利用二極管伏安特性轉(zhuǎn)移低電平干擾

薛紅平，李熒興，韋勇宇，張建紅，金彧

（北方自動控制技術(shù)研究所，太原030006）

利用二極管伏安特性轉(zhuǎn)移低電平干擾

薛紅平，李熒興，韋勇宇，張建紅，金彧

（北方自動控制技術(shù)研究所，太原030006）

針對某型光電系統(tǒng)的電磁兼容問題，特別是電源脈動電流引起的地線干擾問題，提出一種利用二極管伏安特性解決此類問題的方法。此方法在實際系統(tǒng)中進行了實踐，完全消除了此類電磁兼容問題的影響，而且效費比高，具有非常好的推廣及應(yīng)用價值。

光電系統(tǒng)，電磁兼容，脈沖干擾，二極管

0 引言

隨著電子技術(shù)進步，實現(xiàn)相同功能的系統(tǒng)體積變得越來越小，相同空間條件下系統(tǒng)集成度越來越高。系統(tǒng)設(shè)計不僅要考慮在有限體積和重量內(nèi)完成功能、性能要求，而且系統(tǒng)內(nèi)部的電磁兼容性也是一個不可忽略的問題。集成度越高，系統(tǒng)內(nèi)的各種復(fù)雜類型設(shè)備之間的電磁自兼容性要求就越來越高。電磁兼容設(shè)計是一項高難度的復(fù)雜工程，各種類型的系統(tǒng)，電磁兼容問題都有其特殊性，在深入分析系統(tǒng)特征、問題形成機理的基礎(chǔ)上，有可能找到針對性的捷徑和技巧。

針對某型光電系統(tǒng)內(nèi)部電源脈動電流引起的地線干擾而帶來的電磁兼容問題，提出一種利用二極管伏安特性解決此類電磁干擾的方法。此方法不僅成本低廉，而且能有效抑制干擾，效果明顯，具有非常好的推廣及應(yīng)用價值。

1 問題的提出

在某便攜式光電偵察系統(tǒng)中，集成有電視攝像機、紅外熱像儀、激光照射器等單體及伺服運動機構(gòu)，設(shè)備連接框圖如圖1所示。

圖1 某偵察系統(tǒng)設(shè)備連接框圖

光電偵察系統(tǒng)各單體采用已經(jīng)定型的成熟產(chǎn)品，各單體均采用同一個24 V直流電源供電，由于光電成像元件、激光等器件的特殊性，其信號地、電源地與其外殼連通。

激光照射器啟動時，每發(fā)射一束激光，會消耗大量的能量，在激光照射器輸入端產(chǎn)生一個大電流脈沖；而當(dāng)激光照射器啟動照射，會周期性、高頻地發(fā)射激光束，從而在激光照射器輸入端產(chǎn)生高頻的脈沖大電流。這樣，從電視攝像機或紅外熱像儀輸出的視頻圖像上可以觀察到明顯的被干擾條紋，如圖2所示。

為了不影響偵察效果，如何消除視頻圖像上的干擾條紋是研究的重點。

圖2 脈沖電流造成視頻的橫紋干擾

受單體設(shè)備定型狀態(tài)、總體尺寸空間、連接器等條件限制，無法通過對各單體設(shè)備之間地線隔離、加粗地線等措施解決問題。

2 干擾機理

將系統(tǒng)的信號流圖簡化為如圖3所示的模型，圖中設(shè)備A為模擬弱信號源并且具有脈動式大電流特性，設(shè)備B為模擬弱信號接收及處理設(shè)備，設(shè)備C為系統(tǒng)電源及控制設(shè)備，其中設(shè)備AB之間有非隔離模擬小信號傳輸關(guān)系，設(shè)備BC之間有非隔離的數(shù)字信號傳輸關(guān)系。

圖3 某偵察系統(tǒng)信號流示意圖

根據(jù)圖3建立信號傳輸模型：定義導(dǎo)線ac、ab、bc之間電阻分別為Rac、Rab、Rbc，其中Rbc＜Rac＜＜Rab；設(shè)備A工作時流經(jīng)地線ac的脈沖電流峰值為Ip，模擬信號傳輸流經(jīng)信號地線ab的電流為Ia，數(shù)字信號傳輸流經(jīng)信號地線bc的電流為Id，其中Ip＞Ia*103，且Ia≈Id；設(shè)備A信號源輸出信號電壓為Vxa，設(shè)備B接收信號電壓為Vyb。

