短波發(fā)射機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)防抗干擾的分析與思考

俞日旺

摘 要 為確保發(fā)射機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行，既要考慮構(gòu)成系統(tǒng)本身的元器件質(zhì)量穩(wěn)定可靠，也要考慮克服周圍環(huán)境的干擾問(wèn)題。因此，在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，首先應(yīng)對(duì)產(chǎn)生的干擾源進(jìn)行分析，采取必要的抗干擾措施；其次是在自動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)行和維護(hù)過(guò)程中出現(xiàn)的各種干擾問(wèn)題，通過(guò)測(cè)試確定干擾源和干擾部位，而后應(yīng)用合適的抗干擾措施減小或消除干擾，保證自動(dòng)控制系統(tǒng)正?？煽糠€(wěn)定地運(yùn)行。本文分析了短波發(fā)射機(jī)各種干擾對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的危害和影響，并闡述了采用相應(yīng)的抗干擾措施，確保發(fā)射機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行的方法。

關(guān)鍵詞 短波發(fā)射機(jī) 自動(dòng)控制系統(tǒng) 抗干擾措施

中圖分類號(hào)：TN832 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Shortwave Transmitter Automatic Control System

for Anti-interference Analysis and Thinking

YU Riwang

（State General Administration of Press and Publication，

Radio and Television QiLiuYiTai， Tongan， Fujian 366000）

Abstract To ensure that the automatic control system transmitter safe and reliable operation， it is necessary to consider the components constituting the system is stable and reliable quality itself， but also consider the surrounding environment to overcome interference problems. Therefore， in the design of the control system， the first to deal with the source of interference generated by the analysis， to take the necessary anti-jamming measures； followed by a variety of interference issues that arise in the operation and maintenance of automatic control system， to determine the source of interference and interference by testing site， and then apply the appropriate measures to reduce or eliminate the interference jamming automatic control system to ensure reliable and stable operation of the normal. This paper analyzes the various shortwave transmitters interfere with automatic control system risks and effects， and elaborated using the corresponding anti-jamming measures to ensure that the transmitter's automatic control system stable and reliable operation of the method.

Key words shortwave transmitter； automatic control system； anti-interference measures

1 短波發(fā)射臺(tái)的干擾源

短波發(fā)射臺(tái)發(fā)射機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)干擾源主要有：高頻電磁波干擾，輸入輸出（I/O）接口引入干擾，電源系統(tǒng)引入干擾等三類。以筆者所在的發(fā)射臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果分析如下：

1.1 高頻電磁波干擾

短波發(fā)射機(jī)的任務(wù)是輸出大功率射頻信號(hào)（工作頻率范圍3.2—26.1MHz），通過(guò)饋線傳輸至天線后向空間輻射。發(fā)射機(jī)、饋線、天線都是很強(qiáng)的電磁波輻射體，還有各種控制繼電器的動(dòng)作、電子管過(guò)流閃爍、大電流觸點(diǎn)的合、斷都會(huì)產(chǎn)生瞬間電磁脈沖干擾，這種脈沖信號(hào)頻譜可以從幾十千赫茲到200兆赫茲。在大功率發(fā)射機(jī)附近存在著強(qiáng)電磁場(chǎng)，設(shè)備外殼、一段導(dǎo)線均可產(chǎn)生較大的感應(yīng)電壓而形成干擾源?？刂葡到y(tǒng)中傳感器通常用長(zhǎng)電纜將其連接到信號(hào)調(diào)節(jié)電子設(shè)備，從傳感器到其電子設(shè)備之間的這種長(zhǎng)饋線將也會(huì)起到一個(gè)接收天線的作用。在高頻狀態(tài)下機(jī)殼的電抗和饋線使整個(gè)系統(tǒng)起到一個(gè)天線的作用，而且天線接收的任何高頻信號(hào)（電場(chǎng)、磁場(chǎng)或電磁場(chǎng)）都將出現(xiàn)在阻抗上。對(duì)于上述高頻信號(hào)終止位置是在放大器的輸入端，對(duì)于具有差分放大作用的放大器在控制系統(tǒng)中是常見(jiàn)的，放大器的兩個(gè)輸入端對(duì)地輸入阻抗很高，極容易受到低功率RF干擾，因此，傳感器、工控機(jī)的外殼接地必須良好。精密低頻放大器很少與大的高頻信號(hào)耦合，所以輸出結(jié)果只表現(xiàn)出常見(jiàn)的可調(diào)整失調(diào)誤差。因此，發(fā)射臺(tái)內(nèi)的高頻感應(yīng)干擾是影響發(fā)射機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)可靠運(yùn)行的重要因素。

