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1、第八章电磁兼容性设计 EMC（Electro Magnetic Compatibility）：指设备或系统在其电磁环境中符合要求 运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。 EMC的要 求： 设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值； 设备对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度，即电磁敏感 性。 电磁干扰(Electromagnetic Interference，EMI)：指任何在传导骚扰或辐射电磁场中 伴随着电压、电流的作用会降低某个装置、设备或系统的性能，或可能对生物或物质 产生不良影响之电磁现象。 电磁抗扰度(Electromagnetic
2、Suseceptibility,EMS)：指处在一定环境中的设备或系 统，在正常运行时，承受相应标准、相应规定范围内的电磁干扰的能力。电磁免疫 力。 EMI就是电子产品工作会对周边的其他电子产品造成干扰。 在设计阶段考虑电磁兼容性问题,效果好、投入少。 电磁兼容性设计为测控系统设计的重要内容。 8.1 电磁兼容三要素 1.电磁兼容三要素 电磁兼容不等式： 干扰发送量耦合因素 干扰敏感阈 抑制电磁场干扰措施： 抑制干扰源或直接消除干扰原; 切断干扰传播途径; 提高受扰设备自身的抗电磁干扰能力，降低其对干扰的敏感 度。 干扰源： 产生干扰的电路或设备: 受扰设备： 感受电磁干扰的电路或设备; 传播
3、路径： 电磁干扰传播到受扰设备的途径(耦合与辐射)。 2.电磁兼容不等式 噪声入口有足够裕量，则该电子设备达到抗干扰要求。 设备不受其干扰而仍可正常工作。 评价电子设备的抗干扰性能 8.2 干扰源及耦台途径 干扰源：能产生一定的电磁能量而影响周围设备正常工作的物体或设备。 l)内部噪声 电阻的热噪声 PN结的散弹噪声、 1/f噪声 爆裂噪声 高速传输的数字信号产生的高频辐射 2)外来干扰 自然噪声 人为噪声 自然界的宇宙射线 太阳辐射 太阳黑子产生的周期性电扰动 雷电产生的噪声 触点电器、放电管、工业用高频设备、机动车点火装 置、无线通信设各、大功率发射装置、超声波设备等及 电力线产生的噪声。
4、 8.2 干扰源及耦台途径 3)电磁干扰的根源 电压/电流产生不必要的变化。 传导干扰：通过电缆(电源线或信号线)直接传递给其他设备造成危害； 辐射干扰：当由于电压/电流变化产生的电磁波通过空间传播的其他设备中,在其导 线或电路上产生不必要的电压/电流,并造成危害的干扰 当设备和导线的长度比波长短时,主要是传导干扰； 当它们的尺寸比波长长时,主要是辐射干扰。 低频 高频 2.干扰的耦合方式 l)传导耦合 经导线传播把干扰引入测控系统,称为传导耦合。 长的信号线拾取附近的设备或空间电磁场的干扰波。 电源耦合（传导耦合的一种）：在直流电源上叠加有各种噪声，直接传导至检测 电路,构成干扰。 例如,电
5、源纹波,尖峰、工频及谐波分量等。 直流电源的输出阻抗及连接导线的阻抗不为零,电路的工作电流变化会导致电源电 压的波动,这种波动等效为电源电压的纹波。 交流供电线路的大功率负载干扰波动，通过电网可以传播到测控系统。 如电动机、高频炉等启动、故障过渡过程、三相不同时投入等 。 交流电源线 测控系统中的长线 途径： 2)近场感应耦合 带电的元件、导线、结构件等形成的电磁场，对附近的电路回路形成干扰。 (1)电场耦合（电容性耦合） 一个导体上的电压或干扰成分通过分布电容使相邻导体上的电位受到影响。 途径：电路之间的分布电容。 电路模型： 受扰电路在c、d点间所感受到的干扰信号： 图8.2.1 电容性耦
