電磁干擾的頻譜很寬可以覆蓋0~40GHz頻率范圍課件

抗干擾技術(shù)之干擾耦合與接地EMC抗干擾技術(shù)之EMC1什么是電磁干擾？電磁干擾是指由于電磁環(huán)境引起的設(shè)備、傳輸通道或系統(tǒng)性能的下降。電磁干擾的頻譜很寬，可以覆蓋0~40GHz頻率范圍，電磁污染已和水源、大氣受到的污染一樣，正引起世界范圍的關(guān)注。從測量的角度，干擾和信號是相對的。什么是電磁干擾？電磁干擾是指由于電磁環(huán)境引起2電磁干擾的危害造成測量儀器性能下降導(dǎo)致機電設(shè)備和控制裝置誤動作導(dǎo)致元器件燒毀或擊穿電爆裝置、易燃材料等意外觸發(fā)或點燃。能量型干擾信號型干擾電磁干擾電磁干擾的危害造成測量儀器性能下降能量型干擾電磁干擾31.強電磁干擾下的微弱信號檢測2.高電壓下的測量設(shè)備的安全（運行電壓高、故障沖擊電流大）3.信號傳輸距離長4.靈敏度與抗干擾能力之間的矛盾。在線監(jiān)測中抗干擾的重要性在線監(jiān)測中抗干擾的重要性4電磁干擾的基本要素干擾源耦合途徑測量系統(tǒng)電磁干擾的基本要素干擾源耦合途徑測量系統(tǒng)5§

5.1電磁干擾源確定電磁環(huán)境是實施電磁兼容的前提。電磁環(huán)境是各種電磁干擾源的總和。50Hz2kHz150kHz50MHz300MHz1GHz16Hz1250Hz20kHz音頻噪聲傳導(dǎo)射頻干擾分諧波諧波音頻與射頻間的干擾輻射干擾§5.1電磁干擾源確定電磁環(huán)境是實施電磁兼6現(xiàn)場電磁干擾連續(xù)的周期型干擾（窄帶干擾）脈沖型干擾（寬帶干擾）白噪（寬帶干擾）系統(tǒng)高次諧波載波通訊無線電通訊干擾高頻保護周期性脈沖干擾隨機性脈沖干擾電力電子器件動作產(chǎn)生的高頻涌流（可控硅整流、靜止無功補償器等）高壓線路上的電暈放電其它電氣設(shè)備的內(nèi)部放電分接開關(guān)動作產(chǎn)生的放電電機啟動產(chǎn)生的電弧放電接觸不良或懸浮電極放電各種沖擊波產(chǎn)生的高頻電流脈沖設(shè)備熱噪聲地網(wǎng)中的噪聲設(shè)備動力電源線、繼電保護線路以及各種信號線路耦合進入的隨機噪聲電力現(xiàn)場電磁干擾分類表現(xiàn)場電磁干擾連續(xù)的周期型干擾（窄帶干擾）脈沖型干擾白噪系統(tǒng)高7主要瞬態(tài)干擾源

1）開關(guān)動作當(dāng)開關(guān)動作時回路電流迅速變化，di/dt非常大，在帶有電感線圈的開關(guān)設(shè)備中會產(chǎn)生幅值很高的電壓脈沖。如電焊機、電動機啟動過程和高壓開關(guān)動作等。頻率范圍0.15~150MHz，通常由電源線傳播。2）整流裝置與開關(guān)過程類似，整流過程將產(chǎn)生瞬態(tài)短路電流，干擾頻率范圍較寬。3）點火裝置機動車輛都裝有火花點火裝置,放電電流峰值約200A，放電時間通常在s內(nèi)，峰值電壓高達(dá)10kV。所產(chǎn)生的干擾前沿極陡，在10~100MHZ范圍內(nèi)是最強的瞬態(tài)干擾源之一。4）高壓輸電線主要為電暈放電，主要為隨機干擾，頻譜在兆赫茲以下。5）照明裝置熒光燈或弧光燈是基于放電原理發(fā)光的，其工作時陽極和陰極之間會產(chǎn)生高頻振蕩，頻率一般在幾千赫茲左右。主要瞬態(tài)干擾源8§

5.2電磁干擾的耦合路徑干擾源與測量設(shè)備間的耦合途徑傳導(dǎo)耦合輻射耦合§5.2電磁干擾的耦合路徑干擾源與測量設(shè)備間的傳導(dǎo)耦合輻95.2.1.傳導(dǎo)耦合傳導(dǎo)耦合是導(dǎo)體之間及元件之間的主要干擾耦合方式，分為共阻抗耦合、電感應(yīng)耦合和磁感應(yīng)耦合。傳導(dǎo)耦合可以通過電源線、信號線、接地導(dǎo)體進行耦合。1.電阻傳導(dǎo)耦合（共阻抗耦合）

通常干擾都是通過公共回路或公共阻抗，引入到測量回路中的。當(dāng)兩個以上不同電路的電流流過公共阻抗時，就出現(xiàn)共阻抗干擾耦合。電路1電路2電路1地電位電路2地電位共地阻抗地電流1地電流2I1+I2電路1電路2共線阻抗電源I1I2共地阻抗耦合電源共線阻抗耦合共線阻抗5.2.1.傳導(dǎo)耦合傳導(dǎo)耦合是導(dǎo)體之間及10~~USURsRLZgUgIgI1I2’Un’URLI2Un~Zg~~USURsRLZgUgIgI1I2’Un’URLI2Un11

