提高智能檢測(cè)儀中抗電磁干擾能力方法的相關(guān)研究

楊昊澤

【摘要】 隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，智能檢測(cè)儀在電子行業(yè)發(fā)揮的作用也越來(lái)越大。由于內(nèi)部和外部因素的影響，造成電磁環(huán)境變得越來(lái)越復(fù)雜，因此智能檢測(cè)儀受到的干擾也在不斷地增大。為了更好的應(yīng)對(duì)智能監(jiān)測(cè)儀中微弱信號(hào)在電路檢測(cè)工作中遇到的問(wèn)題，本文從有限元法和電磁屏蔽法兩個(gè)方面進(jìn)行分析，探討微弱信號(hào)的處理辦法，保證智能監(jiān)測(cè)儀的平穩(wěn)運(yùn)行。

【關(guān)鍵詞】 智能檢測(cè)儀 微弱信號(hào) 處理辦法

智能檢測(cè)儀對(duì)于電子行業(yè)的發(fā)展具有重要的作用，但是在智能檢測(cè)儀的工作過(guò)程中，由于復(fù)雜的電磁環(huán)境的干擾，導(dǎo)致微弱信號(hào)在工作中受到影響，阻礙了智能檢測(cè)儀的正常平穩(wěn)的工作，所以有針對(duì)性的加強(qiáng)對(duì)微弱信號(hào)檢測(cè)工作中存在問(wèn)題的分析，并進(jìn)行探討是十分必要的[1]。

一、智能檢測(cè)儀的概念

智能檢測(cè)儀的概念：智能檢測(cè)儀是一種智能型的測(cè)量控制儀表，能夠?qū)囟纫约皦毫ψ龀鼍_的反映，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)聯(lián)合，能夠與傳感器和變送器等構(gòu)成各種類型、各種功能的測(cè)量控制系統(tǒng)。智能檢測(cè)儀的信號(hào)輸入并不是固定的，可以根據(jù)實(shí)際的需要，靈活的改變，還可以與熱電偶和其他的標(biāo)準(zhǔn)電壓、電流信號(hào)，熱電阻進(jìn)行搭配。智能檢測(cè)儀還自帶報(bào)警功能，分為四路報(bào)警，操作者可以根據(jù)需要將報(bào)警輸出任意的定義，一般是上限報(bào)警和下限報(bào)警。同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)與0-10mA、4-20mA標(biāo)準(zhǔn)電流的輸送及12VDC/50mA、5VDC/50mA、24VDC/50mA饋電輸出。智能檢測(cè)儀的特點(diǎn)是采用當(dāng)今最先進(jìn)的ATMEL單片微機(jī)作主機(jī)，減少了外圍部件，提高了可靠性。其次是輸出接口采用模塊化結(jié)構(gòu)，功能配置方便靈活。另外集多種輸入型號(hào)、輸出方式于一機(jī)。還有用WATCHDOG電路、軟件陷阱與冗余、掉電保護(hù)、數(shù)字濾波等技術(shù)，注重現(xiàn)場(chǎng)容錯(cuò)能力，使整機(jī)具有很強(qiáng)的抗干擾能力。最后是采用雙四位LED數(shù)碼顯示，可同時(shí)顯示測(cè)量值與第一報(bào)警值。通過(guò)光柱（20線）顯示測(cè)量值[2]。