1.2 輸入輸出（I/O）接口引入的干擾

工控機(jī)與被控對(duì)象以及其他外圍設(shè)備之間都是通過(guò)輸入輸出（I/O）接口進(jìn)行連接的。高頻干擾信號(hào)竄入的主要途徑是模擬量的取樣輸入接口或是模擬控制信號(hào)輸出接口。一個(gè)集成電路內(nèi)部有模擬電路和數(shù)字電路兩部分，例如模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），為了避免數(shù)字信號(hào)耦合到模擬電路中去，模擬地和數(shù)字地通常分開(kāi)。從芯片上的焊點(diǎn)到封裝引腳的連線所產(chǎn)生的引線接合電感和電阻，并不是IC設(shè)計(jì)者專門(mén)加上去的?？焖僮兓臄?shù)字電流在引線接合電感和電阻上產(chǎn)生一個(gè)電壓，引起較大的數(shù)字噪聲，經(jīng)過(guò)雜散電容必然耦合到模擬電路的引線接合電感和電阻上，形成對(duì)模擬電路干擾。盡管這是制造芯片過(guò)程中IC設(shè)計(jì)者應(yīng)考慮的問(wèn)題，為了防止進(jìn)一步耦合，模擬地和數(shù)字地的引腳的外面應(yīng)采用最短的連線接到同一個(gè)低阻抗的模擬接地面上。有些干擾信號(hào)是從傳輸線感應(yīng)而來(lái)，有的是干燥環(huán)境產(chǎn)生的靜電對(duì)電子設(shè)備的干擾，有的是電路的阻抗不匹配引起反射造成。

1.3 電源系統(tǒng)引入的干擾

電網(wǎng)和用電設(shè)備的阻抗大都呈感性，當(dāng)大電流切換時(shí)，會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，瞬時(shí)電壓可高于正常電壓的幾倍，即形成了很高的干擾脈沖電壓。當(dāng)發(fā)射機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)與這些設(shè)備共用電源時(shí)，極易因干擾而產(chǎn)生誤動(dòng)作。在三相電路中存在著共模干擾和差模干擾。共模干擾存在于任何一相與大地之間有時(shí)也稱為不對(duì)稱干擾或接地干擾，這是載流導(dǎo)體與大地之間的電位差，共模干擾往往是指同時(shí)加載在各個(gè)輸入信號(hào)接口段的共有的信號(hào)干擾，它是在信號(hào)線與地之間傳輸?shù)母蓴_信號(hào)。差模干擾的區(qū)別是差模干擾存在于電源相線與中線之間。