可見，測量回路中的干擾電壓是干擾源電壓、公共阻抗和干擾耦合電阻的函數(shù)。所有獨立電路的地通過串聯(lián)連接，這對噪聲來說是一種最不希望的共地系統(tǒng)。任一個電路電流的變化都會對其他電路產(chǎn)生影響。電路1I1U1Z1I2U2Z2I3U3Z3電路2電路3可見，測量回路中的干擾電壓是干擾源電壓、公122.電容性傳導(dǎo)耦合（電感應(yīng)耦合）~RU1C1gC12UnC2g導(dǎo)線1導(dǎo)線2干擾源與測量電路間通過分布電容產(chǎn)生的干擾耦合方式。假設(shè)干擾源電壓為U1，導(dǎo)線2為測量回路。則因干擾源在測量回路中產(chǎn)生的噪聲電壓Un

，可用下式表示當(dāng)測量線路對地阻抗較小時，即，則有2.電容性傳導(dǎo)耦合（電感應(yīng)耦合）~RU1C1gC12UnC13~RU1C1gC12UnC2g導(dǎo)線1導(dǎo)線2相當(dāng)于在線路2中產(chǎn)生了一個幅度為的干擾電流源。

上式是討論兩導(dǎo)線間容性耦合的最重要公式。它表明當(dāng)測量電路對地電阻較小時，噪聲電壓正比于干擾源的頻率和幅值、測量電路對地電阻以及測量回路與干擾回路間的耦合電容。RUn導(dǎo)線2In~RU1C1gC12UnC2g導(dǎo)線1導(dǎo)線2相當(dāng)于在線路214當(dāng)測量線路對地阻抗較大時，即，則有

在這種情況下，測量電路產(chǎn)生的噪聲電壓是由電容分壓器C12和C2g引起的，與頻率無關(guān)。而且與前一種情況相比，此時的噪聲電壓要大得多。使測量回路盡可能在較低的電阻值上工作；盡可能減小回路間耦合電容C12

，這可以通過導(dǎo)線本身的方向性、屏蔽或分隔來實現(xiàn)。降低容性耦合干擾的方法假定干擾源的強度和頻率是不變的，那么降低容性耦合可歸結(jié)為減小以下兩個參數(shù)：當(dāng)測量線路對地阻抗較大時，即，則有在這153.電感性傳導(dǎo)耦合（磁感應(yīng)耦合）干擾源與測量回路間通過互感產(chǎn)生的干擾耦合方式。假設(shè)干擾源電壓為U1，導(dǎo)線2為測量回路。則因干擾源在測量回路中產(chǎn)生的噪聲電壓Un

，可用下式表示上式中M12為線路1、2間的互感。也可以用由回路1產(chǎn)生的磁通密度在回路2中引起的感生電勢來表示。~R2U1R1導(dǎo)線1導(dǎo)線2R3I1I2M123.電感性傳導(dǎo)耦合（磁感應(yīng)耦合）干擾源與測量回路間通過互16如果磁通也隨時間正弦變化，同時測量回路是固定的，則整個環(huán)路面積恒定。則有式中，B——磁通密度（T）

A——測量回路等效面積（m2）

——矢量A和矢量B的夾角可采用電路上物理隔離的方法，減小穿過測量回路的磁通密度B

；可將導(dǎo)線緊貼地平面或采用雙絞線，盡可能減小測量回路的等效面積A。調(diào)整干擾源與測量回路的相對位置。降低感性耦合干擾的方法由上式可得，為了減小干擾電壓，必須減小B

、A或COS

。如果磁通也隨時間正弦變化，同時測量回路是固17如果所測噪聲電壓減小，則為電干擾。如果所測噪聲電壓增大，則為磁干擾。鑒別磁耦合和電耦合干擾的方法對于磁耦合，等效于在測量回路中串聯(lián)一干擾電壓源；而對于電耦合，則等效于在測量電路與地之間并入干擾電流源。因此在實際測量中，可采用以下方法鑒別兩種耦合。R1In=jC12U1UR2R1Un=jM12I1UR2~電耦合等效電路磁耦合等效電路測量跨接電纜一端阻抗上的噪聲電壓，并減小電纜另一端上的阻抗。如果所測噪聲電壓減小，則為電干擾。鑒別磁耦合和電耦合干擾的方185.2.2.輻射耦合由于現(xiàn)代無線通訊技術(shù)的廣泛使用，以空間電磁輻射形式出現(xiàn)的干擾源已越來越普遍地存在。在工程實際中，短單極天線（dl小于）是一種最為常見的輻射模式。根據(jù)麥克斯韋方程，短單極天線的輻射場可表示為上式中，r，，為球坐標(biāo)；I為天線電流，dl為短單極天線長度；為天線至場點的距離；為角頻率；0為空氣介電常數(shù)；5.2.2.輻射耦合由于現(xiàn)代無線通訊技術(shù)19對于輻射耦合，近場和遠(yuǎn)場的概念是十分重要的。是對實際情況的有效簡化，單極天線又稱為高電壓、小電流高阻抗源。1.近場輻射當(dāng)被輻射場點距輻射天線較近時，即r<<時可見，H正比于，E正比于,而波阻抗為高容性阻抗，正比于，所以單極天線的近場又稱為高阻抗場，以電場為主。為自由空間波阻抗對于輻射耦合，近場和遠(yuǎn)場的概念是十分重要的202.遠(yuǎn)場輻射當(dāng)被輻射場點距輻射天線較近時，即r>>時可見，H和E正比于，而波阻抗2.遠(yuǎn)場輻射當(dāng)被輻射場點距輻射天線較近21其遠(yuǎn)場與單極天線完全相同。而當(dāng)近場時，E正比于，H正比于，而波阻抗為感性低阻抗，與r成正比。小環(huán)天線的近場又稱低阻抗場，以磁場為主。對于另一類常見的天線類型——小環(huán)天線，為低電壓、大電流低阻抗源。小環(huán)天線其遠(yuǎn)場與單極天線完全相同。而當(dāng)近場時，E正比22兩種天線的波阻抗Z與r的關(guān)系兩種天線的波阻抗Z與r的關(guān)系23電磁干擾的抑制方法

