電子稱重儀表輻射抗擾度測試的方法與對策

王楊峰

（寧波柯力傳感科技股份有限公司 浙江 寧波 315033）

射頻輻射抗擾度（RS）測試是GB/T 7724-2008《電子稱重儀表》[1]中規(guī)定的電子稱重儀表取得計量型式批準(zhǔn)證書必須要過的測試項目。由于新國標(biāo)把抗干擾等級由原來的3 V/m提高到10 V/m，大大提高了儀表通過RS測試的難度。筆者以某型電子稱重儀表射頻輻射抗擾度測試為例，歸納總結(jié)出儀表設(shè)計的設(shè)計方法及注意事項，供大家借鑒。

1 儀表結(jié)構(gòu)

試驗中使用的某型電子稱重儀表，整體采用鋁合金外殼，薄膜開關(guān)樣式。硬件部分電源采用開關(guān)電源，CPU選用ST公司32位ARM處理器STM32F103，ADC選用ADI公司24位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7190，顯示采用 128×64點陣2.7’’OLED顯示屏。10路隔離輸入和12路隔離輸出，標(biāo)配1個RS232和1個RS485接口?？驁D如圖1所示。其中，CPU、顯示和ADC電源共用一個變壓器次級繞組，通訊電源用另一繞組，即通訊與其他電路隔離。

2 測試標(biāo)準(zhǔn)和方法

根據(jù)GB/T 7724-2008《電子稱重儀表》和GB/T 23111-2008《非自動衡器》[2]中規(guī)定電子稱重儀表RS測試標(biāo)準(zhǔn)如下：

頻率范圍：80～2 000 MHz

場強：10 V/m

圖1 儀表硬件框圖Fig.1 Hardware block diagram of meter

調(diào)制：80%AM，1 kHz，正弦波

最大允許變化：在有干擾和無干擾情況下測試，示值變化不大于e或衡器應(yīng)檢測到顯著增差并對其作出反應(yīng)。

試驗在半波暗室中進(jìn)行，試驗設(shè)備、設(shè)置、程序按照GB/T 17626.3[3]規(guī)定執(zhí)行。其中特別需要關(guān)注布線問題，以免影響試驗結(jié)果，必須遵守“從受試設(shè)備引出的連線暴露在電磁場中的距離為1 m”的規(guī)定。測試中電子稱重儀表引出的連線有電源線、傳感器線、通訊線和IO口輸入輸出線，這4組線必須暴露在電磁場中的距離為1 m，如圖2所示。

3 RS測試整改與分析

儀表設(shè)置：

圖2 試驗儀表位置示意圖Fig.2 Location diagram of testing meter

1）10 mV信號儀表標(biāo)定200 000內(nèi)碼，每個e對應(yīng)20個內(nèi)碼；

2）信號源采用350 Ω電阻應(yīng)變式傳感器，傳感器信號線采用屏蔽線，屏蔽接保護(hù)地PE；

3）1 M電阻R1和2 200 pF/2 kV高壓瓷片電容C1并聯(lián)跨接在儀表保護(hù)地PE與儀表工作地GND之間；

4）儀表的引出線全部接上引出；

5）儀表關(guān)閉零點跟蹤等功能；

6）儀表外殼接保護(hù)地PE；

7）儀表在內(nèi)碼狀態(tài)下顯示；

3.1 初始結(jié)果

按照上節(jié)的測試標(biāo)準(zhǔn)和方法進(jìn)行測試，這邊需要指出的是傳感器必須穩(wěn)定一段時間，以消除環(huán)境等因素的干擾[4]，結(jié)果如表1、表2所示。

表1 RS測試水平輻射初始結(jié)果Tab.1 RS testing initial result of horizontal radiation

表2 RS測試垂直輻射初始結(jié)果Tab.2 RS testing initial result of vertical radiation

從表1、表2中可看出，電子稱重儀表受輻射干擾主要在低頻段（80～1 000 MHz），高頻段（1～2 GHz）幾乎對儀表沒有影響。針對此款儀表主要集中在200 MHz以下頻段，水平輻射儀表內(nèi)碼變化34，垂直輻射抗擾內(nèi)碼變化33，均超過1個e，20個內(nèi)碼變化，有3處敏感點。水平輻射和垂直輻射敏感點大致相同，試驗以水平輻射整改為主，水平輻射合格后再驗證垂直輻射。

3.2 整 改

整改1：一般來說，射頻干擾是通過導(dǎo)體傳導(dǎo)和空間輻射兩個途徑從干擾源傳遞到敏感設(shè)備的[5-6]。切斷這兩條傳播途徑就可以解決射頻干擾問題。從儀表引出的各類接口線著手成為首選解決問題的途徑。

分別撥掉儀表IO口輸入輸出線和通訊線后進(jìn)行低頻水平輻射，結(jié)果如表3、表4所示。

表3拔掉通信線的測試結(jié)果Tab.3 Testing result of removing the communication line

表4 拔掉IO口線的測試結(jié)果Tab.4 RS testing initial result of removing the IO line

從表3、表4中可看出，IO口輸入輸出線對試驗結(jié)果幾乎沒有影響，拔掉通訊線后在頻率點130 MHz和180 MHz處儀表示值明顯得到改善。從而可得出射頻干擾通過通訊線接收，傳入儀表內(nèi)部，引起內(nèi)碼變化。

措施：分析通訊部分電路，發(fā)現(xiàn)通訊線沒有進(jìn)行濾波處理。在通訊線上增加三端濾波器件，注意地線上也要加三端濾波器件，這一點要特別注意。接上通訊線后再進(jìn)行低頻水平輻射，結(jié)果如表5所示。

