測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)電磁兼容性設(shè)計(jì)

1、測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)電磁兼容性設(shè)計(jì)    1概述測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)不可能工作在絕對(duì)理想的環(huán)境下，因此它必然受到各種環(huán)境因素的影響。這些影響包括：(1)外部環(huán)境對(duì)測(cè)試設(shè)備的影響;(2)測(cè)試設(shè)備 電磁兼容問(wèn)題是一個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題，有些從原理設(shè)計(jì)時(shí)就可以考慮，如 隨著測(cè)試設(shè)備精度及可靠性要求的提高，電磁兼容性問(wèn)題變得越來(lái)越重要，一定程度上它是限制測(cè)試設(shè)備性能進(jìn)一步提高的的主因素，而且電磁兼容性問(wèn)題自始至終貫穿于測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)的研制過(guò)程，因此必須從原理設(shè)計(jì)、印刷板設(shè)計(jì)到裝配及設(shè)備調(diào)試都予以認(rèn)真考慮。2測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)的電磁兼容性設(shè)計(jì)測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以分為三大部

2、分： 2.1控制柜電子線(xiàn)路的電磁兼容性設(shè)計(jì)每個(gè)控制柜由若干控制箱構(gòu)成，而控制箱內(nèi)的電子線(xiàn)路采用了模塊化設(shè)計(jì)。每個(gè)控制箱的電磁兼容性設(shè)計(jì)大致可分為四個(gè)方面：主電子線(xiàn)路印刷板設(shè)計(jì);外引線(xiàn)設(shè)計(jì);公用底板設(shè)計(jì);控制箱裝配工藝設(shè)計(jì)。首先討論如何減小主線(xiàn)路板對(duì)外界的干擾。測(cè)控系統(tǒng)中任何電子線(xiàn)路都會(huì)對(duì)外界產(chǎn)生傳導(dǎo)性耦合干擾、電容性耦合干擾和電感性耦合干擾，只是大部分線(xiàn)路在某些方面的干擾并不突出，不作為明顯的干擾源。在主電路中往往既有數(shù)字電路又有 為了防止每一塊印刷板通過(guò)Vcc、GND對(duì)其它印刷板造成傳導(dǎo)性耦合，其Vcc-GND入口處要接入一個(gè)大容量的電解電容，并入一個(gè)0.1 F的高頻電容，以吸收該板的電平波

3、動(dòng)。數(shù)字電路中各信號(hào)之間的容性和感性耦合有時(shí)難以避免，但因?yàn)閿?shù)字電路本身具有很大的噪聲容限，這種耦合并不會(huì)造成嚴(yán)重的影響。同時(shí)數(shù)字電路中很少有大電壓和大電流信號(hào)，因此它對(duì)外界的電容性和電感性耦合可以忽略。抑制數(shù)字電路的容性和感性耦合的方法是對(duì)每塊印刷板外加接地良好的金屬殼，以起到電磁屏蔽效果。測(cè)控系統(tǒng)中模擬電路大多處理的是直流小信號(hào)，因此一般不會(huì)對(duì)外界造成明顯的容性和感性耦合干擾。但也有一部分是處理交流大信號(hào)，如測(cè)角系統(tǒng)中的激磁電源，它是一個(gè)2 kHz的正弦交變信號(hào)，能產(chǎn)生變磁場(chǎng)，因此容易對(duì)外界造成干擾。在設(shè)計(jì)印刷板時(shí)沒(méi)有有效的方法來(lái)避免板內(nèi)的干擾，只能通過(guò)加大干擾回路和被干擾回路的距離來(lái)減小