電磁干擾的主要抑制方式屏蔽抑制輻射干擾濾波抑制傳導(dǎo)干擾接地最基本、最有效，也是最廉價的保護抑制能量型干擾電磁干擾的抑制方法電磁干擾的主要抑制方式屏24接地（Earthing或Grounding）就是在電氣設(shè)備和大地之間實現(xiàn)確實的電氣連接?！?/p>

5.3接地技術(shù)富蘭克林的避雷針和世界上最早的接地發(fā)送機接收機大地大地歸路電流莫爾斯的有線通信電路接地（Earthing或Groundin25接地

保護地

信號地為雷電、靜電等能量提供安全釋放的通道。為模擬或數(shù)字信號提供穩(wěn)定的電位基準(zhǔn)點。油罐車靜電用接地地球相當(dāng)于一個巨大的電容器，通常意義上可以認(rèn)為大地是穩(wěn)定的電位基準(zhǔn)點。問題是對如飛機、火箭、人造衛(wèi)星等飛行體，是無法真正與大地相聯(lián)接的。接地保護地為雷電、靜電等能量提供安全釋放的通道。為模擬或數(shù)26理想的地對于流過的電流沒有電阻。其結(jié)果是不管流過的電流有多大，在地線的不同點之間沒有電壓降。但在高頻情況下并非如此。在設(shè)計地線時，必須了解地電流的實際流動路徑。信號地的含義

為電路提供參考等電位點。

為電流流回電源提供一條低阻抗路徑。放大電路的地電流路徑UDCUnZ1Z2Z3ZLUnUDCZ2Z3Z4ZL理想的地對于流過的電流沒有電阻。其結(jié)果是不管27放大電路的地電流路徑UDCUnZ1Z2Z3ZLUnUDCZ2Z3Z4ZL(a)錯誤電源接地方式(b)修正的電源接地方式如圖(a)所示，放大器電源電流流動路徑為Z3Z2Z1就會在Z2產(chǎn)生一個干擾電壓，該干擾與信號源是串聯(lián)的，當(dāng)該干擾電壓的幅值和頻率滿足一定條件時，電路會發(fā)生振蕩。只要將電路的直流電源的接地點如圖（b）修改一下，是電流流過，問題就解決了。放大電路的地電流路徑UDCUnZ1Z2Z3ZLUnUDCZ228常規(guī)接地系統(tǒng)懸浮接地單點接地多點接地混合接地5.3.1.接地系統(tǒng)常規(guī)接地系統(tǒng)懸浮接地單點接地多點接地混合接地5.3.1.接29一、懸浮接地懸浮地是指設(shè)備或單元地線在電氣上與參考地相絕緣的情況。比較常見的懸浮接地是為了防止機箱上的干擾電流直接耦合到信號電路，將信號地與機箱有意地絕緣。懸浮接地容易產(chǎn)生靜電積累和靜電放電，在雷電或操作過電壓下，還會在機箱和單元電路間產(chǎn)生飛弧。所以這種接地方式不宜在電氣設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)中使用。(a)設(shè)備懸浮地(b)單元懸浮地一、懸浮接地懸浮地是指設(shè)備或單元地線在電氣上30二、單點接地單點接地又稱一點接地，要求電路的每個獨立單元只接地一次，并接在同一參考點上。I3電路1I1U1Z1I2U2Z2U3Z3電路2電路3由于串聯(lián)一點接地會在地回路中，出現(xiàn)共阻抗的情況。所以并聯(lián)一點接地最常用和有效，這種接地方式，由于只有一個參考點，沒有地回路存在，可以避免地線上各單元間的電流不會相互干擾。(a)串聯(lián)一點接地(b)并聯(lián)一點接地二、單點接地單點接地又稱一點接地，要求電路的31在信號頻率小于1MHz以下時，單點接地是最理想的接地方式。但當(dāng)頻率升高時，由于接地阻抗較大，電路中會產(chǎn)生較大的共模電壓。當(dāng)?shù)鼐€長度超過1/4波長時，電路實際上已經(jīng)與地隔離。并聯(lián)單點接地的一種改進是將具有類似特性的電路連接在一起，然后將每一個公共點連接到單點地。干擾最大的電路英最靠近公共點。(c)改進的并聯(lián)單點接地在信號頻率小于1MHz以下時，單點接地是32測量地線的敷設(shè)，應(yīng)力求減小地線的長度。如果存在兩個以上獨立的電路單元，應(yīng)安裝一條與機箱絕緣的接地母線。除非機箱是鍍銀的，切忌以機箱作為分散接地的公公地平面。