二、微弱信號(hào)處理方法研究

2.1 基于有限元法

1、PCB中電磁干擾源。因?yàn)樵谖⑷跣盘?hào)檢測(cè)過(guò)程中，容易受到來(lái)自內(nèi)部和外界各種因素的干擾，因此電磁干擾源也是多種多樣的。其中包括高頻信號(hào)線產(chǎn)生的電磁輻射、分布電感耦合引起的串?dāng)_等等，這些都對(duì)微弱信號(hào)的工作產(chǎn)生嚴(yán)重的影響[3]。PCB中的電磁輻射分為兩類。一種是電場(chǎng)輻射，另外一種是磁場(chǎng)輻射。電場(chǎng)輻射產(chǎn)生的原因是在PCB設(shè)計(jì)走線時(shí)，走線的長(zhǎng)度是電磁輻射波長(zhǎng)四分之一的奇數(shù)倍，這時(shí)的PCB中的金屬線條就充當(dāng)了天線的角色，向外界輻射高頻度的電磁能量，在此同時(shí)外部的電磁輻射也會(huì)對(duì)金屬線條產(chǎn)生干擾。應(yīng)當(dāng)注意的是在微弱信號(hào)的工作過(guò)程中，其自身的電子元件會(huì)對(duì)接受道德電子輻射進(jìn)行調(diào)頻和控制，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的電子噪音，從而對(duì)用于檢測(cè)微弱信號(hào)的電子設(shè)備內(nèi)部的高頻度電路產(chǎn)生不良的影響，而且還會(huì)影響到設(shè)備內(nèi)部的中低頻度的電路。PCB中的磁場(chǎng)輻射產(chǎn)生主要是由印制線條造成的。印制線條的長(zhǎng)度很小，尤其是和工作的波長(zhǎng)相比，是遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于的，因此可以運(yùn)用偶極子天線的原理進(jìn)行解釋。電偶極子的另外一個(gè)成為是電流元，它的長(zhǎng)度以及它的橫向的尺寸和工作的波長(zhǎng)相比都是較小的[4]。

2、PCB的抗干擾設(shè)計(jì)措施?？垢蓴_設(shè)計(jì)的措施需要用專業(yè)的方法，一般采用的是電磁兼容設(shè)計(jì)的方法，還有另外一個(gè)稱謂是低噪聲設(shè)計(jì)法。在進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候一般包括三個(gè)環(huán)節(jié)，布局、布線和接地。布局這一環(huán)節(jié)是十分重要的一個(gè)組成部分，因?yàn)椴季值馁|(zhì)量好壞與否直接決定了接下來(lái)走線的科學(xué)合理以及測(cè)控系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行。所以在進(jìn)行布局的過(guò)程中，要綜合的考慮各個(gè)方面的因素，力求做到布局的質(zhì)量高，為后續(xù)的布線工作做好基礎(chǔ)準(zhǔn)備。在布局時(shí)，具有邏輯關(guān)系的電子元件應(yīng)該盡量要就近的放置，那些易受到干擾的、小電流電路等電子元件應(yīng)該在放置的時(shí)候需要有一定的安全距離，盡量的和數(shù)字邏輯元件之間留的較遠(yuǎn)。另外微弱信號(hào)檢測(cè)工作中，盡量的選用低速的芯片進(jìn)行操作，保證檢測(cè)工作的順利進(jìn)行。還應(yīng)當(dāng)注意的是PCB在進(jìn)行檢測(cè)的過(guò)程中，要根據(jù)電流強(qiáng)度的不同進(jìn)行區(qū)分，將電流大小不同的板塊進(jìn)行分開和隔離。并且要注意的是PCB在設(shè)計(jì)的過(guò)程中盡量將干擾源和敏感器件之間的距離放大一點(diǎn)，比如是DAC芯片等，屬于比較敏感的電子元件，所以就應(yīng)該的和PCB之間的距離拉開。并且在進(jìn)行DAC參考電壓端的放置時(shí)，要和數(shù)字信號(hào)線之間保持一定的距離，保證避免遭受電磁的輻射和干擾，從而影響電壓的平穩(wěn)，造成上下的波動(dòng)[5]。在微弱電路檢測(cè)中，對(duì)時(shí)鐘的走線要進(jìn)行合理的布置，線長(zhǎng)要適中，最好是短一點(diǎn)，并且在走線區(qū)域內(nèi)都要進(jìn)行隔離。在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)要最大程度的避免出現(xiàn)直角走線，因?yàn)閷⒆呔€的角度確定為45度的設(shè)計(jì)，可以在很大程度上降低和減少對(duì)外部的電磁輻射。另外為了減少電磁之間的相互干擾，PCB在設(shè)計(jì)過(guò)程中大信號(hào)線的走線布局，要和小的型號(hào)走線避免靠近，尤其是在走線時(shí)出現(xiàn)平行走線的情況。這些方式有利于在很大程度上降低來(lái)自于外界的干擾，避免對(duì)敏感的信號(hào)線產(chǎn)生不良的影響。還有要注意在布線過(guò)程中，盡量的較少或者完全的不在小信號(hào)線的周圍設(shè)置電流環(huán)路，當(dāng)出現(xiàn)特殊的情況不得不設(shè)置的時(shí)候，要盡量采用調(diào)整布線方向的方式，從而減少電流環(huán)路區(qū)域的面積，尤其是不要在對(duì)噪聲特別敏感的電子元器件的周圍出現(xiàn)布線的設(shè)置。

