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  不論在郊外的住宅或是鬧市中的辦公大樓,快速成長的個人電腦(Personal computer)對電視無線電的接收產生了極為嚴重的干擾問題。因此美國聯邦通訊委員會(Federal Communications Commission,以下簡稱FCC)在1980年9月19日公佈了一套法規來對這種新形成的『公害』加以控制,在這套法規中規定了購買者以及設計者所必需注意的事項。

  這些規定(目前已開始實施)設定了小型電腦容許的電磁干擾產生量。由製造廠商的觀點來看,最容易執行的規定就是警告買者她們在買了機器後所必須要負的責任。但對一個設計工程師而言,他們就沒有那麼幸運了,因為他們必須把FCC的規定一一的考慮到硬體線路設計上去。

  在過去11年裡,向FCC抱怨的人數愈來愈多,其中均確定數位裝備(digital equipment)是造成電視或無線電干擾的根源。從1979年餘FCC實驗室所進行的測試中顯示,若干種在市面上非常流行的家用電腦,在距離機體3公尺的地方其輻射強度約為100~2000uV/m,足以干擾到遠在數百呎外的電視機的接收信號。但是家用電腦並不是影響到電視與無線電接收的唯一罪犯,例如一份由FCC科技處(FCC'S Office of Science and Technology)在1980年提出的報告中指出投幣式電視遊樂器會對警用42MHz波段的通訊產生干擾。另外一份報告中亦指出商店的收銀系統會對安全通訊系統產生干擾。

  有關計算儀具(computing devices)的法規列於FCC 20780號備忘錄15章J節中,相關的基本定義則列於表一中。從有關計算儀的定義可知道這些規則適用於微處理器支半成品或完成品。由表一可知:自動化電子裝置,工業控制系統,工業或醫用測試系統及其他微處理器應用產品等四類產品不在規定之內。FCC根據使用場所的性質將計算儀具分成A級商用產品與B級家用產品兩類。

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  A級與B級計算儀具其技術與管理的要求有相當大的差別,A級儀具(商用的)的要求遠比B級儀具(家用的)的要求來得鬆懈,此乃由於B級儀具大部分在家中使用,距離那些敏感的接收設備(如電視、收音機等)較近;而A級的商用儀具反而在一個較『安全』的距離外的緣故。A級與B級其輻射與傳導的限制列於表二中。

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  粗看之下,似乎B級儀具可接受的輻射電平要比A級高些,但由於輻射場強度E(單位為uV/m)計算公式:

    E=(30P)1/2/r

可知對一個功率為P的無向射源(isotropic source)而言,E與距射源的距離r成反比。因此若我們將表二中的數據換成同樣為3公尺的話(表中A級儀具的數據為在30公尺處的要求),A級就遠比B及寬鬆了。圖(一)即為同樣在3公尺的距離時,A級與B級儀具在不同頻率下,可接受的輻射電平範圍,從圖中我們可清楚的看出B級儀具的限制要較A級嚴謹的多了。由輻射強度計算公式可知,在距離儀具3公尺的地方產生100uV/m的輻射場僅需3x10-9W的功率,這種功率為一典型TTL消耗功率的百萬分之一。因此只要在線路中有極小部分的能量會輻射出去的話,就有可能造成干擾的問題。

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  FCC除了要求傳導與輻射電平要低於要求標準外,另外還規定產品必須加上標籤或在操作指示中加入警告詞句,以提醒顧客使用時必須注意的事項。標籤與警告詞句的內容主要為告訴使用者該項產品已經通過測試並符合FCC的要求規定,同時也提醒使用者不得將A級儀具在住宅區使用,否則使用者要負起干擾賠償的責任。

  對個人電腦及其相關週邊設備與電子遊樂器類的產品,在上市前廠商必須提出測試數據,以獲得FCC檢定認可。檢定通過後,FCC則給予認可執照及註冊號碼,此號碼必須印在產品的標籤上,表示該項產品符合FCC的規定。

  對其他A級或B級的計算儀具,製造廠商在產品上市前亦必須證實符合FCC的規定,但是除了FCC特別要求外不必向FCC提出測試結果。至目前為止,FCC係採用市場抽樣調查的方式來決定這些產品是否符合FCC的規定,同時FCC也保留了要求廠商提供測試數據以獲得FCC認可執照的權力。

  FCC的官員指出這些規定並不能保證干擾問題從此不再發生。從基本的理論即可證明只要有3.5mV的電壓加在一低阻抗的線路上產生35uA的電流,就有可能在距離3公尺的地方產生100uV/m的輻射場,這恰好是FCC 20780號備忘錄中B級計算儀具的下限。因此這些儀具的設計者不僅要使他設計的線路能夠正確的工作,同時必須保證設計的線路不致產生超過FCC嚴格規定的輻射。

FCC送檢規定時間表如下:

●1981年1月1日:所有A級計算儀具以及任何不須送檢的B級儀具必須貼上特殊的標籤。

●1981年1月1日:需要送檢的B級計算儀具在能合法的上市以前必須通過FCC的檢定。

●1981年10月1日:在此日期(1981年10月1日)以後開始生產的A級計算儀具以及不須送檢的B級儀具,必須在上市前能證明符合所有規定。

●1983年10月1日:即使在1981年10月1日前開始生產的所有A級計算儀具及不須送檢的B級儀具亦必須能證明其符合所有規定。

如何滿足FCC的規定

  為了要符合FCC的規定,首先我們必須研究一下干擾控制的一些要求,即所謂的『電磁調和性』(electramagnetic compatibility,簡稱EMC)設計。基本上EMC為一儀具除了它原始設計的功能外,對其周遭電磁環境不產生其他影響的能力。在過去20年內由於人們對電磁干擾(electromagnetic interference,簡稱EMI)的產生原因解決方法以及相關科學原理原則的研究,導致EMC這門科學的興起。當一儀具在工作時所放射的電磁輻射(不論是所需或是非所需)低於周圍其他儀具的磁化低限值,則可謂符合了電磁調和性。一個適當的控制計畫主要包括:

  (1)估計產生干擾的傳導與輻射電平。

  (2)加上適當的保護隔離方法,確保干擾電平低於EMC的特殊限制。

  許多設計者也許會耽心為了要符合新規定將使產品成本增高,但事實上這種耽心是多餘的。根據估計,為了符合FCC的規定,製造成本的增加不會超過5%,而且大部分產品成本增加均低於1%。在此大家要注意的一點是:FCC在設計計劃初期即必須考慮進去,假如等到原型產品已經完成的階段再想到快速修補的方法減少EMI的話,那麼幾乎可保證產品的成本將提高2至3倍。簡而言之,EMC的要求在開始設計一項新產品時是一項極為重要的規格。

  在傳導干擾方面,由於干擾是在AC電源線上傳導,故其為這些AC電源線訊源阻抗(source impedance)的函數,因此需要加上電源阻抗穩定網路以使AC電源阻抗標準化,圖(二)即為此種阻抗穩定網路。另外輻射干擾必須等到原型產品放入機箱並接上外界介面線路才能予以估計。

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頻譜觀察

  FCC對傳導與輻射干擾限制的頻率範圍是從0.45至1000MHz。若我們將脈波(pulse)以傅立葉法展開(Fourier representation),對瞭解數位信號如何產生干擾的問題很有幫助。而轉折頻率(corner frequency)是影響頻譜分佈的一項重要參數,如圖(三)所示。最低頻率(I/πd)是由脈波的寬度決定,較高的兩個轉折頻率則由脈波上升時間(tr)與總體波幅(overall amplitude)決定。因此上升時間緩慢且低波幅的長脈波(long pulse)似可使電磁輻射降到最低。任何傳導脈波信號的電路或電線均可是為一潛在的干擾源,例如由圖(四)中的脈波列與其傅立葉頻道分佈可知在波幅衰減前,有相當大的頻率範圍其諧波含量是常數。

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  為了使EMI降到最低,線路設計的目的就在防止產生多餘的無線電頻率能量或使這些能量保持在最低電平。如此,設計者可避免使用各種昂貴的屏蔽或濾波裝置,將不想要的能量包封在產品中。

  選擇適當的邏輯族是控制EMI的一種方法。邏輯族必須足夠快以執行它的工作,但是超過的速度將轉注於頻譜中的高頻部分,因此一個系統執行速度在許可的範圍內要儘可能的慢。故若再現路上C-MOS元件足以勝任的話,最好就用它來取代TTL元件;若設計上非要TTL元件不可的話,那麼最好採用低功率蕭特基(schottky)TTL元件;若必須使用高速邏輯IC時,最好用ECL(emitter-cupled logic)代替高速TTL元件(ECL速度較快但較『安靜』)。

  鐘準信號(clock signal)必須是工作週期(duty cycle)為50%的方波,任何其他的工作週期會使波形中高頻部分的功率增多。此項原則也適用於由鐘準信號除出的較低頻率。當信號必須在數吋外高速執行時,可採用高功率的TTL元件,但是波形整容與濾波裝置就變成是必需的。通常信號線中絕不可通過高於25次的諧波,9次諧波已經是很稀少。事實上要能適當工作的話,諧波只能高到5次或7次。假如在設計時能使脈波上升與下降的時間在5%至15%波寬(pulse duration)之間,那麼就能使信號頻寬限在某一範圍而不過度的影響線路的正常功能。

高速小心!!