因為不鍍銀的機殼地平面阻抗比較高。各電路地電流流過時會產(chǎn)生相互干擾。(d)裝有地母線的機柜測量地線的敷設(shè)，應(yīng)力求減小地線的長度。如果33三、多點接地多點接地是指設(shè)備中的內(nèi)部電路都以機殼為參考點，又由一個安全地將所有參考點連接在一起。多點接地方式適用于高頻（>10MHz）和數(shù)字電路，只要接地引線長度小于干擾波長的1/10，多點接地效果都很理想。此時機殼應(yīng)鍍銀。這種接地方式不適用于敏感的模擬電路。因為這樣連接形成的地環(huán)路，會對模擬信號產(chǎn)生較大的干擾。(b)單元電路多點接地(a)設(shè)備多點接地三、多點接地多點接地是指設(shè)備中的內(nèi)部電路都34四、混合接地混合接地電路1電路2電路3測量系統(tǒng)內(nèi)電源以及低頻部分需要一點接地，而數(shù)字和高頻部分則需要多點接地?；旌辖拥厥褂秒娍剐云骷ㄖ饕请娙荩┦菇拥叵到y(tǒng)在低頻和高頻時呈現(xiàn)不同的特性。這種接地方法在低頻時相當(dāng)于一點接地，而在高頻時相當(dāng)于多點接地。四、混合接地混合接地電路1電路2電路3測量系35絕大部分測量設(shè)備都是采用混合接地方式。各單元電源地都接到電源總地線上。

各單元信號地都接到信號總地線上。兩根總地線最后匯總到公共的參考地。測量設(shè)備混合接地在采用混合接地式時，應(yīng)特別關(guān)注寄生諧振現(xiàn)象。例如在自感為0.1H的電纜上，使用0.1

F的電容接地時，將在1.6MHZ處產(chǎn)生諧振，在這個頻率上電纜屏蔽層根本沒有接地。因此在實際設(shè)計中，應(yīng)盡可能使寄生諧振頻率高于干擾頻率。絕大部分測量設(shè)備都是采用混合接地方式。36五、多極電路的接地（b）接地點靠近低電平端（正確）對于單元電路，為使電路工作穩(wěn)定，最好采用單點接地。多極電路的接地點選擇十分重要。如果接地點設(shè)在輸出處高電平單元，則輸入級的地對參考地的電位受干擾影響最大，是不合理的。接地點應(yīng)選在低電平電路單元的輸入端，使其最接近參考地。

五、多極電路的接地（b）接地點靠近低電平端（正37

六、地線系統(tǒng)的設(shè)計步驟分析監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)各單元的干擾特性和敏感特性。查清監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)各電路的工作電平、信號種類和電源電壓。將地線分類，并進行分組。給出總體地線布局圖。排出地線網(wǎng)。應(yīng)當(dāng)強調(diào)，測量系統(tǒng)除安全地外，至少應(yīng)有兩個分開的地：一個電路地和一個機殼地。這些地應(yīng)僅在電源處相連。機箱地為高頻提供很好的回路，而電氣地應(yīng)通過一個10~100nF的電容器與機殼相連。各單元的安全地可以連到金屬機架上，但必須保證個金屬件間可靠搭接。對于永久性的搭接，最理想的方式就是焊接。六、地線系統(tǒng)的設(shè)計步驟分析監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)各單元的干擾特性和38七、總結(jié)對于低于1MHz的場合，盡量使用單點接地。對于高于10MHz的場合，可考慮采用多點接地。當(dāng)在高頻場合存在敏感電路單元時，應(yīng)避免多點接地，采用混合接地。為避免地環(huán)路引起的干擾，應(yīng)將信號地與機殼絕緣。將不同用途的接地總線分開。七、總結(jié)對于低于1MHz的場合，盡量使用單點接地。395.3.2.屏蔽電纜的接地研究儀器之間電纜的相互連接，以及如何恰當(dāng)?shù)厥褂眠@些電纜，以避免我們不希望的電流和輻射信號影響精密測量的準(zhǔn)確度。5.3.2.屏蔽電纜的接地研究儀器之間電纜40一、屏蔽層接地產(chǎn)生的電場屏蔽干擾電壓會通過分布電容耦合到屏蔽電纜的屏蔽線上。如果屏蔽層不進行接地。則干擾源就會進一步通過屏蔽層對芯線的分布電容耦合到信號線中。由于屏蔽電纜的表面積比普通導(dǎo)線大，所以產(chǎn)生的耦合干擾也較一般導(dǎo)線強。如果屏蔽層接地，干擾源的耦合信號就會被屏蔽層短路至地，從而起到電場屏蔽的作用。屏蔽電纜的屏蔽層接地點通常選在屏蔽電纜一端，稱為單端接地。屏蔽電纜的電場屏蔽電路接線等效電路一、屏蔽層接地產(chǎn)生的電場屏蔽干擾電壓會通過分41二、地環(huán)路對屏蔽的影響地環(huán)路對屏蔽的影響如果電纜屏蔽層兩端接地，且兩端點地電位間存在電位差，則屏蔽層就會流過噪聲電流。這一噪聲電流會通過屏蔽層與芯線間的互感進一步在芯線上產(chǎn)生感應(yīng)的噪聲電壓，串聯(lián)到信號回路中。對電纜必須雙端接地的情況，一個常用的解決辦法是采用雙屏蔽電纜。內(nèi)屏蔽作信號會流線，而外屏蔽兩端接地，即使流過地環(huán)路電流，也不會對信號形成干擾。二、地環(huán)路對屏蔽的影響地環(huán)路對屏蔽的影響如果425.3.3.印制電路板的地線設(shè)計不合理的地線結(jié)構(gòu)，將導(dǎo)致印制電路板（PCB）中產(chǎn)生必要的干擾。過大的地線回路過大的開關(guān)電流回路共地阻抗5.3.3.印制電路板的地線設(shè)計不合理的地43一、地線網(wǎng)格在高速數(shù)字電路中，地線網(wǎng)格是主要的地線構(gòu)線方式，信號線應(yīng)盡量靠近地線。