2 抗干擾措施

通過(guò)仔細(xì)分析干擾源、干擾部位，采用合適的抗干擾措施才能取得良好的效果。通常使用的抗干擾措施有以下幾種：

圖1 法拉第電容屏蔽

2.1 屏蔽

屏蔽通常是用金屬屏蔽材料將電磁干擾源封閉起來(lái)，使其外部電磁場(chǎng)強(qiáng)度低于允許值的一種措施；或用金屬屏蔽材料將電磁敏感電路封閉起來(lái)，使其內(nèi)部電磁場(chǎng)強(qiáng)度低于允許值的一種措施。還有一種法拉第屏蔽，如圖1所示，它是通過(guò)電容屏蔽中斷耦合電場(chǎng)電容屏蔽使噪聲電流返回到噪聲源，而不通過(guò)阻抗Z。防止外來(lái)電磁波或高頻噪聲通過(guò)雜散電容耦合對(duì)要保護(hù)的相關(guān)設(shè)備的干擾最有效方法是采用金屬盒將易受干擾的設(shè)備屏蔽。按功能劃分，有兩種屏蔽方式：一種是適用于高頻電磁場(chǎng)的屏蔽，主要使用銅、鋁等高導(dǎo)電率的材料；另一種是適于低頻電磁場(chǎng)的屏蔽，主要使用鐵、坡莫合金等高導(dǎo)磁材料。

在發(fā)射機(jī)房強(qiáng)電磁場(chǎng)環(huán)境中，要求對(duì)高、低頻電磁場(chǎng)均有良好的屏蔽。因此，采用了不同金屬材料組成雙層或多層金屬盒。如：在發(fā)射機(jī)高周槽路采用了雙層屏蔽，其內(nèi)層使用銅板，外層使用鐵板。必須注意的是屏蔽盒的外皮必須良好地接地，否則它不但起不了屏蔽作用，反而成了電磁波的接收天線，引入強(qiáng)干擾信號(hào)。

圖2 簡(jiǎn)單的RC低通濾波器

圖3 三抽頭變壓器構(gòu)成的濾波器

2.2 濾波

濾波是利用電路的頻率特性實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)中頻率成分的選擇。它是把信號(hào)看成由不同頻率正弦波疊加而成的模擬信號(hào)，通過(guò)選擇不同的頻率成分來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)濾波。濾波主要用于抑制高頻噪聲、文波、瞬間脈沖等干擾信號(hào)。使用高頻示波器（或頻譜分析儀更靈敏，但判讀性差）常常可觀察到高頻噪聲，而且在放大器的輸入端常模和共模兩種形式的高頻噪聲都存在。自動(dòng)控制系統(tǒng)使用的直流電源是由交流電經(jīng)橋整電路整流后得到的，在直流電壓上疊加100Hz文波，有來(lái)自電網(wǎng)的瞬間脈沖干擾信號(hào)。通常最有效的方法是利用不同的濾波元件組合來(lái)抑制高、低頻干擾信號(hào)。在實(shí)際應(yīng)用中，濾波的形式和手段很多，可根據(jù)電路的需要進(jìn)行選擇。如：在系統(tǒng)電源入口處加裝較大容量的電解電容和高頻電容的并聯(lián)組合，用于電源去耦濾波，如果是精密儀器使用的電源，還會(huì)加裝濾波網(wǎng)絡(luò)。在高頻噪聲抵達(dá)精密放大器之前，必須從低頻信號(hào)中把它濾掉。當(dāng)信號(hào)帶寬僅有幾赫時(shí)，可以使用最簡(jiǎn)單的防護(hù)方法即在放大器前面接一個(gè)簡(jiǎn)單的RC低通濾波器對(duì)常模和共模高頻噪聲都有防護(hù)作用。相應(yīng)的電路如圖2所示。在選擇電路元件時(shí)有兩個(gè)重要問(wèn)題應(yīng)該考慮。阻抗R1和R2（圖中示為1k ，相應(yīng)的放大器偏置電流為？幾個(gè)納安或更低）必須選擇適當(dāng)，以便當(dāng)放大器的偏置電流流經(jīng)它們時(shí)不使失調(diào)電壓明顯增加。另外常模時(shí)間常數(shù)（R1+R2）C3一定要比共模時(shí)間常數(shù)R1C1和R2C2大得多。否則，為了避免由于R1、R2造成的不平衡使得共模信號(hào)轉(zhuǎn)換成兩個(gè)差分輸入之間的常模誤差信號(hào)，要求兩個(gè)共模時(shí)間常數(shù)必須匹配得非常好。