  在應用高速邏輯元件設計邏輯線路前必須要先深思熟慮並有詳細的事前計畫,例如並列數據(parallel data)中每一字(word)或拜特(byte)的任一位元(bit)必須在相同的波形或濾波狀態下接收,已使每一條線上的頻寬參數均相同。

  為了要防止訊號能量(signal energy)由一線路傳到另一線路,通常是採用耦合控制(coupling control)的方式,耦合有共態(commonmode)與共抗(mutual-impedance)兩種型式。共態耦合發生於電流由一線路經過一共同阻抗在另一線路產生感應電流,例如兩個或多個線路共用相同的迴路(return path)即造成共態耦合。迴路發生的原因可能是由於不適當的旁路或PC板上不妥當的佈線。

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  圖(五)是計算所得之TTL元件最大傳導諧波能量包封曲線與A級、B級傳導干擾限制對照圖。在看了這圖後,讀者大概就不會奇怪為何在鐘準線路(clock circuit)與電源供應線間要有92dB的隔離度方能達到FCC的限制要求了。

頻率與去耦合(decoupling)之關係

  在數位裝備中,大多數的導線都載有高頻諧波成份,當導線的長度接近¼波長時,去耦合接近於0dB,因此顯而易見的,去耦合效應對包在一起的導線就顯得重要了。圖(六)中可看到當頻率增加時去耦合就戲劇性的降低了。平行的兩根導線可以降低輻射量,此乃因它們彼此之間傾向於互相抵消輻射。共導耦合是由於電容電磁耦合而形成的,例如相鄰兩根導線即是。總之要避免此種形式的傳導干擾有下列幾條原則可以遵守:

  ●頻率應儘可能降低。

  ●所有的導體(conductor)必須分開,並且儘量靠近接地面(ground plane)。

  ●導體愈短愈好。

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分離主義

  元件隔離是一種降低耦合的一種方法,包括使用光隔離裝置(optical isolators)、纖維光學連結(fiber-optic link)、脈波變壓器(pulse transformers)與繼電器(relay)等方式。

  新發展的纖維光學是最近才用於隔離技術,利用纖維光學,低價的元件可在30公尺外彼此連結起來,其數據傳送率可達每秒10百萬位元(megabits)。便宜的直徑10um的纖維10公尺長只會使信號損失3至20dB。以便宜的TO-92包裝的成對接收發射器,目前在市面上已可容易的買到,市售的纖維光學連接器只要15秒鐘即可連妥。以圖(七)中的纖維光學連結元件連接在不同機箱的兩塊線路板大約只要美金8.86元(包括材料與勞工)──比以前的纖維光學連接器幾乎節省了10倍左右。

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  設計工程師也可以用適當的濾波技術來排斥不要的雜訊混入數位裝置的DC電源供應線路中,傳統的濾波技術包括將DC電壓源在線路板上旁路與在導線或電纜加加上LC或RC濾波裝置。旁路電容提供了到地的分路,通常單一的旁路電容只對在有限的頻率範圍內的信號有效,因此在實用上通常是將若干個容量大小不同的電容並連。表三為DC電源線旁路的原則,讀者可參考使用。在使用LC濾波裝置時要特別注意,此乃因其必須靠近臨界阻尼點(eritical damping)以避免其共振頻率時極大的電壓增益。

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  用亞鐵(ferrite)做成的塊狀單元濾波器(lumped-element filter)在低阻抗線路中適用於1至1000MHz頻率範圍。散佈式濾波器(istributed filter)可用於10GHz或更高的頻率,但是商用塊狀單元濾波器在開關式負載(switching load)時會導致鈴振(ringing)。一般而言,感應係數愈低、電容愈高,愈不容易產生鈴振問題。

接地與屏蔽

  接地是控制輻射問題最根本的方法,接地的方式有浮接(floating),單點(single-point)與多點(multiple-point)三種。單點接地在高頻時通常無效,因此設計者應考慮用多點接地來取代。在PC板上的接地面就是一種多點接地,它特別適用於線路或元件的尺寸超過工作頻率0.15波長時。下面有幾件接地處理要注意的事項:

 ●信號迴路、單屏蔽迴路(single-shield return)、電源系統迴路、機箱或線路板接地等,最好要維持各自獨立的接地系統。

 ●電源線應該是成對並絞合之。

 ●信號線與電源線不可由同一點穿過屏蔽。

 ●信號線與電源線應該設法安排成直角交叉通過,如此可使它們彼此間的耦合降至最少。

  假使一項產品設計正確並且已遵循以上所做的建議,那麼整體屏蔽(total shielding)就應該不需要了。使用屏蔽技術應該是所有其他的EMC技術都無效時的最後一招法寶。在低功率、低速度下工作的線路板應該沒有屏蔽的需要,但是若有數mA的電流被汲出──如54/74S系列的驅動器(driver)在接近滿載時──屏蔽也許就需要了。另外某些組件(assembly),如RF電源供應器、開關式整流器、電源轉換器(power converters)等幾乎都需要加上屏蔽,此乃因它們都是在高速下轉換高脈波振幅的緣故。