3、微弱信號(hào)檢測(cè)電路PCB的電磁場(chǎng)仿真。利用微弱信號(hào)檢測(cè)電磁場(chǎng)的仿真，首先是要建立相關(guān)的仿真模型。Ansoft Designer是綜合了電磁仿真、建模等物理原理，用有限元法解決電磁場(chǎng)問(wèn)題的軟件，同時(shí)該軟件在仿真模型的建立中發(fā)揮著重要的作用。采用混合電位積分方程的計(jì)算方法，利用矩量法來(lái)計(jì)算相關(guān)的電流密度，得到參數(shù)J，從而根據(jù)得到的參數(shù)計(jì)算出S參數(shù)。接著利用Protel DXP軟件畫出PCB設(shè)計(jì)的方案，最后在Ansoft Designer軟件中導(dǎo)入，結(jié)合實(shí)際的情況需要，根據(jù)實(shí)際的參數(shù)建立仿真模型。

其次是在建立PCB仿真模型之后，還要根據(jù)實(shí)際的情況添加激勵(lì)端口，設(shè)置所需要的激勵(lì)增幅值。在設(shè)置的環(huán)節(jié)都完成之后需要對(duì)模型進(jìn)行分析工作的準(zhǔn)備。設(shè)定分析的各項(xiàng)條件，掃描的頻率、求解的頻率等等。最后的環(huán)節(jié)是進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)合格方可進(jìn)行分析工作，不合格的需要進(jìn)行重新的設(shè)定，知道檢驗(yàn)合格才能進(jìn)行下一步的工作。最后根據(jù)對(duì)仿真模型分析的結(jié)果，對(duì)PCB設(shè)計(jì)中的走線方向和方式進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，對(duì)距離較近或者是相同方向的信號(hào)線，要注意保持安全的距離，防止相互之間的干擾。另外對(duì)于垂直距離之間的走線，應(yīng)當(dāng)注意避免直角走線的情況。還要注意對(duì)那些比較敏感的信號(hào)線在走線設(shè)計(jì)的過(guò)程中，要盡量的遠(yuǎn)離場(chǎng)強(qiáng)較強(qiáng)的地方，減少影響。

2.2 基于電磁屏蔽法

1、屏蔽原理分析。屏蔽是指通過(guò)用導(dǎo)電的材料，以及具有導(dǎo)磁功能的材料制成的屏蔽體，把電磁的能量限制在一定的范圍之內(nèi)，從而大大的削弱電磁的傳輸。在現(xiàn)階段一般采用的屏蔽措施是通過(guò)對(duì)一些較敏感的電子設(shè)備和元器件進(jìn)行保護(hù)，阻止外部的帶電磁場(chǎng)對(duì)設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生影響，降低外界的電磁環(huán)境和電磁輻射對(duì)電子設(shè)備的內(nèi)部產(chǎn)生影響。另外，一些具有比較嚴(yán)重干擾能力的電磁器件，會(huì)采用隔離的措施進(jìn)行保護(hù)，從而減弱和降低電磁泄露。屏蔽的原理有很多種，大體上屏蔽的方式分為三類：電磁屏蔽和磁場(chǎng)的屏蔽，以及電磁的屏蔽。