簡化地線阻抗模型見圖4。

圖4 簡化地線阻抗模型圖

與Ip相比，Ia和Id可以忽略，因此，流經(jīng)地線的電流可以用下式綜合表達：

I≈Ip*σ，其中

由電流引起的ab間壓降：

考慮Rbc＜Rac＜＜Rab，有

設(shè)備A模擬信號傳輸?shù)皆O(shè)備B后，輸出表達式：

考慮Ip＞Ia*103，有

從式（2）可以看出，在設(shè)備B檢出的信號中，疊加了周期性的脈沖干擾。設(shè)系統(tǒng)允許的干擾門檻為ΔVma，即當(dāng)Ip*Rac＞ΔVma時，對系統(tǒng)工作產(chǎn)生影響。

本系統(tǒng)中，該干擾導(dǎo)致設(shè)備工作不正常，從式（2）分析，解決的途徑為降低干擾項Ip×Rac×σ，或者提高Vyb的門檻電壓ΔVma。本系統(tǒng)中，Vyb為視頻信號，Vp-p≈1 V，屬于弱信號，大于50 mV的干擾即可對圖像信號產(chǎn)生影響；為了保證激光輸出能量，激光照射器工作電流Ip必須保證15 A，只有降低電阻Rac數(shù)值，但即使降低到綜合電阻20 mΩ，也會導(dǎo)致300 mV的干擾產(chǎn)生。

3 利用二極管伏安特性轉(zhuǎn)移干擾的原理分析

根據(jù)式（1），如果能夠改變Rab和Rbc的關(guān)系，如增大Rbc，即可減小I在設(shè)備AB之間引起的擾動Vab，相對應(yīng)的設(shè)備BC之間擾動Vbc增高，擾動被轉(zhuǎn)移。

如果設(shè)計Rbc為m*Rab，可得電流I在AB之間和BC之間形成的干擾分別為：

圖3中，設(shè)備B和C之間傳輸信號為TTL數(shù)字信號，其信號抗干擾門檻ΔVmd相比于ΔVma要高很多，如果將Ip*Rac*σ轉(zhuǎn)移到BC之間并且不影響數(shù)字信號的傳輸，則可解決本系統(tǒng)設(shè)備工作兼容性問題。但同時，由數(shù)字傳輸電流引起的BC之間的壓降Vbc也將增大。

定義Vbc1為調(diào)整Rbc前Id引起的壓降，Vbc2調(diào)整電阻為Rbc'后Id引起的壓降，并設(shè)Rbc'=n× Rbc。

則有：

Vbc1=Id×Rbc

Vbc2=Id×Rbc'=n×Vbc1

所以由Id引起的壓降增大了n倍，隨著Rbc'的增大，Vbc2可能變得無法容忍，將超過數(shù)字信號的抗干擾門檻ΔVmd。

如果設(shè)計Rbc為自適應(yīng)可變阻抗電路，當(dāng)Vbc2達到一定的幅度時，降低阻值，即可有效抑制Vbc2幅度。

圖5普通硅二極管伏安特性圖

圖5 為普通硅二極管的伏安特性曲線圖，二極管的正向電壓具有死區(qū)電壓Uth和導(dǎo)通電壓UD（on）兩個參數(shù)，二極管的特性描述如下：

①iD=0，當(dāng)uD＜Uth；

②iD迅速增大，當(dāng)uD≥Uth時；

③二極管飽和壓降為0.7 V，當(dāng)uD≥UD（on）時；

根據(jù)上述分析，選擇普通硅二極管替代Rbc，在工作電壓范圍內(nèi)，其阻抗特性（圖5）符合上述特征，且具有方向性，反向電阻理論值無窮大；正向電阻隨著電壓增大而減小，當(dāng)電壓值小于死區(qū)電壓Uth時，理論電阻值為無窮大，電壓到達飽和壓降時，電阻值急劇下降。因此，可考慮在Rbc回路中接入二極管轉(zhuǎn)移干擾。圖6為接入二極管后，簡化地線的阻抗模型。

圖6 接入二極管后的阻抗模型

圖7接入二極管Rbc阻值特性

圖7 為接入二極管后Rbc的阻值特性圖。從圖上看出，接入二極管后，Rbc的阻值隨Vbc2的增加急劇減小，而在電壓較低時，阻抗值理論上無窮大，符合上述分析，滿足使用需求。