如果信號(hào)帶寬較寬，那么這種簡(jiǎn)單的濾波電路就不再適合，因?yàn)檫@時(shí)會(huì)把有用的高頻常模信號(hào)和無(wú)用的高頻共模信號(hào)都濾掉。如果把大的高頻共模信號(hào)接到放大器，很可能受到共模向常模轉(zhuǎn)換及次檢波（minor rectification）產(chǎn)生的低頻誤差的影響，所以必須使用既抑制高頻共模信號(hào)又通過(guò)直流和高頻常模信號(hào)的濾波器。這種濾波器如圖3所示，它與用于長(zhǎng)途電話線路的幻象電路（phantom circuit）有關(guān)。它使用緊耦合的“三組抽頭”變壓器，有三個(gè)繞組，其精確匝數(shù)比為1：1：1。這種變壓器任一繞組上的交流電壓都將耦合到其它兩個(gè)繞組上。設(shè)計(jì)時(shí)變壓器防護(hù)繞組的一端接到信號(hào)源的地，另一端接到放大器的防護(hù)端或分壓比較端，這個(gè)防護(hù)繞組的作用相當(dāng)于把放大器“看作”接成一個(gè)電容器的常用法。高頻共模信號(hào)將加到（被規(guī)定的）下層繞組，并且包含與其它兩個(gè)繞組都相等的共模電壓，這樣減去與每個(gè)繞組相串聯(lián)的共模電壓，從而有效地抵消了放大器輸入端的高頻共模信號(hào)。

在系統(tǒng)的多塊印刷電路板塊中，每塊電路板上裝一片穩(wěn)壓塊，形成獨(dú)立供電系統(tǒng)，可較好地防止板塊間的相互干擾；在各種電源進(jìn)線、外設(shè)接口、各種控制繼電器上均要并接上高頻旁路電容，用于濾除高頻干擾信號(hào)；在模擬量入口處加退耦電路，模擬量經(jīng)穿心電容到采樣點(diǎn)，濾除疊加在模擬量上的高頻干擾信號(hào)。在電路的設(shè)計(jì)安裝要使電容引線盡可能短，并盡可能安裝在靠近需要濾波的部位。

2.3 接地

為防止機(jī)房干燥環(huán)境產(chǎn)生的靜電對(duì)電子設(shè)備的干擾而進(jìn)行的接地為防靜電接地。為了防止外來(lái)的電磁場(chǎng)干擾，將電子設(shè)備外殼體及設(shè)備內(nèi)外的屏蔽線或所穿的金屬管進(jìn)行接地為屏蔽接地。電子設(shè)備中，為防止各種頻率的干擾電壓通過(guò)交直流電源線侵入，影響低電平信號(hào)的工作而裝有交直流濾波器，濾波器的接地稱功率接地。接地是抗干擾的重要保證，首先地線布置要合理，防止形成環(huán)路。其次系統(tǒng)的數(shù)字地、模擬地、屏蔽地等應(yīng)彼此分開(kāi)。最后要注意不可把通信電纜的屏蔽層作為通信地線，減少電磁輻射的影響?？刂葡到y(tǒng)的地線要求用寬銅帶單獨(dú)鋪設(shè)，不能借用發(fā)射機(jī)地線。