6、合模型 C：干扰源和受扰电路间存在的等效寄生电容 假设受扰电路为放大器： （2）电感性耦合 电路模型： 图5.1.2 电感性耦合模型 受扰电路在c、d点间所感受到的干扰信号： I1：干扰源电路在a、b点间的电流源 Z2：受扰电路在c、d点间的等效输入阻抗 M ：干扰源电路和受扰电路间的等效互感 l V2随I1、M 和干扰信号的频率的增加而增大。 感应电压 磁通随时间变化 抑制磁场耦合干扰的方法： 尽量减少信号线与干扰源之间的互感。 信号传输使用双绞线。 限制干扰噪声的斜率。 采用铁磁材料屏蔽。 （3）公共阻抗耦合 是由电路间的公共阻抗造成的。 简化电路模型： I1：干扰源电路在a、b点间的电流
7、源 Z2：受扰电路在c、d点间的等效输入阻抗 Z1：干扰源电路和受扰电路的公共阻抗。 受扰电路在c、d点间所感受到的干扰信号 ： V2随I1、Z1的增加而增大。 减小公共阻抗Z1。 图5.1.3 公共阻抗耦合模型 措施：合理的接地。 （4）漏电流耦合 由电路间的漏电电阻造成的。 简化的电路模型： V1：干扰源电路在a、b点间的电动势 Z2：受扰电路在c、d点间的等效输入阻抗 R：干扰源电路和受扰电路间的漏电电阻。 受扰电路在c、d点间所感受到的干扰信号： 图5.1.4 漏电流耦合模型 V2随V1和Z2的增加而增大，随R的增大而减小。 增大漏电电阻R，减小Z2，可降低漏电流耦合的干扰与噪 声。
8、8.3.1合理接地与屏蔽 1.合理接地 合理接地是抑制干扰的主要方法。 设置接地系统的目的: 8.3 干扰抑制技术 “地”：用作电路或系统参考电压的等电位点或等电位板。 接地是指印制电路板上的局部电路中和测控系统整机中公共零电位线的布置。 分类： l 减少多个电路的电流流经公共阻抗产生的噪声电压 l 缩减信号回路感应磁场噪声的感应面积 l 消除地电位差对信号回路的不利影响。 工作接地：可以是大地电位,也可以不是大地电位。 安全接地：称为保护接地,保护地线必须是大地电位, 接地和屏蔽正确地结合使用能解决大部分干扰问题。 8.3.1合理接地与屏蔽 1）工作接地 对信号电压设立基准电位，基准电位是各
9、回路工作的参考电位，常以电路中直 流电源的零电压为基准电位。 连接方式： 一点接地 多点接地 （1）一点接地 串联式（干线式）：构成简单而易于采用。 当Rl、R2、R3较大或接地电流较大时，各接 地点的电平差异大，影响弱信号电路的正常工 作。 注意：应遵循电路电平越低，越接近接地点的 原则。 (a) 串联式 各接地的总电阻不同。 （1）一点接地 并联式(放射式)： 优：各接地电阻相互独立，不会产生公共阻抗干扰。 缺：接地线长而多，经济性差。 只适用于低频。 在高频的场合，接地线间分布电容的耦合突出。 地线长度应短于信号波长的1/20。 当地线的长度接近信号1/4波长时，地线阻抗接近无 穷，相当
10、于开路，地线没有接地作用，变成了天线, 向外辐射电磁干扰。 图6.2.1 一点接地方式 (b) 并联式 （2）多点接地 降低接地线长度，减小高频时的接地阻抗。 各电路有独立的接地连接。 Z1、Z2、Z3：连接阻抗。 图5.2.2 多点接地方式 对低频电路是一点接地方式 对高频电路是多点接地方式 Z1用金属导体 Z2、Z3用电容器 适应电路宽频带工作的要求。 Z1用金属导体构成 Z2、Z3用电感器构成 对低频电路多点接地方式 对高频电路是一点接地方式 各部分的统一基准电位和保护接地 避免接地回路闭合而引入高频干扰。 由实验得到：接地点的间距应小于0.15信号波长。 2）安全保护接地 将电气设备的
11、金属底板或金属外壳与大地实施连接，消除触电危险。 通过专门的低阻导线与近处的大地实施可靠的连接。 10MHz: 采用多点接地 110MHz:如用一点接地时，其地线长度信号波长的1/20，否则应采用多点接地。 数字电路，脉冲信号的宽度仅为几纳秒，频谱范围达几十兆赫，印刷线路板上的地 线，板与板之间的地线，均应采用多点接地方式。 低电平信号地线功率地线 机壳地线 接地母线 干扰地 金属件地线 交流电源零线相接 三个分开的地线： （2）多点接地 电磁屏蔽：用电导率和磁导率高的材料将两个空间区域加以隔离，控制其电场或磁场 的传播。 主动屏蔽：用屏蔽体将干扰源包围起来，减弱或消除其对外部系统的影响。 被
