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1、1 第二章电磁兼容测试的基础知识主题内容 电磁干扰与电磁敏感度传导干扰与辐射干扰模型测量值的基本单位测量接收机定量测试与环境电平测试系统中干扰及其形成机理 补充1 信号完整性问题及其解决方法 高速数字系统中的信号完整性及其产生机理 补充2 印制板与整机 系统在辐射干扰及传导干扰的规定值的理解与执行方面的差异 补充3 2 第一节电磁干扰与电磁敏感度一 定义由电磁骚扰源发射的电磁能量 经过耦合途径传输到敏感设备 这个过程称为电磁干扰效应 因此 形成电磁干扰后果必须具备三个基本要素 所有形成的电磁干扰都是由三个基本要素组合而产生的 它们是 电磁干扰源 对该干扰能量敏感的接收器 将电磁干扰源传输到接收
2、器的媒介 即传输通道 相应地对抑制所有电磁干扰的方法也应由这三要素着手解决 电磁干扰 由电磁骚扰造成的一个器件 一台设备或一个系统的性能下降 电磁骚扰 可能引起一个器件 一台设备或一个系统性能降级的任何一种电磁现象 注意 电磁干扰与电磁骚扰定义区别和内在关系 3 1 电磁骚扰源任何形式的自然现象或电能装置所发射的电磁能量 能使共享同一环境的人或其它生物受到伤害 或使其他设备 分系统或系统发生电磁危害 导致性能降级或失效 这种自然现象或电能装置即称为电磁骚扰源 2 耦合途径耦合途径即传输电磁骚扰的通路或媒介 3 敏感设备敏感设备是指当受到电磁骚扰源所发射的电磁能量的作用时 会受到伤害的人或其它生
3、物 以及会发生电磁危害 导致性能降级或失效的器件 设备 分系统或系统 需要强调的是 许多器件 设备 分系统或系统可以既是电磁骚扰源又是敏感设备 4 为了实现电磁兼容 必须从上面三个基本要素出发 运用技术和组织两方面措施 所谓技术措施 就是从分析电磁骚扰源 耦合途径和敏感设备着手 采取有效的技术手段 抑制骚扰源 消除或减弱骚扰的耦合 降低敏感设备对骚扰的响应或增加电磁敏感性电平 所谓组织措施就是对人为骚扰进行限制 并验证所采用的技术措施的有效性 同时还必须采取 制订和遵循一套完整的标准和规范 进行合理的频谱分配 控制与管理频谱的使用 依据频率 工作时间 天线方向性等规定工作方式 分析电磁环境并选
4、择布置地域 进行电磁兼容性管理等 5 二 电磁环境电磁环境是提出和确定设备或系统电磁兼容设计指标要求 实施电磁兼容的前提 不同的电磁环境对电磁兼容指标的要求也不一样 电磁环境由各种电磁骚扰源组合而成 因此 电磁环境即设备 分系统或系统在执行任务时 可能遇到各种电磁骚扰源的数量 种类分布以及在不同频率范围内功率或场强随时间的分布等有关电磁作用状态的总和 同时 在分析电磁环境时 还应考虑骚扰脉冲的重复频率 脉冲宽度 频谱覆盖范围 骚扰源天线主瓣和副瓣以及极化等因素 6 电磁环境的有害影响主要表现形式为 接收机等敏感设备性能降级 机电设备 电子线路 元器件等误动作 烧毁或击穿元器件 电爆装置 易燃材
5、料等意外触发或点燃等 电磁环境产生有害影响的基本途径是 预期和非预期发射通过敏感设备的接收通道 如天线 传输线 电源线 壳体等进入系统 以及对非预期能量的响应或由于非预期响应而进入系统 消除这种有害影响的方法主要是设备或系统的EMC设计以及频谱管理等组织措施和技术措施 电磁环境分析主要是分析骚扰源 骚扰特性和类型 综合电磁环境的电平危害等级 区分导致性能降级的环境电平和造成永久性损坏的电平 特别是估计最恶劣的环境电平 7 三 电磁干扰的特性与分类 一 电磁骚扰的特性电磁骚扰的特性主要由以下七项参数描述 1 规定带宽条件下的发射电平长期以来 一直延用宽带或窄带发射的概念 也就是将大于参考带宽的骚