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  屏蔽的作用是反射與吸收入射的能量,如圖(八)所示。屏蔽通常是由高傳導性的金屬屏障構成,通常任何結構的固定屏蔽在MHz範圍內都可提供相當大量的吸收損耗(absorption loss)圖(八)中可看出以dB為單位的吸收損耗是屏蔽厚度與頻率的函數。

洩漏問題之考慮

  在設計屏蔽時大家要注意:屏蔽有效度(shielding effectiveness)與在接縫(seam)或接頭(joint)處有無洩漏非常有關,對屏蔽材料本身反而次之。洞的最大尺寸(並非指面積)或中斷長度(discontinuity)決定洩漏量,因此數個小洞要比總面積相等的一個大洞洩漏的少。故為了要有較好的屏蔽效果,用以固定屏蔽板與穿線夾(housing)的螺絲愈靠近愈好。

  含有雜訊的導線應該遠離屏蔽並且最好與屏蔽接縫平行,開孔可用細目金屬網加以遮蓋以隔離雜訊源。另外要注意的是可穿過接縫的電氣連續性(electric continuity),因此在介面(interfacing surface)上不可用油漆、氧化物或任何其他的絕緣塗料,最好用陽極處理過的鋁材(anodizing aluminum)、鉻酸鹽(chromate)或其他傳導磨光(conductive finush)等方法來處理。

  信號與電源導線的屏蔽通常是需要的,尤其在450KHz以上幾乎是必須的。當在電纜中RF的電壓超過5V(峰到峰)就必須加上雙重屏蔽。在此建議用屏蔽包線(shield braid),它是用高傳導材料構成並有85%的適用範圍。在接頭(Connector)與電纜交接處的屏蔽包線末端必須是完整的(360°),不可有任何缺口。後殼(backshell)是另外一種有效的接頭屏蔽方法,一個適當設計的金屬接頭可提供高於60dB的屏蔽作用。排水管線(drain wire)由於其對接地屏蔽並無效用,因此不要使用。最後要注意的是屏蔽絕不可用來當作信號的迴路。

(下期續,取材自Electronics/March 10, 1982)

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1.§15.4(n)計算儀具(Computing device)

  任何電子裝置或系統,利用數位技術,產生並使用超過每秒100.000脈波(或週期);包括用數位技術製作的電話裝置,利用無線電頻率能重進行數據處理功能的裝置或系統,諸如電子計算,操作、轉換、紀錄、填充、分類、貯存、取回或傳送。本章中其他特別易於符合放射規定者,如無線電傳送器、接收器、工業、科學或醫用裝備以及其他任何利用無線電頻率的裝置,則不在此定義之內。

[注意]:連於計算機之終端機與週邊設備(即計算機之輸入/輸出裝置)得視為計算儀具。計算機其他所有零件或組件(如開關式電源供應器)不在此定義中。

 2.§15.4(o)A級計算儀具

  用於商業、工業及一般業務等環境的計算儀具稱之為A級計算儀具。A級計算儀具不包括用於一般大眾或在家中使用者。

3.§15.4(p)B級計算儀具

  用於住宅區的計算儀具,儘管其仍可用於商業、工業及一般業務環境,概屬於B級計算儀具。例如這些儀具包括(並不界限於此):電子遊樂器、個人電腦、計算器與其他一般大眾使用與相似電子儀具。

[注意]:製造廠商可將它們用於商業、工業或一般業務的儀具設計成符合B級計算儀具之規定,事實上廠商也被鼓勵如此去做。假如某一類型的儀具被經常發現引起有害的干擾的話,委員會將也許會將此種儀具納入B級儀具而不論其原先之用途。

4.§15.4(q)個人電腦

  在家中使用的電腦,儘管其仍可應用於一般業務,概屬於個人電腦,此種電腦屬於B級計算儀具。凡是使用標準的TV接受機當作顯示管幕或是符合下列情況者即為個人電腦:(1)經由零售網或郵購目錄銷售;(2)廣告之銷售之字主要是針對愛好者或一般大眾,而不限制於商業用戶;(3)使用120伏特電源或電池。假如製造廠商能夠證明由於價錢或電腦性能使其不適用於電腦之範圍。

5.§15.4(r)證明

  製造廠商或進口商必須有經過認可的程序,以必要的步驟(包括測試)來證實其裝備符合本章節的技術規定。經由製造廠商或進口商證明合於規定的某件裝備必須要能代表未來所有的同樣產品。製造廠商或進口商應負責出示確保以前賣出的任何儀具均符合本章節的規定的步驟。

轉載音響技術第88期APR. 1983 電子機具的磁場輻射干擾(取材自Electronics/March 10, 1982)/錢 浩

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