陈洁，赵圣麟，关作金，等. 节点地震仪电路设计中减小对授时模块干扰的方法[J]. 地震科学进展, 2023, 53(8): 337-342.doi:10.19987/j.dzkxjz.2021-097
Chen J, Zhao S L, Guan Z J, et al. Method to improve the anti-interference ability of seismograph in time service[J]. Progress in Earthquake Sciences, 2023, 53(8): 337-342. doi:10.19987/j.dzkxjz.2021-097
学术论文
节点地震仪电路设计中减小对授时模块干扰的方法*
陈 洁1) 赵圣麟1) 关作金1) 黄艳妮1) 李 丽2)※
1) 珠海市泰德企业有限公司，广东珠海 5190822) 中国地震局地球物理研究所，北京 100081
摘要 地震仪授时的准确程度直接影响地震定位能力。目前地震仪均采用卫星定位导航系统进行卫
星授时。地震仪中的授时模块易受射频干扰，进而导致地震仪授时不准。研究认为高频元件、电源模块、线路设计及地线部署是产生射频干扰的主要原因。本文在实验的基础上发现，增设隔离板、替换元件、优化线路设计及调整地线部署可以稳定地降低地震仪系统对授时模块的电磁干扰，所用技术可应用于提升地震仪的授时准确度。
关键词 地震仪；印刷电路板；卫星授时；授时模块；电磁干扰
中图分类号：P315.62 文献标识码： A 文章编号: 2096-7780(2023)08-0337-06doi ：10.19987/j.dzkxjz.2021-097
Method to improve the anti-interference ability of seismograph in time service
Chen Jie 1), Zhao Shenglin 1), Guan Zuojin 1), Huang Yanni 1), Li Li 2)
1) TAIDE Enterprise Co., Ltd, Guangdong Zhuhai 519082, China
2) Institute of Geophysics, China Earthquake Administration, Beijing 100081, China
Abstract The timing accuracy for seismographs directly affects the seismic location ability. At present ，seismographs usually use satellite positioning and navigation system for timing service. The time-service module of the seismograph is susceptible to radio frequency interference ，which leads to inaccurate punctuality of the seismograph. The main causes of electro-magnetic interference are high-frequency electronic components ，power supply modules ，circuit design and ground wire deployment. Based on the experiments ，it is found that the electromagnetic interference of the seismograph system to the time-service module can be stably reduced by adding an isolation plate ，replacing components ，optimizing the circuit design and adjusting the arrangement of ground wires. The techniques mentioned in this pater can be used to improve the timing accuracy of the seismograph.
* 收稿日期：2021-06-16；采用日期：2023-03-29。
基金项目：国家重点研发计划重大科学仪器设备开发专项“井下甚宽频带地震仪的研制与应用开发”
（2016YFF0103400）资助。
第一作者：陈洁（1985-），男，工程师，主要从事地震仪研发工作。E-mail ：*************。※
通信作者：李丽（1969-），女，研究员，主要从事地震观测技术研究。E-mail ：******************** 。
第 53 卷 第 8 期
地 震 科 学 进 展
Vol.53 No.82023 年
8 月Progress in Earthquake Sciences Aug., 2023
Keywords seismograph; printed circuit board; satellite time service; time-service module; electro-magnetic interference
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）：
高频器件的
使用
使用最低频率芯片
电源及布设
信号线布设
地线布设
配置高精度稳态电源；
将模拟信号部分、高速数字电
路、噪声源部分尽可能分开；
电源线与地线平行
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
增加一层地线，或采用多地线
网络，布设大量的平行地线主要干扰源处理干扰的方法
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1 575.42（±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。
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（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=1 572 MHz，刚好在GNSS 的民用频段1 575.42 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。
（a）工程师正在进行辐射测试（a）Radiation tests
（b）近场探头对电路板进行扫描
（b）Scanning the circuit board with the near-field probe
图 2 辐射信号测试
Fig. 2 Radiation tests
在L1载波1 575.42（±3） MHz频点附近，存在峰值点2为1.540 67 GHz，峰值点3为1.573 3 GHz，峰值点4为1.606 0 GHz三个频带的干扰（图3）。
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。
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。
第 8 期陈洁等：节点地震仪电路设计中减小对授时模块干扰的方法339
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。
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。
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。
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–40–60–80幅度/d B m
频率/GHz
–100–120
1.50
1.55 1.60 1.65
Trace-Pos peak
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
（b ）With shield board
（a ）未安装屏蔽板（a ）Without shield board （b ）已安装屏蔽板
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
（a ）模块布局更改以前
（a ）Before modified the module layout （b ）模块布局更改以后
（b ）After modified the module layout
图 5 模块布局Fig. 5 Module layout模块电源图片
340
地 震 科 学 进 展2023 年
（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。
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 。
表 1 屏蔽罩安装效果对比数据
Table 1 Comparison data of shield board installation effect
观测频点/GHz 未安装屏蔽板的峰值/
dBμV 已安装屏蔽板的峰值/
dBμV 1.570 16653.9643.621.580 33349.2640.391.564 91647.6139.481.575 333
46.21
38.08
表 2 整改前后对比数据
Table 2 Comparison data before and after rectification
卫星编号整改以前卫星信号的
信噪比/dB
整改之后卫星信号的
信噪比/dB
G13141G73242G81729G92939G17
2536G192233G213137G30
30
40
（a ）PCB 布线修改以前（a ）Before modified the PCB layout （b ）PCB 布线修改以后
（b ）After modified the PCB layout
图 6 PCB 电路板布线Fig. 6 PCB layout
555045幅度/d B m
频率/GHz （a ）未安装屏蔽板（a ）
Without shield board 403530
1.55
1.56
1.57 1.58 1.60
1.59Trace-Pos peak
605045幅度/d B m
频率/GHz （b ）安装屏蔽板后
（b ）
With shield board 403530
551.55
1.56
1.57 1.58 1.60
1.59Trace-Pos peak
图 7 射频电路辐射水平Fig. 7 The radiation level of RF circuit
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