梳狀地線是應(yīng)盡可能避免的，這種結(jié)構(gòu)將造成回路電流環(huán)流增大。地線網(wǎng)格不適用于低頻小信號模擬電路。一、地線網(wǎng)格在高速數(shù)字電路中，地線網(wǎng)格是主要44

二、地線面地線面是地線網(wǎng)格的延伸，它能夠提供最小的回路電感和電阻。從而減小地線干擾，但地線面不具有任何屏蔽作用。在高頻情況下，回流信號并非一定走幾何距離最短的路徑，而是走最靠近信號線的路徑。所以地線面的使用，應(yīng)盡可能布置在信號線的下面。合理地使用地線面可將公共地線阻抗減少40~70dB.二、地線面地線面是地線網(wǎng)格的延伸，它能夠提45四、輸入輸出地的結(jié)構(gòu)為減小電纜的干擾，需要對電纜采取濾波和屏蔽。當(dāng)?shù)鼐€受到噪聲污染時，濾波對高頻噪聲幾乎毫無作用。四、輸入輸出地的結(jié)構(gòu)為減小電纜的干擾，需要對46所以輸入輸出線的濾波或屏蔽層必須連接到干凈地上，干凈地與內(nèi)部地線只能在一點相連，這樣可避免內(nèi)部信號電流流過干凈地，造成污染。

決不允許將數(shù)字電路的地線面與模擬電路的地線面重疊。這將導(dǎo)致數(shù)字電路的干擾耦合進模擬電路。所以輸入輸出線的濾波或屏蔽層必須連接到干凈地47過多不完全的接地5.3.4.接地問題實例過多不完全的接地5.3.4.接地問題實例482.多點接地測量2.多點接地測量492、接地線延伸2、接地線延伸503、接地屏蔽線過長3、接地屏蔽線過長51ThankyouThankyou52抗干擾技術(shù)之干擾耦合與接地EMC抗干擾技術(shù)之EMC53什么是電磁干擾？電磁干擾是指由于電磁環(huán)境引起的設(shè)備、傳輸通道或系統(tǒng)性能的下降。電磁干擾的頻譜很寬，可以覆蓋0~40GHz頻率范圍，電磁污染已和水源、大氣受到的污染一樣，正引起世界范圍的關(guān)注。從測量的角度，干擾和信號是相對的。什么是電磁干擾？電磁干擾是指由于電磁環(huán)境引起54電磁干擾的危害造成測量儀器性能下降導(dǎo)致機電設(shè)備和控制裝置誤動作導(dǎo)致元器件燒毀或擊穿電爆裝置、易燃材料等意外觸發(fā)或點燃。能量型干擾信號型干擾電磁干擾電磁干擾的危害造成測量儀器性能下降能量型干擾電磁干擾551.強電磁干擾下的微弱信號檢測2.高電壓下的測量設(shè)備的安全（運行電壓高、故障沖擊電流大）3.信號傳輸距離長4.靈敏度與抗干擾能力之間的矛盾。在線監(jiān)測中抗干擾的重要性在線監(jiān)測中抗干擾的重要性56電磁干擾的基本要素干擾源耦合途徑測量系統(tǒng)電磁干擾的基本要素干擾源耦合途徑測量系統(tǒng)57§

5.1電磁干擾源確定電磁環(huán)境是實施電磁兼容的前提。電磁環(huán)境是各種電磁干擾源的總和。50Hz2kHz150kHz50MHz300MHz1GHz16Hz1250Hz20kHz音頻噪聲傳導(dǎo)射頻干擾分諧波諧波音頻與射頻間的干擾輻射干擾§5.1電磁干擾源確定電磁環(huán)境是實施電磁兼58現(xiàn)場電磁干擾連續(xù)的周期型干擾（窄帶干擾）脈沖型干擾（寬帶干擾）白噪（寬帶干擾）系統(tǒng)高次諧波載波通訊無線電通訊干擾高頻保護周期性脈沖干擾隨機性脈沖干擾電力電子器件動作產(chǎn)生的高頻涌流（可控硅整流、靜止無功補償器等）高壓線路上的電暈放電其它電氣設(shè)備的內(nèi)部放電分接開關(guān)動作產(chǎn)生的放電電機啟動產(chǎn)生的電弧放電接觸不良或懸浮電極放電各種沖擊波產(chǎn)生的高頻電流脈沖設(shè)備熱噪聲地網(wǎng)中的噪聲設(shè)備動力電源線、繼電保護線路以及各種信號線路耦合進入的隨機噪聲電力現(xiàn)場電磁干擾分類表現(xiàn)場電磁干擾連續(xù)的周期型干擾（窄帶干擾）脈沖型干擾白噪系統(tǒng)高59主要瞬態(tài)干擾源