4、它的影響，或適當(dāng)采用屏蔽線(xiàn)的方法來(lái)抑制。該控制板對(duì)其它印刷板的這種磁干擾也只能通過(guò)對(duì)整塊板的屏蔽來(lái)抑制。一般來(lái)講，電子線(xiàn)路中大電流回路和大電壓回路容易造成電感性和電容性耦合。在測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)中，為了減小功耗，采用了數(shù)字功放。由于數(shù)字功放采用了含有高頻大電壓調(diào)制信號(hào)的數(shù)字PWM方式 開(kāi)關(guān)二端加合理的吸收電路;在感性負(fù)載或A、B、C三相之間并入高壓高頻電容;在IGBT功率開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路上設(shè)法減緩開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通、關(guān)斷速度，使其基極驅(qū)動(dòng)波形變緩，這樣將使開(kāi)關(guān)器件在導(dǎo)通和關(guān)斷瞬間均有很大的壓降，從而消除負(fù)載上的尖峰電壓，降低其對(duì)外的電容性干擾。以上討論了如何在設(shè)計(jì)時(shí)消除或抑制主電路對(duì)外界的各種干擾。下面將討

5、論在設(shè)計(jì)主電路印刷板時(shí)如何抑制外界干擾。在數(shù)字電路中，傳導(dǎo)耦合主要是通過(guò)電源和地線(xiàn)引入的。上面曾談到的在Vcc-GND之間加濾波電容已從很大程度上抑制了這種耦合，因此下面主要討論如何抑制容性和感收耦合。對(duì)于感性耦合，從設(shè)計(jì)上要避免印刷線(xiàn)構(gòu)成環(huán)路，當(dāng)然包括電源線(xiàn)和地線(xiàn)，這樣既可以消除地環(huán)流，又使其不受外界磁場(chǎng)的干擾。對(duì)于容性耦合，要設(shè)法減小信號(hào)線(xiàn)之間的分布電容，因此應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：a.盡可能避免二信號(hào)線(xiàn)的長(zhǎng)距離平行布線(xiàn);b.強(qiáng)信號(hào)同弱信號(hào)盡可能不要貼近布線(xiàn);c.布線(xiàn)時(shí)盡量不要從管腳間穿行，對(duì)于高頻信號(hào)尤其如此;d.時(shí)序邏輯電路的輸入、輸出線(xiàn)最易引入干擾，因此應(yīng)避免過(guò)長(zhǎng)引線(xiàn)。其輸出盡量不要跨板驅(qū)動(dòng)

6、，必要時(shí)應(yīng)先加緩沖隔離，如測(cè)角系統(tǒng)中經(jīng)20 MHz分頻得來(lái)的10 kHz、20 kHz等時(shí)間基準(zhǔn)在板間傳輸時(shí)，應(yīng)先加緩沖驅(qū)動(dòng)以隔離傳輸線(xiàn)引入的回?cái)_;e.經(jīng)傳輸線(xiàn)傳輸?shù)男盘?hào)可能會(huì)發(fā)生畸變，因此應(yīng)在下一級(jí)電路的輸入處加施密特整形。數(shù)字電路中往往會(huì)有許多引腳空閑不用，由于其缺乏確定的電平而容易引入干擾，其中時(shí)序邏輯組合比邏輯電路更易受干擾，如測(cè)角系統(tǒng)中的計(jì)數(shù)電路、單雙穩(wěn)電路等，一個(gè)干擾脈沖有可能造成其狀態(tài)的誤翻轉(zhuǎn)。因此要將其不用的輸入端依設(shè)計(jì)要求分別接至GND或通過(guò)1 k 同數(shù)字電路相比，模擬電路的抗干擾問(wèn)題更難解決。在數(shù)字電路中傳導(dǎo)耦合一般不造成多大問(wèn)題，但對(duì)模擬電路來(lái)講，這種干擾卻必須引起高度重

