測控儀器干擾源分析及抗干擾技術(shù)

李朝鋒

（凱邁（洛陽）測控有限公司，河南 洛陽 471000）

0 引 言

近年來，分布式控制系統(tǒng)、單片機和現(xiàn)場總線技術(shù)發(fā)展迅速，并且其應用領域也日益廣泛。但是，由于復雜的工作環(huán)境和嚴重的電磁干擾，測控系統(tǒng)的應用和發(fā)展面臨著巨大的考驗[1]。盡管以現(xiàn)在的技術(shù)，測控系統(tǒng)本身就帶有一定的抗干擾能力，但在生產(chǎn)現(xiàn)場，系統(tǒng)往往是被分散安裝在各種單機設備上，同時測控系統(tǒng)本身與控制站之間也存在一定的距離，所以控制線、信號線基本都使用長線。長線傳輸過程中，信號受到外界干擾的可能性大大增強，出現(xiàn)信號延時的概率也必然增高。

1 干擾系統(tǒng)的三個要素

1.1 電磁干擾源

電磁干擾源通常指具有干擾能力的元件、設備以及信號。例如，生活中經(jīng)常看到的繼電器、電機以及雷電等，能在一定條件下成為電磁干擾源。具體地，電磁干擾源可分為兩種，即內(nèi)部干擾源和外部干擾源。

1.1.1 內(nèi)部干擾源

內(nèi)部干擾包括過度干擾和固定干擾，是指由應用系統(tǒng)本身引起的各種干擾。其中，過度干擾是指電路在動態(tài)工作時引起的干擾；固定干擾是指負載突變噪聲、長線傳輸阻抗失配時的反射噪聲、反饋電系統(tǒng)的浪涌噪聲以及信號之間的相互串擾等。

1.1.2 外部干擾源

外部干擾源是指來自于系統(tǒng)外部，并對系統(tǒng)內(nèi)部具有干擾能力的干擾源[2]。一些常見的自然現(xiàn)象，如雷擊、宇宙輻射等，可能會引起自然干擾，屬于外部干擾。此外，一些人為干擾，來自電臺、家用電器以及通信發(fā)射臺等設備的電磁干擾，或者電源的工頻干擾，也是常見的外部干擾。通常，影響測控系統(tǒng)的主要是外部干擾，自然干擾的影響不大，來自外部的干擾主要是由人為干擾造成的。

1.2 耦合途徑

耦合途徑是指將干擾傳播到敏感器件的通路。一般耦合途徑主要包括靜電耦合、傳導耦合、電磁耦合、漏電流耦合、輻射電磁場耦合以及共抗組耦合等。

1.3 敏感接收電路

敏感接收電路是指測控系統(tǒng)受到干擾時，容易被干擾的器件對象。實際生活中，許多設備、系統(tǒng)和器件既可以是敏感設備，也可能是電磁干擾源，如單片機、信號放大器、D/A及A/D等[3]。

2 抑制干擾的方法

測量和控制干擾時，可以在硬件上針對因素采取相應的措施，消除或抑制噪聲來源、干擾和阻截噪聲的傳播途徑以及增強接受電器對噪聲干擾的抵抗程度。

2.1 屏 蔽

由于干擾信號進入系統(tǒng)的幾種途徑相對固定。因此，以屏蔽的方式將空間感應傳播途徑切斷，使干擾信號無法傳遞，是一種有效的抑制干擾的措施。具體地，屏蔽又可以分為3種層面，分別是電磁屏蔽、靜電屏蔽及低頻磁場屏蔽。

2.1.1 電磁屏蔽

電磁屏蔽的主要目的是通過消除電感性耦合來進行屏蔽。具體的操作方法是使用優(yōu)良導體將接收電路包圍，發(fā)揮屏蔽器的作用。因此，外界的電磁場在屏蔽層上會產(chǎn)生渦流，進而產(chǎn)生反向電磁場。反向電磁場會將外界電磁場的影響抵消，從而起到抑制互感耦合的作用。

2.1.2 靜電屏蔽

靜電屏蔽的具體方法是將接收電路用低電阻材料的導體進行包圍，并使屏蔽層與地面接觸，從而消除存在于干擾源和接收電路之間的寄生電路，其目的是消除電容性耦合。

2.1.3 低頻磁場屏蔽

具體方法是以一個閉合空間將干擾磁場封閉起來，或?qū)⑿枰Ｗo的電路利用非晶態(tài)金屬、鐵氧體等高導磁率的材料包圍起來。該方法的機理不是反射，而是吸收。

2.2 濾 波

濾波是對干擾進行抑制的一種重要方法。通常，在接受器接受有用的信號時，也會接收到干擾。這是因為相對于要接受的信號的頻譜，干擾源所發(fā)出的電磁干擾的頻譜往往要寬得多。此時可以采用濾波的方法，對干擾頻率的成分加以抑制，只讓所需要的頻率成分通過。

