路芯片，配置高精度稳态电源。

（2）优化电路元器件布局，将模拟信号部分、高速数字电路、噪声源部分尽量合理地分开，将电源线尽可能与地线平行。

（3）缩短高速信号传输线的长度，将电路中的连接器均布置在PCB 板的同一侧。

（4）在布地线时增加一层地线，或采用多地线网格，布设大量的平行地线。

2 压制授时干扰的实验及结果

为减少地震仪系统中授时模块受到的电磁干扰，并保障系统高稳定的授时功能，通过多次实验和测试发现如下措施有助于提升地震仪授时模块的抗干扰能力。

实验中，我们采用的仪器设备主要是RIGOL 的频谱分析仪，主要针对GNSS 的L1频段附近的射频信号进行测试和分析。

工程师使用仪器对电路板进行辐射信号测试（图2a）。当近场探头置于MCU 附近的有源TCVCXO晶振电路时，产生的射频辐射比较突出（图2b）。分析原因是晶振采用了32.768 MHz 的频点，则其48 次谐波频率是32.768 MHz×48=1572 MHz，刚好在GNSS的民用频段1575.42 MHz 附近，很容易干扰到来自卫星的微弱GNSS 信号，从而影响节点地震仪的收星性能。

图2 辐射信号测试Fig.2 Radiation tests

在L1载波1575.42（±3） MHz 频点附近，存在峰值 点2 为1.54067 GHz，峰 值 点3 为1.5733 GHz，峰值点4 为1.6060 GHz 三个频带的干扰（图3）。

图3 针对授时模块未采取本文所述抗扰技术前的幅频曲线Fig.3 Amplitude-frequency curve for a seismograph without anti-disturbance techniques mentioned in this paper for the time-service module

为此，我们从以下几个方面进行改进设计。

2.1 为射频电路模块增加屏蔽板

采用屏蔽隔离等物理手段是减少电磁干扰的重要措施之一。采用国标0Cr18Ni9 材质作为屏蔽板，进行屏蔽板安装前后的对比测试（图4）。由测试结果得知，已经安装屏蔽板的授时模块比未安装屏蔽板的授时模块所受到的电磁干扰明显减弱[5]。研究表明，在提高地震仪授时模块抗干扰能力方面，增设不锈钢屏蔽板是非常有效的方法。设计中，卫星信号接收放大LNA 模块部分，以及MCU 的有源TCVCXO晶振部分电路均采用屏蔽罩进行电磁信号屏蔽措施。

图4 射频电路安装屏蔽板前（a） 后（b） Fig.4 RF circuit without （a） and with （b） shield board

2.2 将授时模块远离高频元器件布局

与可能造成干扰的射频信号源尽量远离是降低授时干扰的有效方法。实验和测试中，将授时模块和授时天线独立设计为一块电路板，安装时，尽可能远离容易产生电磁辐射的包含晶振电路、高频芯片、开关电源等模块的主板[6]。图5 中是2 种不同的布局方案。

图5 模块布局Fig.5 Module layout

2.3 规整布线、适度隔离

PCB 电路板在设计之初即应紧凑有序，尽量减少、缩短器件之间的引线和连接，电路设计之后的模拟和测试比对尤为重要（图6）。实测显示，数字信号电路和模拟信号电路分开、干扰源与时钟发生器等敏感元件远离、大功率或大电流I/O 驱动电路远离信号电路是非常有效的降低电子线路本身对授时信号干扰的手段。每一层空余处都铺上铜与地相连。完整的地平面确保信号层信号辐射有明确的返回路径，减小线路的天线效应，并且通过尽可能多的过孔将地平面相连。

图6 PCB 电路板布线Fig.6 PCB layout

2.4 改进效果

经采用国标0Cr18Ni9 材质的屏蔽板、PCB 设计调整、模块重新布局等实验后，对比发现，地震仪授时模块受到的电磁干扰强度状态发生变化（图7），参考对比数据（表1）得知，电磁干扰明显被压制。其中，安装了屏蔽罩后，同一位置同一频点的辐射水平有了近10 dB 的改善。

表1 屏蔽罩安装效果对比数据Table 1 Comparison data of shield board installation effect

图7 射频电路辐射水平Fig.7 The radiation level of RF circuit

另外，选取一些具有信号强度比较高的卫星进行卫星信号信噪比的对比（表2）。结果显示合理修改PCB 布线、采用屏蔽罩、合理布局各模块，能提高约6～10 dB 的信噪比，表明授时模块受到的电磁干扰明显减弱，收星能力大大增强。

表2 整改前后对比数据Table 2 Comparison data before and after rectification

为更好地拟合井下地震仪和一体化地震仪的 “紧凑” 电子环境，研究团队进行了极限电路测试（图8）。测试以一款节点式地震仪（TVG-50）为原型，该款地震仪为开展深部地球物理探查而设计，需满足小体积、高灵敏、大动态、低功耗、抗恶劣环境等严苛的探查条件。设计的指标是宽频带(1/2/5/10/30 s～200 Hz)、24 位低噪声采集、力平衡反馈、最快4 KHz采样速率、最长1 个月时间锂电池供电，因此高准确授时、高性能电容换能和大容量存储是不可回避的技术底线。

图8 授时模块抗干扰改进后的野外测试及结果Fig.8 Field test and wave recording after modification with anti-disturbance techniques for the time-service module

值得一提的是，大量设备的野外对比和实际波形数据分析显示，在紧凑型的地震仪设计中取得的授时模块抗干扰技术具有可行性和有效性，量产地震仪的授时性能得到了平稳、一致的提升，野外观测效果见图8c 。

3 结束语

在深井地震仪、一体化地震仪等紧凑度要求比较高的地震仪设计中，通过改善PCB 板电路设计、优选适当元件、增设屏蔽板等方式，可以稳定提高地震仪授时模块的抗干扰能力，进而提高地震仪授时功能的可靠度。

致谢

感谢北京白家疃地球科学国家野外科学观测研究站、中国地震局地球物理研究所地震科学数据中心对本文野外实验和数据处理的帮助。