7、視。正如前面講到的，傳導(dǎo)耦合的最常見(jiàn)形式為公共地線(xiàn)耦合，而消除傳導(dǎo)耦合的最有效的方法是一點(diǎn)共地。有時(shí)由于受到印刷板空間的限制不可能使每一個(gè)單元電路的地全部是一點(diǎn)共地(有時(shí)也不必要)，因此常遵循的原則是：?jiǎn)卧娐芬稽c(diǎn)共地，然后接入公共的地線(xiàn)上去。這對(duì)多級(jí)線(xiàn)路來(lái)講仍存在著公共地線(xiàn)的傳導(dǎo)耦合，此時(shí)應(yīng)注意在安排線(xiàn)路時(shí)不讓大信號(hào)回路的電流流過(guò)小信號(hào)回路，以盡量減小大信號(hào)回路對(duì)小信號(hào)回路的干擾。例如在測(cè)角系統(tǒng)中激磁電源從信號(hào)發(fā)生到其輸出共有多級(jí)電路，一般由運(yùn)放單元電路組成，每個(gè)單元電路要一點(diǎn)共地，即其輸入、輸出及工作電源的地要盡可能從一點(diǎn)引出，然后連接到地母線(xiàn)上。在這種線(xiàn)路中，模擬工作的電源地線(xiàn)要從大信號(hào)

8、單元電路即激磁輸出級(jí)的“地”處接入，而不應(yīng)在信號(hào)發(fā)生處接入。對(duì)于測(cè)角中的粗、精反饋信號(hào)及主控系統(tǒng)的測(cè)速機(jī)反饋、陀螺信號(hào)的前置處理電路等模擬線(xiàn)路設(shè)計(jì)，除了注意以上幾點(diǎn)外，尤其還要注意輸入信號(hào)的“地”應(yīng)在其多級(jí)處理線(xiàn)路的最前級(jí)處接入，而不應(yīng)隨便將輸入信號(hào)的“地”接自系統(tǒng)任意點(diǎn)的“地”。由于輸入端一般比輸出端的信號(hào)要小，故此處遵循單元電路的一點(diǎn)共地原則更重要。除上述常見(jiàn)的傳導(dǎo)耦合外，模擬電路中還有其它性質(zhì)的傳導(dǎo)耦合如接觸電阻變化，尤其是采用大量運(yùn)放的模擬電路，由于其輸入端對(duì)各種噪音比較敏感，其同、反相端盡量不要直接同可調(diào)電位器的滑動(dòng)端相連(滑動(dòng)端具有大的接觸噪聲)。正如以上談到的，運(yùn)放的同、反相端(

9、尤其是作為“虛地”的同相端)對(duì)噪音非常敏感，因此模擬線(xiàn)路中抑制電容性和電感性耦合，尤其是電容性耦合要特別注意避免這些引腳直接引入干擾。對(duì)于高增益、高阻抗和小信號(hào)放大電路更要注意這一點(diǎn)。為了避免電容性干擾，連接運(yùn)放的同、反相端的引線(xiàn)不宜過(guò)長(zhǎng)，尤其應(yīng)避免直接從前面板上的電位器一端到運(yùn)放的輸入端的引線(xiàn)。對(duì)于高輸入阻抗、高增益及寬帶運(yùn)放電路，除了一般的措施外，還應(yīng)采取同、反相端的屏蔽和其它裝配工藝措施。關(guān)于這類(lèi)電路的電磁兼容性設(shè)計(jì)在感應(yīng)同步器前放設(shè)計(jì)中論述，此處不做詳細(xì)討論。測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)采用了模塊化設(shè)計(jì)，每塊印刷板都經(jīng)過(guò)底板上的88芯片插座進(jìn)行信號(hào) 除分開(kāi)安排信號(hào)引腳外，對(duì)于某些干擾源信號(hào)，如測(cè)角

10、系統(tǒng)中的激磁信號(hào)和陀螺參考信號(hào)及易受干擾的信號(hào)線(xiàn)如陀螺輸出的信號(hào)，還應(yīng)實(shí)行引腳間的屏蔽。這可以通過(guò)在二類(lèi)信號(hào)之間安排隔離地線(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。底板是模塊化設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)接件，為各模塊間提供通訊 為減小公共地阻抗的傳導(dǎo)耦合，地線(xiàn)應(yīng)盡量采用大的地平面，而且數(shù)字地和模擬地要分開(kāi)走線(xiàn)，在底板上一點(diǎn)共地。為了實(shí)現(xiàn)大面積地，二個(gè)地只能安排在88芯插座的二邊，即A1、B1(數(shù)字地)、A44、B44(模擬地)，這樣為在底板的四周安排大面積地提供了可能。底板上各印刷板插槽的安排應(yīng)符合單元電路一點(diǎn)共地和多級(jí)電路的大電流不流過(guò)小電流回路的原則，因此將電流變化大的模塊安排在靠近電源輸入點(diǎn)的插槽里，其余插槽依每塊模塊電流及電流變化大小