12、动屏蔽：用屏蔽体将受扰的电路或系统包围起来，抑制屏蔽体外的干扰与噪声对系 统的影响。 2.屏蔽 1）屏蔽的原理 屏蔽体对干扰与噪声信号的反射与吸收作用。 图5.2.3 电磁屏蔽层的作用 干扰与噪声的入射能量 在第一边界面上的反射能量 在第二边界面上被反射与被吸收的能量 干扰与噪声透过第二边界面后的剩余能量 选择屏蔽形式与材料使P2小于P1。 进入或逸出屏蔽体的干扰能量减小。 2）屏蔽的结构形式与材料 （1）屏蔽的结构形式 屏蔽罩：用无孔隙的金属薄板制成。 屏蔽栅网：用金属编制网或有孔金属薄板制成。 屏蔽铜箔：用多层印制电路板的一个铜箔面作为屏蔽板。 隔离仓：将整机金属箱体用金属板分隔成多个独立
13、的隔仓，将各部分电路 置于各个隔仓之内，避免各个电路部分之间的电磁干扰与噪声影响。 导电涂料：在非金属的箱体内、外表面上喷一层金属涂层。 （2）屏蔽的材料 电场屏蔽：一般采用电导率较高的铜、铝或钢材料。 以反射衰减为主。 磁场屏蔽：采用磁导率较高的磁性材料，如玻莫合金、锰合金、磁钢、铁等。 以透射时的吸收衰减为主。 特点：干扰与噪声频率升高时，磁导率下降，屏蔽作用减弱。 多种不同的材料制成多层屏蔽结构解决 电磁场泄漏： 磁场泄漏大于电场泄漏的影响。 在设计制作屏蔽体时，要减小缝隙和孔洞的面积。 可同时采用 导线孔 通风孔 开关孔 其它缝隙 实际的屏蔽效果下降。 屏蔽壳体不连续 隔离就是使两部分
14、电路互相独立，不成回路，切断两个电路间干扰的通路。 8.3.2 隔离技术 图5.2.4 地线环路的形成 寄生环路：因分布参数的存在或接地点非等电位，形成环路（特别是地环路)。 引入电磁耦合干扰。 隔离方式 变压器隔离 扼流圈隔离 光隔离 隔离放大器隔离等 隔离信号频率高于工频的场合 信号频率低于工频的场合 强电系统 1.变压器隔离 有用信号经变压器耦合传 输。 阻抗变换作用。 用于隔离信号频率高于工频的场合； 对低频信号，电感要大，导致体积过大。 变压器绕组之间的分布电容较大，对高频 的地电位差噪声不能起到较好的隔离作 用。 图8.3.7 变压器隔离 2.光电耦合隔离 数字信号，首选。 图8.
15、3.8 光电耦合器隔离 3.隔离放大器隔离 用于弱电模拟信号隔离。 方式：变压器隔离、光隔离、电容隔离 纵向扼流圈隔离 纵向扼流圈：由两个绕向相同的绕组构成。 异模电流：信号电流在两个绕组流过时方向相反。 产生的磁场相互抵消呈现低阻抗。 扼流圈对信号电流不起扼流作用， 不切断直流回路。 共模电流：地线中的干扰电流流经两个绕组的方向相同 产生的磁场同相相加。 扼流圈对地回路干扰电流呈现高阻抗， 起到抑制地回路干扰的作用。 4.纵向扼流圈隔离 用于传输的信号中有直流分量或很低的频率分量场合。 8.3.3布线技术 （1）加粗电源线和地线线条，降低直流电阻。 （2）缩短引线，减小引线电感值。 （3）避
16、免相互平行的长信号线，以防止寄生电容。 如果必须平行布线，可在平行线之间插入地线。 （4）前置电路输入端采用地平面保护，减小噪声耦合进入前置电路。 （5）模拟电路与数字电路分开集中布置，两部分的地分开，并在靠近公共基准 电位的位置一点短接共地。 （6）原则上相互有关的器件相对集中布置。易产生噪声的器件（如时钟发生器、 晶体振荡器、CPU时钟输入端子等）集中布置，并尽量远离其它电路部分。 1.印制电路板上的布线技术 （1）单股导线：考虑允许电流值和导线阻抗。 （2）扁平电缆：由多根单股导线相互绝缘地并排粘接构成。 应用于数字信号的并行传输。 扁平电缆的长度不应超过传输信号波长的1/30。 例如对10MHz的信号，其波长为30m,则扁平电缆的长度应在lm以内。 为了减少线间串扰，常间隔安排信号线，信号线间的导线统一接地。 （3）屏蔽线： 在单股导线的绝缘层外，再罩