1）開關(guān)動作當(dāng)開關(guān)動作時回路電流迅速變化，di/dt非常大，在帶有電感線圈的開關(guān)設(shè)備中會產(chǎn)生幅值很高的電壓脈沖。如電焊機、電動機啟動過程和高壓開關(guān)動作等。頻率范圍0.15~150MHz，通常由電源線傳播。2）整流裝置與開關(guān)過程類似，整流過程將產(chǎn)生瞬態(tài)短路電流，干擾頻率范圍較寬。3）點火裝置機動車輛都裝有火花點火裝置,放電電流峰值約200A，放電時間通常在s內(nèi)，峰值電壓高達(dá)10kV。所產(chǎn)生的干擾前沿極陡，在10~100MHZ范圍內(nèi)是最強的瞬態(tài)干擾源之一。4）高壓輸電線主要為電暈放電，主要為隨機干擾，頻譜在兆赫茲以下。5）照明裝置熒光燈或弧光燈是基于放電原理發(fā)光的，其工作時陽極和陰極之間會產(chǎn)生高頻振蕩，頻率一般在幾千赫茲左右。主要瞬態(tài)干擾源60§

5.2電磁干擾的耦合路徑干擾源與測量設(shè)備間的耦合途徑傳導(dǎo)耦合輻射耦合§5.2電磁干擾的耦合路徑干擾源與測量設(shè)備間的傳導(dǎo)耦合輻615.2.1.傳導(dǎo)耦合傳導(dǎo)耦合是導(dǎo)體之間及元件之間的主要干擾耦合方式，分為共阻抗耦合、電感應(yīng)耦合和磁感應(yīng)耦合。傳導(dǎo)耦合可以通過電源線、信號線、接地導(dǎo)體進行耦合。1.電阻傳導(dǎo)耦合（共阻抗耦合）

通常干擾都是通過公共回路或公共阻抗，引入到測量回路中的。當(dāng)兩個以上不同電路的電流流過公共阻抗時，就出現(xiàn)共阻抗干擾耦合。電路1電路2電路1地電位電路2地電位共地阻抗地電流1地電流2I1+I2電路1電路2共線阻抗電源I1I2共地阻抗耦合電源共線阻抗耦合共線阻抗5.2.1.傳導(dǎo)耦合傳導(dǎo)耦合是導(dǎo)體之間及62~~USURsRLZgUgIgI1I2’Un’URLI2Un~Zg~~USURsRLZgUgIgI1I2’Un’URLI2Un63

可見，測量回路中的干擾電壓是干擾源電壓、公共阻抗和干擾耦合電阻的函數(shù)。所有獨立電路的地通過串聯(lián)連接，這對噪聲來說是一種最不希望的共地系統(tǒng)。任一個電路電流的變化都會對其他電路產(chǎn)生影響。電路1I1U1Z1I2U2Z2I3U3Z3電路2電路3可見，測量回路中的干擾電壓是干擾源電壓、公642.電容性傳導(dǎo)耦合（電感應(yīng)耦合）~RU1C1gC12UnC2g導(dǎo)線1導(dǎo)線2干擾源與測量電路間通過分布電容產(chǎn)生的干擾耦合方式。假設(shè)干擾源電壓為U1，導(dǎo)線2為測量回路。則因干擾源在測量回路中產(chǎn)生的噪聲電壓Un

，可用下式表示當(dāng)測量線路對地阻抗較小時，即，則有2.電容性傳導(dǎo)耦合（電感應(yīng)耦合）~RU1C1gC12UnC65~RU1C1gC12UnC2g導(dǎo)線1導(dǎo)線2相當(dāng)于在線路2中產(chǎn)生了一個幅度為的干擾電流源。

上式是討論兩導(dǎo)線間容性耦合的最重要公式。它表明當(dāng)測量電路對地電阻較小時，噪聲電壓正比于干擾源的頻率和幅值、測量電路對地電阻以及測量回路與干擾回路間的耦合電容。RUn導(dǎo)線2In~RU1C1gC12UnC2g導(dǎo)線1導(dǎo)線2相當(dāng)于在線路266當(dāng)測量線路對地阻抗較大時，即，則有

在這種情況下，測量電路產(chǎn)生的噪聲電壓是由電容分壓器C12和C2g引起的，與頻率無關(guān)。而且與前一種情況相比，此時的噪聲電壓要大得多。使測量回路盡可能在較低的電阻值上工作；盡可能減小回路間耦合電容C12

，這可以通過導(dǎo)線本身的方向性、屏蔽或分隔來實現(xiàn)。降低容性耦合干擾的方法假定干擾源的強度和頻率是不變的，那么降低容性耦合可歸結(jié)為減小以下兩個參數(shù)：當(dāng)測量線路對地阻抗較大時，即，則有在這673.電感性傳導(dǎo)耦合（磁感應(yīng)耦合）干擾源與測量回路間通過互感產(chǎn)生的干擾耦合方式。假設(shè)干擾源電壓為U1，導(dǎo)線2為測量回路。則因干擾源在測量回路中產(chǎn)生的噪聲電壓Un

