電子控制設(shè)備的抗干擾設(shè)計(jì)

徐新衛(wèi)

（中國電子科技集團(tuán)公司 第三十九研究所，陜西 西安 710065）

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，原來功能簡單的電子設(shè)備已發(fā)展成強(qiáng)弱電緊密結(jié)合、功能齊全的新型電子控制設(shè)備，電子控制設(shè)備對外界發(fā)出電磁干擾，電子設(shè)備間往往相互影響，為了電子控制設(shè)備長期穩(wěn)定可靠工作，必須在電子控制設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造、安裝的全過程進(jìn)行電磁兼容的考慮。

1 干擾的定義

按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB2900.1－82的定義，干擾是指任何不希望有的信號，廣義地說是在一有用頻帶內(nèi)任何不希望有的噪聲[1]。

從噪聲對電子設(shè)備發(fā)生電磁干擾的模式來說，可分為常模噪聲和共模噪聲。

1.1 常模噪聲

常模噪聲又叫線間感應(yīng)噪聲或?qū)ΨQ噪聲，圖1是常模噪聲原理圖，噪聲侵入往返兩條線間，N為噪聲源，R為受擾設(shè)備，VN為噪聲電壓，噪聲電流IN和信號電流IS的路徑在往返兩條線上是一致的。這種噪聲是較難去掉的。

圖1 常模噪聲Fig.1 Norm noise

1.2 共模噪聲

共模噪聲又叫對地感應(yīng)噪聲或不對稱噪聲，如圖2所示，噪聲侵入線路和地線間。噪聲電流在兩條線上各流過一部分，以地為公共回路，而不是只在往返兩條線路中流過。從原理上講這種噪聲是可以去掉的。

圖2 共模噪聲Fig.2 Common-mode noise

1.3 共模噪聲轉(zhuǎn)換成常模噪聲

由于線路的不平衡性，共模噪聲也會轉(zhuǎn)換成常模噪聲。圖3是共模噪聲轉(zhuǎn)換成常模噪聲的原理圖，其中N是噪聲源，L為負(fù)載，Z1和Z2是導(dǎo)線1和導(dǎo)線2的對地阻抗。如果Z1＝Z2，則噪聲電壓V1和噪聲電壓V2相等，從而噪聲電流I1和I2相等，即噪聲電流不流過負(fù)載，對L來說這是共模噪聲；然而當(dāng) Z1≠Z2時(shí)，則 VN1≠VN2，從而 IN1≠IN2，于是 VN1－VN2＝VN，VN/ZL=IN（ZL—負(fù)載阻抗），對L來說這是常模噪聲。因此，當(dāng)發(fā)現(xiàn)常模噪聲時(shí)，首先考慮它是否由線路不平衡狀態(tài)而從共模噪聲轉(zhuǎn)換而來的。

共模噪聲有交直流之分，通常輸入輸出線與大地或機(jī)殼之間的噪聲都是共模噪聲，信號線受到靜電感應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的噪聲也多為共模噪聲。抑制共模噪聲的方法很多，如屏蔽、接隔離等，抗干擾技術(shù)在很多方面都是圍繞共模噪聲來研究其有效的抑制措施。

圖3 共模噪聲轉(zhuǎn)換成常模噪聲Fig.3 Changing common-mode noise into norm noise

2 噪聲的傳播途徑

噪聲基本是由導(dǎo)線、空間、接地電路這3個(gè)途徑進(jìn)行傳播的。噪聲通過導(dǎo)線傳播包括電源線、信號線、控制線的噪聲侵入；空間傳播包括電磁波、靜電感應(yīng)、電磁感應(yīng)等方式；通過接地電路傳播包括地線傳導(dǎo)、地線感應(yīng)和接地噪聲。

3 電磁干擾的抑制措施

3.1 電磁兼容的評價(jià)原則

在討論電子控制設(shè)備的電磁干擾抑制方法之前，先要了解電子設(shè)備的電磁兼容的評價(jià)原則，一般用電磁容不等式進(jìn)行簡單評價(jià)。即：噪聲發(fā)送量×耦合因素<噪聲敏感度[2]。

從噪聲源發(fā)出的傳導(dǎo)噪聲或輻射噪聲經(jīng)過導(dǎo)線或空間到達(dá)電子設(shè)備的相應(yīng)部分，進(jìn)入電源電路、輸入電路等，成為侵入電子設(shè)備的噪聲。此噪聲小于電子設(shè)備的噪聲敏感度時(shí)，設(shè)備不受其干擾，如果電子設(shè)備所有的噪聲入口部位都達(dá)到這一要求，并有足夠裕量時(shí)，便意味著該電子設(shè)備達(dá)到電磁兼容的要求；如果電子設(shè)備的某個(gè)或某些入口部位不滿足上述不等式的要求，或者雖能勉強(qiáng)滿足，但裕量太小時(shí)，則應(yīng)按實(shí)際情況，對上述不等式中的3個(gè)環(huán)節(jié)采取措施，并再次檢查是否滿足不等式，且保持一定裕量。