6、扰或信号认为是宽带的 而将小于参考带宽的骚扰或信号认为是窄带的 这里 参考带宽即测量仪器的带宽或分辨率带宽 由于对这个概念的理解很不一致 因而出现操作不一致的现象 为了避免因此而引发的问题 逐渐倾向于取消宽带和窄带的概念 而规定固定带宽 并将所有频域极限值用正弦波等效均方根值 RMS 表示 对所有发射极限值进行鉴定 规定带宽条件下的发射电平就成为电磁骚扰的重要特性 8 2 频谱宽度按照电磁骚扰能量的频率分布特性 可以确定其频谱宽度 连续波骚扰中 交流声骚扰的频谱宽度最窄 而脉冲骚扰中 单位脉冲函数的频谱宽度最宽 频谱宽度是决定电磁骚扰频率范围的重要指标 3 波形电磁骚扰有各种不同的波形 波形是
7、决定电磁骚扰频谱宽度的一个重要因素 以脉冲波形为例 由于脉冲频谱中的低频含量主要取决于脉冲的面积 而高频含量与脉冲前后沿的陡度有关 前后沿越陡 所占频谱宽度就越宽 因此 从减小骚扰的角度考虑 脉冲前后沿时间应尽可能缓慢 9 4 出现率电磁骚扰场强或功率随时间的分布与电磁骚扰的出现率有关 按电磁骚扰的出现率可分为周期性骚扰 非周期性骚扰和随机骚扰三种类型 周期性骚扰是指在确定的时间间隔内能重复出现的骚扰 非周期性骚扰虽然不能在确定的周期内重复出现 但其出现时间是确定的 而且是可以预测的 随机性骚扰则不能按预测的方式出现和变化 它 般采用概率论的统计方法进行描述 周期性骚扰和非周期性骚扰一般都是功
8、能性的 即为了用于某种特定的目的而产生的骚扰 如电源产生的交流声骚扰 指令脉冲产生的骚扰等 随机骚扰可能是一种冲击噪声 如内燃机电火系统 马达电刷产生的电火花等 也可能是热噪声或热噪声与冲击噪声的组合 10 5 辐射骚扰的极化特性极化特性指在空间给定点上 骚扰场强矢量的方向随时间变化的特性 取决于天线的极化特性 当骚扰源天线和敏感设备天线极化特性相同时 辐射骚扰在敏感设备输入端产生的感应电压最强 6 辐射骚扰的方向特性骚扰源朝空间各个方向辐射电磁骚扰 或敏感设备接收来自各个方向的电磁骚扰的能力是不同的 描述这种辐射能力或接收能力的参数称为方向特性 7 天线有效面积这是表征敏感设备接收骚扰场强能
9、力的参数 显然 天线有效面积越大 敏感设备接收电磁骚扰的能力也越强 11 二 分类电磁干扰的分类方法很多 常见的有 按照发生源划分 干扰源的性质内 外自然 人为按照传播路径划分 传导 辐射按作用时间划分 连续干扰 间歇干扰和瞬变干扰 4 按频带划分 窄带干扰和宽带干扰 12 电磁干扰源类别 干扰源的性质 自然干扰源类别 人为干扰源类别 13 内部干扰源类别 干扰传输路径 14 图干扰传播路径的复杂性 15 其它分类 按照干扰的产生原因划分例如 造成数字电路工作不正常的干扰可分为 电源干扰 反射 振铃 LC共振 上冲 下冲 状态翻转干扰 串扰干扰 相互干扰 串音 直流电压跌落 16 其它分类 按
10、照设备工作电源的干扰类型造成开关电源质量下降的干扰分为 出现在输出端子上的干扰 电流交流声 尖峰脉冲噪声 回流噪声 影响内部工作的干扰 开关干扰 振荡 再生噪声 造成交流电源质量下降的干扰分为 高次谐波干扰 保护继电器 开关的震颤干扰 雷击浪涌干扰 尖峰脉冲干扰 喷射环电弧 17 四 电磁干扰量值的表征电磁干扰的表征基本上有两种 频域表征 用与频率有关的频谱特性来表示 时域表征 用与时间有关的特性来表示 幅值 前沿 宽度等 例如 构成电磁干扰的场源很多 按频谱划分 则可粗略分为以下五类 1 工频干扰 2 甚低频干扰 3 载频干扰 4 射频 视频干扰 5 微波干扰 18 五 电磁敏感度特性关于电
11、磁敏感性 GB T4365是这样定义的 在存在电磁骚扰的情况下 装置 设备或系统不能避免性能降低的能力 从测量和测试的角度看 我们所关心的是一些敏感设备在遇到辐射或传导干扰时 其工作状态会发生怎样的变化 电磁敏感度特性测试 关注的是被测件刚刚出现性能降低时外部施加的干扰量 19 第二节传导干扰与辐射干扰模型一 传导干扰与传输通道模型电磁干扰源中的2大类 传导干扰和辐射干扰传导干扰 是指沿着导体传播的 所以任何导体 如导线 传输线 电感器 电容器等都是传导干扰的传输通道 形成干扰的主因有不带任何信息的噪声及带信息的无用信号 20 1 传导干扰源传导干扰源按带不带信息可以分为信息传导干扰源和电磁噪