2、屏蔽效能分析。對(duì)于屏蔽效能的分析，一般通過(guò)計(jì)算來(lái)驗(yàn)證。屏蔽的效果用公式可以表示，傳輸系數(shù)T與屏蔽效能SE之間存在一定的比例關(guān)系。在公式中字母T所代表的是在屏蔽之后，某一處的場(chǎng)強(qiáng)（用字母E1和H1表示）和未經(jīng)屏蔽處理之前的場(chǎng)強(qiáng)（用字母E2和H2表示）之間的比，由此可以得出關(guān)系式：即有對(duì)電場(chǎng)存在T1=E1/E2的反比例關(guān)系；對(duì)磁場(chǎng)存在T2=H1/H2的反比例關(guān)系，并且在關(guān)系式中，傳輸系數(shù)的值，也就是T的值越小，代表著該屏蔽效能越強(qiáng)，屏蔽的效果越佳。另一方面屏蔽的效能（用字母SE表示）也存在一定的比例關(guān)系，是指經(jīng)過(guò)屏蔽之后某一處的場(chǎng)強(qiáng)E1和H1與和之前未經(jīng)過(guò)屏蔽處理的場(chǎng)強(qiáng)E2與H2之間形成的比，所得到的數(shù)據(jù)單位是dB，由此可以得出公式：對(duì)電場(chǎng)存在S1=20log（E1/E2），對(duì)磁場(chǎng)存在S2=20log（H1/H2）的關(guān)系。并由此可知，屏蔽的效能值，也即是S值越大，代表著屏蔽物體所產(chǎn)生的屏蔽效果越強(qiáng)。利用屏蔽效能對(duì)屏蔽物體所產(chǎn)生的效果進(jìn)行表示，能夠在進(jìn)行多層屏蔽體的效果計(jì)算過(guò)程中，直接簡(jiǎn)單的通過(guò)加減運(yùn)算就能夠表示出整體的屏蔽效能，更加的直觀簡(jiǎn)潔。

3、孔縫對(duì)屏蔽效能的影響。電磁波要對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生電磁干擾，一般會(huì)通過(guò)兩種形式。一種是利用設(shè)備的天線耦合，另一種是從設(shè)備的縫隙進(jìn)入。針對(duì)第一種情況，為了防止外界電磁的干擾，可以加裝相關(guān)的抗干擾電子元件對(duì)設(shè)備進(jìn)行保護(hù)。但是另一方面電子設(shè)備的內(nèi)部不可避免的存在孔縫，孔縫會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部電磁對(duì)外界的輻射，也更容易的使外界的電磁干擾直接的進(jìn)入電子設(shè)備的內(nèi)部，難以保證屏蔽的效果。屏蔽效果還受到孔縫尺寸和面積的影響，一般來(lái)說(shuō)，矩形孔縫造成的電磁輻射和泄漏要遠(yuǎn)遠(yuǎn)的大于方形或者是圓形孔縫所造成的電磁污染，然而方形孔縫造成的電磁泄漏比圓形的泄漏要嚴(yán)重得多。

4、Ansoft HFSS中屏蔽效能仿真分析。Ansoft HFSS是針對(duì)于微波電子器件的設(shè)計(jì)，利用有限元法解決電磁場(chǎng)問(wèn)題，對(duì)電磁場(chǎng)數(shù)值進(jìn)行高精度仿真的一款軟件，在電子領(lǐng)域的各個(gè)行業(yè)中應(yīng)用廣泛。利用該軟件進(jìn)行屏蔽效能的仿真分析，可以總結(jié)出：避免在屏蔽物體表面留下縫隙，否則會(huì)降低屏蔽的效果，另外，在必須要有縫隙的情況下，盡量減小縫隙的面積，采用圓形空洞，減少電磁的泄漏；敏感的元器件在放置過(guò)程中要遠(yuǎn)離孔縫，從而減少電磁的干擾，提高屏蔽的效果。

三、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在電子技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中，智能檢測(cè)儀微弱信號(hào)電路檢測(cè)工作能夠發(fā)揮重大的作用，保證了不受電磁輻射的干擾，同時(shí)通過(guò)對(duì)微弱信號(hào)的處理辦法的探討，有利于提高抗電磁干擾的能力，保證電子系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行。

參 考 文 獻(xiàn)：

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[3]劉旭飛.強(qiáng)噪聲下微弱信號(hào)處理方法研究[J].科技信息，2012，07：83-84.

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[6]楊曉闊，王曙釗，王峻，劉鵬.基于特征向量盲分離的多頻微弱信號(hào)檢測(cè)方法[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2008，08：1393-1397.