為達(dá)到電磁兼容的目的，應(yīng)該對影響電子設(shè)備的噪聲及其電磁干擾發(fā)送量、傳遞途徑和衰減情況做具體分析，并測試電子設(shè)備的敏感度，在取得必要數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上選用行之有效且較經(jīng)濟(jì)的電磁干擾抑制措施。

3.2 電磁干擾抑制措施

電磁干擾的抑制可從5個(gè)方面采取措施，分別是采用抑制干擾的電路或器件、濾波、接地、屏蔽和合理布線。

3.2.1 采用抑制干擾的電路或器件

1）專用供電線路 只要通過對供電線路進(jìn)行簡單處理就可以獲得一定的干擾抑制效果。如把三相電的一相作為干擾敏感設(shè)備的供電電源；另一相作為外部設(shè)備的供電電源；第三相作為常用測試儀器或輔助設(shè)備的供電電源。這樣可減少設(shè)備之間的相互干擾，同時(shí)有利于三相平衡。

2）浪涌吸收器 電路在工作時(shí)，有時(shí)會出現(xiàn)比正常電壓（或電流）高出幾十倍的瞬時(shí)電壓（或電流），其中最普遍的是雷電浪涌電流和開關(guān)浪涌電壓。常見的浪涌吸收器有RC電路、二極管、硒整流器、氣體放電管、金屬氧化物壓敏電阻、新型半導(dǎo)體雪崩半導(dǎo)體等元件[3]。

3）隔離變壓器 隔離變壓器是一種廣泛使用的電器隔離，解決由地線環(huán)路帶來的設(shè)備間的相互干擾?？煞譃槠胀ǜ綦x變壓器和帶屏蔽層的隔離變壓器。

普通隔離變壓器在初級和次級間不設(shè)屏蔽層，對共模有一定的抑制作用，但因繞組間寄生電容，使它對共模干擾的抑制作用隨頻率升高而降低。

帶屏蔽層的隔離變壓器要想衰減大，關(guān)鍵是耦合電容小。因此要在初級和次級間增設(shè)屏蔽層。屏蔽層對變壓器傳輸能量無不良影響，但影響繞組間耦合電容，所以屏蔽層的良好接地最重要。

3.2.2 濾波

濾波器是由電阻、電感、電容或有源器件組成的選擇性網(wǎng)絡(luò)，它作為電路的傳輸網(wǎng)絡(luò)，有選擇性衰減輸入信號中不需要的頻率分量，完成濾波作用。濾波器最重要的是其頻率特性，即濾波器的插入衰減隨工作頻率的不同而變化的特性。

插入衰減 =20lg（E1/E2）

式中，E1—信號源通過濾波器后加在負(fù)載上的電壓，E2—信號源不通過濾波器而直接加在負(fù)載上的電壓[4]。

濾波器按習(xí)慣可分為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器。

在濾波電路中，還采用很多專用的濾波元件，如穿心電容器、三端電容器、鐵氧體磁環(huán)，它們能改善電路的諧波特性。

3.2.3 接地

接地的目的有兩個(gè)：一是安全保護(hù)，預(yù)防觸電，保護(hù)操作人員的安全；二是為電子設(shè)備提供基準(zhǔn)電位，前者叫安全接地，后者叫功能性接地。接地是一個(gè)系統(tǒng)工程，需要在設(shè)計(jì)時(shí)通盤考慮，需要按功能分成信號地、控制地和安全接地等，并根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)決定采用一點(diǎn)接地、多點(diǎn)接地和混合接地。為避免接地環(huán)流，必要時(shí)還要采用隔離技術(shù)。一個(gè)完善的接地系統(tǒng)必須從最初設(shè)計(jì)直到它安裝、鋪設(shè)全過程審慎從事才能完成。接地的指標(biāo)是接地電阻，一般接地電阻以10 Ω為設(shè)計(jì)目標(biāo)。

下面從電子設(shè)備的角度對接地加以討論。

1）低頻電路 應(yīng)遵循一點(diǎn)接地原則。因?yàn)槿绻帱c(diǎn)接地，會出現(xiàn)閉合和接地環(huán)路，當(dāng)?shù)皖l或脈沖磁場穿過該環(huán)路時(shí)產(chǎn)生磁感應(yīng)噪聲，于是不同接地點(diǎn)之間會出現(xiàn)電位差，形成干擾。為實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)接地，可采用放射式接地線路，或者可采用干線式接地線路。