11、排列。例如主控系統(tǒng)中的主控模塊是數(shù)字模塊，它的電流變化較大，因而帶給公共阻抗上的傳導(dǎo)耦合干擾將最嚴(yán)重，故應(yīng)將它安排在靠近電源引入點(diǎn)，而ADDA及陀螺伺服前置處理依次遠(yuǎn)離主控板。還如測(cè)角系統(tǒng)中，激磁輸出板尤其是精激磁輸出板流過(guò)的電流大，計(jì)算機(jī)處理板的電流變化頻繁，應(yīng)該靠近電源輸入口布置母板插槽。粗、精檢零板由于要處理反饋信號(hào)而易受到干擾，故應(yīng)遠(yuǎn)離電源輸入口。另外，在測(cè)角中還要注意其它噪聲干擾，如熱源造成的溫度變化對(duì)激磁正交度及幅值等的影響，因此在安裝數(shù)字電源時(shí)應(yīng)充分考慮這一點(diǎn)?？刂葡溲b配工藝包括每個(gè)箱中的交、直流電源引線(xiàn)、布局，顯示指示燈引線(xiàn)、散熱風(fēng)扇、后面板引線(xiàn)設(shè)計(jì)等。電源裝配線(xiàn)是引入電網(wǎng)噪音

12、、外界磁場(chǎng)干擾的一條主要途徑，同時(shí)它還會(huì)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)和通過(guò)分布電容給測(cè)控系統(tǒng)本身造成干擾，因此這一部分的電磁兼容問(wèn)題必須引起足夠的重視。電源系統(tǒng)一般包括引線(xiàn)、電源濾波器、直流開(kāi)關(guān)電源及其它輔助線(xiàn)路。提高這部分線(xiàn)路的抗干擾能力主要是通過(guò)配線(xiàn)方式、安裝位置等裝配工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)的。首先220 V交流進(jìn)線(xiàn)到電源濾波器的引線(xiàn)距離應(yīng)盡可能短，因此將濾波器裝在后面板的220 V進(jìn)線(xiàn)處最好。否則由于引線(xiàn)為大電壓交變信號(hào)，其走線(xiàn)過(guò)長(zhǎng)，則同電子設(shè)備線(xiàn)路之間的分布電容大，電場(chǎng)干擾嚴(yán)重，交變磁場(chǎng)的影響區(qū)域也大。電源濾波器的輸入線(xiàn)和輸出線(xiàn)不應(yīng)捆扎在一起平行敷設(shè)和公用一個(gè)屏蔽層，否則濾波后的交流信號(hào)中會(huì)耦合進(jìn)干擾信號(hào)使濾波器

13、失去作用。同樣地濾波器輸出線(xiàn)到開(kāi)關(guān)電源的交流進(jìn)線(xiàn)間的距離應(yīng)盡量短，而且必須采用雙絞屏蔽方式。交流的保護(hù)地線(xiàn)應(yīng)單獨(dú)走線(xiàn)，不應(yīng)同220V的零、火線(xiàn)一起絞扭并共用一個(gè)屏蔽層，開(kāi)關(guān)電源的直流輸出給測(cè)控系統(tǒng)提供工作電源，它的輸出引線(xiàn)不應(yīng)同交流饋線(xiàn)捆扎布線(xiàn)，不能共用一個(gè)屏蔽層和長(zhǎng)距離平行走線(xiàn)，并且為了防止任何外界電、磁場(chǎng)干擾，也應(yīng)采用雙絞屏蔽的方式。電源指示燈一般布置在各控制箱的前面板上，它的引線(xiàn)無(wú)論采用交流驅(qū)動(dòng)還是直流驅(qū)動(dòng)都應(yīng)采用雙絞屏蔽，尤其是直流驅(qū)動(dòng)時(shí)更要如此。因?yàn)橹甘緹綦娫赐到y(tǒng)工作電源并聯(lián)，容易給系統(tǒng)耦合進(jìn)干擾。為了減小電源布線(xiàn)在控制箱中的走線(xiàn)長(zhǎng)度，電源后面板引入插座、控制箱內(nèi)開(kāi)關(guān)電源以及前面板