4 試驗驗證

4.1試驗系統(tǒng)

在工程實踐中，系統(tǒng)中設(shè)備1帶有大脈沖電流沖擊，并輸出模擬視頻。實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，大脈沖電流的沖擊對視頻信號產(chǎn)生了明顯的橫紋干擾；如果在傳輸回路中串入雙向二極管，則消除了干擾。以下是整個分析過程。

圖8 帶有模擬視頻的控制系統(tǒng)框圖

如圖8所示，控制系統(tǒng)包含供電電源、設(shè)備1、設(shè)備2、系統(tǒng)控制臺、顯示終端5部分。

供電電源負責(zé)為整個系統(tǒng)供電，為24 V電源或電池；設(shè)備1內(nèi)部有模擬視頻信號輸出，且24 V-與視頻地共地，工作時有脈沖大電流沖擊；系統(tǒng)控制臺內(nèi)部包含二次隔離電源轉(zhuǎn)換電路，視頻處理電路，對外控制電路，兩個電路共用VCC供電；設(shè)備2工作電源為24 V，并需要與系統(tǒng)控制臺進行TTL數(shù)字通訊，所以系統(tǒng)控制臺中需要24 V-與GND建立電流連接，采用短路連接或者串入雙向二極管兩種連接方式；顯示終端用來顯示系統(tǒng)的視頻信息。

4.2干擾轉(zhuǎn)移分析

如圖8所示，系統(tǒng)供電：由供電電源通過供電線1供電給系統(tǒng)控制臺，由控制臺通過供電線2給設(shè)備1供電。

計算供電線2的電阻值：

假設(shè)供電線2采用0.35 mm2的2根（24 V+和24 V-各兩根）多頭銅導(dǎo)線供電，電纜線長度0.7 m，電阻為0.017 Ω。

設(shè)備2的脈沖電流為15 A左右，則供電線2的電纜壓降為0.255 V左右。以系統(tǒng)控制臺上的A點為參考點，測量設(shè)備1的A點，即測量供電線2的24V-回路的壓降，測的電壓波形示意如圖9所示，其中T為設(shè)備2脈沖電流的周期。

圖9 設(shè)備1有脈沖電流時，供電線2壓降波形示意

可將圖8的工程實踐系統(tǒng)與理論分析的系統(tǒng)模型圖3對應(yīng)如表1所示。

從上述理論分析已經(jīng)得到，如果設(shè)備B和設(shè)備C的信號直接連接，根據(jù)式（2）可得，系統(tǒng)中供電線2的壓降都疊加到模擬視頻傳輸中，對視頻圖像造成了干擾。如果在設(shè)備B和設(shè)備C中串入雙向二極管，則把對模擬視頻的的低電壓干擾轉(zhuǎn)移到數(shù)字電路，數(shù)字通訊為TTL電平通訊，干擾門檻電壓遠大于供電線2的壓降，對數(shù)字通訊不受影響。

表1 理論模型與實際系統(tǒng)的對照表

5 結(jié)論

針對帶有電源脈動電流的系統(tǒng)，對模擬小信號的干擾進行了深入的分析，提出了一種利用二極管伏安特性來轉(zhuǎn)移低電平干擾的方法，并在實際工程中加以應(yīng)用驗證，采用極低成本解決了問題，取得了良好的效果，該方法在類似系統(tǒng)中有良好的推廣應(yīng)用價值。

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Transfer Low Level Jamming Using Current-Voltage Characteristic of Diode

XUE Hong-ping，LI Ying-xing，WEI Yong-yu，ZHANG Jian-hong，JIN Yu
（North Automatic Control Technology Institue，Taiyuan 030006，China）

According to electromagnetic compatibility（EMC）problem of certain electro-optical system，especially the problem of ground wire interference caused by power pulse current，a methord that using of current-voltage characteristic of diode to resolve these prolems is raised.In actual system，the methord completely eliminates the interference of these EMC problems with good costeffectiveness，has good promotion and application value.

electro-optical system，EMC，pulse jamming，diode

TN31

A

1002-0640（2016）11-0167-04

2015-10-12

2015-11-16

薛紅平（1980-），男，山西稷山人，高級工程師。研究方向：偵察指揮。