表5 增加接口濾波的測試結(jié)果Tab.5 Testing result of adding interface filtering

對比表1與表5，結(jié)果顯示對通訊接口進(jìn)行濾波處理后，儀表受到的干擾明顯減小。但在130 MHz和180 MHz初相對初值還是有不小的變化，分別為12個內(nèi)碼和7個內(nèi)碼，整個頻段有19個內(nèi)碼的變化，若考慮器件差異性等因素，極易超出20個內(nèi)碼。

整改2：整改1中，通過在通訊接口線上增加三端濾波器件后，抗干擾效果明顯，但從表3和表5的結(jié)果中可看出，還是有一部分干擾通過通訊電路干擾到ADC電路。電路上，通訊信號線與CPU通過光耦隔離，通訊5 V電源從變壓器次級繞組2再經(jīng)LDO穩(wěn)壓得到。從傳輸路徑來看干擾最有可能從通訊地通過變壓器次級繞組2耦合到次級繞組1，從而干擾到ADC。

措施：在保護(hù)地PE和通訊地之間跨接1M電阻和2 200 pF/2 kV高壓瓷片電容（電阻和電容并聯(lián)），使干擾快速泄放到保護(hù)地。

整改后進(jìn)行低頻水平輻射，結(jié)果如表6所示。

表6 加RC的測試結(jié)果Tab.6 Testing result of adding RC component

從表6可看出，對通訊地進(jìn)行特殊處理后，抗干擾效果明顯。

整改3：從表1～表6可見，100 MHz的敏感點一直存在，初步考慮干擾從傳感器信號線耦合進(jìn)來，干擾ADC，頻率在100 MHz附近。在整改2的基礎(chǔ)上，在傳感器信號線，反饋線、電源線和地線上都加三端濾波器件濾波，進(jìn)行低頻水平輻射，結(jié)果如表7所示。

表7 傳感器接口加濾波后測試結(jié)果Tab.7 Testing result of adding filter components on sensor interface

從表7可看出，100 MHz處效果改善明顯，在整個頻率段內(nèi)內(nèi)碼變化9，滿足儀表示值不大于1個e的要求。

整改4：為進(jìn)一步提高輻射抗擾性能，在上述的基礎(chǔ)上，把ADC部分用金屬屏蔽罩屏蔽起來，再做輻射抗擾試驗，結(jié)果如表8所示。

表8 加ADC屏蔽罩測試結(jié)果Tab.8 Testing result of adding ADC shielding case

可見，對ADC進(jìn)行屏蔽處理，效果明顯。

按照上述方法對儀表進(jìn)行整改處理，隨機抽取3臺做輻射抗擾度實驗，全部通過實驗，而內(nèi)碼變化最大不超過6個內(nèi)碼。

3.3 分析總結(jié)

通過以上整改及RS測試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)可從四方面著手提高儀表的輻射抗干擾能力，以順利通過RS測試：

1）外部接口：各種外部接口線都應(yīng)做濾波處理，如有可能盡量采用隔離方案，盡量減小從接口線耦合進(jìn)來的干擾。對于電子稱重儀表ADC部分，接口處必須采用三端濾波器件，以提高濾波性能；通訊部分與CPU采用光耦或磁隔離，同時接口加濾波處理；IO口輸入輸出線與CPU采用光耦隔離，IO電路部分盡量采用外部電源，以最大程度消除RS造成的影響；進(jìn)行濾波處理時注意電源線和地線也要進(jìn)行濾波處理。

2）屏蔽：外殼和關(guān)鍵電路的屏蔽與接地。金屬外殼的電子稱重儀表，注意金屬連接件之間的縫隙，盡量不留縫隙，使外殼構(gòu)成一個整體，特別注意顯示窗口的屏蔽，同時外殼接保護(hù)地，使殼體對整個儀表內(nèi)部器件起到屏蔽作用；塑料外殼電子儀表在殼體內(nèi)表面噴涂金屬漆或電鍍金屬材料，同時接保護(hù)地；對ADC部分，采用金屬屏蔽罩以減小空間輻射對ADC的影響。

3）內(nèi)部電路：合理的電路設(shè)計有利于提高儀表的抗干擾能力。合理布局電源、CPU、ADC、IO及通訊電路，盡量采用隔離方案；PCB設(shè)計時對敏感信號包地線，以減小其環(huán)路面積，如成本允許，盡量采用4層板；按鍵接口處接上拉電阻，提高芯片的抗干擾能力，防止按鍵的誤響應(yīng)；芯片不用引腳不要懸空，接地或電源；對于開關(guān)電源，注意共模電感、差模電感、XY電容的參數(shù)選取，變壓器最好采用帶屏蔽繞組的，初次級跨接高壓瓷片電容，注意開關(guān)電源的接地問題；各工作地和保護(hù)地PE之間的連接問題，確保每個地都有泄放途徑。

4）軟件：選擇合適的ADC數(shù)據(jù)濾波算法，有利于提高儀表的輻射抗擾能力。

4 結(jié) 論

介紹了電子稱重儀表RS測試的測試標(biāo)準(zhǔn)和測試方法，結(jié)合某型電子稱重儀表RS測試結(jié)果及分析整改，歸納出電子稱重儀表設(shè)計過程中設(shè)計注意事項及設(shè)計技巧，對提高儀表抗干擾能力，順利通過RS測試，取得計量型式批準(zhǔn)證書，具有一定的參考價值。

[1]GB/T 7724-2008《電子稱重儀表》[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[2]GB/T 23111-2008《非自動衡器》[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[3]GB/T 17626.3-2006電磁兼容試驗和測量技術(shù)射頻電磁場輻射抗擾度試驗[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

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