12、声传导干扰源两类 信息传导干扰源指的是带有信息的无用信号对接收器产生干扰 电磁噪声传导干扰源指的是不带任何信息的电磁噪声对接收器产生的干扰 例如 电源开关的瞬间产生的火花对一个敏感电路就可能会产生干扰 一个带信息的信号在一个通道中是有用的信号 如果它进入别的通道中去 就是带信息的无用信号 将对别的通道形成干扰 由此看出 任何一个电子设备都可能成为一个干扰源 21 2 传导电磁干扰传输通道传导电磁干扰的途径称之为传导电磁干扰传输通道 传输通道能把 传导 干扰源所产生的电磁干扰沿着传输通道线路传给接受器的输入端 并且在接受器中产生相应的干扰电流和电压 电磁干扰传输通道是电磁干扰三要素之一 因此 研
13、究电磁干扰传播问题就是研究分析干扰源和接受器之间的传输途径问题 传导电磁干扰传输是指设备或电路与其他设备或电路之间的电联系 这种传输能把一个设备或电路中的电流和电压 通过传输途径在另一个设备或电路里产生相应的电流或电压 因此传输起着把电磁能量从一个设备或电路传送到另一个设备或电路中去的作用 22 3 传导电磁干扰频谱任何种类的干扰都与干扰源的功率 频率有关 这里需要讨论频率问题 传导干扰信号的频谱 测量表明 传导干扰信号的频谱由最低可测的频率到1GHz以上的频段都有出现 通常情况下 频率最高为几十MHz以下 这是因为当频率升高时 由于导体损耗以及布线电感和分布电容的作用 使传导电流大为衰减 常
14、见的传导干扰源及传导干扰频谱范围 23 4 抑制传导干扰的有效办法构成干扰的三要素是干扰源 传输通道 接收器 因而 抑制传导干扰也应从这三个方面着手研究 A 传导干扰源的处理 1 如果传导干扰源是产生强电磁场元件 如线圈 变压器等 在布置时应远离接收器或加以屏蔽 2 如果传导干扰源是频率相同的电路 如接收机的高频放大 输入及振荡电路 它们之间的交链容易引起自激振荡 因此布置应相隔远些 3 移去对系统工作无用的 有潜在的干扰设备的电源 4 应尽可能使设备工作在设计曲线线性最好的部分 以便输出所含谐波分量最小 24 24 25 5 如果干扰源的工作波形是脉冲形状 应控制跃变时间 因为当脉冲上升沿较
15、慢且持续时间较长时 产生的电磁干扰最小 随着脉冲宽度减少且上升时间缩短 脉冲中的高频成分的幅度将增加 所以一个控制装置或其他脉冲的上升时间只需快到能在指定的时间内保证可靠工作即可 不要使振荡器和开关器件的工作速度高于性能所需要的速度 6 电弧放电 当两个物体之间的电位差大到足以使它们之间的绝缘击穿时就会产生电弧 因此要尽量避免出现电弧放电 电弧放电的能量取决于产生放电现象的触点闭合的形式 因而要选择好触点的形式 26 B 传输通道的处理 1 缩短电磁干扰传输通道的长度 使电路中的导线尽量短 2 将带有电磁干扰的导线和元件与连接接收器的布线隔离 3 将带有电磁干扰的元件的回线与接收器回线隔离开来
16、 4 用粗的隔离线和隔离套来减少级间的电容耦合 5 各级电路的连接导线应尽可能缩短 尤其是高频电路布置 6 对高频电路 应尽量避免平行排列导线 特别不能像低频电路那样将各种导线扎成一束 一些可能引起交链的导线 如晶体管c b极引出导线 放大器的输入输出导线 应尽量避免相距过近和平行排列 27 7 减小引线电感 以使感应电压减到最小 当频率升到高频时 引线会呈现串联电感 甚至合成电阻也会出现引线电感 这些电感再加上杂散电容则可能形成并联谐振回路 由于介质损耗电容器也会呈现串联电阻 并有引线电感 因此 在设备的布线设计时 必须十分注意 以减少这些效应 8 产生电磁干扰的元件应尽量靠近与它们相关联的负载 以使耦合路径最短 9 由同一电源总线馈电的几个设备之间 必须用旁路电容去耦 在干扰极严重的情况下 可以用齐纳二极管或分别供电的方法来隔离设备间的耦合 有时需要对潜在的干扰源 如触发器及其他数字电路 和敏感器件 如低电平场效应晶体管放大器 专门去耦 10 滤波器对于防止干扰以及把信道中的能量输送到指定的设备上是很重要的 例如 电源线滤波器应该安装在靠近直流电动机处 把 型滤波器接到电动机上能使