14、顯示燈應(yīng)安排在箱體的同一側(cè)。前面板上的電源開(kāi)關(guān)一般為交流供電即濾波器后的220 V供電，它的走線(xiàn)不可避免要橫穿整個(gè)控制箱，故其走線(xiàn)應(yīng)嚴(yán)格雙絞屏蔽。每個(gè)控制柜的上方一般都安排系統(tǒng)散熱風(fēng)扇，其干擾往往容易被忽視。散熱風(fēng)扇有交、直流二類(lèi)，因?yàn)橹绷黠L(fēng)扇有電刷，易產(chǎn)生干擾噪音，故散熱風(fēng)扇不宜采用直流類(lèi)。采用交流風(fēng)扇時(shí)，其電源引線(xiàn)是引入干擾的主要途徑，因此其電源布線(xiàn)應(yīng)采用雙絞屏蔽，而且在進(jìn)入風(fēng)扇前經(jīng)過(guò)獨(dú)立的濾波器濾波。2.2總體布線(xiàn)的電磁兼容設(shè)計(jì)滑環(huán)是一個(gè)空間小、走線(xiàn)相當(dāng)密集的部件，各種信號(hào)都在滑環(huán)內(nèi)集中，因此各信號(hào)間的互感、互容效應(yīng)較大。因?yàn)榛⒑铜h(huán)道接觸處無(wú)法屏蔽，其電容耦合尤其嚴(yán)重。在滑環(huán)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注

15、意如下幾點(diǎn)：分配環(huán)道時(shí)將大、小信號(hào)，交、直流信號(hào)遠(yuǎn)距離分開(kāi)安排;易產(chǎn)生干擾的信號(hào)和易受干擾的信號(hào)線(xiàn)如激磁電源信號(hào)、反饋信號(hào)、無(wú)刷機(jī)的三相電源信號(hào)不僅要在分配環(huán)道時(shí)考慮分開(kāi)，而且在環(huán)體內(nèi)走線(xiàn)一定要采用雙絞、三絞屏蔽，屏蔽層要一點(diǎn)接地;關(guān)鍵信號(hào)要采用邊界環(huán)道作為專(zhuān)門(mén)的屏蔽環(huán)道，即將信號(hào)二邊的環(huán)道進(jìn)行良好接地，以起到環(huán)道間的屏蔽作用。電纜用于連接控制柜和臺(tái)體信號(hào)，在設(shè)計(jì)電纜時(shí)，應(yīng)區(qū)別不同類(lèi)型的信號(hào)。易產(chǎn)生干擾的信號(hào)如激磁電源要嚴(yán)格雙絞屏蔽，然后共用一個(gè)根電纜走線(xiàn)，反饋信號(hào)也如此。無(wú)刷機(jī)的A、B、C要三絞屏蔽，單獨(dú)用一條電纜，不能同其它信號(hào)電纜捆扎一起長(zhǎng)距離平行敷設(shè)。測(cè)角系統(tǒng)中感應(yīng)同步器反饋信號(hào)及陀螺

16、伺服中陀螺信號(hào)的前置放大電路設(shè)計(jì)在測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最為關(guān)鍵，它是一個(gè)高輸入阻抗、高增益和微小信號(hào)放大電路，因此除了遇到一般模擬電路中常見(jiàn)的干擾問(wèn)題以外，還有其特殊之處。在設(shè)計(jì)前放時(shí)，應(yīng)選用具有一定通頻帶的高精度、高增益的適合于差動(dòng)信號(hào)放大的儀表放大器，同時(shí)還要滿(mǎn)足單元電路的一點(diǎn)共地原則，采用整個(gè)一個(gè)印刷面作為大地平面。除了上述注意事項(xiàng)外，還應(yīng)考慮到它是一個(gè)高輸入阻抗電路，特別容易耦合進(jìn)電容性干擾。為了減小容性耦合，首先要保證印刷板內(nèi)表面的絕緣，必要時(shí)應(yīng)采取板內(nèi)屏蔽措施，即將高輸入阻抗部分用印刷線(xiàn)在正反面包圍起來(lái)，然后將屏蔽層接入電路中等電位的低阻抗部分，如電壓跟隨器的同、反相端用印刷線(xiàn)包