2.3 隔 離

隔離主要是以切斷噪聲耦合通道的方式，使干擾途徑被破壞，從而抑制和削弱干擾。主要的隔離方法包括兩種，即隔離變壓器和光電耦合器隔離。

2.3.1 隔離變壓器

隔離變壓器的作用是在初級和次級之間增加屏蔽層，切斷環(huán)路，從而達到防止變壓器初級和次級之間的電容耦合的目的。

2.3.2 光電耦合器隔離

光電隔離是在隔離的兩端之間以光作為媒介來進行信號傳輸，因而具有較強的隔離能力和抗電磁干擾能力。但是，由于光電耦合器不是線性器件，在模擬信號的傳輸上適用性不足。因此，傳輸模擬信號時，要采用特殊技術(shù)對其進行線性校正[4]。

3 電子產(chǎn)品布線工藝中抗干擾的案例分析

電子產(chǎn)品布線工藝中，常用到的抗干擾技術(shù)有運用屏蔽技術(shù)改善電磁干擾、利用布線技術(shù)改善電磁干擾。以某電子組件的生產(chǎn)為例，電子組件的試制批生產(chǎn)時，發(fā)生了電磁干擾的現(xiàn)象，導致數(shù)據(jù)記錄異常，信號傳輸出現(xiàn)誤碼。

3.1 電子組件基本構(gòu)成及工作原理

電子組件的內(nèi)部共有三塊電路板和一套內(nèi)部電纜，如圖1所示。其中通信控制板和測試系統(tǒng)進行1553數(shù)據(jù)通信，同時將收到和發(fā)出的總線數(shù)據(jù)以并行總線的形式寫入數(shù)據(jù)記錄板中的雙口RAM中，數(shù)據(jù)記錄板將雙口RAM中緩存的數(shù)據(jù)加上絕對時標后存入CF卡中。

3.2 出現(xiàn)干擾問題的電纜狀態(tài)

將組件電纜的捆扎和包覆去除后，發(fā)現(xiàn)批電纜存在問題，將DPRAM讀寫信號線束從綁扎線束中拉出，如圖2所示。

由圖2可知，RAM數(shù)據(jù)線和地址線長度過長（300 mm），采用兩端并接的方式進行焊接，綁扎時與28 V電源線、地線等線纜緊靠。

圖1 系統(tǒng)工作原理框圖

圖2 DPRAM讀寫信號線束拉出后的內(nèi)部電纜狀態(tài)

3.3 出現(xiàn)電磁干擾的原因分析

電子組件是一個數(shù)字化產(chǎn)品，包含各種數(shù)字信號，如1553B總線信號、DPRAM的讀寫信號以及兩塊電路板上其他元器件工作時產(chǎn)生的各種數(shù)字信號。所有的數(shù)字信號在瞬變的過程中都會在其周圍產(chǎn)生交變磁場和電場。磁場和電場的強度和數(shù)字信號變化的頻率和功率（信號幅值）相關，信號變化頻率越高，電平幅值越高，產(chǎn)生的磁場和電場的強度也越大，對外干擾也越強烈。

同理，單端信號變化頻率越高，電平幅值越低，其抗干擾能力越差。DPRAM讀寫一幀數(shù)據(jù)（40個字），DSP外部總線讀寫一個字為26個XTIMECLK（75 MHz），約為338 ns，頻率約為30 MHz，電平幅值為3.3 V。

內(nèi)部電纜中的PRAM的讀寫信號線既是一個電磁干擾的輻射源，也是一個容易受干擾的接收端。

電子組件的電源板是DC/DC（開關型）方式工作，為通信控制板和數(shù)據(jù)記錄板提供工作電源，也會產(chǎn)生電磁干擾。

3.4 利用布線技術(shù)改善電磁干擾

各組件設計上不進行改動，電路板的布局不變，接插件的位置不變，只在走線、包覆及工藝上進行改進。

（1）對電纜空余導線處理

將接插件自帶線剪短，導線呈階梯狀分布。

（2）控制導線長度

由圖2可知，RAM數(shù)據(jù)線和地址線長度過長（300 mm），采用兩端并接的方式進行焊接，綁扎時與28 V電源線、地線等線纜緊靠，極易造成信號干擾。長度過長的導線直接折彎進行包覆，包覆的折彎處變粗，整個包覆導線粗細不均，非常不美觀。產(chǎn)品布線可以測量好接線長度，精確布線，避免變粗包覆。

（3）將導線分束

將RAM地址線分為一束，并向電源供電線一側(cè)走形。將RAM數(shù)據(jù)線分為一束，并向信號線一側(cè)走形。

4 結(jié) 論

儀表儀器測控系統(tǒng)的干擾與抗干擾涉及的因素很多，因此其抗干擾設計是一個非常復雜的問題。設計時，應當綜合考慮各個方面的因素，從電磁干擾源、干擾的耦合途徑以及敏感接收電路三個方面入手，根據(jù)具體的情況采取措施，合理使用屏蔽、濾波以及隔離的方法對干擾進行有效抑制，保證測控系統(tǒng)的正常運作。