，可用下式表示上式中M12為線路1、2間的互感。也可以用由回路1產(chǎn)生的磁通密度在回路2中引起的感生電勢來表示。~R2U1R1導(dǎo)線1導(dǎo)線2R3I1I2M123.電感性傳導(dǎo)耦合（磁感應(yīng)耦合）干擾源與測量回路間通過互68如果磁通也隨時間正弦變化，同時測量回路是固定的，則整個環(huán)路面積恒定。則有式中，B——磁通密度（T）

A——測量回路等效面積（m2）

——矢量A和矢量B的夾角可采用電路上物理隔離的方法，減小穿過測量回路的磁通密度B

；可將導(dǎo)線緊貼地平面或采用雙絞線，盡可能減小測量回路的等效面積A。調(diào)整干擾源與測量回路的相對位置。降低感性耦合干擾的方法由上式可得，為了減小干擾電壓，必須減小B

、A或COS

。如果磁通也隨時間正弦變化，同時測量回路是固69如果所測噪聲電壓減小，則為電干擾。如果所測噪聲電壓增大，則為磁干擾。鑒別磁耦合和電耦合干擾的方法對于磁耦合，等效于在測量回路中串聯(lián)一干擾電壓源；而對于電耦合，則等效于在測量電路與地之間并入干擾電流源。因此在實際測量中，可采用以下方法鑒別兩種耦合。R1In=jC12U1UR2R1Un=jM12I1UR2~電耦合等效電路磁耦合等效電路測量跨接電纜一端阻抗上的噪聲電壓，并減小電纜另一端上的阻抗。如果所測噪聲電壓減小，則為電干擾。鑒別磁耦合和電耦合干擾的方705.2.2.輻射耦合由于現(xiàn)代無線通訊技術(shù)的廣泛使用，以空間電磁輻射形式出現(xiàn)的干擾源已越來越普遍地存在。在工程實際中，短單極天線（dl小于）是一種最為常見的輻射模式。根據(jù)麥克斯韋方程，短單極天線的輻射場可表示為上式中，r，，為球坐標(biāo)；I為天線電流，dl為短單極天線長度；為天線至場點的距離；為角頻率；0為空氣介電常數(shù)；5.2.2.輻射耦合由于現(xiàn)代無線通訊技術(shù)71對于輻射耦合，近場和遠(yuǎn)場的概念是十分重要的。是對實際情況的有效簡化，單極天線又稱為高電壓、小電流高阻抗源。1.近場輻射當(dāng)被輻射場點距輻射天線較近時，即r<<時可見，H正比于，E正比于,而波阻抗為高容性阻抗，正比于，所以單極天線的近場又稱為高阻抗場，以電場為主。為自由空間波阻抗對于輻射耦合，近場和遠(yuǎn)場的概念是十分重要的722.遠(yuǎn)場輻射當(dāng)被輻射場點距輻射天線較近時，即r>>時可見，H和E正比于，而波阻抗2.遠(yuǎn)場輻射當(dāng)被輻射場點距輻射天線較近73其遠(yuǎn)場與單極天線完全相同。而當(dāng)近場時，E正比于，H正比于，而波阻抗為感性低阻抗，與r成正比。小環(huán)天線的近場又稱低阻抗場，以磁場為主。對于另一類常見的天線類型——小環(huán)天線，為低電壓、大電流低阻抗源。小環(huán)天線其遠(yuǎn)場與單極天線完全相同。而當(dāng)近場時，E正比74兩種天線的波阻抗Z與r的關(guān)系兩種天線的波阻抗Z與r的關(guān)系75電磁干擾的抑制方法

電磁干擾的主要抑制方式屏蔽抑制輻射干擾濾波抑制傳導(dǎo)干擾接地最基本、最有效，也是最廉價的保護抑制能量型干擾電磁干擾的抑制方法電磁干擾的主要抑制方式屏76接地（Earthing或Grounding）就是在電氣設(shè)備和大地之間實現(xiàn)確實的電氣連接?！?/p>

5.3接地技術(shù)富蘭克林的避雷針和世界上最早的接地發(fā)送機接收機大地大地歸路電流莫爾斯的有線通信電路接地（Earthing或Groundin77接地

保護地

信號地為雷電、靜電等能量提供安全釋放的通道。為模擬或數(shù)字信號提供穩(wěn)定的電位基準(zhǔn)點。油罐車靜電用接地地球相當(dāng)于一個巨大的電容器，通常意義上可以認(rèn)為大地是穩(wěn)定的電位基準(zhǔn)點。問題是對如飛機、火箭、人造衛(wèi)星等飛行體，是無法真正與大地相聯(lián)接的。接地保護地為雷電、靜電等能量提供安全釋放的通道。為模擬或數(shù)78理想的地對于流過的電流沒有電阻。其結(jié)果是不管流過的電流有多大，在地線的不同點之間沒有電壓降。但在高頻情況下并非如此。在設(shè)計地線時，必須了解地電流的實際流動路徑。信號地的含義