17、圍后應(yīng)接至輸出端。而反相放大器同、反相端隔離則應(yīng)同系統(tǒng)中地相連，因?yàn)榉聪喾糯笾型⒎聪喽藥缀鯙榱汶娖?。由于該電路具有高增益特性，任何輸入端微小的噪音都可能造成輸出端很大的干擾，而其同、反相輸入端又極易引入干擾，故在設(shè)計(jì)時(shí)要避免其同任何易產(chǎn)生噪音的元器件相連，如可調(diào)電位器的滑動(dòng)端等。同時(shí)，由于過(guò)長(zhǎng)的引線(xiàn)容易引入噪音干擾，同、反相端的引線(xiàn)也不宜過(guò)長(zhǎng)。微小電壓放大除了注意高增益時(shí)的注意事項(xiàng)之外，還應(yīng)對(duì)高頻輻射加以足夠的注意。一般應(yīng)將微小放大電路如感應(yīng)同步器的前放、陀螺伺服的前放完全封閉在一個(gè)電磁屏蔽效果好的金屬盒中，其引入、引出線(xiàn)也要嚴(yán)格屏蔽，在引線(xiàn)界面處也不應(yīng)外露。采用了嚴(yán)格的屏蔽后，有時(shí)可能還難

18、以消除高頻輻射造成的傳導(dǎo)耦合。因此應(yīng)在運(yùn)放同外界連接點(diǎn)包括+Vs、-Vs、同、反相端和輸出端都應(yīng)接入一個(gè)高頻特性都十分好的濾波電容，而且其布線(xiàn)不應(yīng)過(guò)長(zhǎng)。此外，為了消除信號(hào)中的噪音，放大電路應(yīng)設(shè)計(jì)為合適帶寬的低通或帶通濾波形式。前放盒的安裝位置直接影響系統(tǒng)的電磁兼容性，它必須安裝在滑環(huán)前緊靠感應(yīng)同步器轉(zhuǎn)子處，而且要使調(diào)試人員調(diào)整方便。2.3接地系統(tǒng)接地的目的是：提供一個(gè)公共的參考電位;220 V交流接地為保護(hù)接地，防止靜電、雷擊、漏電等;提供屏蔽效果。接地必須良好，以保證低阻抗性質(zhì)，否則不僅無(wú)用，反而成為噪音傳輸途徑。為了消除公共阻抗的耦合，接地應(yīng)按如下方式進(jìn)行：將系統(tǒng)中各種類(lèi)型的單元電路加以區(qū)分，模擬信號(hào)地同數(shù)字信號(hào)地、強(qiáng)干擾信號(hào)地和機(jī)殼地分別各自先連接，然后在大地處一點(diǎn)共地。具體地講，每個(gè)控制箱的地應(yīng)通過(guò)導(dǎo)電性能好的銅排統(tǒng)一接地。各箱中的220 V電源地同機(jī)殼相連，然后通過(guò)電纜的屏蔽層并接到臺(tái)體上。因?yàn)榕_(tái)體是一個(gè)大的金屬體，可以作為一點(diǎn)接地處在此處接大地。另外，當(dāng)氣浮軸工作時(shí)，臺(tái)體中動(dòng)和不動(dòng)部分并不直接相連，這對(duì)于不同部分的元件如感應(yīng)同步器的定、轉(zhuǎn)子和無(wú)刷力矩電機(jī)的屏蔽來(lái)講不利，故應(yīng)在滑環(huán)中留出