2）高頻電路 高頻電路宜用多點(diǎn)接地。高頻時(shí)即使較短的一段地線也會有較大的阻抗壓降，而且由于分布電容的作用，很難實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)接地。為了降低接地阻抗，消除分布電容的影響，采用平面式多點(diǎn)接地，利用一導(dǎo)電平面作為基準(zhǔn)點(diǎn)，需要接地的各部分就近接到該基準(zhǔn)地上。由于導(dǎo)電平面對高頻阻抗很低，所以各地的基準(zhǔn)電位比較接近。

3）混合電路 在實(shí)際設(shè)備中有各種電路，所以要采用混合接地方式。例如低頻信號電路和高頻電路分別有各自的基準(zhǔn)母線，高頻信號用平面式多點(diǎn)接地，再以放射式把上述三種電路連接到公共的基準(zhǔn)點(diǎn)上[5]。

3.2.4 屏蔽

屏蔽是通過各種屏蔽材料對外來電磁干擾的吸收和反射的作用來防止噪聲侵入，或是將內(nèi)部輻射的電磁能量限制在設(shè)備內(nèi)部，以防止干擾其他設(shè)備。按屏蔽的作用可分為電場屏蔽和磁場屏蔽。

1）電場屏蔽 電場屏蔽通常是采用良導(dǎo)體制成屏蔽體。屏蔽體有很多類型。如金屬隔板式、殼式、盒式等實(shí)心型屏蔽，或是金屬編制帶式屏蔽[5]。屏蔽材料的性能、厚薄，輔射頻率的高低，距輻射源的遠(yuǎn)近，有無縫隙等，都對屏蔽效果有直接影響。

2）磁場屏蔽 磁場屏蔽通常是采用高導(dǎo)磁材料制成屏蔽體。通常是對直流或低頻磁場的屏蔽。其原理是利用屏蔽體的高導(dǎo)磁率、低磁阻特性對磁通起磁分路作用?？赏ㄟ^加厚屏蔽體，被屏蔽物放在屏蔽體中心，減小縫隙，多層屏蔽等措施來加強(qiáng)屏蔽效果。

3.2.5 合理布線

合理布線是抗干擾措施的一個(gè)重要方面。導(dǎo)線的種類、線徑的粗細(xì)、走線的方式、線間的距離、導(dǎo)線的長短、捆扎或絞合、屏蔽的方式以及布線的對稱性等都對導(dǎo)線對噪聲耦合有直接影響。電子設(shè)備的濾波、屏蔽、接地也是在合理布線基礎(chǔ)上才能發(fā)揮出預(yù)期的效果。

1）電子設(shè)備外布線的基本原則

控制線路、電源線路和信號線路必須分別配線，并且要保持一定距離。配線間隔越大，離地面越近，配線越短，則噪聲越小。根據(jù)電磁場理論，電磁感應(yīng)的強(qiáng)度與距離的平方成正比。如受環(huán)境條件限制，信號線不能與高壓線和動(dòng)力線離得足夠遠(yuǎn)，可采用如下方法解決：信號線接電容器，控制線路用屏蔽電纜，靈敏器件的雙輸入、輸出使用雙絞線，在電纜溝（槽）按強(qiáng)弱電分層鋪設(shè)，不同等級的電纜用鐵板隔離[6]。

2）電子設(shè)備機(jī)柜配線注意事項(xiàng)

檢查電源配線是否過長，濾波器的輸入線和輸出線是否靠近，接地線是否用短而粗的線，電源變壓器是否屏蔽，如果機(jī)柜內(nèi)有TTL和復(fù)雜模擬電路，或者微處理機(jī)等部件時(shí)，最好把它們分別放在各自的屏蔽箱殼內(nèi)。采集強(qiáng)電信號的接口電路應(yīng)該另備外殼，強(qiáng)弱電元器件的配線不能靠近，電子設(shè)備內(nèi)的模擬電路、數(shù)字電路、動(dòng)力電路都要分開配線，都有各自的基準(zhǔn)電位，最后匯集在公共的地線，同一電源向多個(gè)部件供電，原則上要單獨(dú)設(shè)置電源線，而接地線仍要一點(diǎn)接地。

4 工程上的抗干擾設(shè)計(jì)