如果把模擬地和數(shù)字地引腳都連到數(shù)字接地平面上，那么模擬輸入信號(hào)將有數(shù)字噪聲疊加上去，因?yàn)槟M輸入信號(hào)是單端的且是相對(duì)于模擬接地平面而言的。正確的做法是把模擬地和數(shù)字地引腳兩者連起來(lái)并接到模擬接地上。例如10V輸入電壓的16位ADC，其最低位信號(hào)僅僅為150 V，在數(shù)字地引腳上的數(shù)字地電流引起的噪聲電壓實(shí)際上不可能比這更高，否則它們將使ADC內(nèi)部的模擬部分首先失效。如果在ADC電源引腳到模擬接地平面之間接一種高質(zhì)量高頻陶瓷電容器（0.1uF）來(lái)旁路高頻噪聲，數(shù)字地電流就會(huì)被隔離到集成電路周圍非常小的范圍內(nèi)，使其對(duì)系統(tǒng)其它部分影響減小到最低。如果數(shù)字噪聲低于幾百毫伏，對(duì)于TTL和CMOS邏輯通常是可以接受的。假如ADC有單端ECL輸出，就需要在每一個(gè)數(shù)字門(mén)上加一個(gè)推挽門(mén)，即起平衡和補(bǔ)償輸出的作用。把這些門(mén)電路封裝塊地引到模擬接地平面，并且用差分方式連接邏輯信號(hào)接口。在另一端使用一個(gè)差分線路接收器，將它的接地端接到數(shù)字接地上。模擬接地平面和數(shù)字接地平面之間的噪聲是共模信號(hào)，它們的大多數(shù)將在差分線路接收器的輸出端被衰減抑制掉。可以把同樣方法用于TTL和CMOS，但它們通常有足夠的噪聲容限，所以不需要差分傳輸。通常把ADC輸出直接連到有噪聲的數(shù)據(jù)總線上是很輕率的作法。因?yàn)榭偩€噪聲可經(jīng)過(guò)內(nèi)部寄生電容耦合返回ADC模擬輸入端。如果把ADC輸出直接連到靠近ADC的中間緩沖鎖存器就要好得多，緩沖鎖存器地線接到數(shù)字接地平面上，它的輸出邏輯電平和系統(tǒng)其余部分的邏輯電平兼容。

2.4 隔離

隔離就是把干擾源與易受干擾部分隔離開(kāi)來(lái)，減輕干擾。實(shí)現(xiàn)隔離有多種方式，例如變壓器隔離、繼電器隔離、光電隔離、放大器隔離等。隔離變壓器用于電源和模擬量隔離，凈化電源、消除三次諧波和抑制共模干擾。繼電器隔離一般用于一個(gè)系統(tǒng)的兩個(gè)單元相互隔離，實(shí)現(xiàn)的是電氣隔離，繼電器的線圈和觸點(diǎn)之間沒(méi)有電氣上的聯(lián)系，避免強(qiáng)電和弱電信號(hào)的直接聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)抗干擾隔離。光電隔離是將發(fā)光元件和受光元件組合在一起，通過(guò)電—光—電這種轉(zhuǎn)換，利用“光”這一環(huán)節(jié)完成輸入和輸出在電氣上的隔離功能。放大器隔離將放大器加上靜電和電磁屏蔽浮置起來(lái)，其輸入輸出電路與電源沒(méi)有直接的電路耦合關(guān)系，完成地線隔離。

此外，為減弱傳輸中引入的干擾的影響，可采用提高信號(hào)傳送電平和拉大開(kāi)關(guān)量高低電平的差值方法。有時(shí)還可把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成4—20mA的電流信號(hào)來(lái)傳輸，輸出端再還原成電壓信號(hào)，這就可不受導(dǎo)線壓降、接觸電阻和噪聲電壓的影響。還有的采用軟件硬件結(jié)合的抗干擾措施，軟件抗干擾措施常用的有數(shù)字濾波器、軟件自診斷、設(shè)置中斷“陷阱”、程序定時(shí)器等。這些為提升系統(tǒng)的抗干擾能力提供了技術(shù)支撐。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了大功率短波發(fā)射臺(tái)各類干擾源，對(duì)發(fā)射機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)所形成干擾的影響和潛在的隱患，尤其對(duì)模數(shù)接地方法進(jìn)行了針對(duì)性的研究，提出了防、抗干擾措施。希望對(duì)同行業(yè)在發(fā)射機(jī)維護(hù)中有所幫助。

參考文獻(xiàn)

[1] 張學(xué)田.廣播電視技術(shù)手冊(cè)（第一版）.國(guó)防工業(yè)出版社，2000.6.

[2] 董光天.電磁干擾測(cè)量與控制1000問(wèn)（第一版）.電子工業(yè)出版社，2003.