為電路提供參考等電位點。

為電流流回電源提供一條低阻抗路徑。放大電路的地電流路徑UDCUnZ1Z2Z3ZLUnUDCZ2Z3Z4ZL理想的地對于流過的電流沒有電阻。其結(jié)果是不管79放大電路的地電流路徑UDCUnZ1Z2Z3ZLUnUDCZ2Z3Z4ZL(a)錯誤電源接地方式(b)修正的電源接地方式如圖(a)所示，放大器電源電流流動路徑為Z3Z2Z1就會在Z2產(chǎn)生一個干擾電壓，該干擾與信號源是串聯(lián)的，當(dāng)該干擾電壓的幅值和頻率滿足一定條件時，電路會發(fā)生振蕩。只要將電路的直流電源的接地點如圖（b）修改一下，是電流流過，問題就解決了。放大電路的地電流路徑UDCUnZ1Z2Z3ZLUnUDCZ280常規(guī)接地系統(tǒng)懸浮接地單點接地多點接地混合接地5.3.1.接地系統(tǒng)常規(guī)接地系統(tǒng)懸浮接地單點接地多點接地混合接地5.3.1.接81一、懸浮接地懸浮地是指設(shè)備或單元地線在電氣上與參考地相絕緣的情況。比較常見的懸浮接地是為了防止機箱上的干擾電流直接耦合到信號電路，將信號地與機箱有意地絕緣。懸浮接地容易產(chǎn)生靜電積累和靜電放電，在雷電或操作過電壓下，還會在機箱和單元電路間產(chǎn)生飛弧。所以這種接地方式不宜在電氣設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)中使用。(a)設(shè)備懸浮地(b)單元懸浮地一、懸浮接地懸浮地是指設(shè)備或單元地線在電氣上82二、單點接地單點接地又稱一點接地，要求電路的每個獨立單元只接地一次，并接在同一參考點上。I3電路1I1U1Z1I2U2Z2U3Z3電路2電路3由于串聯(lián)一點接地會在地回路中，出現(xiàn)共阻抗的情況。所以并聯(lián)一點接地最常用和有效，這種接地方式，由于只有一個參考點，沒有地回路存在，可以避免地線上各單元間的電流不會相互干擾。(a)串聯(lián)一點接地(b)并聯(lián)一點接地二、單點接地單點接地又稱一點接地，要求電路的83在信號頻率小于1MHz以下時，單點接地是最理想的接地方式。但當(dāng)頻率升高時，由于接地阻抗較大，電路中會產(chǎn)生較大的共模電壓。當(dāng)?shù)鼐€長度超過1/4波長時，電路實際上已經(jīng)與地隔離。并聯(lián)單點接地的一種改進是將具有類似特性的電路連接在一起，然后將每一個公共點連接到單點地。干擾最大的電路英最靠近公共點。(c)改進的并聯(lián)單點接地在信號頻率小于1MHz以下時，單點接地是84測量地線的敷設(shè)，應(yīng)力求減小地線的長度。如果存在兩個以上獨立的電路單元，應(yīng)安裝一條與機箱絕緣的接地母線。除非機箱是鍍銀的，切忌以機箱作為分散接地的公公地平面。

因為不鍍銀的機殼地平面阻抗比較高。各電路地電流流過時會產(chǎn)生相互干擾。(d)裝有地母線的機柜測量地線的敷設(shè)，應(yīng)力求減小地線的長度。如果85三、多點接地多點接地是指設(shè)備中的內(nèi)部電路都以機殼為參考點，又由一個安全地將所有參考點連接在一起。多點接地方式適用于高頻（>10MHz）和數(shù)字電路，只要接地引線長度小于干擾波長的1/10，多點接地效果都很理想。此時機殼應(yīng)鍍銀。這種接地方式不適用于敏感的模擬電路。因為這樣連接形成的地環(huán)路，會對模擬信號產(chǎn)生較大的干擾。(b)單元電路多點接地(a)設(shè)備多點接地三、多點接地多點接地是指設(shè)備中的內(nèi)部電路都86四、混合接地混合接地電路1電路2電路3測量系統(tǒng)內(nèi)電源以及低頻部分需要一點接地，而數(shù)字和高頻部分則需要多點接地。混合接地使用電抗性器件（主要是電容）使接地系統(tǒng)在低頻和高頻時呈現(xiàn)不同的特性。這種接地方法在低頻時相當(dāng)于一點接地，而在高頻時相當(dāng)于多點接地。四、混合接地混合接地電路1電路2電路3測量系87絕大部分測量設(shè)備都是采用混合接地方式。各單元電源地都接到電源總地線上。

各單元信號地都接到信號總地線上。兩根總地線最后匯總到公共的參考地。測量設(shè)備混合接地在采用混合接地式時，應(yīng)特別關(guān)注寄生諧振現(xiàn)象。例如在自感為0.1H的電纜上，使用0.1

F的電容接地時，將在1.6MHZ處產(chǎn)生諧振，在這個頻率上電纜屏蔽層根本沒有接地。因此在實際設(shè)計中，應(yīng)盡可能使寄生諧振頻率高于干擾頻率。絕大部分測量設(shè)備都是采用混合接地方式。88五、多極電路的接地（b）接地點靠近低電平端（正確）對于單元電路，為使電路工作穩(wěn)定，最好采用單點接地。多極電路的接地點選擇十分重要。如果接地點設(shè)在輸出處高電平單元，則輸入級的地對參考地的電位受干擾影響最大，是不合理的。接地點應(yīng)選在低電平電路單元的輸入端，使其最接近參考地。

五、多極電路的接地（b）接地點靠近低電平端（正89

六、地線系統(tǒng)的設(shè)計步驟分析監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)各單元的干擾特性和敏感特性。查清監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)各電路的工作電平、信號種類和電源電壓。將地線分類，并進行分組。給出總體地線布局圖。排出地線網(wǎng)。