在實(shí)際工作中會遇到一些難解的問題，后來才發(fā)現(xiàn)是電磁兼容的問題。實(shí)例1：一次在某測控天線系統(tǒng)聯(lián)試中，發(fā)現(xiàn)編碼器不穩(wěn)，有時(shí)會有突然跳碼現(xiàn)象，造成天線運(yùn)行中突然抖動(dòng)。經(jīng)過反復(fù)排查編碼器和旋變，沒發(fā)現(xiàn)問題。用示波器觀察編碼器信號，發(fā)現(xiàn)只要電機(jī)一加使能，編碼器信號上還出現(xiàn)一些不明的高頻諧波。顯然電機(jī)的信號干擾了編碼器的正常工作。該天線系統(tǒng)是車載站，經(jīng)仔細(xì)查線，發(fā)現(xiàn)在走線槽中電機(jī)線和編碼線沒有分開走線，另外由于電機(jī)線較粗，雖然在電機(jī)線插頭的屏蔽層接在插頭的外殼，但工人為了方便把屏蔽層剪掉了一些，從而使屏蔽層不能完全包住插頭。針對上述情況，對工人強(qiáng)調(diào)必須嚴(yán)格按照圖紙要求走線，強(qiáng)電、弱電分開捆扎，屏蔽層必須完全包住插頭，不能有任何泄露。經(jīng)過整改后，編碼器工作正常，再也沒發(fā)現(xiàn)類似問題。實(shí)例2：在另一個(gè)工程中，發(fā)現(xiàn)用天線控制單元ACU遠(yuǎn)控運(yùn)轉(zhuǎn)天線時(shí)，天線運(yùn)行中有時(shí)會出現(xiàn)大的響聲，好像天線運(yùn)轉(zhuǎn)不靈活，有時(shí)會卡殼似的。開始懷疑是天線結(jié)構(gòu)的問題，可用伺服本控ADU運(yùn)轉(zhuǎn)天線無此現(xiàn)象。開始檢查ACU程序有無bug，，后來運(yùn)行串口調(diào)試程序，發(fā)現(xiàn)未轉(zhuǎn)天線，本控ADU發(fā)給遠(yuǎn)控天ACU的狀態(tài)有時(shí)會瞬間發(fā)生變化，又馬上恢復(fù)。而變化的那位恰巧是方位制動(dòng)器狀態(tài)，天線控制單元ACU收到制動(dòng)器異常就下電，收到制動(dòng)器正常又繼續(xù)工作，所以在天線運(yùn)行中有卡殼現(xiàn)象。接著又用串口程序檢查本控ADU給遠(yuǎn)控ACU發(fā)的指令，發(fā)現(xiàn)指令沒有變化一切正常。于是可以判斷問題就出在ADU與ACU通信的這根線上了。仔細(xì)檢查這根通信線，發(fā)現(xiàn)采用的是雙絞屏蔽線，但是它和電機(jī)線挨的很近。用示波器觀察，信號線上明顯有干擾信號。于是采取如下措施，給電機(jī)的三相電源線上分別穿上磁環(huán)；ADU與ACU的通信線重新接線，盡可能遠(yuǎn)離電機(jī)線；在ACU的信號線上接個(gè)小電容把高頻信號旁路到地線上。經(jīng)過以上措施，天線運(yùn)轉(zhuǎn)正常。

5 結(jié)束語

從表面看似乎電子設(shè)備的抗干擾技術(shù)并不難，無非是接地、屏蔽和濾波，但目前還很難對電磁兼容[7]建立一個(gè)定量的模型。同樣一種抗干擾設(shè)計(jì)對這套設(shè)備很有效，對另一套系統(tǒng)可能就一般。這就需要設(shè)計(jì)師根據(jù)設(shè)備的要求和外部的使用環(huán)境具體分析，依據(jù)過去長期摸索的經(jīng)驗(yàn)來選擇可采用的抑制干擾的措施。一個(gè)好的設(shè)計(jì)，可大幅提高電子設(shè)備的可靠性，顯著減少設(shè)備的故障率，獲得巨大的經(jīng)濟(jì)利益。

[1]諸邦田.電子電路實(shí)用抗干擾技術(shù)[M].北京：北京郵電出版社，1994：123.

[2]韓剛.工業(yè)電子控制裝置的抗干擾技術(shù)[M].北京：中國鐵道出版社，1997：42-47.

[3]路宏敏.工程電磁兼容[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2003.

[4]吳良斌.現(xiàn)代電子系統(tǒng)的電磁兼容性設(shè)計(jì)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2004.

[5]楊繼深.電磁兼容技術(shù)之產(chǎn)品研發(fā)與認(rèn)證[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[6]鄒云屏.檢測技術(shù)及電磁兼容性設(shè)計(jì)[M].武漢：華中理工大學(xué)出版社，1995：301-315.

[7]呂新良，盧江平，宋曉林.電子式互感器電磁兼容試驗(yàn)研究[J].陜西電力，2010，38（12）：80-83.LU Xin-liang，LU Jiang-ping，SONG Xiao-lin.Experimental study onelectromagnetic compatibility ofelectronic transformer[J].Shaanxi Electric Power，2010，38（12）：80-83.